전력저장장치의 적용기술 및 설치사례
강용성<(주)우진산전>
1. ESS(전력저장장치) 개요
1.1 ESS 정의
전력저장 시스템으로 잉여전력(경부하시간)을 Battery에 저장해 두었다가 전력부족(최대부하시 간)이 우려될 때 방전하여 전력수급을 안정화하는 역 할을 한다.
그림 1. PMS UI 화면
1.2 ESS 구성 및 기능
AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 전력변환부인 PCS(Power Conversion System)와 그 에너지를 저장하는 전력저장부인 Battery로 구성이 되며, PCS와 Battery에 대해 각각 제어 및 모니터링 기능 을 수행하는 PMS(Power Management System) 와 BMS(Battery Management System)로 구성 된다.
표 1. ESS 구성
구 분 내 용
PCS Grid Connect Part, Converter Part 구성 AC/DC Converter 제어 및 독립운전 기능 수행 PMS ESS의 실시간 운영현황 모니터링 및 제어
PCS 및 Battery 상태 모니터링 Battery PCS 명령에 의한 전력의 충전 및 방전
확장성을 고려한 랙(Rack)단위의 시스템 BMS 실시간 Battery 상태 모니터링 및 PCS 통신
C-Rate 및 SOC, SOH, 온도상태 감시
1.2.1 PCS(Power Conversion System)
Battery의 DC 전압을 AC 전압으로 또는 계통의 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 에너지의 충전 및 방전 기능을 수행하며, Battery의 과방전, 과충전, 고온 등에 대비한 보호시스템 기능을 가지고 있다.
그림 2. PCS 구성도
1.2.2 PMS(Power Management System)
ESS의 충․방전 및 운영현황, 배터리의 SOC, SOH 상태 모니터링과 각 운영환경에 맞게 PCS를 제어하는 기능을 가지고 있다.
주요 기능으로는 실시간 계통, PCS, 배터리간의 전류 및 전력 감시, 실시간 배터리 상태 모니터링, PCS 고장 시 고장 항목 확인 및 Fault List를 제공 한다.
그림 3. PMS UI 화면
1.2.3 Battery
배터리는 PCS에서 변환된 전력을 저장하는 기능 을 수행하며, 높은 에너지 및 출력 밀도, 메모리효과 제거, 긴 충․방전수명, 낮은 자가방전율의 성능을 가 지고 있어야 한다.
그림 4. Battery 활용영역
1.2.4 BMS(Battery Management System)
BMS는 Battery의 성능과 관련된 핵심기술로 SOC/SOH 관리 및 Battery 보호 등(열 관리, 저항 측정, 각종 진단과 셀의 전압과 온도 측정) Battery 에 대한 상태 모니터링 기능을 수행한다.
그림 5. BMS 구성도
1.3 운영모드
1.3.1 Peak-Cut Mode
경부하 시간대에 전력을 Battery에 충전한후 설정 된 최대전력을 초과 시 Battery에 충전된 전력을 방 전하여 최대전력을 저감함에 따라 기본요금을 절감할 수 있다.
그림 6. ESS 운영 Mode(Peak Cut)
1.3.2 Schedule Mode
전기요금이 저렴한 경부하 시간의 전력을 충전 후 최대부하(계시별 요금에 따른 최대부하시간 설
정)시간에 충전한 전력을 공급함으로써 경부하와 최대부하의 요금차에 의해 전기요금을 절감할 수 있다.
그림 7. ESS 운영 Mode(Schedule)
1.3.3 강제 충․방전 Mode
운영자의 수동조작 또는 DR(수요반응)에 의한 충 전 및 방전이 가능하다.
그림 8. ESS 운영 Mode (강제 충․방전)
2. ESS 개발 현황
2.1 ESS 추진 전략
2.1.1 스마트그리드 로드맵(2009년 1월)
에너지 저장기술은 스마트그리드 5대 과제 중
Smart Renewable에 포함되어 진행되고 있으며, 제주도 실증단지에서 일부 반영되어 실증이 완료되어 있다.
