에너지 저장 체계
한자어: 에너지 저장 시스템, 에너지 저장 장치, 에너지 저장 체계 등
영어: Energy Storage System, 이를 축약한 ESS라는 두문자어가 주로 사용된다.
1. 개요
에너지 저장 체계란 다양한 종류의 에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있도록 일련의 저장 장치로 구성된 체계를 지칭하는 명칭이다. 토폴로지도 다양하고 목적도 다양하다보니 온갖 종류의 제품이 있는데 여기서는 주로 전력을 저장하는 시스템에 대해 설명한다.
2. 에너지 저장과 사용이 필요한 이유
구 시대의 전력망(또는 정속 발전기)을 떠올려보자. 발전소(발전기)와 송배전망(전선)과 수용가(부하)가 있다. 수용가의 부하는 다양하며(발전기에 연결되는 기기는 다양하며) 수용가의 부하량은 시시각각 변할 수 있다.(발전기에 연결되는 기기의 부하 총산은 증감한다.) 이때, 구형의 전력망이나 발전시스템은 증감하는 부하에 대응하기 위해 항상 일정량의 여유분을 가지고 있어야 한다. 발전소에 설비 여유율이라는 것이 바로 그 수치인데, 부하의 변동에 대응하기 위해 단계적으로 발전소를 끄고 켜게 되는것이 바로 이것이다. 그리고 설비 여유율, 즉 가동중인 발전소의 용량 총 합과 현재 송배전망의 부하의 차이만큼 발생하는 설비 여유율은 발전소의 손실로 오게된다. 발전소를 운영하는 데 있어서 기본적으로 들어가는 동력이 있기 때문. 정속발전기가 전부하 상황에서 6시간을 간다면 4분의 1부하에서는 8시간 운전이 가능한 경우가 대부분인데 동일한 개념으로 이해할 수 있다. 발전에 소요되는 에너지는 기기의 정격 최대 용량이든 각 발전소별 최대 설비용량이든, 아니면 4분의 1이라는 부분부하이든(최고효율점 이하의 저부하이든) 크게 차이가 나지 않는다.
이에 따라 부하에 따른 순시성을 확보하고자 하면, 높은 설비용량으로 인해 큰 손실이 발생하며 반대로 첨두부하의 빠른 증감에 대응하는 체계가 없을 경우 전체적인 에너지 생산비용을 절감되나 순시부하에 대응하지 못해 전체 시스템이 불안정해지는 문제가 발생한다. 그래서 전체 시스템의 안정성을 올리면서도 에너지 생산 비용을 줄이기 위해선 기저부하 상황에서 여유있는 발전설비의 용량을 사용해 에너지를 저장하고 첨두부하 상황에서 에너지를 방출해 설비용량 이상의 부하 상황에서 추가적인 설비 기동없이 낮은 비용으로 에너지를 공급할 수 있는 시스템이 필요한 것이다. 덕분에 ESS 라는 분야가 발전하기 시작했다.
3. 에너지 저장장치의 다양한 종류
첨두부하를 처리하기 위한 방법은 두 가지가 있다.
- 첨두부하의 발생 전 첨두부하가 소비하는 에너지원을 저장하였다가 첨두부하 발생 시 방출해 부하 변동을 경감
- 첨두부하의 결과물을 미리 기저부하 시기에 돌려 저장해두었다가 부하 소스 발생 시 공급해 부하 변동을 경감
4. 에너지를 저장하는 여러 가지 방법
4.1. 화학적인 방법으로 저장하기
흔히 사용되는 리튬 2차 전지가 이에 해당한다. 납산 전지나 니켈 전지 역시 마찬가지. 화학적인 방법으로 전기 에너지를 저장하였다가 필요한 경우 꺼내 사용한다. 용량을 크게 하는데는 불리하나 에너지 저장 밀도나 에너지 방출 밀도를 올리기엔 대단히 유리하며, 성숙된 기술을 바탕으로 다양한 어플리케이션에 적용하는 데 수월하다. UPS도 여기에 해당되는 방법이며. ESS 역시 ESS 에 몇 가지 장치를 더하면 대단위 UPS 로의 구성이 가능하다. 이 부분은 시제품 일람에서 별도 서술.
