정 보 분 석 보 고 서
탄소복합재 기반 에너지 저장시스템의
기술 및 시장 동향
2017년 11월
정인수, 이홍기
목 차
제 1 장 에너지 저장시스템 기술의 개요 ··· 1 제 1 절 기술의 개념 및 특징 ··· 1 제 2 절 응용 분야 ··· 12 제 2 장 에너지 저장시스템의 기술동향 ··· 17 제 1 절 기술개발 현황 ··· 17 제 2 절 기술개발 전망 ··· 54 제 3 절 특허동향 분석 ··· 60 제 3 장 에너지 저장시스템의 시장동향 ··· 64 제 1 절 시장의 개요 및 특성 ··· 64 제 2 절 시장분석 ··· 66 1. 시장구조 분석 ··· 66 2. 시장환경 분석 ··· 71 3. 제품동향 ··· 73 제 3 절 시장 현황 및 전망 ··· 76 1. 시장현황 ··· 76 2. 시장규모 및 전망 ··· 77 제 4 장 탄소소재 적용분야 ··· 82 제 1 절 연료전지 분야 ··· 82 제 2 절 이차전지 분야 ··· 95 제 5 장 결론 ··· 111 <참고문헌> ··· 116<표 목 차>
<표 1-1> ESS의 구분․배터리 방식 ··· 4 <표 1-2> ESS의 구분 - non 배터리 방식 ··· 5 <표 1-3> 에너지저장장치별 원리 및 특징 ··· 10 <표 1-4> 에너지저장장치 종류에 따른 특징 비교 ··· 11 <표 2-1> ESS산업 선진기술 VS 국내기술 비교 ··· 17 <표 2-2> 전력저장시스템의 특성 비교 ··· 24 <표 2-3> KIER의 RFB 성능 수준 ··· 27 <표 2-4> 플라이휠 분야 국내 기술수준 ··· 30 <표 2-5> 수퍼 커패시터 기술개발 현황 ··· 31 <표 2-6> CAES 실증 플랜트 대상부지 지층 현황 ··· 34 <표 2-7> CAES 실증 플랜트 제원 ··· 35 <표 2-8> CAES 실증 플랜트 제원 ··· 35 <표 2-9> CAES 실증 플랜트 주요 구조물과 그 크기 ··· 36 <표 2-10> 압축공기 저장 시설별 주요 특징 ··· 38 <표 2-11> 압축공기 기밀방식별 특징 ··· 39 <표 2-12> 에너지저장시스템 설치 의무화 해외 사례 ··· 43 <표 2-13> 일본 에너지저장시스템 업체 동향 ··· 44 <표 2-14> 미국 에너지저장시스템 업체 동향 ··· 44 <표 2-15> ZBB Energy 社의 실증 사업 ··· 51 <표 2-16> Prudent Energy 社의 실증 사업 ··· 52 <표 2-17> 에너지저장 기술 R&D 투자 ··· 54 <표 2-18> 주요 기술 개발 분야 ··· 55 <표 2-19> 신에너지 저장기술 ··· 56 <표 2-20> 에너지저장장치 개발에 요구되는 기술 ··· 60 <표 2-21> 에너지저장장치용 배터리 관련 핵심기술 ··· 61 <표 2-22> 특허군의 기초정보 ··· 63 <표 3-1> ISO/IEC 신재생 에너지 분야 TC 현황 ··· 73 <표 3-2> 에너지 저장 분야의 예상 시장규모 ··· 79 <표 3-3> ESS 적용 분야 및 세계 시장 현황 ··· 80 <표 4-1> 국내외 수전해시스템 개발 동향 ···94 <표 4-2> 상온에서의 전해질의 전도도 ··· 107 <표 5-1> 전력분야별 에너지저장시스템 순익분기점 도달 시기 ··· 112 <표 5-2> 전력저장장치 설치 및 표준화 제정효과 ··· 114<그 림 목 차>
<그림 1-1> 에너지저장시스템 개념 ··· 1 <그림 1-2> 에너지저장시스템의 필요성 ··· 3 <그림 1-3> 리튬이온 전지 구조 ··· 6 <그림 1-4> Redox - Flow 전지의 원리 ··· 7 <그림 1-5> NaS 전지의 구조 ··· 8 <그림 1-6> Super Capacitor 구조 ··· 9 <그림 1-7> 에너지저장장치의 용량별 응용분야 ··· 14 <그림 1-8> 전력저장장치 적용형태 ··· 16 <그림 1-9> 저장장치 연계기술 분석용 배전 계통내 적용위치 ··· 16 <그림 2-1> HKMC : 현대 기아차 HEV : 2009년 양산시작(左), GM : 제너럴 모터스 P-HEV : 2010년 양산 시작(右) ··· 19 <그림 2-2> 배터리의 적용범위 ··· 20 <그림 2-3> 대용량화 흐름 ··· 21 <그림 2-4> Smart Place ··· 22 <그림 2-5> Smart Renewable ··· 22 <그림 2-6> Smart Transportation ··· 23 <그림 2-7> ESS에 요구되는 성능 및 적용전지 ··· 25 <그림 2-8> RIST/POSCO 개발 NaS 단전지 구조와 제작 단전지 ··· 26 <그림 2-9> KIER의 RFB개발 실적 및 계획 ··· 28 <그림 2-10> 1MW/100kWh급 SFES 모듈 구성도 ··· 29 <그림 2-11> 초전도 플라이 휠 구조 ··· 29 <그림 2-12> 수퍼 커패시터의 UPS 적용형태 ··· 31<그림 2-13> KIGAM pillot plant의 조감도 및 전경 ··· 32
<그림 2-14> KIGAM pillot plant의 계측 시스템 ··· 33
<그림 2-15> 대형실증 플랜트 후보지 ··· 34 <그림 2-16> CAES 실증 플랜트 핵심 개발 구성품 ··· 36 <그림 2-17> CAES 실증 필요 부지면적 및 실증 플랜트 평면도(안) ··· 37 <그림 2-18> 변압저장 및 정압발전 방식 한국형 CAES 시스템 구성 ··· 40 <그림 2-19> Zn-Br Flow Battery 시스템 ··· 41 <그림 2-20> 호남석유화학-ZBB Zn-Br Flow Battery 공동 기술개발 ··· 42 <그림 2-21> 세계 에너지 저장 실증 현황 ··· 42
<그림 2-22> 6MW급(3×2MW) NaS 전지 시스템(IRRE, Japan) ··· 45
<그림 2-23> AEP(American Electric Power)의 변전소용 1MW급 Na/S전지 시스템 ··· 46
<그림 2-24> 51MW급 풍력발전시스템에 사용되는 34MW급 Na/S 전지 ···· 47
<그림 2-25> 풍력 연계 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy) ··· 47
<그림 2-26> 빌딩용 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy) ··· 48
<그림 2-27> Sumitomo사 45kW*2hr VRB 스택 및 전해액 탱크 ··· 48
<그림 2-28> VRB 6MWh 에너지 저장 시스템(일본 SUBARU 프로젝트) ··· 49
<그림 2-29> 2MWh VRB 에너지 시스템 (미국 Castle Rock, Utah) ··· 49
<그림 2-30> GmbH사 (독일) 200kW 모듈 및 PV연계적용 ··· 50 <그림 2-31> GEFC사 (중국) 50kW, 4hr VRB 스택 및 전해액 저장탱크 ···· 50 <그림 2-32> CAES 프로젝트 현황 ··· 54 <그림 2-33> Test Bed 개념도 ··· 57 <그림 2-34> 가정용 에너지저장시스템 작동 원리 ··· 58 <그림 3-1> 주요국의 리튬이온 배터리 투자 ··· 65
<그림 3-2> 전력수요 Peak 시 부하관리(peak shaving) ··· 65
<그림 3-3> 미국 텍사스 내 풍력발전 생산량의 가변성 ··· 69
<그림 3-4> Energy storage system의 확산 가속화 ··· 71
<그림 3-5> ESS 시장 전망 ··· 74 <그림 3-6> Application 별 ESS 시장 규모 전망 (‘11년 ~ ’20년) ··· 78 <그림 3-7> 에너지저장시설의 수요 전망 ··· 79 <그림 3-8> ESS의 글로벌 시장규모 ··· 81 <그림 4-1> 디젤 VS 태양광 독립전원 발전비용 ··· 83 <그림 4-2> 부하평준화 운영 예시 ··· 84 <그림 4-3> DOE의 Pt 담지량 감량 목표 ··· 85 <그림 4-4> 기존 Pt-loaded Carbon 촉매의 문제점 ··· 85 <그림 4-5> 전극 촉매의 모습 ··· 86 <그림 4-6> 나노카본을 이용한 연료전지 ··· 86
<그림 4-7> Toray carbon paper ··· 87
<그림 4-8> 전지성능 결과 ··· 89 <그림 4-9> 수전해 스택 구성요소(분리판,촉매,이온교환막) ··· 89 <그림 4-10> 수전해 스택의 구조와 소재 ··· 90 <그림 4-11> 200cm2 전극을 이용한 스택 조립과정 ··· 90 <그림 4-12> MEA의 개념도와 실제 제조된 제품 (DuPont) ··· 91 <그림 4-13> 나노크기의 카본담지 촉매의 형상 ··· 92 <그림 4-14> 고분자전해질막인 Nafion의 화학구조와 형상 ··· 93 <그림 2-15> 일본 Tokuyama사의 음이온전도성 고분자 전해질막의 분자구조 와 실물 사진 ··· 93 <그림 4-16> 리튬의 응용분야 ··· 95 <그림 4-17> 이차전지-에너지용량 비교 ··· 96 <그림 4-18> 이차전지별 특성 ··· 97 <그림 4-19> 이차 전지비교-효율 ··· 97 <그림 4-20> 산화-환원 전위 ··· 98 <그림 4-21> 리튬이차전지의 구성 ··· 99 <그림 4-22> 리튬이차전지의 작동원리 ··· 99 <그림 4-23> 전지 핵심 소재 ··· 100
<그림 2-24> NaFeO2구조를 지닌 Layered Oxide ··· 103
<그림 4-25> Spinel 구조의 단위 결정 ··· 104 <그림 4-26> LiFePO4 구조 ··· 104 <그림 4-27> 리튬이차전지의 구조 ··· 109 <그림 4-28> 리튬이온전지 (LIB) ··· 110 <그림 5-1> 디젤 VS 태양광 독립전원 발전비용 ··· 113 <그림 5-2> 부하평준화 운영 예시 ··· 115
