에너지저장기술은 분류 기준에 따라 다양하게 분류된다.에너지저장 기술과 시스
템은 생산한 에너지를 기준으로 전기저장(Electricity Storage)과 열저장(Thermal
∙ 압축공기저장장치(CAES, Compressed Air Energy Storage)
∙ 플라이휠(flywheel)
∙ 슈퍼커패시터(Super-capacitor 또는 Ultra-capacitor)
∙ 초전도에너지저장(SMES, superconducting magnetic energy storage)
종 류 작동 원리 및 특징
Flywheel 전기 단주기 송전/배전 90∼95 130∼500
슈퍼커패시터 전기 단주기 송전/배전 90∼95 130∼515
PHS CAES LIB NaS Flywheel SMES Super
(MW) 1∼24h+ 1∼24h+ min∼h s∼h 15S∼
15min ms∼
5min ms∼1h s∼24h+
Response time s∼min 5∼
15min ms ms ms ms ms s
Energy density
(Wh/㎏) 0.5∼1.5 30∼60 75∼250 150∼240 5∼130 0.5∼5 0.1∼15 800∼104 Power density
efficiency(%) 75∼85 42∼54 85∼100 85∼90 85∼95 95 85∼98 20∼50 Life
(year) 50∼100 25∼40 5∼15 10∼15 20+ 20 20+ 5∼15 Cycles 20,000∼
4500 105∼107 10,000 104∼108 1,000+
<표 3-4> 전기저장기술별 성능 수준 및 기술적 특성
1) 양수발전(PHS, Pumped Hydro Storage)
양수발전은 가장 오래되고 널리 사용되고 있는 대표적인 에너지저장기술이다.양 수발전은 위치에너지를 이용하여 발전하는 기술로,잉여 전력을 이용하여 하부저수 지의 물을 상부저수지로 끌어올려 저장하고 필요 시 낙차를 이용해 전력을 생산한다.
발전방식은 수력발전과 유사하다.양수 발전은 대용량이 발전이 가능하고 기동성이 뛰어나 예비 전력용의 역할 수행과 전력 수요 변동에 신속히 대응할 수 있다.
양수발전은 대용량화가 용이하고 발전단가가 낮은 장점이 있으나,낮은 에너지저 장 효율,환경파괴,입지제약이 단점으로 거론된다.현재 전 세계적으로 활용되고 있 는 전력저장장치의 95% 이상이 양수발전이다.
2) 압축공기에너지저장(CAES, Compressed Air Energy Storagel)
CAES(CompressedAirEnergyStorage)는 전기가 남을 때 잉여전력을 이용해 공기 를 압축하여 암반공동,암염공동,대수층,천연동굴,폐 갱도 및 폐 터널 등 저장시설 에 저장하고,필요할 때 저장된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 방식이다.
CAES기술은 20MW급부터 수백 MW급까지 대용량 에너지저장이 가능하며,발전단 가가 낮고 유지 및 보수가 용이한 장점을 가지고 있다.또한 출력이 높고 내구연한이 통상 30년으로 수명이 긴 장점이 있다.그러나 지리적 제약이 따르고 초기 구축비용 이 높은 단점이 있다.
독일은 1978년 세계 최초로 Huntorf발전소에 290MW급 CAES플랜트를 건설,저 장효율이 45% 정도로 비교적 낮지만 아직까지 운영되고 있다.Huntorf이후 추가적 으로 EnBw(600MW),ADELE(200MW)에서 CAES 프로젝트가 추진되었다.미국도
’91년 Alabama주의 McIntosh발전소에 110MW급 상용 CAES플랜트를 완공하고 이 후 추가 건설하여 348MW 저장시스템을 운영하고 있다.McIntosh발전소는 배기열 회수 이용으로 독일의 Huntorf발전소보다 CAES의 효율을 77% 수준으로 높였다.또 한 미국에서는 스마트그리드 사업의 하나로 보조금 지원을 통해 PG&E(300MW)및 NYSEG(150MW)CAES사업이 추진되었다.일본과 중국에서 CAES연구와 실증사업 이 진행 중에 있다.일본은 ’98년부터 기존 탄광을 활용한 MW급 CAESPilot플랜트 를 건설하여 운영하고 있다.중국도 미국 ES&P社와 협력을 통해 CAES건설 프로젝 트를 추진 중에 있다.
