기본 연구 보고서
14-23
이 성 인
에너지저장시스템(ESS)
수요 관리 효과분석 및
시장조성 방안 연구
참여연구진
연구책임자 연 구 위 원 이성인 :
연구참여자 : 위촉연구원 김진경
요 약
< >
연구필요성 및 목적 1.
에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 생산된 에너지를 저장했다가 필요한 시기에 공급할 수 있는 시스템 또는 장치를 말한 다 에너지저장시스템은 안정적이고 효율적인 에너지수급체계 구축에 . 효과적인 수단으로 막대한 시장 잠재력이 기대되며 새로운 성장 동력, 으로 최근 국내외에서 주목받고 있다 이미 주요 선진국은 에너지저장. 시스템의 확대를 위해 기술개발 지원과 함께 정부 예산으로 에너지저 장시스템 실증사업을 추진하고 보조금 지급 세금 감면 및 의무화 등, 을 실시하고 있다 기업도 구체적인 성과가 예상되는 에너지저장시스. 템 시장에 적극적인 관심을 보이고 있다.
현재 국내 전력시장의 특징은 산업용 소비자의 전기소비 패턴 변화 로 평균 부하 증가율에 비하여 최대전력 증가율이 급격히 증가하고 있다 또한 전체적인 부하율은 점차 낮아지고 있는 반면 계절별 및 . , 시간대별 부하변동은 커지는 경향을 보이고 있다 이러한 상황에서 안. 정적인 전력수급을 위하여 시간대별 전기부하를 평준화하여 전력피크 에 적극 대응하고 대규모 정전사고 등에 효과적으로 대응하는 방안으 로 에너지저장시스템의 이용이 급부상하고 있다 또한 전력공급 예비. 력 저하 문제 신재생에너지 도입 비중 확대로 계통에 미치는 출력 변, 동을 고려할 때 에너지저장시스템의 필요성은 더욱 증진될 것으로 예 상되는 바이다.
에너지 저장기술은 최근 빠르게 진화하고 있으나 모든 저장기술이 ,
다양한 적용분야의 활용 용도에서 요구되는 기술적 성능요건을 모두 충족하고 있는 것은 아니다 대부분 저장기술이 개발 중이거나 아직 . 적용 초기단계에 있어 위험과 불확실성이 크고 아직은 더 많은 검증, 이 필요하다 따라서 에너지저장시스템의 보급 확대를 위해서는 적용 . 가능한 분야 및 용도를 살펴보고 용도별로 요구되는 기술적 요건과 저장기술의 현재 수준 및 특성에 대한 검토 분석이 필요하다 국가차. 원에서 상당한 잠재적 효과가 기대될 경우 기술개발 초기 혹은 시장, 태동기에는 정책적인 재정적 지원 및 법적 제도적 보완이 요구된다.
또한 설치 및 운영 주체인 소비자 측면에서도 경제성을 확보하여 시 장보급에 활성화를 이룩해야 한다 왜냐하면 시장 초기단계에 있는 에. 너지저장시스템이 빠르게 시장보급이 확산되지 못하게 되면 에너지저 장시스템 양산체제로의 전환도 더디어 가격하락도 그만큼 지체되기 때문이다.
국내 에너지저장시스템 시장은 아직 초기단계로 실증사업과 시범보 급 사업이 추진 중에 있다 특히 초기 높은 투자비용의 부담으로 에. , 너지저장시스템 시장형성에 난항을 겪고 있으므로 본 연구에서는 에, 너지저장시스템의 활용가능 분야별 수요관리 부하관리 효과와 에너( ) 지저장시스템 보급 활성화를 위한 제도적 경제적 정책적 측면 등을 , , 종합적으로 고려하여 필요성 및 활용방안 등에 대한 검토를 통해 정 책대안 제시하고자 한다.
주요 내용 2.
에너지저장기술은 현재 국내외적으로 다양하게 상용화되어 활용되 고 있고 또한 기술 개발도 활발하게 진행 중이다 이미 개발된 기술, .
에 대한 실증사업도 국내외에서 활발하게 추진되고 있다.