제 1 장 에너지 저장시스템 기술의 개요 제 1 절 기술의 개념 및 특징 가. 에너지저장시스템의 개념 및 기술 전기는 다른 에너지원과 달리 저장이 어렵기 때문에 전력이 생산됨과 동 시에 소비가 이루어져야 한다는 특성이 있다. 따라서 예상 수요에 상당하는 양만큼의 발전을 하여야 하는데, 전기소비자들의 사용량은 매 시간대별, 요 일별, 계절별로 변동하므로 수요와 공급량을 일치시키는 데 애로가 있다. 만약 전력의 수요량과 공급량 간에 괴리가 발생하게 되면 전력공급이 불 균형해지고 전력의 품질(전압과 주파수)에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 더 나 아가서 정전(black out)사태를 맞게 된다. 이처럼 전력을 다양한 수요 변화에 차질 없이 공급할 수 있도록 하는 등 전력 수급상 균형을 이루기 위해서는 상시 공급체계를 갖추어야 하고, 따라서 상당한 비용의 발생과 저효율이 존 재하게 된다. 우리나라의 경우 주요 전력 공급원인 원자력발전은 항상 가동 상태를 유지하여야 하고, 화력 및 수력 발전도 일정 수준의 가동률 유지가 필요하다. <그림 1-1> 에너지저장시스템 개념 따라서 발전회사는 최소한의 전력 예비율을 확보하도록 하고 있지만 예상 치 못한 수요 발생 및 발전기 고장 등으로 인해 정전사태가 발생할 수 있다. 한편, 배터리 기술의 발달은 ‘전기는 저장이 불가능하다’라는 통념을 깨고, 저장된 전기를 필요한 때 일반 상품처럼 자유롭게 사고 팔 수 있도록 하는 획기적인 전환점을 제공하고 있다. 전기는 생산되는 곳과 소비되는 곳이 멀리 떨어져 있어서 전력 계통은 생 산(generation), 송전(transmission), 배전(distribution)의 단계를 거치는데, 전 기 사고의 대부분은 이상의 전력 공급계통에서 발생하고 있다.
이 같은 중앙집중식 전력계통상의 문제 해결을 위하여 분산전원의 특징을 갖고 있는 스마트그리드가 고안되었고 에너지저장시스템이 이를 가능하게 하고 있다. 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이란 생산된 전력 을 전력계통(grid)에 저장하였다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 시스템을 말한다. 에너지저장시스템은 생산과 동시에 소비가 이루어지는 전기의 특성에 저장기술을 도입하여 전기수요가 적을 때 생산된 전기를 저렴함 가격으로 저장하고 수요가 많을 때 저장된 전기를 공 급하는 시스템이다. 향후에는 대규모 전력저장을 위한 전력망용 저장기술과 가정용 전력저장기술 개발에 대한 수요가 확대될 전망이다. 나. 에너지저장시스템의 필요성 효율적인 전력 활용, 고품질의 전력 확보, 안정적인 전력 공급 측면에서 에너지저장시스템의 필요성이 증대되고 있다. 현재 전력시스템은 피크타임 전력수요에 맞춰 전력용량을 증설해야 하는 구조로, 전력 수요와 공급 간의 불일치가 발생한다. 그리고 발전소 건설에 많이 비용이 소요되며, 심야에 잉 여 전력 과다 등의 비효율적인 상황이 발생한다. 따라서 에너지저장시스템을 활용하여 수요와 공급의 불일치를 해소하여 전력 활용의 효율성을 증대하려 는 노력이 진행 중이다. 전력수요가 적은 심야시간에 유휴전력을 저장하고 수요가 급증하는 낮 시간에 전력을 공급함으로써 전력시스템의 효율을 개선 할 수 있다. 그리고 태양광, 풍력 등 신재생에너지 보급이 확대됨에 따라 전 력의 품질 및 전력망의 안전성 문제가 대두되고 있다. 신재생에너지의 가장 큰 문제점인 바람 및 햇빛 등 기후변화에 따라 전력 생산량이 급변 한다는 점, 신재생에너지 발전에서 생산되는 전기의 경우 전압 및 주파수가 일정치 않아 전력 품질도 문제가 되고 있다.
<그림 1-2> 에너지저장시스템의 필요성 자료 : 삼성 SDI 그러므로 신재생에너지 사용 확대 및 문제해결을 위한 에너지저장 기술이 필요하다. 2010년 전 세계 발전 포트폴리오 중 신재생에너지 비중이 5%에 불과하여 전력망에 큰 문제가 발생하고 있지 않으나, 비중이 높아질수록 여 러 가지 문제가 발생할 가능성이 높아질 것으로 예상된다. 즉, 낮은 전력품 질 문제로 산업체 가동 중단 및 전자기기의 고장 등의 여러 가지 문제를 일 으킬 가능성이 높다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 발전 능력과 소비 수 요 사이 완충장치 역할을 할 전력 저장장치의 도입이 확대될 전망이다. 또 정전 피해의 최소화를 위해 단기정전 방지를 위한 비상전원으로의 중 요성이 확대되고 있다. 일본의 경우 후쿠시마 원전사고로 인한 정전사태로 위기상황 대처를 위한 비상전원의 필요성이 증대에 대하여 실감했으며, 우리 나라도 전력 예비율 하락으로 인한 정전사태 우려가 있었으며, 특히 병원, 데이터센터, 반도체 공장 등 전력 공급이 꼭 필요한 기관들의 비상전원으로 에너지저장시스템의 중요성이 커지고 있는 상황이다. 뿐만 아니라 에너지 저 장기술은 스마트그리드 구현을 위한 핵심기술이라 할 수 있다. 스마트그리드 는 공급자와 소비자가 정보를 교환해 에너지효율을 최적화 하는 것이 핵심 요소이다. 따라서 에너지저장기술이 있어야 전력생산지와 소비자 간의 효과 적인 정보 교환이 가능하다. 이와 같은 이유로 에너지저장시스템에 대한 중 요성이 날로 커지고 있으며, 에너지저장산업은 전력산업 변화의 핵심기술로 부상할 전망이다. 다. 에너지저장시스템의 종류 (1) 배터리 방식과 非배터리 방식으로 구분 배터리 방식은 화학적 에너지 형태로 저장했다가 사용하는 방식을 말하 며, 대표적으로 리튬이온, 니켈, 납축전지 등 2차 배터리가 대표적이다. 배터 리 방식으로는 고용량, 고효율을 강점으로 리튬이차전지가 가장 주목을 받고 있다. 비배터리 방식은 물리적 에너지 형태로 저장했다가 사용하는 식으로 양수 발전, 압축공기저장이 대표적이며, 대규모 저장에 적합하나 자연적 제약조건 이 많은 게 단점이다. 기술적 구현은 가능하나 적합한 장소 및 지리적 제약 이 크게 수반되기 때문에 향후 주도적인 에너지저장기술로 자리 잡기는 어 려움이 있다. 배터리 방식 종 류 원 리 나트륨황 전지 (NaS) 음극에 나트륨(Na), 양극에 유황(S), 양전극을 멀리하 는 전해질에 파인 세라믹스(fine ceramics)를 이용하고 유황과 나트륨 이온의 화학반응으로 충·방전을 반복 하는 2차 전지 레독스 흐름전지 (RFB) 전해액 중의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충·방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치 리튬이온 전지 (LiB) 양극에 코발트산 리튬, 음극에 흑연과 같은 탄소, 유 기용매 전해질로 구성되며 충·방전 시 양쪽 전극의 전위차에 따라 전지 외부회로에서의 전자흐름과 전지 내부에서의 이온흐름이 동시에 일어나는 원리로 작동 납축전지 (Lead-Acid) 음극인 납과 양극인 이산화납을 비중 1.25인 묽은 황 산용액에 넣어 만든 전지 <표 1-1> ESS의 구분 - 배터리 방식
non 배터리 방식 종 류 원 리 압축공기 (CAES) 기본 가스 터빈(GT) 기술을 개조한 것으로 저비용의 전 력을 이용하여 지하 동굴 같은 곳에 압축 공기를 저장한 후 전력의 피크 수요 시간대에 가스 터빈에서 가열 팽창 하여 전력을 생산하는 시스템 플라이휠 (Flywheel) 입력되는 잉여 전기 에너지를 플라이휠의 관성을 이용, 회전 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요시 전기에너 지로 출력하는 방식 양수발전 (Pumped Hydro) 전력수요가 적은 시간에 전기에너지를 사용하여 저지대 의 물을 고지대로 끌어 올려 위치에너지로 저장하고 전 력수요가 증가할 때 위치에너지를 다시 전기에너지로 변 환하는 방식을 사용 <표 1-2> ESS의 구분 - non 배터리 방식 (2) 에너지저장장치 종류에 따른 특성 (가) 리튬이온전지 전 세계 ESS용 리튬이온 배터리 시장은 현재 6천억 원 수준에서 2020년 약 12조원 수준으로 연평균 35%이상의 폭발적인 성장세를 이어갈 것으로 예 상된다. 리튬 이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자 리를 찾게 되는 충전 및 재사용이 가능하다. 리튬 이온 전지의 구성은 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나누어 지고, 다양한 종류의 물질들이 이용이 가능하다는 특징이 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연, 양극에는 층상의 리튬 코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬(lithium iron phosphate, LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등을 이 용, 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀌었으며, 최근에는 나노기술을 응용한 제작 으로 전지의 성능을 높이고 있는 실정이다. 시중의 휴대용 전자 기기, 방산산업이나 자동화시스템, 그리고 항공 산업 분야에서도 사용 빈도가 증가하는 추세이며, 전지의 용량은 mAh또는 Ah로 표시하는데, 휴대폰에 사용하는 전지는 800~1000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1100~1950mAh도 사용되며, 노트북에 사용되는 전지는 2400~5500mAh가 가장 많이 사용되며 대용량 전지의 용량은 최소한 수십 KWh 이상이다. <그림 1-3> 리튬이온 전지 구조 리튬이온전지의 특성으로는 에너지밀도가 높으며, 하드카본을 부극으로 하는 전지는 흑연을 사용한 것에 비해 우수하고 수천 사이클 이상을 달성하 는 특징이 있다. 그리고 자가 방전율이 3~5%/월 이하로 작고 니켈-카드뮴이 나 니켈 수소전지의 1/2이하이다. 사용온도 범위는 넓고 방전에서는 -20℃에 서 +60℃의 범위를 커버한다. 충전방식은 정전압, 정전류 충전으로 행하고 충전회로가 간단하다. 동일한 체적 및 무게일 경우 타 전지에 비해 용량이 3 배로 에너지 밀도가 높다. 그러나 폭발의 염려가 있는 것이 단점이다. (나) 레독스 흐름전지
레독스 플로(redox flow) 전지란 reduction(환원), oxdaition(산화), flow(흐 름)의 단어를 합성한 것으로, 가수(假數)가 변화하는 금속 이온을 가진 수용 성 전해액을 탱크에 저장하고 그 전해액을 펌프로 셀이라고 불리는 부분에
송액하여 충전/방전하는 전지를 의미한다.