3) 플라이휠(Flywheel)
플라이휠(Flywheel)저장장치는 전기를 회전에너지로 저장했다가 이 회전력을 이 용해 다시 전기를 만들어내는 방식이다.무엇보다 단기간에 MW급으로 대량의 전기 를 출력할 수 있고,에너지 효율이 95%에 달하기 때문에 미국,독일 등 선진국들이 기술개발에 앞장서고 있다.플라이휠 저장장치는 에너지효율이 높고 수명이 길다는 장점이 있지만 아직까지 초기 건설비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다.
4) 리튬이온 전지(LIB, Lithium Ion Battery))
리튬이온 전지(LIB)는 양극 활물질,음극 활물질,전해질,분리막 등의 4개 물질로 구성되어 있다.이온상태로 존재하는 리튬이온(Li+)이 충전 시에는 음극에서 양극으 로,방전 시에는 양극에서 음극으로 이동하면서 전기를 생성한다.즉,방전 시 양극에 서 리튬이온을 활성화시켜 음극으로 전달해 주고,충전 시에는 음극의 리튬이 활성화 되어 양극으로 이동하게 된다.양극재료의 리튬이온 활성화 능력 및 음극재료에서 리 튬이온을 삽입(intercalation)할 수 있는 충분한 공간의 존재가 배터리의 성능을 좌우 한다.전해질의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지로 구분되며,전지의 형상에 따라 원통형과 각형으로 구분된다.그리고 양극 활물질의 종류에 따라 리튬코 발트산화물(LiCoO2),리튬니켈산화물(LiNiO2),리튬망간산화 물(LiMn2O4),리튬인산 철산화물(LiFePO4)등으로 나눌 수 있다.현재 리튬이온 전지는 값비싼 코발트 계열 을 사용하고 있으며,이를 대체하기 위한 소재 연구가 활발히 진행 중에 있다.
[그림 3-3] 원형 리튬이온전지 구조 및 원가구성도
자료:한국수출입은행 조사자료
리튬 이차전지는 양극재,음극재,전해질,분리막을 조립하여 만들어지며,양극재,음 극재,전해질,분리막 4대 소재가 전체 생산원가의 50%를 차지하고 있다57).소재부분의 원가에서 양극재가 44%,분리막 14%,음극재 10%,전해질 7% 순으로 차지하고 있다.
리튬이온 전지는 가볍고, 무게 대비 에너지 밀도가 다른 전지보다도 높고, 자가 방전에 의 한 전력손실이 적은 장점이 있다. 그러나 아직은 비용이 높고 안정성과 수명이 완벽히 검증되 지 못한 단점이 있다.
5) 나트륨황 전지(NaS)
나트륨황 전지는 일본의 NGK사와 도쿄전력이 공동 개발하여 ’06년에 최초로 상용 화에 성공하였다.NaS전지는 양극에 황(Sulfur),음극에 나트륨(Na),전해질로 세라 믹 고체를 사용하여 양극과 음극 사이를 나트륨 이온이 이동하면서 충전과 방전을 반복하는 원리이다.에너지 밀도가 높고(납축전지의 3배 이상),사이클 수명이 길고 (15년 이상),자가 방전이 없는 장점이 있다.그러나 작동을 위해서는 나트륨의 용융 상태를 유지해야 하고,300도가 넘는 고온이 필요하여 높은 운영비용이 요구된다.또 한 화재 예방시설 설치가 필요하다는 단점이 있다.
6) 레독스 흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)
레독스 흐름전지(RFB)는 전해질 내 이온의 전기화학적 산화(Oxidation) - 환원(Oxidation) 전위차 를 이용하여 전기를 저장하고 방전하는 방식이다. 산화-환원 반응 물질의 조합에 따라 전지의 전위가 결정된다. RFB의 기본 구조는 전력의 출력을 담당하는 스택과 용량을 담당하는 전해 조, 그리고 전해액을 스택에 공급하는 펌프로 이루어져 있다. 전해조의 크기에 따라 저장용량 이 결정되고, 스택의 크기에 따라 출력량이 결정된다. 따라서 전해조와 스택의 크기를 조절하 여 저장량과 출력량을 조절할 수 있어 대용량, 장시간 사용이 필요한 용도에 적합하다. RFB 는 상대적으로 비용 낮고, 대용량화가 용이하고, 장시간 사용이 가능한 장점이 있다. 반면에 에너지밀도가 낮고, 에너지효율이 낮은 단점이 있다.