표 2. 스마트그리드 로드맵의 단계별 ESS 전략
구 분 적 용 내 용
1단계 (2010~
2012)
지능형 신재생발전 플랫폼 구축 및
실증
신재생발전 안정적 연계 마이크로그리드 시범 단지 운영
소규모 전력저장장치 운용 2단계
(2013~
2020)
지능형 신재생발전 안정적 연계운영기술 확보
신재생발전의 대량보급 체 계구축
마이크로그리드 시범보급 중대용량 전력저장장치 운용 3단계
(2021~
2030)
대규모 신재생발전 보급인프라 구축
대규모 신재생발전 보편화 마이크로그리드 상용화
단계별 스마트그리드 구축 시나리오에 따르면 2012년까지 소규모 저장장치를 운용하고 2020년까 지는 배전계통에 저장장치를 연계하여 중대용량 전력 저장장치를 운용하며, 2030년까지 수백 MW 급 대 규모 전력저장기술개발을 목표로 하고 있다.
2.1.2 그린에너지 전략 로드맵
민간기업의 그린에너지 투자촉진을 위한 정부의 R&D 전략으로 시장의 요구를 반영해 민간의 투자방 향에 부합되는 독자개발, 기술제휴 등의 기술획득 및 사업화 방안을 제시하고 있다.
로드맵 수립 대상은 우선 성장 동력화 대상으로 선 정된 태양광, 풍력, 수소연료전지 등 9개 분야에 대해 민간주도의 추진체계를 구성해 중점화하고 있다. 아 울러 단계적인 성장 동력화가 필요한 히트펌프, 소형 열병합, 그린카 등 6개 분야에 대한 기술 로드맵 작성 도 병행하여 추진하고 있다.
그림 9. 그린에너지 전략 로드맵 1~2차
2.1.3 K-ESS 2020 전략(2011년 5월)
에너지 저장 기술은 광범위한 산업에 적용될 수 있 으며 특히 부하관리, 계통운영 보조 서비스, 신재생 에너지 계통 통합, 가정․상업․데이터 센터용 애플 리케이션을 포함한다. 정부는 2011년 5월 에너지 저장기술 개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020) 을 수립하여, 2020년 세계 에너지 저장 시장의 점유율 30%(약 14조원)를 목표로 총 6.4조원 규모의 연구 개발 및 설비투자 추진을 계획하여 향후 10년간 기 술 개발에 2조원, 설비 구축에 4.4조원을 투자할 예 정이다.
2012년 7월에는 2015년 0.5GW, 2020년 2GW 국내 설치를 목표로 국가 에너지저장 보급 로 드맵을 수립하고, 설치비용의 10%를 소득세 또는 법인세에서 공제하기로 하였으며, ESS의 전력계통 연계에 대한 표준안을 마련하기로 하였다. 일본에서 는 대지진 이후, 불안정한 전력문제 해결을 위해서 ESS에 대하여 중앙정부 및 지방자치단체에서 도입 자 에게 1/3 정도의 보조금 및 지원프로그램을 운영 하고 있다. 미국 캘리포니아 의회는 법안을 통해 2020년까지 피크 전력의 5%를 담당할 ESS 설치의 무화를 진행하였다. 유럽에서는 2011년 5월에 ESS
R&D 분야에 2014년까지 2억 유로의 투자계획을 발표하였다.
표 3. K-ESS 2020 비전 및 추진전략
구 분 내 용
비전
ESS가 발전원-송전망-수용가 등 전력망에 널리 활용되는 사회실현 및 세계 3대 ESS 산업 강국 도약
전략 목표
미래시장 선점을 위한 선제적/전략적 R&D추진 에너지저장 실증을 통한 산업화 촉진 산업인프라 구축 및 국내시장 활성화
전략 과제
에너지저장 R&D 투자확대 및 전략성 강화 에너지저장실증을 통한 산업화 촉진 에너지저장산업 인프라 구축
국내 시장 활성화를 위한 제도적 기반 조성
2.2 ESS 적용 기술 2.2.1 수용가용 ESS
전기요금이 저렴한 경부하 시간의 전력을 충전 후 최대부하(계시별 요금에 따른 최대부하시간 설정)시 간에 충전한 전력을 공급함으로써 경부하와 최대부하 의 요금차에 의해 사용요금을 절감할 수 있다.