양극과 음극의 전해액으로서 바나듐 등 금속 이온을 용해시킨 산성수용액 을 이용하여 양극과 음극의 전해액은 각각의 탱크에 저장되어 전지 셀로 송 액 순환한다.
전지내에서 충전/방전 시에 생기는 반응(전해액에 바나듐을 사용한 경우) 양극 : (1/2)(VO2)2SO4＋(1/2)H2SO4＋H＋＋e－ ⇄ VOSO4＋H2O
음극 : VSO4＋(1/2)H2SO4 ⇄ (1/2)V2(SO4)3＋H＋＋e－
<그림 1-4> Redox - Flow 전지의 원리 레독스 흐름전지의 특징으로는 전지 반응이 바나듐 이온의 원자가 변화에 의존하기 때문에 수명이 길다.(12,000회 충방전 가능) 그리고 셀과 탱크부를 분리할 수가 있어 설치장소에 적합하게 제작이 가능하며, 펌프, 냉각장치 등 의 가동부분이 필요하기 때문에 보수, 유지가 필요하며, 바나듐 이온 멤브레 인의 교환이 필요하다. (다) NaS(나트륨황 전지) NaS전지는 충방전은 300℃ 부근에서 가능한 고온형 전지로써 음극으로서 나트륨, 양극으로서 유황을 사용하고 전해질로서 베타알루미나 세라믹스(나 트륨이온 전도성을 가진 고체전해질)를 사용하고 있다. <그림 1-5> NaS 전지의 구조 NaS전지의 특성은 모듈의 출력과 용량이 크기 때문에 비교적 대규모 전 력저장 시스템에 적합하다는 점이다. 높은 에너지밀도로 연축전지밀도와 비 교하여 3배 이상이다. 5,000회 충방전이 가능한 긴 사이클 수명을 가지고 있 으며, 동작을 위해 작동 온도를 유지할 필요가 있다. 고충방전 효율이며 자 기 방전이 없기 때문에 효율적으로 전기를 저장 가능한 특징이 있다. (라) SC(Supper Capacitor) 수퍼 커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면 으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 커패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조, 여기에 직류전압 을 걸면, 각 전극에 전하가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐르 고, 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않는다.
<그림 1-6> Super Capacitor 구조 교류의 경우에는 +, -가 계속해서 바뀜에 따라, 앞서 언급한 테스터의 측 정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류가 흐르 게 된다. 커패시터는 두 극판의 전극간에 절연체를 넣어 만드는데, 이 재질 에 따라 여러 종류의 커패시터가 있으며, 아무것도 삽입하지 않고 공기를 유 전체로 하는 커패시터도 있다. 커패시터의 용량을 나타내는 단위는 패럿(약호:F), 일반적으로 커패시터에 축적되는 전하용량은 매우 작기 때문에, uF이나 pF의 단위가 사용되지만 최 근에는 수퍼 커패시터로 인해 F단위로 용량을 표기하는 경우도 생겨난다. SC의 특성으로는 급속 충방전이 가능한 점, 높은 충방전 효율이 있다. 그 리고 거의 무한대에 가까운 충방전 사이클, 낮은 임피던스, 간단한 충전방법 (센서 및 기타 부가적인 회로로 간단함), 일반적인 배터리의 1/10에 해당하 는 낮은 에너지 밀도, 낮은 셀 전압으로 인한 직렬연결, 3개 이상 직렬 시 전압 발란싱이 필요, 약 50%/월에 해당하는 높은 자가 방전율 등이 있다.
(마) 압축공기 저장 발전 시스템 (CAES, Compressed Air Energy Storage) 전력수요가 낮은 시간대 또는 조절 불가한 전력을 압축기를 사용하여 압 축 공기 에너지로 지하에 저장하고, 전력수요가 높은 시간대에 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 중대형 에너지 저장장치 중 CAES 시 스템은 대형/장주기 에너지저장장치로서, 전력 계통 안정화 및 효율적 운영 을 위해 적용된다. 종류 작동 원리 및 특징 Pumped hydro storage
원리 : Off-peak load 시, 물은 높은 곳에 저장, Peak load 시, 저장된 물을 이용하여 발전 장점 : 대용량 저장에 우수, 성숙된 기술로 높은 안정성, 75~80%의 효율 단점 : 지리적 제약, 지질에 따른 설계의 어려움, 대규모로 초 기 투자비용이 큼 LiB(리튬이온전지) 원리 : 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전위차 발생 장점 : 높은 에너지 밀도, 높은 에너지 효율, 폭넓은 적용 단점 : 안전성 ․ 수명 미 검증, 높은 비용 (나트륨황 전지) 원리 : 300~350℃의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온이 전해 질을 이동하면서 전위차 발생 장점 : 높은 에너지 밀도, 낮은 비용, 대용량화 용이 단점 : 높은 생산비용, 소재부족과 높은 방전율, 300~350℃에 서의 운영/ 유지/ 안전성, 낮은 에너지 효율 레독스 흐름 전지) 원리 : 전해액 내 이온들의 산화․ 환원 전위차를 이용하여 전 기 에너지를 충 ․ 방전 장점 : 저비용, 대용량화 용이, 장시간 사용 가능, 과부하에 강하며 전극/ 전해질 계면반응으로 고출력 가능 단점 : 낮은 에너지 밀도, 낮은 에너지 효율 <표 1-3> 에너지저장장치별 원리 및 특징
(바) 플라이휠 에너지저장시스템 (Flywheel Energy Storage System, FESS) 대용량 회전체를 무 접촉 상태로 부양한 후 전기에너지를 회전에너지 형 태로 저장하였다가 필요시에 전기로 변환하는 기술이다. 자기(초전도 또는 전자식) 베어링, 복합재 회전체, 회전 안정시스템, 냉각 시스템, 전력 입출력 모터 시스템 등으로 구성되어 있다.
(사) 에너지저장 전력관리시스템 (PMS: Power Management System) 전력망의 곳곳에, 많은 수의 전력저장장치를 설치하고 네트워크 기술, 전 력 전자기술을 이용해 스마트한 통합관리를 하여 수요 및 분산전원의 randomness를 완충하는 장치 혹은 시스템을 말한다.