에너지저장시스템의 활용은 전력계통에서 전력 수요와 공급의 불균 형을 해소하기 위해 사용되는 전력 저장장치로 발전소 송전 변전소~ ~ ~ 배전 수용가에 이르는 전 과정에서 다양한 용도로 이루어질 수 있다~ . 에너지저장시스템의 발전서비스 이용은 전력계통의 기존 발전기와 연 계하여 발전자원으로 전력시장에서 전력판매와 보조서비스 제공을 위 한 활용과 전기를 저장한 후 필요 시 공급하여 피크수요 시점의 전력 부하 조절을 통해 전력계통의 운영효율을 최적화하는 데 이용될 수 있다 송전망 서비스로는 송배전망에 연계하여 송배전망의 안정적 운. 영을 위해 필요한 각종 전력설비의 역할을 에너지저장시스템이 담당 하여 신규 설비투자의 지연과 전력계통의 신뢰성, 안정성을 높일 수 있다 수용가 측면에서는 에너지저장시스템을 이용하여 전기 생산 및 . 소비 환경의 변화로 발생하는 전력 계통의 품질 및 신뢰성 저하를 방 지하는 역할을 수행할 수 있다 특히 신재생에너지 발전과 전기자동차 . 충전에 따른 전력수급의 변동성이 높아져 전력망의 불안정성이 심해 질 수 있는 상황에서 에너지저장시스템은 변동성이 높은 전기의 공급 과 수요를 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정하여 전력망의 신 뢰도 향상 기능을 수행한다 돌발적 정전과 같은 전력 계통의 비상 상. 황에 대비할 수 있을 뿐만 아니라 또한 수용가 측면에서 과거 공급자 에게 전적으로 의존하던 전기 공급에서 벗어나 필요시 자체 공급으로 전기요금을 절감하고 외부계통의 문제로 야기될 수 있는 구역 내 전, 력계통의 문제에 효과적으로 대응할 수 있다 이러한 에너지저장시스. 템의 효과는 다양한 용도로 실증적용을 통해 입증되고 있는 만큼 명 확하다.
국가별로 시장의 에너지저장시스템 필요성 및 전력 요금체계에 따라 에너지저장시스템 시장형성 및 발전방향도 상이한 형태를 보일 것으 로 예상된다 에너지저장시스템 실증사례 및 보급정책을 살펴보면 미. , 국은 전력 노후화로 전력계통용 일본은 비상전원 확보를 위해 가정, 용 독일은 출력 변동성이 높은 신재생에너지 발전의 활성화를 위해 , 신재생에너지 발전용 한국은 전력 피크수요 감축을 위해 건물 및 공, 장용 에너지저장시스템 시장에 정책의 우선순위를 두고 있다.
에너지저장 시스템의 설치투자의 결정에 있어서 사업비 투자계획 비용 에 따른 편익을 추정하여 당해 사업이 경제적인 투자가치가 있 ( )
는지를 확인하는 것이 무엇보다 우선한다 에너지비용 편익 추정을 위. 하여 저장시스템의 효율을 90%로 가정하고 현행 전기요금체계에서 , 경부하 시간대에 충전하여 최대부하 시간대에 방전할 경우를 가정하 여 1kwh당 사용량 요금 편익만을 산정한 결과 현행 요금체계에서 에, 너지저장시스템을 설치 활용할 경우 소규모 전력사용 고객보다는 대 규모 전력 사용 고객이 유리한 것으로 나타났다 계절별로는 하절기에 . 가장 큰 편익을 창출할 수 있었다 일반용과 산업용 수용가가 에너지. 저장시스템을 설치하여 얻을 수 있는 최대 에너지편익을 산정한 결과 일반용 전력 갑 고객은 선택요금제에 따라 ( ) 46,858 58,769원의 편익 을 창출할 수 있고 산업용 전력 갑 고객의 경우 선택요금제에 따라 , ( )
원의 에너지 편익을 창출할 수 있었다 일반용 전력
56,418 59,988 .
