에너지저장시스템 의 개념 및 구성요소
1. (ESS)
가 에너지저장시스템. (ESS)의 개념
에너지저장기술(Energy Storage Technology)은 다양한 형태의 에너 지를 저장하였다가 필요한 시기에 사용할 수 있게 하는 기술을 말한 다 대용량의 에너지를 저장할 수 있는 다양한 에너지 저장 기술들이 . 상용화됨에 따라 에너지저장시스템이 스마트그리드 구축에 필수적인 시스템으로 부각되고 있다 에너지저장시스템의 개념은 직관적으로 . 이해할 수 있을 정도로 쉽다 에너지저장시스템은 생산된 잉여 에너지. 를 그 자체로 또는 변환하여 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 공 급하는 시스템을 말한다 전기뿐만 아니라 열을 포함한 에너지를 수요. 가 적을 때에 저장했다가 필요할 때에 사용할 할 수 있는 장치 또는 시스템을 총칭한다 즉 저장기술은 에너지 공급과 수요 간의 시간적 . , 간극을 연결해 주는 가교 역할을 수행한다 오래전부터 석유나 가스와 . 같은 에너지 자원은 저장탱크 비축기지 건설 등의 기술들을 이용해 , 저장해 왔으며 현재는 기술의 발달로 열에너지와 전기에너지의 저장 기술이 상용화 단계에 있다.
현재 다양한 에너지저장기술이 국내외적으로 상용화되어 활용되고 있고 또한 기술 개발도 활발하게 진행 중이다 이미 개발된 기술에 , . 대한 실증사업도 국내외에서 활발하게 추진되고 있다 에너지저장 기. 술개발은 현재 전력 저장 위주로 진행되고 있다 현재 가장 성숙된 에.
너지 저장 기술은 양수발전이다 대규모 전력 저장을 위한 양수발전이 . 현재 세계적으로 설치된 전기저장 용량의 약 99%를 차지하고 있다. 현재 개발 중이거나 상용화된 에너지저장 기술의 종류와 저장 기술별 성숙도는 그림 [ -1]과 같다 리튬 배터리 플라이휠 저속 나트류황 . , ( ), 배터리 및 압축공기에너지저장 기술이 실증 보급단계에 있다 초전도. 에너지저장 슈퍼커패시터 플라이휠 고속 및 흐름배터리 등의 저장, , ( ) 기술은 아직 연구개발 단계에 있다 에너지저장기술의 성능을 결정하. 는 주요 요인은 저장용량 저장밀도 충, , 방전 효율 충, 방전 속도 수, 명 등이다 이들 요인에 따라 적용 가능한 분야가 달라지고 상대적인 . 장 단점을 가지게 된다 국내외에서 저장기술의 성능 개선과 비용을 . 낮추기 위한 연구개발이 활발하게 수행되고 있다.
그림 에너지저장기술 종류 및 기술 성숙도 [ Ⅱ-1]
자료: IEA, Technology Roadmap- Energy Storage. 2014
나 에너지저장시스템. (ESS)의 구성요소
에너지저장시스템은 저장장치 저수지 압축공기저장소 배터리 등( , , ), 변환장치(PCS, 압축기 팽창기 발전기 등 와 제어장치를 기본 구성으/ , ) 로 한다 그림 . [ -2]는 배터리 리튬이온전지 를 이용한 에너지저장시( ) 스템의 기본적인 구성요소를 보여준다 배터리방식의 에너지저장장치. 는 배터리 전지 시스템과 배터리의 충 방전 상태 관리 및 제어를 위( ) 한 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System)을 기본으로 하고 추가적으로 생산된 전력의 주파수와 전압을 계통 및 부하 특성, 에 맞추어 변환하고 관리하기 위한 전력변환장치(PCS, Power
와 에너지저장시스템을 모니터링하고 제어하기 Conditioning system)
위한 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 혹은 전 력관리시스템(PMS, Power Management System)으로 구성된다.