Super Capacitor (수퍼 커패시터)
원리 : 전극과 전해이온사이에 형성된 electric double bayer (EDL)로 이루어진 두 직렬 capacitor에 에너지를 저 장 장점 : 높은 출력밀도, 긴 수명, 높은 효율, 안전성 단점 : 낮은 에너지밀도, 높은 비용, 출력시간이 짧고 용량의 한계가 있음 Flywheel (플라이 휠) 원리 : 전기에너지를 회전하는 운동에너지로 저장했다가 다시 전기에너지로 변환 장점 : 높은 에너지 효율, 긴 수명, 단위 용량당 저비용 단점 : 초기 구축비용 과다, 낮은 에너지밀도, 베어링이 미치 는 영향이 큼, 투자 효율성 검증의 어려움 CAES ( )
원리 : Off-peak load 시, 공기를 동굴이나 지하에 압축, Peak load 시, 압축된 공기를 가열, 터빈 돌리는 방식 장점 : 대규모로 장시간 저장 가능, 가스발전에 비해 약 60% 가스절감, 정지에서 가동까지 적은 시간 소요, 낮은 발 전단가 단점 : 초기 구축비용 과다 자료 : 지식경제부, 우리투자증권 투자정보센터, 구글, 과학동아 <표 1-4> 에너지저장장치 종류에 따른 특징 비교 라. 에너지저장 유형 및 적용영역 에너지저장 유형은 잉여의 전기 에너지를 저장해두었다가 필요한 경우 실 시간으로 제어, 공급할 수 있는데, 그 특성이나 효율, 경제성 등에 따라 적용 영역이 매우 다양하다. 최근 들어 대규모 전력저장을 위해 나스(NaS)나 Flow 배터리에 대한 연구가 진행되고 있으나, 가시적인 성과는 미흡한 편이 다. NaS전지는 300도 이상의 고온의 황과 용융된 나트륨을 이용한 전지로서 일본의 NGK社가 실제 ESS를 설치한 사례가 있으나, 설비를 고온에서 운용 해야 한다는 부담감이 크며 유해 물질인 황을 사용한다는 점이 단점으로 꼽 힌다. 플라이휠은 전기에너지를 회전운동 에너지로 변환하여 로터를 회전시 키는 전력저장장치로서 방전 시에는 로터를 감속시키면서 운동에너지를 전 기에너지로 전환하는 방식을 사용한다. 수명이 15년 이상으로 길고 출력이 높다는 점은 장점이지만 초기 투자비가 높고 폭발 위험성이 크다는 점이 단 점이다. 그리고 중대형 리튬이차전지를 활용한 에너지저장 기술이 주목을 받 고 있으나, 아직까지 상용화한 사례가 없는 것이 단점으로 지적되고 있다. 수백MW급의 발전용량을 가지는 Pumped Hydro 및 압축공기저장 등도 초대용량 ESS로서 연구되고 있다. Pumped Hydro는 지형의 고도차를 이용 한 양수발전으로서 지형적인 설치 조건과 낮은 변환효울, 환경 파괴 등의 문 제점이 지적되고 있으며 CAES는 압축공기 형태로 에너지를 저장하는 ESS로 서 폭발의 위험을 가지고 있다. 제 2 절 응용 분야 가. 배전계통운영자 배전용 발전소 전력저장장치에 대한 적용형태로 다음과 같은 응용이 가능 하다. 먼저, 변전소의 대규모 10MWh 급 부하평준화용으로 전력회사 배전용 으로 사용될 수 있다. 그리고 피더 또는 지역별 부하 규제용(Area Regulation), 비상시의 변전소 제어전원 공급용, 신재생에너지 발전단지 단기 /장기 출력안정화 장치, 전압제어 부가 역할, 선로 증설 비용 저감 방안용 등으로 활용이 가능하다. 전력저장장치의 변전용변전소 설치 시 기능에는, 상시 부하 평활화와 첨 두부하 제어를 통하여 전력손실과 계통혼잡을 최소화하여 계통의 이용률을 향상시킬 수 있다. 계통에 연계되어 전력품질에 영향을 주는 대용량의 신재
생발전의 간헐적인 특성을 개선함으로써 계통의 품질과 안정도를 향상시키 는 기능을 수행한다. 그리고 장기 수명과 신뢰성 및 환경 친화적인 전력저장 장치를 변전소에 분산 배치하여 스마트그리드의 효율적인 운영을 기하고 신 재생에너지 발전원의 보급을 확대할 수 있다. 전력저장장치가 계통에 연계되는 경우에는 유효전력과 무효전력을 적절하 게 공급하여 전압을 일정하게 유지하여 전력품질향상을 지원하게 된다. 전력 수용가 비상전원 공급 및 고품질 전력공급이 가능하며 부하변동, 사고에 의 한 전원 또는 부하 탈락 시에 유효전력의 불평형을 전지 충전과 방전에 의 해 보정이 가능하다. 뿐만 아니라 주파수를 조정하여 계통안정화에도 활용될 수 있다. 부하 평준화 기능적 활용에서는, 잉여전력이나 저가 전력을 저장하여 최 대 수요나 집중 수요 시간대에 활용이 가능하다. 주로 야간에는 전지를 충전 하고 전력수요가 많은 주간에 방전하여 교류계통의 발전전력의 평준화를 도 모 할 수 있다. 수요에 따른 전력 공급량의 조절이 가능하므로 발전에 필요 한 예비전력량을 감소할 수 있으며, 생산된 전력 에너지를 저장하여 필요할 때 사용함으로써, 주야, 계절 간 전력 부하 격차 해소를 통해 부하율과 에너 지 이용 효율을 향상하는데 활용할 수 있다. 변전소, 송전선의 용량을 초과하는 부하 순시 변동에 의한 피크 전력을 전력저장장치에 공급함으로써 잉여에너지를 저장하고, 최대 부하를 저감하여 간헐적 최대 부하 저감 기능 역시 가능하다. 이는 변전소에 연계되어 운전되 는 풍력이나 태양광 등의 신재생에너지원의 출력의 간헐적 특성을 완화시킴 으로써 값비싼 화석연료를 통한 디젤 발전기 등의 백업발전의 필요성을 줄 일 수 있다. <그림 1-7> 에너지저장장치의 용량별 응용분야
자료 : Sandia National Laboratories, ESA
정전에 의한 기계 설비의 갑작스러운 정지로 인해 화재 폭발 등의 재해가 발생할 우려가 있는 설비에 비상전력을 공급하고, 계통사고에 의해 부하와 교류계통이 격리된 경우에도 자력 기동을 하여 발전소의 시스템이 비상 가 동될 수 있도록 PCS에서 변전소에 전력을 공급할 수 있다. 일반적으로는 발 전소에 자립운전을 하기 위하여 비상 전원으로 디젤발전기가 사용되나 기계 적인 발전원 대신 전기에너지를 저장하는 2차 전지를 사용함으로써 보다 빠 르게 필요 전력을 공급하여 변전소의 자력기동이 가능하게 한다. 배전용 변전소에서의 적용 예로는, 배전용변전소의 주변압기(M.Tr) 이차측 율(154/22.9 kV, 60/45 MVA) 설치후보로 고려될 수 있다. M.Tr의 부하특성 을 분류하고, 각 유형은 전력시스템의 부하패턴과 비교하여 기능개선을 갖기 위한 기술 분석은 최적의 BESS 연계기능을 주어진 조건하에서 결정 되어야 한다. 나. 일반 수용가 수용가 전력저장장치에 대한 적용형태로는 부하 평준화 기능을 수행하는 형태를 고려할 수 있다. 수용가의 총체적인 전기료 절감을 목적으로 전력의 공급 및 수요의 시간대를 이동시키는 기능을 지원하기 위해서는 양방향 전 력 관리가 가능해야 함으로 전력저장장치와 통신 연계 운전 연계가 가능해
야 한다. 그리고 전력 계통에 문제가 있을 경우 수용가에 안정적인 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 독립운동 기능이 포함되어야 하며, 이럴 경우에는 사용자가 독립운전을 진행할 것인지 독립 운전 방지를 할 것인지 의 여부를 결정할 수 있도록 설정제어가 가능해야 한다. 다. 신재생에너지 발전설비 설치자 신재생에너지는 발전 특성상 예측이 불가능하고 계통에 교란을 줄 수 있 을 정도로 계통안정도에 영향을 주고 있다. 이러한 신재생에너지의 예측이 어렵고, 간헐적인 출력 변동으로 인한 특성을 2차 전지와 연결된 전력저장장 치로 계통의 안정도를 높이는 기능을 수행한다. 단주기 전력 안정화 기능에 대한 활용도 고려해 볼 수 있다. 신재생에너 지의 대표적인 발전원으로 풍력과 태양광발전시스템의 출력 특성은 예측이 어렵고 간헐적인 출력 변동을 가지고 있다. 단기적으로는 수초 내지는 수십 초 단위로 출력이 변동하는 신재생에너지의 출력 특성을 평준화하는 기능을 수행하는 것이 전력 평활화 기능이다. 시간 지연기능은 다른 표현으로는 전력 지연, 에너지 지연, 장주기 출력제 어 등 다양한 방법으로 표현된다. 이는 전력저장장치의 측면에서 단시간이 아닌 장시간 동안 충전 및 방전의 형태로 구현되는 기능의 일부로 이를 이 용하게 되면 신재생에너지의 출력을 일정하게 변환하여 계통에 주입하게 되 므로 계통 안정뿐만 아니라 향후 입찰이 가능한 기능으로 구현하게 된다. 주파수 조정기능은 계통의 전력을 안정화시키는 역할을 한다. 통상적으로 는 부하 측에 가까이 위치하여 주파수 변동이 생겼을 경우, 이를 보상하는 역할을 하는 기능이다. 하지만 신재생에너지와 같이 발전원 또는 전력 계통 에 영향을 미칠 경우 주파수 조정 기능을 수행할 수 있도록 기능을 부여하 여 전력망의 안정화를 꾀하고 있다. <그림 1-8> 전력저장장치 적용형태 <그림 1-9> 저장장치 연계기술 분석용 배전 계통 내 적용위치
제 2 장 에너지 저장시스템의 기술동향 제 1 절 기술개발 현황 가. 국내 기술개발 현황 에너지저장시스템과 관련하여 국내의 기업․연구소 등에서 기술개발을 추 진 중이나 상용화 정도, 원천․부품소재 기술 수준, 실증 경험 측면에서 선 진국보다 열세에 있다. R&D 현황과 관련하여, 일부 기술(리튬이온전지, 수퍼 커패시터, 플라이휠)은 상용화 단계에 도달하였으나, 그 외의 기술은 초기 기 술개발 단계 수준에 머물러 있다. 리튬이온전지의 기술 수준은 최고수준의 제조 기술로 해외수출1)이 이루어 지고 있으나, 전반적인 ESS 원천․부품소재 기술은 미흡한 수준이다. 구 분 선도기술 업체 국내업체 R&D단계 기술수준 (세계최고 : 100) 원천 기술 부품 소재 제조 LiB 미쯔비시중공업, GS유아사(일) 삼성SDI, LG 화학 응용제품 개발 55 70 95 NaS NGK(일) 포스코 초기개발 35 35 30 RFB Prudent Enegry(중) LS산전, 호남석유화학 초기개발 40 40 45 Super Capacitor 파나소닉(일), Maxell(미) 네스캡, LS엠트론 응용제품 개발 50 55 80 플라이휠 보잉(미) 전력연구원 제품개발 70 60 70 CAES PG&E(미) 삼성테크원 초기개발 50 70 55 <표 2-1> ESS산업 선진기술 VS 국내기술 비교 자료 : ‘에너지저장 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020)’, 지식경제부(2011.5) 리튬이차전지 제조 기술 분야는 2012년 기준으로 시장 점유율 42.3%를 차
1) SDI, 미국 AES사에 20MW급 ESS 공급계약(‘10. 9), LG화학, 미국 SCE 사에 10kWh급 가정용 ESS 공 급계약 (’10.10)
지하여 일본(35.4%)를 크게 앞서고 있는 상황이다. 그러나 리튬이차전지 원 천기술 및 소재부분에서는 일본 기업 50~70% 수준인 것으로 평가받고 있다. 특히 원천기술 및 실증부분에서 선진국과의 격차가 큰 상황이다.
