에너지저장장치
1. 기술 출현 배경
전기는 사용상 편리에 따라 우리가 사용하는 에너지의 형태 중 가장 광범위하게 사용되고 있는 에너지원이다. 그러나 ‘전기는 저장할 수 없다(대규모로 저장하여 유통하는 것은 불가능하다)’는 속성에 따라, 시시각각 변화하는 전기수요에 즉각적으로 대응하기 위해 응답속도는 빠르나 생산단가가 높은 발전소들의 가동이 불가피하였다. 발전용량의 확대에 따른 예비전력 필요성 증가, 4차 산업의 대두에 따른 수요예측의 어려움 등에 따라 잉여전력을 저장하여 활용하는 전력저장기술에 대한 수요가 증가하였으며, 특히 출력이 불안정하거나, 한정된 시간에만 출력이 가능한 재생에너지의 확대에 따른 전력공급의 안정성 차원에서 에너지저장장치(ESS ; Energy Storage System)의 도입이 그 해결책으로 부상되었다.
캘리포니아계통운영기구(CAISO; California Independent System Operator)는 태양광발전에 의한 주간 전력초과공급 및 일몰 후 전력 출력의 가파른 감소에 따른 Ramping 서비스(전력공급 안정화 서비스) 필요성에 대한 Duck chart를 아래와 같이 제시하며, 이러한 risk가 2020년까지 지속 증가할 것으로 예견하였다. 풍력에너지의 간헐성, 태양광에너지의 Duck-curve 극복을 위한 ESS 설치 필요성이 점증하고 있다.
Overgeneration from Solar Energy in California, NREL, 2015
개념
2.1. 에너지저장장치 개념
에너지저장장치와 에너지저장시스템은 일반적으로 동의어로 사용되나, 굳이 구분하면, 전자는 리튬전지와 같은 기존의 중소형 2차 전지를 대형화하거나 회전에너지, 압축공기 등 기타 방식으로 대규모 전력을 저장하여 이용하는 장치를 말하며, 후자는 생산된 전력을 전력시스템·계통(Grid)내에 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 높이는 시스템을 말한다고 할 수 있다.
2.2. 에너지저장시스템의 주요 용도
기술출현배경에서 언급된 바에 따라 다양한 용도로 에너지저장장치가 활용되나, 크게 전력부하 평준화와 전력품질 제고의 목적으로 나뉜다.
전력부하 평준화의 경우 발전단, 송배전단, 부하단에서 각각 에너지저장장치가 사용될 수 있다. 또한, 계통의 크기에 따라 변수는 있으나, 재생에너지가 전체 발전량의 10~15%를 넘길 경우 전력망 불안정에 따라 전력품질에 피해를 야기할 수 있어, 출력변동성이 심한 재생에너지를 고품질전력으로 전환하여 전력계통에 연계하는데 이용된다.
에너지저장 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020), 지식경제부. 2011
3. 기술의 구성요소 및 기술적 특징
에너지저장장치는 그 종류에 따라 구성요소 및 기술적 특징이 다양하므로, 대표적인 저장장치에 대해 간략히 언급하여 보면 다음과 같다.
3.1. 에너지저장장치의 종류 및 기술적 특징
에너지저장 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020), 지식경제부. 2011
3.2. 리튬이온전지 에너지저장장치 구성
세계적으로 그 비중이 크게 증가하였고, 국내의 경우 상용화된 에너지저장장치의 대부분을 차지하는 리튬이온기반 에너지저장장치는 기존의 중소형 2차 전지를 대형화한 시스템으로, 배터리, BMS(Battery Management System), PCS(Power Conditioning System)로 구성되며, 이를 종합적으로 운영하기 위한 관리시스템(PMS; Power Management System, EMS; Energy Management System)이 필요하다. 또한 상기한 기본적인 구성요소 외에도 실구축시에는 안정적 충방전 환경 제공을 위한 공조설비 및 안전관리를 위한 모니터링시스템이 수반되어야 한다.
배터리 구성 예 : Cell ⇨ Module ⇨ Rack ⇨ LiB System 으로 구성
BMS : 배터리 관리시스템은 상태측정(SOC; State Of Charge), 모니터링, 최적운전 제어, 보호, 데이터 이력관리, 외부 통신 등 기능 수행 PCS : 배터리와 전력계통간의 양방향 전력제어, 충․방전제어 및 BMS와 PMS간 데이터 인터페이스 기능 수행
4. 기술 전망 및 국내외 주요 활용 사례
4.1. 기술 전망
리튬이온전지 기반의 에너지저장장치의 경우, 초기 시장 창출에 따라 field의 real data가 축적되고, 가격 경쟁력이 크게 제고되었다. 구성요소 중 효율과 가격에 가장 큰 영향을 주는 배터리 제조의 경우 국내 일부 기업이 일본, 중국 등과 함께 업계를 주도하고 있으나, 소재나 부품 등과 관련한 기술은 보완이 필요하다. 그동안 고효율 PCS 등 다양한 분야의 국가 R&D가 추진되었으며, 2017년 에너지기술개발 실행계획(산업부)에서는 국내외 실증강화와 (전기차, 계통연계 등 신규 ESS시장의 주도권을 확보하기 위한) 혁신적인 고에너지밀도의 중대형 2차전지 개발을 방향성으로 제시하고 있다.
4.2. 국내외 주요 활용 사례
에너지저장장치는 미국, 독일, 한국, 중국을 중심으로 설치되고 있다(2016년 기준, 4개국 설치 용량이 전세계의 70% 상회). 전 세계 주요 프로젝트 및 설치 동향에 대해 http://www.energystorageexchan... (미국 에너지부(DOE)에서 운영, Sandia corporation)에서 관리)에서 아래와 같이 확인 가능하다.
우리나라의 경우 산업통상자원부에서 시행한 스마트그리드보급지원사업(2012~2015)을 통해 초기시장 창출 및 기업들의 track-record 확보를 지원하였다. 해당 사업은 주로 수용가의 피크감소, 부하평탄화를 통한 전력요금 인하를 목적으로 활용되었으며, 가파도 마이크로그리드 구축을 위한 풍력연계 시스템으로 구축한 바도 있다. 이후 한국전력공사의 주파수조정용 ESS사업(2014~2017)을 통해 주요 제품 단가 인하 및 집적·응동 관련 기술발전 성과를 거양하였으며, 향후 소재 기술 연구, 안정적인 산업 생태계 조성, 운영·안전관리의 고도화를 과제로 남겨두고 있다.
5. 스마트시티 적용 시사점
스마트시티는 교통, 환경, 에너지 등 도시 기능을 효율화하여 삶의 질을 향상시키고, 지속가능성을 추구하는 도시를 말한다. 이러한 스마트시티의 구현을 위해 재생에너지의 확대, 자율전기차 전용도시, 제로에너지건축물 등 발전, 수송, 주거 각 분야에서 에너지전환을 추진할 예정이다.
재생에너지의 확대, 제로에너지건축물 및 VPP(Virtual Power Plant) · V2G(Vehicle to Grid)의 도입 시 전력공급 불안정성 및 전력품질 저하를 극복하기 위해, 에너지저장장치의 연계구축 필요성은 더욱 증가하고 있다. 특히 전생애주기 친환경차를 달성하기 위해 태양광에너지-전기차 충전 연계시, 한정적인 발전시간, 주행패턴과 충전소요시간 등을 고려하여 에너지저장장치 도입 여부 및 적정용량을 검토하여야 한다.