그림 10. ESS 운영 Mode
2.2.2 철도용 ESS
철도차량 제동에 사용되는 에너지는 견인력의 최대 약 40%에 이르며, 열로 변형되어 소멸되었으나, ESS 설치 후 제동 시 소멸되는 회생에너지를 저장하 여 다른 철도차량의 가속에 필요한 에너지로 제공함 으로써 에너지 절감, 가선전압 안정화, 유지보수비용 절감효과가 있는 것으로 확인되었다.
그림 11. 철도용 ESS 운영 Mode
2.2.3 신재생에너지 연계용 ESS
신재생에너지 연계용 ESS는 섬, 벽지, 군사, 통신 설비 등 한전의 전력공급이 어려운 지역 또는 현재 디 젤 발전을 하고 있는 지역에 신재생에너지(풍력, 태 양광 등)를 이용하여 고품질의 친환경 전력을 공급하 는 시스템이다.
그림 12. ESS 운영 Mode
2.3 ESS 향후 계획
2.3.1 공공기관 ESS 설치의무화
정부는 중앙정부 및 지자체 청사, 공공기관 건물, 학교, 우체국 등에 ESS 설치를 권고(2013년 7월)하 였으며, 중장기적으로 설치 의무화(2015년) 제도를 도입할 예정이다.
지역에너지 절약사업의 일환으로 지자체 건물을 대 상으로 ESS 보급사업을 추진(2014년 ~2016년, 3년간)하여 초기시장을 확대함과 동시에 스마트그리 드 확산사업, 도서 및 섬지역의 태양광, 풍력 등 신재 생설비 보급시설과 연계할 예정이다.
2.3.2 민간부문 ESS 단계적 보급 확대
“건축물 에너지절약 설계기준”을 개정하여 고효 율인증 ESS 설치를 권장 사항으로 추가하고 ESS 설치 시 가점을 부여하며, 중장기적으로는 일정 규모 이상 대용량 전력사용 신축 건축물에 대해 설치의무화를 검토 중이다 (의무화 대상(안) : 2015년 : 1,000kW이상 → 2020년 : 100kW 이상 고압사용자).
또한 발전사업자 ESS 설치 의무화(에너지이용 합 리화법 개정)로 부하평준화, 전력품질 향상, 주파수 조정 등 대규모 발전사업자가 보유한 발전설비에 일 정비율로 ESS를 설치 할 계획이다(연도별로 설치비 율 상향).
2.3.3 보급기반 조성 및 제도 개선
정부에서는 중대형 전력저장장치 실증사업(변전소 용 54MW 전력저장장치, 100MW 압축공기 저장시 스템, 스마트그리드 보급 지원 사업 등)을 추진하여 ESS의 보급기반을 조성하고 있으며 제도적으로 전 기요금 제도개선 및 비상발전기 대체를 위한 ESS 설 치기준을 마련할 계획이다.
또한 에너지이용합리화자금 융자지원제도를 개 편하여 ESS 설치의무화 대상 건물과 기업에 대 해 저리융자지원, 투자세액공제 등을 검토 중에 있다.
3. ESS 설치 사례
3.1 해외 구축 사례 3.1.1 미국
ESS 확산을 위한 R&D, 실증, 제도 마련 중으로 에너지부(DOE) 등 공공 주도의 투자를 확대해 가고 있다.
2009년부터 2010년까지 92백만 달러를 투입하 여 R&D에 투자하였으며, ESS 보급 촉진을 위한 제 도를 마련하고 있다.
3.1.2 유럽
ESS 투자 확대를 통한 중장기 에너지 전략을 강화 하는 추세로 (FRA) 75개의 가정용 ESS를 실증하는 Solion 프로젝트를 추진 중이며, (ITA) 2014년까지 총 130MW ESS 설치계획에 있다.
3.1.3 일본
일본은 2011년 3월 대지진 이후 재난 복구 및 대 비 성격의 ESS 시장이 형성되어 가정용 ESS가 급속 확대되고 있다.
또한 NaS 전지에 166억엔을 투자(1992~2001년) 하여 다수 ESS 실증 사업도 진행하였다.
3.2 국가별 Battery ESS 설비현황
피크감소 및 신재생 출력안정용 실증 용도가 높으며 F/R용은 미국을 중심으로 상용화 운전 중이다.