에너지저장기술은 전력산업 특성상 장기 신뢰도가 매우 중요하며, 이를 위한 track record가 많이 필요한 분야이다. 풍력산업의 경우 track record 부 족으로 수출에 크게 에로를 겪고 있는 것처럼, 에너지저장기술도 실제 현장 에 적용되기 위해선 많은 실증기록이 필요하다. 일본, 미국, 유럽 등은 본격 적인 실증사업에 착수하였으나, 국내의 경우 가정용 ESS가 실증 초기단계이 고, 큰 수요가 예측되는 전력망용 대규모 ESS 실증은 전무한 상황이다. 제주 스마트그리드 실증단지에 5kWh급 가정용 ESS 실증 추진 중이며 (‘09.12 ~ ’13.5), 대구 100가구에 10kWh급 리튬이온전지 시스템 실증 사업 추진 중(‘10.6 ~ ’13.5)에 있다. 에너지저장산업이 풍력산업의 전철을 반복하지 않기 위해서는 국가차원의 실증을 위한 초기시장 조성이 필요하다. 2020년 세계 시장점유율 30%를 목 표로 2020년까지 총 6.4조원 규모의 R&D 및 설비투자를 할 예정에 있다. 향 후 10년간 기술개발에 2조원(정부 : 0.5조원, 민간 : 1.5조원), 설비투자는 민 간이 중심이 되어 4.4조원을 투자할 것으로 예상된다.(한국수출입은행 해외경 제연구소, 에너지저장산업 현재와 미래(2012. 09)) 나. 국내업체 동향 주요 리튬이차전지 업체들이 에너지저장산업에 참여하여 사업 확장에 주 력하고 있다. 국내 업체로 삼성 SDI는 단지 수량뿐만이 아니라, 2008년에는 업계의 공신력 있는 시장조사 기관으로부터 리튬이온 2차 전지 종합 기술력 1위, 2009년에는 다른 조사 기관으로부터 2차 전지 ⌜세계화&품질&혁신⌟ 부분의 최고상을 수상하였다. 각 분야별 실증사업을 통해 ESS 기술의 안전성 을 검증 받았으며 검증 셀에 최적화 된 ESS를 설계하여, 모듈화를 통한 시스 템 구성을 설계의 Flexibility를 높이고 있다. 그리고 BMS ~ C.I.(Container Integration) 및 모니터링 시스템 개발을 총체적으로 함으로써 시스템의 완성 도에 기여하였으며, 단기적으로는 에너지 저장장치의 실증을 토대로 상용화 의 발판을 마련하고 있고, 중장기적으로는 ESS의 확대 보급을 위한 Cost 절 감 활동도 수행 중에 있다. 최근에는 Nichicon(일본)과 가정용 ESS 독점 공 급계약을 체결하였으며, KACO(독일)와 ESS 공급 및 R&D협력 MOU를 체결 하였다.
LG화학에서 개발된 중대형 전지, BMS, Module는 국내에 유수의 업체에 서 안정성 성능을 검증 받아 양산 혹은 양산 준비 중에 있으며, 현대 HEV 2 가지 모델과 GM Volt P-HEV 모델에 탑재되어 양산 판매 중이다. 전지, BMS, module의 양산 경험, 개발 선행도, 개발 수준에서 세계 최고 수준의 기반 기술력을 확보 하고 있으며, 최근에는 ABB(스위스)와 ESS배터리 장기 공급 계약을 체결하였고 IBC(독일)와 ESS 협약을 체결하였다. 노후 전력 안 정화, 신재생 에너지 안정화, 전력 peak 효율화를 목표로 하여 신재생 에너 지 비율이 높은 미국, 유럽, 일본 시장을 기본으로 하여 중국 및 타 지역으 로 확대가 예상된다. <그림 2-1> HKMC : 현대 기아차 HEV : 2009년 양산시작(左) GM : 제너럴 모터스 P-HEV : 2010년 양산 시작(右) 자료 : LG 화학 SK이노베이션은 과제의 운영을 Marketing-Production-R&D 조직 간에 밀 접하게 협력하여 진행하는 MPR 조직 운영과, 기술개발 과제의 발굴에서부 터 연구 및 개발의 수행 Incubation까지 사업화를 전제로 진행하는 R&BD Process(Research and Business Development Process)를 운영하고 있다. 최 근에는 중국의 황밍그룹 및 대만의 포모사와 ESS 실증사업에 대하여 진행 중에 있다.
코캄사는 KCP&L에 리튬폴리머 ESS를 공급하였고, AEP 및 듀크 에너지 (미국)등 다수의 전력회사에 ESS를 공급하고 있다.
메가베스는 LiB 방식의 ESS를 크게 두 영역으로 구분하여 기술개발을 진 행하고 있다. 첫 번째는 남는 전기 또는 싼 시간대의 전기를 저장했다가 필 요할 때 사용하는 Load Shifting 개념과, 두 번째는 전력품질을 Smoothing 하게 유지시켜 주는 Load Following의 개념이다. <그림 2-2> 배터리의 적용범위 자료 : 메가베스 두 영역에서 요구되는 근본적인 능력의 차이는 충방전 능력 즉, C-Rate라 고 표현되는 것으로 얼마나 빠른 시간 내에 충전과 방전을 할 수 있는 능력 이 있느냐 없느냐 차이에 있다. 메가베스는 보다 많은 기술을 요구하는 Load Following의 영역에 초점을 맞추고 있다. 기본적으로 대용량 에너지 저장장치를 구현하고 활용하기 위해서 갖춰야 하는 기술은 고전압구현, 초정 밀 셀 발란싱, SOC 및 SOH를 포함한 BMS 기술이며, 마지막으로 현장에서 활용하기 위한 PCS를 포함한 알고리즘 개발을 들 수 있다. 그러나 시장 입 장을 고려 할 때 개발자가 절대 간과해서는 안 될 또 하나의 중요한 요소는 바로 경제성이다. 현재 전 세계적으로 몇 안 되는 에너지저장장치 개발 경험 을 부르짖는 시스템들조차도 기능적으로 어느 정도 합격을 받았는지는 몰라 도 가격 때문에 시장에 진입할 수 없는 Over-Spec의 개발이 대부분 일 것으 로 판단된다. 에너지저장장치 분야의 기술은 아직까지 오픈된 정보가 많지 않고 많이 만들어보고, 경험해 보면서 노하우를 축적해 가는 단계에 있다. 메가베스는 오랜 경험과 축적된 노하우를 바탕으로 1,000V 고전압 실현/ 용 량에 따라 5~20mV 이내의 셀 발란싱 기술/ 자체 개발한 BMS 기술/ 다양 한 어플리케이션 경험/ 부품 표준화에 의한 가격 경쟁력 등 차별화된 기술 력을 보유하고 있다.
<그림 2-3> 대용량화 흐름 자료 : 스마트그리드 ESS 기술동향 보고서, KSGA(지능형전력망협회) 효성 및 포스코 ICT 등도 이차전지 업계와 협력을 통해 국내 실증사업에 참여하고 있다. (1) LIB 신재생 발전원(풍력)연계 및 송배전망 연계 실증분야의 사업으로 신재생 연계형 MW급 리튬이온 운용시스템 개발을 추진 중이다. 수행기간은 2011.07 ~ 2014. 6로 KEPCO(주관), 삼성SDI, 효성의 참여 수행중이다. 대구 PV연계 가정용 에너지저장장치 실증분야의 사업으로 10kWh급 리튬 이온전지 에너지저장시스템 실증 사업을 수행하였다. 수행기간은 2010. 06 ~ 2013. 05로 하여 삼성SDI, KT, EnTech의 참여로 실시되었다. 가정용 및 Community용 에너지저장장치 실증분야의 사업으로 Smart Place(소비자 참여형 스마트그린 플레이스 구축)를 수행하였다. 수행기간은 2009. 01 ~ 2013. 05로 KT(주관), 삼성 SDI, 효성, EnTech의 참여로 수행되었 다. <그림 2-4> Smart Place 풍력 연계형 에너지 저장장치 실증분야로 Smart Renewable 사업을 수행 하였다. 수행기간은 2009. 01 ~ 2013. 05로 KEPCO(주관), 삼성 SDI, 효성의 참여로 수행되었다. <그림 2-5> Smart Renewable EV 급속 충전기 실증 분야로 Smart Transportation 사업을 수행하였다. 수행기간은 2009. 01 ~ 2013. 05로 KEPCO(주관), 삼성 SDI, PNE의 참여로 수행되었다.