을 과 산업용 전력 을 고객의 경우 선택요금제에 따라
( ) ( ) 139,402
원을 에너지편익을 창출할 수 있었으며 고압 선택 의 요금
142,376 , A
제를 선택한 고객이 가장 적은 편익을 창출하였고 고압, A 선택 요 금제를 선택한 고객이 가장 높은 편익을 창출할 수 있는 것으로 나타
났다 일반용 전력 을 과 산업용 전력 을 고객 중 수요관리요금제도. ( ) ( ) 를 선택한 고객은 에너지편익을 선택요금제에 따라 연간 139,583
원 창출할 수 있어 이는 일반요금 선택한 경우의 연간 에너지
141,327 ,
편익과 비슷한 수준이었다 이는 일반요금제에 비하여 최대부하 요금. 이 높음에도 불구하고 주중 최대부하 시간대가 연간 1,488시간에서
시간으로 줄어들기 때문이다
990 .
에너지저장시스템의 설치에 대한 경제성 분석 결과 현재 에너지저 장시스템 설치비용이 상당히 높은 수준이기 때문에 순 현재가치가 음 으로 나타나고 있어 선택요금에 관계없이 모두 경제성이 전혀 없는 (-)
것으로 나타났다 현재의 상황에서 투자비를 에너지저장시스템의 수. 명기간 이내에 회수하기는 불가능하기 때문에 에너지저장시스템을 활 용하여 설치비용이 감소하거나 연간 에너지비용 편익이 증가되어야 경제성 확보가 가능하다.
에너지저장시스템 설치비용 하락과 수요관리형 선택요금 의 최대 부하시간을 늘리는 에너지저장시스템 전용 수요관리형 선택요금제의 도입을 가정하여 경제성 민감도를 분석한 결과 투자비 회수기간은 ,
년 는 은 수준으로 경제성
8.1 8.3 , B/C 1.25 1.27, IRR 12.3 12.8%
이 있는 것으로 분석되었다 또한 현행 일반용 을 과 산업용 을 요금. ( ) ( ) 체계에서 에너지저장시스템 설치비용이 하락할 경우 경제성 민감도 분석에서는 일반용 을 과 산업용 을 수용가는 현행 요금체계에서 에( ) ( ) 너지저장시스템의 설치비용이 IkWh당 100만원 수준으로 하락할 경우 경제성이 있는 것으로 나타났다 설치비용이 . IkWh당 50만원 수준으 로 하락할 경우 B/C는 2.04 2.04 수준 투자비 회수기간은 , 4.2 4.3 년 내부수익률은 , 33.0 33.4% 수준으로 나타났다 에너지저장시스.
템 전용 선택요금 제도에서 경제성은 설치비용이 하락할수록 경제성 이 확대되었다.
정책 제언 3.
현재 에너지저장시스템은 태동기의 시장으로 전망 기관에 따라 상 이하나 성장 전망이 밝은 상황이다 전망기관들의 시장 전망도 점차적. 으로 낙관적으로 바뀌고 있다 최근 세계 각국에서 에너지저장시스템 . 실증 프로젝트가 활발하게 진행되고 있어 2015년을 전후하여서는 상 업적 성장의 초기 단계를 맞이할 것으로 예상된다.
그럼에도 에너지저장시스템 사업은 아직 초기단계로 실제 기업의 수익으로까지는 연결되지 못하고 있다 아직 기업의 수익성으로 연결. 되고 있지는 않지만 조만간 에너지저장시스템 시장이 활성화 될 것으, 로 예상된다 국내외에서 시행되고 있는 실증 과정을 통해 에너지저장. 시스템의 효과가 차츰 입증되고 있고 기술 신뢰성이 확인될 경우 시 장이 형성되어 빠르게 전개될 것으로 보인다.
빠른 시장 개화가 예상되는 국제 에너지저장시스템 시장과 달리 국, 내 에너지저장시스템 시장은 아직 정부 주도의 초기 시장 단계이다.
현재 민간 주도의 에너지저장시스템 프로젝트는 거의 전무한 상황으 로 정부에서는 에너지다소비 민간 기업들에게 에너지저장시스템 설치 를 독려하고 있지만 권고에 불과하며 국내 기업의 관심에도 불구하고 구체적인 사업화 수준으로 연결되지 못하고 있는 실정이다 현재 에너. 지저장시스템 보급에 있어 가장 큰 장애요인은 에너지저장시스템의 경제성과 기술적 신뢰성 확보이다.
