중력 기반 에너지 저장 기술(GESS, Gravity Energy Storage System)은 중력의 물리적 원리를 활용하여 에너지를 저장하는 차세대 에너지 저장 시스템입니다. 재생에너지의 출력 불안정성과 전력망의 수급 불균형을 해소하기 위한 장기 저장 솔루션으로 GESS는 최근 글로벌 에너지 산업에서 주목받고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 달리, 화학반응이 없고 수명이 길며 대규모 저장이 가능하다는 점에서 각광받고 있으며, 한국을 포함한 세계 여러 국가에서 실증 및 상용화가 활발히 진행 중입니다. 본 글에서는 GESS의 개념, 작동 원리, 기술적 효율성을 중심으로 상세히 살펴봅니다.
중력 기반 에너지 저장 기술(GESS)의 개념과 원리
중력 기반 에너지 저장 기술(GESS)은 무거운 물체를 중력 에너지를 이용해 고도 차이를 활용하여 전기를 저장하고 다시 생산하는 방식입니다. GESS는 기본적으로 ‘위로 올릴 때 에너지 저장, 내려올 때 에너지 생산’이라는 단순한 물리 원리에 기반하고 있으며, 대표적인 예로는 수력 발전의 양수식 저장이 있습니다. 하지만 GESS는 물이 아닌 고체 질량체를 활용한다는 점에서 차이가 있습니다. 최근 상용화가 진행 중인 GESS 시스템은 주로 콘크리트 블록, 철제 질량체, 중량 모듈 등을 고층 구조물 내에서 전동 장치를 이용해 위로 들어 올린 후, 필요시 중량체를 하강시키면서 발생하는 중력 에너지를 발전기로 변환하여 전력을 생산하는 구조를 가집니다. GESS의 가장 큰 장점은 물리적 저장 방식으로 화학적 열화가 없다는 점입니다. 따라서 20년 이상의 긴 수명을 기대할 수 있으며, 충·방전 횟수에 따른 성능 저하가 없습니다. 또한 GESS는 장기간 저장, 대용량 설계가 가능하며, 재사용 및 확장이 쉬운 모듈형 구조를 채택하고 있습니다. 무엇보다 충·방전 효율이 75%~85%로 우수하며, 에너지 손실이 적고 화재나 폭발 위험이 없다는 점에서 기존 배터리 ESS보다 안전성이 뛰어납니다. 현재 스위스의 Energy Vault, 영국의 Gravitricity, 중국의 Gravity Energy 등 여러 글로벌 기업들이 GESS 시스템을 개발 및 실증 중이며, 한국에서도 최근 일부 지자체와 연구기관이 GESS 기술 도입을 검토하고 있습니다.
GESS의 효율과 장단점
GESS 시스템의 충·방전 에너지 효율은 약 75%~85%로, 대부분의 배터리 기반 ESS와 유사한 수준입니다. 특히 GESS는 열 발생이 거의 없기 때문에 별도의 냉각 장치가 필요하지 않으며, 장기 저장에도 에너지 손실이 거의 발생하지 않는다는 점에서 경제성이 뛰어납니다. 시스템 구조가 단순하고 유지 보수 주기가 길어 운영 비용이 저렴하며, ESS를 대규모로 설치하는 경우에도 화재, 폭발, 유해물질 누출 등의 위험이 없어 안정성이 매우 높습니다. 그러나 GESS는 공간 효율성 측면에서 일부 한계가 있습니다. 대형 질량체를 수직으로 이동시키기 위해 고층 구조물이나 깊은 지하 공간이 필요하며, 도심 내 설치는 사실상 어려운 경우가 많습니다. 또한, 초기 설치 비용이 상대적으로 높은 편이며, 물리적 구조물 제작에 필요한 자재 비용과 토목 공사 비용이 상당히 소요될 수 있습니다. 다만, GESS는 수명 동안 충·방전 효율 저하가 없기 때문에 장기적으로 보면 리튬 이온 ESS보다 경제적일 가능성이 크다는 평가를 받고 있습니다. 특히 GESS는 대규모 풍력, 태양광 발전소와의 연계에서 매우 유리합니다. 재생에너지는 전력 생산량의 급격한 변동이 자주 발생하는데, GESS는 즉시 전력 수급을 조절할 수 있어 전력망 안정화에 효과적입니다. 또한, GESS는 계통 연계 보조 서비스, 비상 전력 공급, 장기 저장이 필요한 신재생 전력 시장에서 주목받는 차세대 기술로 빠르게 자리 잡고 있습니다.
GESS의 상용화 현황과 한국의 개발 동향
현재 GESS는 스위스의 Energy Vault가 세계 최초로 상용화 실증 프로젝트를 성공적으로 진행하고 있으며, 이 기술은 35층 높이의 크레인 구조를 활용해 35톤짜리 콘크리트 블록을 고도 120m까지 올렸다가 하강시키며 전기를 생산하는 방식으로 설계되었습니다. 이 시스템은 에너지 저장 용량 35MWh, 출력 5MW 수준으로 대형 ESS와 유사한 성능을 보이며, 2024년부터 상업 운전을 목표로 하고 있습니다. 영국의 Gravitricity는 광산 지하 공간을 활용하는 GESS 시스템을 개발 중이며, 폐광을 활용하여 3,000톤의 무거운 추를 수직으로 올렸다가 내리는 방식으로 에너지를 저장하는 기술을 시연하고 있습니다. 중국 역시 대규모 GESS 건설 프로젝트를 추진 중이며, 중국 전력 공사는 향후 대형 풍력 단지와 연계한 GESS 설치를 본격화할 계획입니다. 한국의 경우, 아직 GESS 상용화 단계는 아니지만, 정부와 기업이 차세대 ESS로 GESS 기술을 전략적으로 검토하고 있습니다. 한국에너지기술연구원, 한국전력, SK E&S, 두산중공업 등은 현재 GESS 시스템의 구조 설계, 질량체 소재 개발, 충·방전 효율 최적화 연구를 진행하고 있습니다. 한국은 도심 지역보다는 풍력·태양광 단지 인근, 폐광산, 산업단지 등에 GESS를 적용할 가능성이 높으며, 특히 풍력 발전이 활발한 제주도, 서해안 지역에서 실증이 검토되고 있습니다. 향후 한국은 GESS의 국산화, 유지보수 최적화, 수명 예측 기술 개발을 통해 국내 에너지 저장 시장에서 가격 경쟁력을 확보할 것으로 전망됩니다. GESS는 장기적으로 배터리 ESS, 수소 저장과 함께 차세대 전력망의 핵심 솔루션이 될 가능성이 높습니다.
중력 기반 에너지 저장 기술(GESS)은 친환경적이고, 안전하며, 장기적 경제성이 뛰어난 차세대 에너지 저장 기술로 평가받고 있습니다. 화학적 열화가 없고, 대규모 재생에너지 연계에 최적화된 GESS는 향후 에너지 시장의 새로운 대안으로 떠오를 것입니다. 한국 역시 GESS 기술 개발을 본격화하며, 글로벌 경쟁에서 주도권을 잡기 위한 기반을 다지고 있습니다. 앞으로 GESS 기술의 실증 확대와 상용화 진전에 지속적인 관심을 가져야 하며, 에너지 산업 종사자, 기업, 연구기관은 이 기술을 주목할 필요가 있습니다.