<그림 2-6> Smart Transportation 계통 연계형 에너지저장장치 실증분야로 Micro-grid 연계형 실증 사이트 구축 사업을 진행하였다. 수행기간은 2010. 06 ~ 2013. 05로 KEPRI(주관), LS 산전의 참여로 수행되었다. (2) NaS 포스코에서는 2015년 사업화를 목표로 NaS전지 개발을 추진하고 있으며 현재 시스템까지의 시제품을 만들기 위한 개발 단계에 있다. 본격적인 실증 은 2013년부터 계획하고 있으며 수십 kW급의 시스템을 적용한 Off Grid 실 증을 계획하고 있으며 이 실증은 대용량 NaS전지를 적용한 국내 최초의 실 증실험이 될 것으로 예상된다. 수백 kW급의 실증이 가능한 2014년부터는 본 격적으로 계통에 연계된 On Grid 실증이 시작될 수 있을 것으로 생각하고 있으며, 2015년 사업화를 위한 기초 실험 및 data 확보의 기회가 될 수 있을 것을 판단된다. 이에 포스코에서는 ESS용 2차 전지인 NaS 개발 및 실증사업 에 대한 추진 전략을 이러한 예측된 국내 시장의 진화과정을 기반으로 수립 하고 있다. 즉, 건축용 ESS를 대상으로 14년 전까지 개발될 수백 kW 용량의 2차 전지 시스템을 이용하여 소규모 건물(일반 사무용 또는 사업용 빌딩)용 에 설치하여 실증사업을 진행할 예정이다. 2014년 이후부터 데이터 센터, 병 원, 통신사 등 전력의 높은 신뢰도가 필요한 시장을 대상으로 하는 중/대형 건물(1MW급 이하)용 ESS 사업을 진행할 예정이다. 전기 자동차의 보급 확 대 대응용 분산 전력 공급소(1MW급 이상)에 대한 실증화 계획도 마련되어 있다. 건물용 ESS에 대한 실증을 토대로 2015년 이후, 신재생 에너지, 계통연 계 및 발전원을 대상으로 ESS 실증의 규모를 수백 MW급으로 확대하여, 최 종적으로 발전원과 연계한 실증 사업을 통해 시스템의 안정성, 경제성을 향 상시켜 나갈 계획이다. 포스코가 개발 중인 NaS전지의 특징으로는 MW급 전력저장장치 구성에 용이한 대용량의 2차 전지로써, 오랜 기간 실증사업을 통하여 성능, 안전성, 경제성 등의 검증을 마치고 최근 들어 빠른 속도록 보급되고 있는 실정이다. 전력저장용량이 지금까지 실용화된 2차 전지 중 가장 높으며 자기방전이 없 는 특성을 가지고 있다.(이론에너지 밀도 = 760 Wh/kg) 전력저장용 전지의 가장 중요한 특성 가운데 하나인 수명은 정상 작동 시 15년 정도로 매우 길 고 단전지의 충방전 효율이 87%에 달한다. NaS전지의 구성은 음극에 용융나 트륨, 양극에 용융 황 그리고 전해질인 β-alumina 튜브로 이루어져 있으며, NaS전지와 기술 플랫폼이 유사한 Na base 전지인 Na/Ni 전지는 양극물 질로 NiNaCl, 음극물질로 Na, 그리고 전해질로 β-alumina와 S(황) 등 부존 량이 풍부한 물질을 사용하고 있기 때문에 리튬 등 고가의 재료를 사용하는 타 전지 대비 가격 경쟁력 확보에 매우 유리한 상황이며 대형 전지 제조에 유리한 구조로 제조 공정이 상대적으로 단순하다. NaS 및 Na/Ni 등 Na-base 전지는 기본적으로 Na이온을 이동시키기 위해 고체전해질인 β -alumina가 사용, β-alumina의 이온전도성은 최소한 280℃이상에서 유지되기 때문에 Na-base 전지는 300~350℃의 온도에서 작동되는 고온형 2차전지로 분류된다. Na-base 전지의 구성부품 중 고체전해질인 β-alumina 튜브는 전 지의 용량, 출력 그리고 수명에 결정적인 영향을 미치고 있으며 제조공정상 의 난점으로 인해 핵심부품에 속한다. 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미 세구조에 의한 고 신뢰성을 지닌 β-alumina 고체전해질의 성공적 제조는 Na-base 전지의 상용화와 직접 연관이 있다. <표 2-2> 전력저장시스템의 특성 비교
각 전력저장시스템 중 NaS전지는 출력 지속 시간이 6~8시간이 유지되어, 대용량 장주기 저장 시스템에 적합하며 다른 저장장치에 비교하여 용량당 가격이 저렴한 장점이 있다. <그림 2-7> ESS에 요구되는 성능 및 적용전지 자료: 일본자원 에너지성 용도로는 발전원에서 수용가까지 전 전력계통에서 적용이 가능하다. 전력 저장용 및 송배전 전압 관리는 물론 부하 평준화에 적합한 특성을 보이고 있으며, 장기적으로 스마트그리드 시스템에 최적으로 사용될 수 있는 시스템 이라고 볼 수 있다. 대규모의 전력저장이 요구되는 발전소 및 변전소 용도로 는 현재 NaS전지가 비용 및 유일한 양산 제품으로 양산성이 검증되었다는 점으로 볼 때 가장 적합한 전지라고 할 수 있다. 기술개발 현황으로는 1992년부터 진행된 G7사업 “전기자동차 개발”의 일 환으로 Na-base 전지에 대한 기술개발이 유공, 기아자동차, 자동차부품연구 원 등을 중심으로 시작하였으나, 이후 사업의 축소와 ZEV 강제 판매규정이 지연되면서 1995년 사업이 중단되었다. 세계적으로 Na-base 기술개발을 주도 하고 있는 일본과 중국과 비교하여 국내의 경우는 중장기적인 정부지원이 미흡한 상태에서 일부 연구기관을 중심으로 기반 연구 수준의 기술개발이 진행된 까닭에 상용화를 위한 기술 경쟁력이 낮은 상태이다. 최근 에너지 분야의 신사업을 추진하고 있는 기업들을 중심으로 전력 저 장용 Na-base 전지 개발에 대한 관심이 고조되고 있는 상황에서 정부의 중 장기적인 연구 지원이 동반된다면 단기간 내에 상용화 기술 확보뿐만 아니 라 세계의 Na-base 기술개발을 선도할 수 있는 토대를 마련할 수 있을 것으 로 전망된다. RIST(POSCO)에서는 대용량 전력저장용 2차 전지 제조기술개발을 2010년 1월부터 본격적으로 시작하여 향후 상업화를 목적으로 기술개발을 추진하고 있다. <그림 2-8> RIST/POSCO 개발 NaS 단전지 구조와 제작 단전지 향후, 정부과제를 기반으로 150W급의 대용량이면서 장기성능이 우수한 단전지 개발과 이를 사용한 초기모듈/시스템 제조 기술개발, 단전지 대량 생 산을 위한 pilot 생산시설 구축, 제품 제조공정 연구를 계획하고 있다. 정부 과제를 통하여 국내 산업화 기반을 구축하고, 향후 실증사업과 사업화과제를 연계하여 Na-base전지의 신뢰성 검증과 신재생에너지 사업의 전력저장 시스 템으로 상용화할 계획이다. 최근 에너지 분야의 신사업을 추진하고 있는 기업들을 중심으로 전력 저 장용 Na-base전지 개발에 대한 관심이 고조되고 있는 상황에서 정부의 중장 기적인 연구 지원이 동반된다면 단기간 내에 상용화 기술 확보뿐만 아니라 세계의 Na-base전지 기술개발을 선도할 수 있는 토대를 마련할 수 있을 것 으로 전망된다. Na-base전지와 직접 관련된 국내 기술수준은 빈약한 실정이다. β-alumina 고체전해질의 경우, 폐열로부터 전기를 생산하는 AMTEC(Alkali Metal Thermoelectric Convertor) 소자의 핵심 부품으로 사용되어 일부 연구가 진 행되어 왔으나, 길이 10cm 정도로 크기가 작기 때문에 50cm 가량의 대형 튜 브 형태 제조 기술에 활용되기 어렵다. 세라믹 분체 제조는 α-alumina 위주 의 국내 제조업체가 2004년까지 존재하였으나 이후 자취를 감추고 국외로부 터 수입에 전량 의존하는 실정이다. 교육인적자원부에 따르면 2004년도 국내
의 SCI 논문 게제 실적은 17,785건으로 세계 13위권이었고, 재료과학 분야의 논문 피인용지수가 세계 5위권으로 국내 기술 분야 중 최상위를 차지하고 있다. 따라서 국내 산업 기반이 다소 미흡하더라도 탄탄한 소재 분야 인프라 를 감안할 때, 세라믹 고체전해질 개발은 어렵지 않을 것으로 판단된다. 국내 이차전지 산업은 단시간 동안 비약적인 성장을 거두었으며 특히, 전 지의 설계 및 제조기술 분야에서는 일본과 동등한 수준의 기술력을 확보 하 고 있다. 일본의 다케시타 보고서(2007, 4Q)에 따르면 리튬이차전지 제조업체 에 대한 평가 결과에서 삼성 SDI가 일본의 유수한 전지제조업체를 누르고 1 위를 차지해 그 기술력을 인정받고 있다. 따라서 Na-base 전지의 핵심 소재 를 학계 및 연구기관과 국내 부품소재 업체가 공동으로 개발하여 일본 업체 의 기술력과 필적하는 수준으로 개발할 경우 전지의 제조 및 시스템 구축은 큰 어려움이 없을 것으로 판단된다.