에너지저장시스템의 시장조성을 위해서는 우선적으로 초기 투자비
의 부담을 완화해야 한다 우선적으로 에너지저장시스템의 초기 투자. 비 부담 완화를 위한 설치 보조금 지원이 필요하다 또한 초기 설치투. 자 비용에 대해 정부의 보조금 지원과 함께 에너지저장시스템을 리스
하는 방식 또는 제 자가 투자하여 설치
(Lease) 3 운영하는 방식으로 초
기 투자비에 대한 부담을 완화하는 방안도 추진될 필요가 있다 둘째. 로 현재와 같이 경제성이 없는 상황에서는 고객이 에너지저장시스템 의 운영을 통해 전기요금 절감 효과를 확실히 볼 수 있는 전용 요금제 의 도입이 필요하다.
둘째로 에너지저장시스템의 기술신뢰성 확보를 위해 정부 산업체가 - 긴밀한 협력시스템을 구축하여 공동의 노력이 필요하다 기술개발은 . 기술의 신뢰성 확보뿐만 아니라 가격 경쟁력 확보에도 필수적인 요인 이다 첫째로 비용 경쟁력 있는 에너지 저장기술의 개발을 위해서는 . 저장기술의 성능 저장효율 저장밀도 및 수명 등 향상 기술개발 에너( , ) , 지저장시스템에서 원가비중이 높은 핵심 구성요소의 소재개발 시스, 템 엔지니어링 기술개발 지원과 함께 제조능력 제고 새로운 에너지저, 장 원천기술의 개발 확대 노력이 요구된다 둘째로 정부는 응용분야별 . 기술개발 전략과 부품소재분야 전문기업 육성을 위한 지원을 확대해 야 한다 에너지저장시스템 산업은 부품 소재 등 후방산업에 기회가 . 큰 산업으로 강소 중소기업 육성을 통해 양질의 일자리 창출 및 원천 기술 확보 문제를 해결해야 한다 그리고 저장기술을 활용하여 부가가. 치를 높일 수 있는 산업군에 대한 차별화된 기술개발 및 산업지원 전 략이 필요하다.
셋째로 에너지저장시스템의 기술 신뢰성의 확보하기 위한 검증 확 인 및 정보 공유가 필요하다 현재 대규모 저장용량 에너지저장시스템.
에 대한 충분한 기간의 실증경험 부족으로 기술적 신뢰성에 대한 시 장의 우려가 있다 보급 확대를 위해서는 초기 단계에서 신뢰성을 검. 증하고 확인하는 것이 중요하다 따라서 충분한 기간 동안의 실증운영. 을 통하여 발생 가능한 다양한 문제들을 확인하고 적절한 대책 마련 이 필요하다.
마지막으로 에너지저장시스템의 보급 확산을 통해 전력 피크수요 절감효과 수요관리 효과 를 거두기 위해서는 전력 수용가 전력 소비( ) ( 자 의 수용성이 중요하다 본격적으로 에너지저장시스템의 보급 확산) . 사업이 추진하기 되기에 앞서 지금부터 단계적으로 추진되어야 한다.
경제성이 확보되어 새로운 비즈니스 모델이 확립되면 수용가의 수용 성 확보의 실질적 주체는 사업자가 되겠지만 초기단계인 현 시점에서 , 정부 차원의 수용가 수용성 확보방안 및 지원책이 수립되어 추진될 필요가 있다.
ABSTRACT
Energy storage technologies provide for multiple applications(back- up power, load leveling, frequency regulation, voltage support, and grid stabilization). Importantly, not every type of storage is suitable for every type of application, motivating the need for a portfolio strategy for energy storage technology. Energy storage technologies have recently been in the spotlight, discussed as essential grid assets.
Though they can provide numerous grid services, there are a number of factors that restrict their current deployment. Typically, new en- ergy storage deployments have relied on government financial assis- tance, but in a few cases, they may be the preferred economic alter- native at current price points.