이분야에서 주목받는 기업은 전기승용차로 유명한 테슬라사. 자동차뿐 아니라 리튬배터리 기반의 에너지 저장장치에서도 성과를 내고 있는데 호주 사우스오스트렐리아주에 129 MWh / 100 MW 용량의 송전망급 파워팩을 2017년 말까지 가동하기로 계약했다. # 이는 화학적 에너지 저장시설로는 세계 최대의 시설규모이다. 호주의 다급한 전력사정으로 긴급한 건설을 요청하자 테슬라 CEO 엘론 머스크는 계약하고 100일 안에 가동하지 못하면 돈 받지 않겠다는 호기를 부리기도 했다. 정확한 계약액은 발표되지 않았으나 엘론 머스크가 100MWh+급 시스템 이상은 $250/kWh에 공급할 수 있다고 밝힌 적이 있어서 129 MWh 용량이면 약 3천 235만 달러쯤 된다. 2017년 초에는 미국 캘리포니아에 80 MWh급 전력저장시설을 공급 6개월 만에 성공적으로 완공한 실적이 있어서 호주 전력 저장시설도 낙관적이다. 발전량이 일정하지 않은 대규모 태양전지 발전소나 풍력발전소의 출력을 전기 수요에 맞추는 데 적합한 방식이다.
전기차를 폐차하거나 배터리를 교체하면서 나오게 되는 폐배터리의 처리가 문제가 되고 있는데, 폐배터리를 전기차 충전소에 ESS로 재사용하는 방법이 주목받고 있다. #
전기차 자체의 배터리를 에너지 저장장치로 이용하는 방법도 구상되고 있다. 주차된 전기차의 배터리에 전력을 축전했다가 전력 수요가 많을 때 끌어다 쓰는 방식이다.
플로우 배터리라는 방식도 있는데 액체로된 염류 전해액을 전기에너지로 분해해서 두 개의 탱크에 분리해서 담아두었다가 전기가 필요하면 분리된 전해액을 다시 반응막 사이에서 전지처럼 반응시켜 전기로 환원시키는 방식이다. 용량 대비 부피는 크지만 전기 저장 용량은 전해액 저장탱크만 크게하면 되므로 저장용량을 확대하기가 쉽다. 독일에서는 천연가스 저장시설로 쓰이던 지하 암염 동굴을 이용해서 100 MW/700 MWh급 플로우배터리 시설의 건설을 추진중이다. 독일 베를린 시에 한 시간 동안 전력을 공급할 수 있을 정도의 용량이다.
아직 연구중이지만 상용화에 근접한 방식으로는 나트륨 이온 전지가 있는데, 납/니켈 전지에 비해 에너지 밀도도 높고 리튬 이온 전지에 비해 안전성[1]이 높지만 비용은 납 축전지와 비슷한 수준이므로 상용화가 된다면 중금속 문제가 있는 납 축전지와 화재 위험이 있는 리튬 이온 전지를 대체하여 전력 저장 시설에서 널리 사용될 것으로 예상된다.
배터리는 직류(DC) 전력만 저장할 수 있으므로 교류 전력망과 연계된 에너지 저장 시설에서는 충전 및 방전을 위해 정류기와 인버터를 이용하여 전력을 변환해야 하므로 손실이 일부 발생한다. 이러한 이유로 데이터 센터와 같은 일부 시설에서는 정류기로 외부 전력을 정류한 뒤 시설 내부의 배터리와 직류 전력망으로 공급하여 인버터를 이용한 변환 과정을 생략하는 경우도 있다.
4.2. 전기적인 방법으로 저장하기
전기 이중층 캐퍼시터나 pseudocapacitor[2] 등의 슈퍼 커패시터를 사용하여 저장하는 방법이다. 전기 에너지 그 자체를 슈퍼 커패시터에 담았다가 순간적인 첨두부하 시 대규모로 공급하게 된다. 에너지 저장 밀도는 상당히 낮으나 에너지 방출 밀도가 매우 높아 순간적으로 엄청난 부하가 걸리는 경우 (ex 스폿 용접기. 스폿 용접기에 슈퍼 커패시터를 쓰는 경우) 전원부의 규모가 크게 경감된다. 또는 장시간이 아닌 단시간의 정전 (ex. Sag보호설비)에 이러한 시스템이 쓰인다. 주로 볼 수 있는 것은 FANUC 사의 ai series 시스템인데, Series 31i-MODEL B 등의 CNC 컨트롤러와 더불어 서보앰프에 물려지는 공용 DC 링크단에 백업 캐퍼시터를 물려 단시간의 정전에 대응[3] 하며 LS머트리얼즈에서 나오는 SAG 보상기 등 슈퍼 커패시터와 인버터를 결합해 단시간 정전 시 인버터를 통해 초 대규모 전력을 전력망으로 역송출하여 주변 기기를 백업하는 기기도 있다.