(3) RFB (Redox Flow Battery)
RFB는 국내에서 현재 제조하는 곳이 없으므로 사업화 및 실증사례는 전 무한 실정이다. KIER에서는 자체사업으로 ‘신재생에너지 연계 에너지저장시 스템 개발 및 실증연구’과제를 진행하고 있으며, 40kW급(5kW * 8ea) 스택/ 시스템을 제작하여 2015년까지 실증시험을 통해 통합운용 기술을 확보할 계 획이다. RFB 단독운전 및 신재생에너지-RFB 연계운전 등을 통해 실증을 하 고자, POSCO ICT와 협력연구를 진행하고 있으며, 2012년 3월에 RFB가 설치 되었다. 레독스 흐름전지용 전해질 관련으로 국내 대학에서 기초연구를 수행한 경 험이 있으나 전제 전지 시스템에 대한 실질적인 연구는 2007년 KIER에서 처 음으로 시도하였다(V/V 시스템). 2009년에는 국내 최초로 5kW급 레독스 흐 름전지 개발에 성공하였고, 이들의 출력 및 효율 등의 특성 시험을 완료하였 으며 현재는 수계 및 유기계 핵심소재 및 플로우 셀을 개발 중에 있다. 항목 단위 세계최고기관/ 성능수준 KIER 성능수준 출력 kW Sumitomo/ 45 5 효율 % Prudent Energy/ 75 70 <표 2-3> KIER의 RFB 성능 수준 <그림 2-9> KIER의 RFB 개발 실적 및 계획 RFB와 관련하여 호남석유화학은 해외 선진社 대비 동일 기술 확보 및 version up 연구 중에 있다. Zn-Br Flow Battery 1위 기업인 미국 ZBB사와 제 3세대 Zn-Br Flow Battery 공동기술 개발을 실시하였으며(2010. 01 ~ 2012. 06) 공동연구 목표로 실증단계 2세대 제품을 상용단계의 3세대 제품으 로 version up하였다. 개발 제품으로는 50kWh 3세대 Zn-Br Flow Battery module, 500kWh container type Zn-Br Flow Battery system with PCS가 있 다. 현황은 50kWh 3세대 Zn-Br Flow Battery module 시험 중에 있으며, Flow Frame, Electrode, Membrane 등 핵심소재 및 제품개발의 국산화 중에 있으며 설비 수정 및 set up 자동화 공정 개발을 진행 중이다.
(4) 플라이휠
지하철의 회생전력 저장장치로 활용되고 있으며 1MW 출력에 저장용량 100kWh급 플라이휠 시스템에 대하여 실증 중이다.
<그림 2-10> 1MW/100kWh급 SFES 모듈 구성도 기술개발 현황으로는 2005년 20kW/5kWh급 중실축/원통형 휠타입 개발, 2008년 30kW/ 10kWh급 중공축/디스크형 휠타입 개발, 2011년 350kW/35kWh급을 개발 하였다. <그림 2-11> 초전도 플라이 휠 구조 상세핵심기술 기술격차 (연) 기술수준 (%) 현 최고 대표 기술 국내 국외 시스템설계 1 80 전력연구원 미국 보잉사, Beacon Power 플라이휠제작 1 80 한양대학교 미국 보잉사, Beacon Power 전력입출력 2 80 전력연구원 미국 Beacon Power 진동제어 3 70 전력연구원 기계연구원 미국 Beacon Power 초전도베어링 0 100 전력연구원 미국 ANL 전자식베어링 0 80 전력연구원 한국원자력연구원 미국 Beacon Power 냉각기술 3 70 덕성, CVE 미국, 일본 모듈화기술 5 30 - 미국 Beacon Power 운전기술 2 80 전력연구원 미국 보잉사, Beacon Power <표 2-4> 플라이휠 분야 국내 기술수준 (5) 수퍼 커패시터 UPS 형태로 제작 되며, 아래의 그림과 같은 형태로 부하에 연결하여 사용 한다.
<그림 2-12> 수퍼 커패시터의 UPS 적용 형태 기술개발 현황으로는 현재, LS 엠트론에서 전극 소재부터 모듈 설계/제조 를 자체 및 공동 개발을 진행 하고 있다. 일부 소재 및 셀 제조 기술은 선진 국 수준의 기술력을 확보하고 있으나 모듈 및 응용연구 분야에서는 추가적 인 기술 개발이 필요하다. 분야 기술항목 선진국 대비 기술수준 부족 다소부족 동등 우월 보다우월 전극 소재 기술 ●(100%) 전극 소재 기술 ●(100%) 전해질 기술 ●(100%) separator 기술 ●(80%) 셀 설계/제조 기술 ●(100%) 모듈설계/ 제조 기술 ●(80%) <표 2-5> 수퍼 커패시터 기술개발 현황 (6) CAES 한국지질연구원은 2009년 지식경제부 출연사업으로 압축공기 저장용
LRC(lined rock cavern)의 상용화를 위한 실증연구용 파일럿플랜트 구축 사 업을 수행하였다. 파일럿플랜트는 강원도 정선군 신동읍 한덕철광 신예미광 업소 내 430ML(상부 피복층의 두께는 108m)에 위치하고 있으며, 주변 지질 은 고생대 조선누층군 막골층 태백산 광화대에 해당하는 석회암 지대에 해 당, 지질 조사, 초기 지압 측정, 실내 및 원위치 실험에 의한 역학적 설계 정 수 결정, 암반 평가 등을 수행하여 기본설계 및 상세 설계를 시작하여 압축 공기 저장용 파일럿 플랜트 구축 중에 있다. 압축공기에너지 지하저장 파일럿플랜트는 단일 철근콘크리트 구조체와 내 기체투과성이 높은 부틸 고무시트로 구성된 Type A와 스틸라이너에 뒷채움 무근콘크리트 조합의 Type B, C의 라이닝시스템을 적용한 PCI(pilot cavern 1)과 PC2(pilot cavern 2)로 구성되어 있으며, 2012년부터 설비점검 및 시운 전을 시작으로 최대 압력 50bar로 공기의 인입․인출을 반복하는 운영실증 실험을 수행하고 있다.
<그림 2-13> KIGAM pilot plant의 조감도 및 전경
실증 연구는 고압 기체의 인입․인출로 인해 발생하는 주기 하중(cyclic loading)에 대한 라이닝시스템 성능 평가와 암반의 거동 예측을 목적으로 한 다. 이를 위한 계측시스템은 지중변위계, 옹력계, 온도센서, 플러그 변위계, 철근 변형률계, 간극수압계 등으로 구성되어 있으며, 통합 DAQ 시스템에서
획득한 계측자료는 지하에 매설된 광케이블을 통해 지상으로 전달되어 외부 모니터링이 가능하도록 구축되었고, 진동형 계측센서의 특징상 static type으 로 계측이 이루어질 예정이다. 한국지질자원연구원 파일럿플랜트 구축 사업은 암반굴착형의 경제성 확보 를 위해 압축공기저장용 내조시스템(inner containment)의 설계핵심기술 및 시공기술개발을 파일럿 스케일에서 수행한 세계 최초 연구란 점에서 큰 의 미가 있으며, 파일럿플랜트 운영 및 계측을 통해 관련 기술들의 실제적인 효 과, 현장 적용성 등을 검증하고, 기술적 개선사항을 파악할 수 있을 것이다.