This report identifies the key barriers restricting further energy storage development and also includes a discussion of possible sol- utions to address these barriers. The most significant barrier to de- ployment is high capital costs. Though there are a number of regu- latory and market barriers preventing the increased deployment of energy storage technologies, the primary barrier to deployment is high capital costs. Despite other barriers that exist, in most sit- uations, this prevents a potential owner from creating a business case and further research is needed to decrease costs. Government, aca- demia and manufacturers have an opportunity to play a key role
here. Research should focus on reducing costs rather than improving marginal performance with the goal of a system that meets grid re- quirements at lowest possible costs. In addition to research focused on decreased storage system costs, additional initiatives aimed at opening market access for all resources to provide any services of which it is capable, should be implemented. Progress has been made in this effort, but much remains to be done and will require con- tinued engagement from regulators, policy makers, market operators, utilities, developers and manufacturers. In this regards, A proactive regulatory intervention could be helpful in several areas to allow the emergence of new business models. This includes for instance the promotion of market access for aggregators which would allow for the participation of small scale electricity storage. Energy storage should be a well accepted contributor to realization of smart grid benefits specifically enabling confident deployment of electric trans- portation and optimal utilization of demand side assets. It is expected that early deployments will be in high value applications, but that long term success requires both cost reduction and the capacity to realize revenue for all grid services storage provides. Energy storage has a great potential to be a major electricity system asset. However, it requires regulations that enable market access, and research that reduces costs.
제목 차례
제 장 서론1 ···
1
연구 배경 및 필요성1. ··· 1 연구 목적
2. ··· 2
제 장 에너지저장시스템2 (ESS) 개요···
5
에너지저장시스템 의 개념 및 구성요소1. (ESS) ··· 5 가 에너지저장시스템 의 개념
. (ESS) ··· 5 나 에너지저장시스템 의 구성요소
. (ESS) ··· 7 에너지저장시스템의 종류 및 특징
2. ··· 8 가 에너지저장기술
. ··· 8 나 전기저장기술
. ··· 10 다 열에너지저장기술
. ··· 18
제 장 에너지저장시스템의 활용분야 및 기대효과3 ···
23
에너지저장시스템의 활용분야 및 요구 성능1. ··· 23 가 에너지저장시스템의 활용분야
. ··· 23 나 에너지저장시스템의 가치창출 극대화
. ··· 25 다 에너지저장시스템 활용 용도별 요구 성능
. ··· 28 에너지저장시스템 활용방안 및 기대효과
2. ··· 31 가 발전자원으로 활용
. ··· 32 나 송배전망 연계 활용
. ··· 47
다 신재생에너지 연계 활용
. ··· 55
라 수요자원으로 활용 수용가 . ( ) ··· 57
제 장 에너지저장시스템 경제성 분석 및 시장조성 방안4 ···
61
국내외 에너지저장시스템 실증 및 보급 정책 분석 1. ··· 61