그림 에너지저장시스템의 구성요소
[ Ⅱ-2]
에너지저장시스템의 핵심장치인 배터리 장치는 양극 음극 전해질, , , 분리막으로 구성된 배터리 셀(cell)들이 모여 모듈(module)을 이루고 이 모듈이 모여 트레이(tray)를 이루고 그리고 트레이가 모여 랙, (rack)
을 구성하고 이 랙이 모여 시스템(system)을 구성한다 배터리 시스템. 은 PCS를 통해 전력을 공급 받아 특정한 형태로 변환해 저장해 두었 다가 필요할 경우 방전하는 역할을 수행한다 배터리 셀마다 특성이 . 다르기 때문에 배터리가 최대 성능을 발휘할 수 있도록 제어 관리하 는 배터리관리시스템(BMS)이 필요하다. BMS는 배터리의 충전상태 등을 외부 인터페이스를 통해 알려주고 과충전 과방전 방지 등 셀 용, 량 보호 수명 예측 등 배터리의 효율적 사용을 위한 제어 관리 기능, 을 수행한다 또한 전력 저장과 사용의 특성이 서로 다르므로 전력을 . 실제 사용 가능하도록 특성을 바꿔주는 전력변환장치가 필요하다.
는 발전원에서 생산한 전력을 흡수하여 배터리에서 저장하거나 PCS
방출하여 사용하기 위해 전기의 특성(AC/DC, 전압 주파수 을 변환하, ) 는 시스템이다. EMS는 배터리 상태 및 PCS 상태에 대한 모니터링과
를 제어하는 역할을 수행한다
PCS .
에너지저장시스템의 종류 및 특징 2.
가 에너지저장기술.
에너저장기술은 기준에 따라 다양하게 분류된다 에너지저장기술은 . 생산 에너지를 기준으로 전기저장시스템(Electricity Storage System) 과 열저장시스템(Thermal Storage System)으로 크게 분류할 수 있고, 저장형태 또는 방식에 따라 물리적 화학적 전자기적 방식으로 분류, , 된다 또한 에너지 방출 지속기간. (duration)에 따라 단주기와 장주기로 구분된다.
에너지 저장형태에 따른 분류에서 물리적 방식에는 대표적으로 양
수발전 압축공기저장이 있으며 이들은 대규모 저장에 적합하나 설치 , ,
양수발전(PHS, Pumped Hydro Storage)
압축공기저장장치(CAES, Compressed Air Energy Storage) 플라이휠(flywheels)
슈퍼커패시터(Super-capacitor 또는 Ultra-capacitor)
초전도에너지저장(SMES, superconducting magnetic energy storage)
저장기술 생산
에너지 용도 설치
장소
효율 (%)
초기투자비 (US$/kW)
양수발전 전기 장주기 공급 50 85 500 4,600
CAES 전기 장주기 공급 20 70 500 1,500
배터리 전기 단주기 공급 수요/ 75 95 300 3,500
수소저장 전기 장주기 공급 수요/ 22 50 500 750
Flywheels 전기 단주기 송전 배전/ 90 95 130 500
슈퍼커페시터 전기 단주기 송전 배전/ 90 95 130 515
SMES 전기 단주기 송전 배전/ 90 95 130 515
UTES 열 장주기 공급 50 90 3,400 4,500
Pit저장 열 중열 저장 공급 50 90 100 300
열화학열저장 열 저 중 고열
저장 공급 수요/ 80 90% 1,000 3,000 Molten salts 열 고열 저장 공급 40 93 400 700 Solid media 열 중온저장 수요 50 90 500 3,00
빙축열 열 저온저장 수요 75 90 6,000 15,000
온수저장 가정( ) 열 중온저장 수요 50 90
냉수저장 열 저온저장 수요 50 90 300 600
자료: IEA. Technology Roadmap-Energy Storage. 2014 표
< Ⅱ 2 생산 에너지 및 용도에 따른 에너지저장기술 분류- >
나 전기저장기술.
전기저장시스템의 이용으로 파생되는 장점으로 인하여 다양한 종류 의 전기저장 기술이 현재 개발되고 있다. 전기저장기술 종류별 원리와 장 단점을 비교 정리하면 표 < - 3>과 같다.
종 류 작동 원리 및 특징
전기저장기술의 현재 성능 수준은 표 < -4>와 같으며 초전도에너, 지저장(SMES), 슈퍼커패시터(Super-capacitor), 수소저장(H2) 등의 기 술들은 아직 개발 단계에 있다.
PHS CAES Li-ion NaS Flywheel SMES Super Capacitor H2
4500105 107 10,000 104 108 1,000+
표
< Ⅱ 4 전기저장기술별 성능 수준 및 기술적 특성- >
자료: EUROPEAN COMMISSION, The future role and challenges of Energy Storage, Working paper
1) 양수발전
양수발전은 가장 오래되고 널리 사용되고 있는 대표적인 에너지저 장기술이다 양수발전은 위치에너지를 이용하여 발전하는 기술로 잉. , 여 전력을 이용하여 하부저수지의 물을 상부저수지로 끌어올려 저장
하고 필요 시 낙차를 이용해 전력을 생산한다 발전방식은 수력발전과 . 유사하다 양수 발전은 대용량이 발전이 가능하고 기동성이 뛰어나 예. 비 전력용의 역할 수행과 전력 수요 변동에 신속히 대응할 수 있다.