전력회사, 제조업체 등 국가별로 다양하게 참여하 여 ESS 실증을 추진 중이며, 이중 피크감소용 ESS 가 가장 활발하며 다양한 분야에 적용하여 실증 및 운 영 중이다.
표 4. ESS 용도별 설치현황
용도별 개 소 점 유
피크감소 78 55%
신재생 출력안정 56 39%
주파수조정 8 6%
그림 13. ESS 국가별 설치현황
3.3 국내 구축 사례
3.3.1 스마트그리드 보급지원 사업
에너지 소비방식의 변화와 에너지 수요절감이 필수 적이나 현재의 제한적이고 일방적인 에너지정보를 제 공하는 방식으로는 한계가 있으며, 스마트그리드 조 기구축을 통한 인프라 기반마련, ESS 관련 산업 활 성화 촉진 및 수용가의 스마트그리드 인식제고를 위 하여 정부에서는 보조금을 주어 ESS 설치의 확대를 기하고 있다.
3.3.2 주파수 조정용 ESS
제주도 조천변전소에 실증 중이며, 이를 바탕으로 한국전력공사에서 주관으로 실용단계에 있어 전력회 사, 제조업체 등이 다양하게 참여하여 ESS 실용을 추진 중에 있다.
그림 14. ESS 국내 보급현황
그림 15. 제주도 조천변전소 실증현황
3.3.3 신재생에너지용 ESS
한국전력공사 미계통 및 계통연계지역의 현재 디젤 발전으로 전력을 공급받고 있는 전라남도 및 인천의 유인섬을 위주로 실증 및 설치 진행 중이다.
그림 16. 제주도 마이크로그리드 실증단지
3.4 ESS 적용 기술수준
ESS 관련 국내 기술 수준으로 리튬이온전지는 세 계 최고 수준의 제조 기술로 해외 수출이 가시화되었 으며, 전반적인 국내 ESS의 원천․부품소재 기술은 미흡한 실정이나 R&D 과제로 일부 기술은 상용화 단계에 도달하였다.
현재는 시장 형성 직전의 실증단계이나, 향후 전력 소비량 증가 및 신재생에너지 확대에 따라 중장기적 으로는 수요가 급상승할 것으로 전망되어 국내시장의 기술수준은 최고 수준에 이를 것으로 예상된다.
그림 17. Battery용량별 기술개발 로드맵
3.5 향후계획
전력저장장치 기술은 중앙정부의 단계별 개발목표 를 통하여 세계시장 선도국가로 도약할 것으로 예상 된다.
표 5. 그린전략 로드맵
구 분 전략품목 목 표
단기 2012년
가정용 가정에서 사용하는 전력 이용 효율 향상(수십 kWh급)
신재생용 기술신뢰성 및 경제성 효과검증 (수백 kWh 급)
V2G용 EV확산에 대비한 신뢰성 검증 (수십 kWh급)
고효율RFB 대규모 전력저장에 단기적으로 대응(2030년 기준 30MW급)
장기 2030년
신재생용
풍력, 태양광 등 본격 보급 시점에 맞도록 보급 확대 및 활용효율 증대 (수십 kWh급)
대형 리튬전지
발전소 및 대규모 전력의 부하평준화 등을 통한 전력 운용의 효율화 (수십 kWh급)
참고문헌
[1] 지식경제부, “에너지저장 기술개발 및 산업화 전략 (K-ESS 2020)”, 2011. 05.
[2] 지능형 전력망 협회 홈페이지(www.ksmartgrid.org).
[3] 스마트그리드 포럼 홈페이지(www.sgstandard.org).
[4] 미국 Department of Energy 홈페이지(www.energy.gov/).
[5] 전자부품연구원, “차세대 이차배터리 에너지저장기술”, 2010.
[6] ESS 국내외 기술 및 정책 동향 작성자 삼성SDI.06.
[7] 한국에너지기술평가원 “그린에너지 전략 로드맵”.
◇ 저 자 소 개 ◇
강용성(康龍成)
1963년 8월 15일생. (주)우진산전 이사.
한양대학교 석사과정(철도시스템공학 전공).
Tel : 010-9425-1783