가 미국. ··· 63
나 일본. ··· 64
다 유럽. ··· 67
라 한국. ··· 69
마 시사점 . ··· 74
수용가 에너지저장시스템 경제성 분석 2. ··· 76
가 분석의 필요성 . ··· 76
나 경제성 판단 기준 계량화 방법 . ··· 78
다 에너지저장시스템의 비용 및 편익 산정 . ··· 81
라 에너지저장시스템 경제성 및 민감도 분석 . ··· 93
에너지저장시스템 시장조성 정책 제언 3. ··· 99
가 경제성 확보 직접적 지원방안 . ··· 100
나 기술 신뢰성 확보 방안 . ··· 103
다 수용성 확보 방안 . ··· 106
제 장 요약 및 결론5 ···
109
참 고 문 헌 ···
115
표 차례
표 저장방식에 따른 에너지저장기술의 분류
< -1> ··· 9 표 생산 에너지 및 용도에 따른 에너지저장기술 분류
< -2> ··· 10
표 주요 전기저장기술의 원리 및 특징
< -3> ··· 11 표 전기저장기술별 성능 수준 및 기술적 특성
< -4> ··· 12 표 주요국 가정 부문 전기 온수난방의 전력소비
< -5> ··· 21 표 에너지저장시스템 활용 서비스 분야
< -1> ··· 25 표 에너지저장시스템 용도별 복합 활용 매트릭스
< -2> (Matrix) · 27
표 에너지저장기술별 기술성능 특성
< -3> ··· 28 표 활용분야별 요구되는 최소 기술적 요건
< -4> ESS (DOE) ··· 30 표 활용분야별 요구되는 기술적 요건
< -5> ESS (IEA) ··· 30 표 국내 의 활용가능 분야
< -6> ESS ··· 31 표 발전기별 특성비교
< -7> ··· 32 표 전력수급 경보의 종류 경보 요건
< -8> , ··· 39 표 자체기동 및 계통복구 흐름
< -9> ··· 45 표 저압 표준전압 및 허용오차
< -10> ··· 51 표 전력계통 전압조정목표 및 전압유지범위
< -11> ··· 53 표 주요국의 보급 확산 정책
< -1> ESS ··· 61 표 국내외 실증 프로젝트 사례
< -2> ESS ··· 62 표 일본 이차전지 기술개발 로드맵
< -3> ··· 65 표 일본의 에너지저장시스템 보조금 지원 환산 공식
< -4> ··· 66
표 의 전기저장시스템 계약 현황
< -5> Terna ··· 68
표 국내 기술개발 현황 및 기술수준
< -6> ESS ··· 69 표 구성 분야별 대 중소기업 현황
< -7> ESS ··· 71 표 한국의 기술개발 및 산업화 비전과 목표
< -8> ESS ··· 72 표 국가별 시장 필요성 및 시장발전 방향
< -9> ESS ··· 74 표 에너지저장기술별 비용 특성
< -10> ··· 82 표 리튬 배터리 설치비용
< -11> ESS ··· 83 표 전기요금 계절별 시간대별 구분
< -12> ··· 86 표 일반용 갑 및 산업용 갑 고객 연간 에너지편익
< -13> ( ) ( )
산정결과··· 90 표 일반용 을 및 산업용 을 연간 에너지편익 산정결과
< -14> ( ) ( ) · 91 표 수요관리형요금 선택 연간 에너지편익 산정결과
< -15> ··· 92
표 경제성 분석을 위한 기본가정 및 적용 상수
< -16> ··· 93 표 일반용 갑 및 산업용 갑 계약 수용가 경제성
< -17> ( ) ( )
분석결과 ··· 94 표 일반용 을 및 산업용 을 계약 수용가 경제성
< -18> ( ) ( )
분석결과··· 95 표 전용 수요관리형 선택요금의 경제성 분석결과
< -19> ESS ···· 96
<표 -20> ESS 설치비용의 하락에 따른 경제성 변화 분석결과·· 97
그림 차례
[그림 -1] 에너지저장기술 종류 및 기술 성숙도 ··· 6 그림 에너지저장시스템의 구성요소
[ -2] ··· 7 [그림 -3] 원형 리튬이온전지 구조 및 원가구성도··· 15
그림 기본 개념
[ -4] UTES ··· 20 그림 예비력 개념 및 분류
[ -1] ··· 36 그림 국내 운영예비력 운영 기준
[ -2] ··· 38 그림 주파수 조정서비스의 유무에 따른 계통부하
[ -3] ··· 40
그림 주파수 조정용 와 발전기의 운영방식 비교
[ -4] ESS ··· 42
그림 전력계통의 송배전망 설비구성
[ -5] ··· 47 그림 리튬이온 이차전지 공급체인
[ -1] (supply chain) ··· 70
그림 일방 산업용 갑 방전 에너지편익
[ -2] ( ): ESS 1kWh
( /kWh) ··· 87원
그림 일방 산업용 을 방전 에너지편익
[ -3] ( ): ESS 1kWh
( /kWh) ··· 88원 그림 설치비용과 투자 회수기간 일반요금
[ -4] ESS ( ) ··· 98 그림 설치비용과 투자 회수기간 수요관리요금
[ -5] ESS ( ) ··· 98 그림 설치비용과 투자 회수기간 전용 요금제 도입
[ -6] ESS ( ) ··· 98
제 장 서론 1
연구 배경 및 필요성 1.
에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 생산된 에너지를 저장했다가 필요한 시기에 공급할 수 있는 시스템 또는 장치를 말한 다 에너지저장시스템은 안정적이고 효율적인 에너지수급체계 구축에 . 효과적인 수단으로 막대한 시장 잠재력이 기대되며 새로운 성장 동력, 으로 최근 국내외에서 주목받고 있다 이미 주요 선진국은 에너지저장. 시스템의 확대를 위해 기술개발 지원과 함께 정부 예산으로 에너지저 장시스템 실증사업을 추진하고 보조금 지급 세금 감면 및 의무화 등, 을 실시하고 있다 기업도 구체적인 성과가 예상되는 에너지저장시스. 템 시장에 적극적인 관심을 보이고 있다.