RFB는 전해질에 녹아 있는 레독스에 따라 분류되며 대표적 인 것으로 바나듐 (Vanadium)흐름전지(VRB),Polysulfidebromide흐름전지,Zn-Br흐름전지 등이 있 다.RFB는 독일,미국 등에서 이미 오래전에 상용화 단계에 들어섰다.일본에서는 2013년 7월 홋카이도 지역에 60MWh급 RFB를 건설해 실증하고 있으며,중국에서도
57) 한국수출입은행 해외경제연구소, “리튬 이차전지 산업동향”, Issue Briefing(Vol. 2014-G-01), 2014.06.23
1GWh･5GWh급 RFB가 베이징 지역에 건설되어 실증단계에 있다.
7) 슈퍼커패시터(Super Capacity)
슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면의 단순한 이온 이동이나 표면 화학반응에 의 한 충전현상을 이용하여 전기를 저장하는 기술로 급속 충전･방전이 가능하다.구동 원리에 따라 전극/전해질 계면 간 전기이중층에서의 정전기적 인력에 의한 전하의 분리로 발현되는 전기이중층 커패시터(electricdoublelayercapacitor)와 전극/전해 질 계면 간 가역적인 산화-환원 반응에 의한 레독스 커패시터(redoxcapacitor)로 구 분된다58).슈퍼커패시터는 일반 커패시터의 장점인 고출력 특성과 전지의 장점인 고 에너지 밀도 특성을 가지고 있고,축전용량이 커서 울트라 커패시터라고도 불린다.
화학적 현상에 의해 충전되는 배터리에 비해 충･방전 속도가 빠르다.또한 전극 자 체를 손상시키지 않아 수명은 거의 무한대이다.다만 유일한 단점으로는 전기 저장능 력이 떨어진다는 점이다.축전기의 저장용량은 두 판 사이의 거리에 반비례하고 면적 에 비례한다.일본,러시아,미국 등 주요 국가들이 1990년대 들어 상용화를 목적으로 기술개발을 추진하고 있으며,우리나라도 2004년 고출력 전기화학적 전기에너지 저 장장치로 분류하여 차세대 전지 성장 동력사업으로 선정하고 기술개발을 진행 중에 있다.
다. 열에너지저장기술
열에너지저장기술은 냉열 또는 온열을 필요한 시기에 사용하기 위해 저장하는 기 술이다.열저장기술은 에너지시스템의 생산단계 및 소비단계에서 적용되어 열에너지 의 공급관리와 수요관리 측면에서 활용되고 있다.건물의 냉열 및 온열 수요는 에너 지소비의 약 45%를 차지하고 있어 열저장 기술은 에너지 수요관리 측면에서 매우 유 용한 수단이다.열저장기술은 열에너지 수요와 공급이 시간,강도(强度),공간상에서 매칭되지 않는 문제를 완화 혹은 해소할 수 있어 열에너지시스템의 최적운영에 중요 한 수단이다.
열저장 방식으로 현열(顯熱)저장,잠열(潛熱)저장,화학 반응 열저장 등 세 가지 방법이 주로 활용되고 있다.현열 저장기술은 물체의 상태(액체,고체 등)변화 없이 온도 변화로 나타나는 열을 저장하는 기술로,냉･온수 보온저장탱크가 가장 대표적
58) 미래창조과학부, “섬유형태의 슈퍼커패시터 개발”, 보도자료(2013.6.10.)
이다.잠열 저장기술은 온도변화 없이 상태변화(액체→고체,고체→액체,액체→기체) 에 따라 잠열(열저장),방열(열방출)원리를 활용하여 열을 저장하는 기술이다.잠열 은 융해열(고체→액체),기화열(액체→기체),액화열(기체→액체),응고열(액체→고체) 이 있다.잠열 저장시스템으로는 빙축열시스템이 가장 대표적이다.화학반응 열저장
이다.잠열 저장기술은 온도변화 없이 상태변화(액체→고체,고체→액체,액체→기체) 에 따라 잠열(열저장),방열(열방출)원리를 활용하여 열을 저장하는 기술이다.잠열 은 융해열(고체→액체),기화열(액체→기체),액화열(기체→액체),응고열(액체→고체) 이 있다.잠열 저장시스템으로는 빙축열시스템이 가장 대표적이다.화학반응 열저장