4.3. 물리적인 방법으로 저장하기
4.3.1. 양수발전 시스템
물을 높은 곳으로 끌어올려 저장해두었다가 필요한 경우 하류로 방출하며 발전하는 방법이다. 국가적인 규모로 하는 설비이며 주로 양수 발전소로 불린다. around(travel) eff 수치가 낮은 것이 단점이나 대규모로 시공이 가능하며, 저장용량이 높아 다양한 용도로 쓸 수 있는 것이 장점이다. 농업용수 공급, 수재 예방 등 수력발전소가 갖추고 있는 장점도 갖추고 있다. 출처 한국의 경우 7개의 양수발전식 에너지 저장체계를 사용하며 각 이름과 부가 정보는 다음과 같다.
2031년까지 충청북도 영동군, 강원도 홍천군, 경기도 포천시에 신규 양수발전소를 건설할 예정이다. 기사
4.3.2. 플라이 휠 시스템
무식해보이지만 슈퍼 커패시터를 사용하는 방법과 용도가 비슷하다. 운동에너지를 저장했다가 비상시 이 운동에너지로 발전하는것. 짧은 시간만 사용가능하지만 일단 반영구적인 수명에다가 슈퍼 커패시터를 쓰는것보단 저렴하기 때문에 사용된다.
4.3.3. 철도형 에너지 저장 시스템
용도 폐기된 광산용 철도 시스템을 이용한 에너지 저장 시스템으로, 미국 ARES("발전형 철도 에너지 저장"의 약자)라는 회사가 이용하고 있다. 원리는 양수 발전과 같이 위치 에너지를 이용하는 것인데, 물을 퍼올리는 게 아니라 무거운 화물차들을 언덕 위로 끌어올리는 방식이라는 차이가 있을 뿐. 물론 이미 건설된 폐철도와 언덕이 있는 경우에만 경제성이 있는 시스템이라 범용성은 높지 않다. 전철화가 되지 않은 폐선이라면 화물차와 전력을 주고받기 위한 전차선이나 제3궤조[4]를 별도로 설치해야 하는 것은 덤이다.
4.3.4. 압축공기 에너지 저장 시스템
암염광산이나 폐광 등 거대한 지하공동에 전기가 남아돌 때 공기를 고압으로 압축하여 저장하고 전기가 필요할 때 압축된 공기로 터빈을 돌려 발전하는 방식. 이미 발전소급 대형 설비가 건설 중이고 지하에 비교적 소형의 설비로도 건설할 수 있다.
4.3.5. 용융염 에너지 저장 시스템
태양열 발전 시설에서 주로 쓰는 방법으로, 발전시 남아도는 열을 이용하여 소금[5]을 녹인 뒤 단열 탱크에 보관하였다가 태양으로부터 열을 공급받을 수 없는 밤이나 흐린 날에 소금에 저장된 열에너지를 이용하여 터빈을 돌린다.
4.3.6. 액체 공기 에너지 저장 시스템
공기를 극저온으로 냉각하여 액체 상태로 만든 뒤 단열 탱크에 보관하였다가 전력이 필요할 때 기화하는[6] 액체 공기로 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 압축공기 에너지 저장 시스템에 비해 차지하는 공간이 적다.
4.3.7. 승강기/크레인 에너지 저장 시스템
승강기나 크레인을 이용해 무거운 블록을 높이 끌어올린 후 전력이 필요할 때 천천히 내려보내서 에너지를 얻는 방식이다. 양수 발전이나 철도형 에너지 저장 시설처럼 위치 에너지를 사용하는 원리이지만 공간을 적게 차지한다.
4.3.8. 태엽
태엽은 스프링의 탄성에 에너지를 저장하는 방식으로 오래전부터 소형 기계에 널리 사용되었으며 현재도 손목시계 등에 사용된다. 고무의 탄성을 이용하는 경우는 태엽이 아니라 "고무동력"이라 부른다. 대개 장난감 비행기나 배에 이용되는 방식. 대용량 저장 체계에는 거의 사용되지 않는다.
[1] 나트륨의 반응성이 리튬보다 높기 때문에 더 위험하다고 생각될 수 있으나, 실제로는 그렇지 않다고 한다. 나트륨이 순수한 금속이 아닌 화합물 형태로 들어가기 때문이다.[2] 이쪽은 약간 전기화학적이지만 배터리랑은 관련이 없다.[3] 2레벨 대응. 링크 전압 강하에 따라 2단계로 나뉘며 정전 이후 계속 작업(1)하다가 일정 전압 이하에선 안전정지(2)하고 최종적으로 시스템을 종료한다.[4] 가공전차선보다 구조가 간단하고 건설비가 저렴하여 철도형 에너지 시스템에서 자주 활용된다.[5] 일반적인 소금(NaCl)과는 다른 물질로, 녹는점이 상대적으로 낮다.[6] 공기가 액체에서 기체로 변할 때 부피가 크게 늘어난다.