에너지원 중 전기는 편리성으로 생산 활동 및 일상생활에서 가장 광범위하게 사용되고 있다 그러나 생산과 소비가 동시에 균형을 맞추. 어야 하는 특성으로 인해 시시각각 변화에 대응하기 위한 신속한 출 력조정 속도가 필요하고 생산단가가 높은 발전원 가동과 예비용량을 , 갖추어야 하는 단점을 가지고 있다 그럼에도 불구하고 전력수요는 사. 용의 편리성으로 인하여 향후에도 꾸준히 증가될 것으로 전망되며 발 전용량 확대가 불가피한 상황이다.
현재 국내 전력시장의 특징은 산업용 소비자의 전기소비 패턴 변화 로 평균 부하 증가율에 비하여 최대전력 증가율이 급격히 증가하고 있다 또한 전체적인 부하율은 점차 낮아지고 있는 반면 계절별 및 . , 시간대별 부하변동은 커지는 경향을 보이고 있다 이러한 상황에서 안.
정적인 전력수급을 위하여 시간대별 전기부하를 평준화하여 전력피크 에 적극 대응하고 대규모 정전사고 등에 효과적으로 대응하는 방안으 로 에너지저장시스템의 이용이 급부상하고 있다 또한 전력공급 예비. 력 저하 문제 신재생에너지 도입 비중 확대로 계통에 미치는 출력 변, 동을 고려할 때 에너지저장시스템의 필요성은 더욱 증진될 것으로 예 상되는 바이다.
에너지저장시스템의 보급 확대를 위하여 일본은 대지진 이후 불안, 정한 전력문제 해결을 위해서 에너지저장시스템에 대하여 중앙정부 및 지방자치단체에서 도입 시 1/3 정도의 보조금 및 지원프로그램을 운영하고 있다 미국 캘리포니아 의회는 법안을 통해 . 2020년까지 피 크 전력의 5%를 담당한 에너지저장시스템 설치의무화를 진행하였다. 유럽에서는 2011년 월에 에너지저장시스템의 5 R&D에 2014년까지 2 억 유로의 투자계획을 발표한 바 있다 한국 정부도 . 2011년 월 에5 너지 저장기술 개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020) 계획을 수립하여 기술 개발 및 실증사업을 추진해 오고 있다 동 계획은 . 2020년 국제 에너지저장 시장의 점유율 30% 달성을 목표로 총 6.4조원 기술 개발 ( 조원 설비 구축 조원 규모의 연구개발 및 설비투자를 주요 내용 2 , 4.4 )
으로 하고 있다 한국은 . 2013년부터 설치 보조금 지원을 통해 공공부 문 건물용 에너지저장시스템 시범보급사업을 추진하고 있다.
연구 목적 2.
에너지저장시스템은 발전소 송전 변전소 배전 수용가에 이르는 전 ~ ~ ~ ~ 과정에 설치되어 다양한 용도로 활용될 수 있다 특히 신재생에너지 . ,
력계통에 연계할 경우 계통 전압 및 주파수의 변동을 초래할 수 있다.
이 문제를 에너지저장시스템으로 보완하여 신재생에너지 이용 확대에 일조할 것으로 예상된다 우리나라는 전력수요의 갑작스런 급증에 대. 비하여 주파수 조정용으로 석탄 화력발전소의 출력을 평상시 5% 줄 여 운전하고 있다 이를 에너지저장시스템으로 대체하면 효율 향상에 . 기여할 수 있다 에너지저장시스템을 전력계통과 연계하여 활용하면 . 에너지저장시스템은 생산 전기의 충 방전 기능을 통해 발전 송배전 , 설비의 효율적 이용에 기여하고 나아가서 신규 발전소의 건설 및 송, 배전망 시설 투자의 회피 또는 지연하는 효과도 기대된다 이러한 에. 너지저장시스템의 효과는 국내외에서 다양한 실증적용을 통해 입증되 고 있는 추세이다 그럼에도 불구하고 에너지저장시스템의 운영을 통. 한 경제적 수익창출 및 편익 극대화 경험이 아직 충분히 축적되지 못 한 상태이므로 이를 보급 확대하려는 노력이 필요하다.