<그림 2-14> KIGAM pilot plant의 계측시스템
CAES 실증 플랜트 사업은 발전원 연계형으로서 양수발전을 대체하는 압 축공기저장발전(CAES) 실증 플랜트 구축을 위한 사업으로써 사업기간은 2013년부터 2018년 동안이며, 주요 사업내용으로는 100MW급 CAES 실증 플 랜트 건설, Grid 연계를 위한 송/변전 시스템 구축, 유휴전력을 이용하여 전 력을 저장하고 전력소비 peak시 발전, 간헐적 발전특성을 가진 신재생에너지 의 보완 등을 목표로 하고 있다. 실증 플랜트 대상 부지는 전라북도 군산시 비옹도동 일원.(중부발전 소유 의 10만평 부지중 일부 활용) (a) 대상부지 위치 (b) 대상부지 위성사진 <그림 2-15> 대형실증 플랜트 후보지 대상 부지 인근의 지반조사결과를 참조한 결과 대상 부지의 지층 현황은 아래와 같이 추정되며, 지하수위는 G.L. -3m에 존재하는 것으로 나타났다. 심 도 두 께 지 반 - G.L. -15m 15m 매립층 - G.L. -38m 23m 퇴적층 - G.L. -50m 12m 풍화토 G.L. -50m - - 풍화암, 연암, 경암 <표 2-6> CAES 실증 플랜트 대상 부지 지층 현황
항 목 규 격 비 고 발전 출력 > 100MW 시동 시간 < 10분 발전 시간 5-6시간 SMART 발전모드 저장 시간 < 9시간 연 료 Dual Fuel LNG 및 디젤 저장공간 크기 100,000 ~ 130,000 최고 저장 입력 50 bar 최저 저장 입력 20 bar 압축기 > 370,000 /hr 저장효율 > 85% EPRI 효율정의 <표 2-7> CAES 실증 플랜트 제원 운전 모드 운전 특성 저장 모드 잉여전력을 압축공기 저장 고압 발전 모드 저장 공동 압력이 높은 경우( >25bar) 익스펜터와 터빈 모두 구동 저압 발전 모드 저장 공동 압력이 낮은 경우( <25bar) 터빈만 구동, 익스펜더바이패스 시동 모드 안정적인 점화를 위해 공기 일부 익스팬더 바이패스, 점화 후 바이패스량 점전적으로 감소 Dual mode 중 SMART
발전 저장된 공압 공기 없고 긴급 발전이 필요한 경우 압축기/ 연소기/ 터빈 동시 작동으로 발전 <표 2-8> CAES 실증 플랜트 제원 CAES 실증 플랜트 핵심 개발구성품으로는 압축부(요구수준 : 37만 /hr), 발전부로 냉각터빈 고압 익스펜더(고온 430℃, 703K, 15MW급), 연소기 (F class, DLE연소기), 제어시스템 등이 있다. <그림 2-16> CAES 실증 플랜트 핵심 개발 구성품 압축공기 지하저장 설비의 심도는 G.L. -100m(crown)이며 주요 구조물은 주 저장 공동(MC, Main Cavern), 진입터널(AT, Access Tunnel), 연결터널 (CT, Connection Tunnel), 통기수갱(Air Shaft), 플러그 등이 있다. 지하 저장 설비 체적은 130,000이며, 주요 구조물 크기는 13m(너비) × 15m(높이) × 254m(길이)이다. 구조물 크기 주저장공동(MC) 13m(너비) × 15m(높이) × 254m(길이) 진입터널(AT) 8m(너비) × 7.5m(높이) 연결터널(CT) 7.5m(너비) × 7.5m(높이) 통기수갱(Air Shaft) 소요 통기량에 따라 결정
플러그(Plug) 22m(길이, Cavern Access쪽), 9m(길이, Air Shaft 쪽) <표 2-9> CAES 실증 플랜트 주요 구조물과 그 크기
용량은 100MW급이고 시설부지 면적은 27,846(234m × 119m)로 8,500평
규모에 달하며 압축공기저장 발전형식을 취하고 있다. 유휴전력을 이용한 전 력저장과 전력수요 peak시 발전과 간헐적 발전특성을 가진 신재생에너지발 전의 보완을 목적으로 하고 있다.
CAES 실증 플랜트의 각 설비의 면적을 기준으로 Plot Plan을 작성하였으 며, 각 건물 및 계통의 기기 간 상호 접근성이 용이하고 운전 및 유지/관리 에 유리하도록 설비를 배치한 것이 특징이다.
<그림 2-17> CAES 실증 필요 부지면적 및 실증 플랜트 평면도(안) CAES의 경제성은 시장가격이 낮을 때 전력을 소비하여 공기를 압축함으 로써 공급능력을 확보한 후, 이를 시장가격이 높을 때 계통에 공급함으로써 확보된다. 즉, 시간대별 시장가격의 차이를 통한 차익거래(arbitrage)가 CAES 경제성의 실체라 할 수 있다. 따라서 CAES의 적정 저장용량은 이러한 경제 성을 바탕으로 연속으로 저장 및 발전 가능한 시간 및 에너지 량에 의해 결 정된다. 전력시장가격은 매 시장마다의 수요와 공급량에 의해 결정되기 때문 에 계절 및 시간에 따라 변동하지만, 전력수요가 계절 및 시간에 따른 패턴 을 갖기 때문에 시장가격 또한 이와 유사한 패턴을 보이며, 2010년 계통한계 가격(SMP)의 계절 및 시간대별 패턴 분석에 기초하여 운영 전략을 세우고 있다. SMP 패턴 분석에 의해 저장시간 및 일수, 발전 시간 및 발전일수를 산정하여 저장발전 비즈니스 모델 및 CAES 운영전략 수립에 반영하고 있다. 지하 저장 방식은 저장 공동내 압력변화 유무에 따라 정압식과 변압식으로 구분할 수 있으며, 저장 시설별 주요 특징 및 유지 방식의 특징은 다음 표와 같다. 저장 형태 암반공(경암) 암염층 대수층 천연갱도, 폐갱 무복공식 복공식 기밀 성 수밀방식 Lining 방식 기밀성 양호 장시간 저장시 지구 화학적 반응을 통해 산소가 감소할 수 있음 기밀성 확보 에 많은 대 책이 요구됨 입지 ․ 저장 공 기 압 보 다 큰 지하 수 압 을 확 보 할 수 있는 대심도 심도의 제 약이 없음 천심도 및 도심, 도서 지 방 에 도 설치가능 우 리 나 라 에 는 대상 암 반이 없음 입지적인 제약이 큼 완만한 배사구조로 서 넓은 지역이 바 람직함 간극율 10%, 투수 계수 5× cm/sec 이상 체굴이 끝난 광산의 갱도 나 천연동굴 을 이용 입지조건 제 한됨 시공 성 기존 에너지 저장기술 과 유사 고가의 라 이닝 공사 비 TBM 등 기계화 시 공이 필요 경제적인 시 공법 압수로 암염 을 용해시켜 공동굴착 공동 굴착이 불필요 공동 굴착이 불필요 발 전 시 스 템 의 규모와 시방이 제한 됨 모식 도 <표 2-10> 압축공기 저장 설별 주요 특징
기밀방식 장점 해결과제 라이닝 방식 ․ 심도 제약이 없음 ․ 수밀식보다 신뢰성이 높음 ․ 공동 설치 심도를 얕게 할 수 있음 ․ 지하수위 등의 자연조건에 영향을 받지 않음 ․ 라이닝 시공비용 저감 ․ 공동 내벽이 전하 중을 받기 때문 에 암반의 강도변형특성이 중요함 ․ 라이닝 내구성에 유의할 필요가 있음 암반자제의 기밀성을 이용한 저장 ․ 심도 제약이 없음 ․ 라이닝 시공비용이 불필요 ․ 대상 부지의 제약 지하수압을 이용한 저장 ․ 라이닝 시공비용이 불필요 ․ 저 cost ․ 구조가 단순하므로 시공이 용이하며 유지관리가 거의 필요 없음 ․ 수밀기능의 평가 ․ 수밀수압을 확실하게 상시 확보할 필요가 있음 ․ 과대용수억제 조치로서의 그라우 트의 의존도가 높고 cost 추정시 불확실성 요소가 많음 ․ 공동용수가 많은 경우에는 공기의 용해도가 문제됨 ․ 공동설치심도를 일정한도 이상 얕 게 할 수 없음 <표 2-11> 압축공기 기밀방식별 특징 CAES 시스템 요구조건을 고려하여 한국형 CAES(KCAES)는 변압 저장 및 정압 발전 방식의 독창적인 CAES 구성안을 도출하여 이러한 시스템 구 성에 대해 특허를 출원하였다. 변압 저장 및 정압 발전 방식은 높은 저장 압 력을 2단계로 팽창시키는 방식으로, 기존 CAES와 같이 쓰로틀링 손실이 발 생하는 압력조정기로 터빈 공급 압축공기의 압력을 조절하는 것이 아니고 VGN(Variable Geometry Nozzle) Expander로 팽창비를 조절하여 연소기/ 터빈 입구 일정 압력을 유지하면서 팽창동력을 회수하기 때문에 기존 CAES 에서 발생하는 쓰로틀링 에너지 손실을 줄일 수 있으며, 동시에 팽창비를 기 존 보다 넓은 범위로 사용함으로서 압축공기 저장 공간의 부피를 최소화하 는 것이 가능하다. VGN Expander에 공급되는 압축공기는 별도의 연소기를 사용하지 않고 재생열교환기(Recuperator)에 의해 가열되어 팽창하며, 저압 터빈은 일반적인 가스터빈에서 사용하는 고효율 연소기 및 터빈을 적용하였 고, 열회수를 극대화하기 위해 재생열교환기(Recuperator)는 VGN Expander 전후로 나누어 2단으로 배치되어 있다. 또한 긴급 전력수요 발생 시 압축/연 소/팽창을 동시에 함으로서 비상발전기를 대체할 수 있는 스마트 발전 모드 가 가능하도록 구성되어 있다. <그림 2-18> 변압저장 및 정압발전 방식 한국형 CAES 시스템 구성 (7) Zn-Br Flow Battery 호남석유화학은 2012년 풍력발전 연계 운전으로 한국에너지기술연구원 제 주실증기지에 200kWh급 3세대 Zn-Br flow Battery에 대한 실증계획을 세우 고 진행 중에 있다. 현재 2hr 2세대 제품을 임시 설치하여 운영 준비 중이 며, 2015년 에너지효율향상사업관련으로 MWh 급 이상 제품을 개발 준비 중 이다. Zn-Br Flow Battery는 호남석유화학에서 유일하게 개발 진행 중이며, CES 또는 빌딩용 실증은 전문한 상황이다. 호남석유화학은 실증단계의 미 ZBB사 2세대 Zn-Br Flow Battery를 공동기술개발을 통하여 상용단계의 3세 대 Zn-Br Flow Battery로 version up하고 있다.