양수발전은 대용량화가 용이하고 발전단가가 낮은 장점이 있으나, 잦은 에너지저장 효율 환경파괴 입지제약이 단점으로 거론된다 현, , . 재 전 세계적으로 활용되고 있는 전력저장장치의 95% 이상이 양수발 전이다.
압축공기에너지저장
2) (Compressed Air Energy Storagel, CAES)
는 전기가 남을 때 잉여전 CAES(Compressed Air Energy Storage)
력을 이용해 공기를 압축하여 암반공동 암염공동 대수층 천연동굴, , , , 폐 갱도 및 폐 터널 등 저장시설에 저장하고 필요할 때 저장된 압축, 공기를 이용하여 전력을 생산한다. CAES 기술은 20MW급부터 수백
급까지 대용량 에너지저장이 가능하며 발전단가가 낮고 유지 및
MW ,
보수가 용이한 장점을 가지고 있다 또한 출력이 높고 내구연한이 통. 상 년으로 수명이 긴 장점이 있다 그러나 지리적 제약이 따르고 초30 . 기 구축비용이 높은 단점이 있다.
독일은 1978년 세계 최초로 Huntorf 발전소에 290MW급 CAES 플 랜트를 건설하였고 저장 효율이 , 45%로 비교적 낮지만 현재까지 운영 되고 있다. Huntorf 이후 추가적으로 EnBw(600MW), ADELE(200MW) 에서 CAES 프로젝트가 추진되었다. 미국도 ’91년 Alabama주의
발전소에 급 상용 플랜트를 완공하여 현재는 McIntosh 110MW CAES
까지 확장 운영 중이다 발전소는 배기열 회수 이용 348MW . McIntosh
으로 독일의 Huntorf 발전소보다 CAES의 효율을 77% 수준으로 높였다.
또한 스마트그리드 사업의 일환으로 PG&E(300MW) 및 NYSEG(150MW) 구축사업이 추진되고 있다 아시아권에서도 일본과 중국에서
CAES .
연구와 실증사업이 진행 중이다 일본은 . ’98년부터 기존 탄광을 활용 한 MW급 CAES Pilot 플랜트를 건설하여 운영하고 있으며 중국은 , 미국 ES&P 에 EPC 역할을 부여하고 자국 내 CAES 건설을 추진 중에 있다.
플라이 휠 3)
플라이휠(Flywheel) 저장장치는 전기를 회전에너지로 저장했다가 이 회전력을 이용해 다시 전기를 만들어내는 방식이다 무엇보다 단기. 간에 MW급으로 많은 양의 전기를 만들 수 있고 에너지 효율이 , 95%
에 달하기 때문에 독일 등 선진국들이 기술개발에 앞장서고 있다 플. 라이휠 저장장치는 에너지효율이 높고 수명이 길다는 장점이 있지만 아직까지 초기 구축비용이 비싸다는 단점이 있다.
리튬이온 전지 4) (LIB)
리튬이온 전지(lithium ion battery)는 양극 활물질 음극 활물질 전, , 해질 분리막 등의 개 물질로 구성되어 있다 이온상태로 존재하는 , 4 . 리튬이온(Li+)이 방전 시에는 양극에서 음극으로 충전 시에는 음극에, 서 양극으로 이동하면서 전기를 생성한다 즉 방전 시 양극에서 리튬. , 이온을 활성화시켜 음극으로 전달해 주고 충전 시에는 음극의 리튬이 활성화되어 양극으로 이동하게 된다 양극재료의 리튬이온 활성화 능.
리튬이온 전지(lithium ion battery)는 양극 활물질 음극 활물질 전, , 해질 분리막 등의 개 물질로 구성되어 있다 이온상태로 존재하는 , 4 . 리튬이온(Li+)이 방전 시에는 양극에서 음극으로 충전 시에는 음극에, 서 양극으로 이동하면서 전기를 생성한다 즉 방전 시 양극에서 리튬. , 이온을 활성화시켜 음극으로 전달해 주고 충전 시에는 음극의 리튬이 활성화되어 양극으로 이동하게 된다 양극재료의 리튬이온 활성화 능.