에너지 저장기술은 최근 빠르게 진화하고 있으나 모든 저장기술이 , 다양한 적용분야에서 요구되는 기술적 성능요건을 모두 충족하고 있 는 것은 아니다 대부분 저장기술이 개발 중이거나 아직 적용 초기단. 계에 있어 위험과 불확실성이 크고 아직은 더 많은 검증이 필요하다, . 따라서 에너지저장시스템의 보급 확대를 위해서는 적용 가능한 분야 및 용도를 살펴보고 용도별로 요구되는 기술적 요건과 저장기술의 현 재 수준 및 특성에 대한 검토 분석이 필요하다 국가차원에서 상당한 . 잠재적 효과가 기대될 경우 기술개발 초기 혹은 시장태동기에는 정책, 적인 차원에서 재정적 지원과 법적 제도적 보완이 요구된다 또한 에. 너지저장시스템이 국가 전체 측면에서 다양한 효과로 경제성 혹은 사 업타당성이 있어도 설치하여 운영하는 주체인 소비자 측면에서 경제
성이 없으면 시장보급이 불가능하다 따라서 에너지저장시스템이 시. 장에서 보급되기 위해서는 소비자측면에서 경제적 타당성 확보가 핵 심이다 시장 초기단계에 있는 에너지저장시스템이 빠르게 확산되지 . 못하게 되면 에너지저장시스템 양산체제로의 전환도 더디어 가격하락 도 지체된다.
국내 에너지저장시스템 시장은 아직 초기단계로 실증사업과 시범보 급 사업이 추진 중에 있다 특히 초기 높은 투자비용의 부담으로 에. , 너지저장시스템 시장형성에 난항을 겪고 있다 본 연구에서는 에너지. 저장시스템의 활용가능 분야별 수요관리 부하관리 효과를 살펴보고 ( ) 에너지저장시스템 보급 활성화를 위한 제도적 경제적 정책적 측면 , , 등 종합적으로 필요성 및 활용방안 등에 대한 검토를 통해 정책대안 을 제시하고자 한다 이를 위해서 제 장에서는 에너지저장시스템 개. 2 념과 구성요소 에너지저장기술의 종류와 현재 수준을 살펴본다 제, . 3 장에서는 에너지저장시스템의 활용분야 및 용도 용도별로 요구되는 , 기술적 요건을 살펴보고 국내에서 활용 가능한 분야별 활용방안을 검 토한다. 제 장에서는 국내외 실증사례 및 정책동향을 살펴보고 시장4 잠재력이 큰 일반용 및 산업용 수용가 시장을 중심으로 에너지저장시 스템 설치 운영에 따른 경제성과 민감도를 분석한다 그리고 이를 종. 합하여 에너지저장시스템의 시장조성 방안을 도출한다 마지막으로 . 제 장에서는 분석 및 연구 결과를 종합적으로 요약 정리한다5 .
제 장 에너지저장시스템 2 (ESS) 개요
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 , , 장소에 대한 지리적 환경에 제약되는 특성이 있다 화학적 방식으로는 . 리튬이온 전지(LIB, Li-ion Battery), 나트륨황 전지(Nas), 흐름전지
등이 있다 (RFB, Redox Flow Battery) .
전기 저장방식 에너지저장시스템 종류
물리적 저장 (mechanical)
양수발전(PHS, Pumped Hydro Storage)
압축공기저장장치(CAES, Compressed Air Energy Storage) 플라이휠(flywheels)
화학적 저장 (electrochemical)
리튬이온전지(LiB, Lithium Ion Battery) 나트륨황전지(NaS)
납축전지(Lead acid)
흐름전지(RFB, Redox Flow Battery) 전자기적 저장
(
슈퍼커패시터(Super-capacitor 또는 Ultra-capacitor)
초전도에너지저장(SMES, superconducting magnetic energy storage)
표
< Ⅱ 1 저장방식에 따른 에너지저장기술의 분류- >
자료: IEA(2014) 및 DOE(2013) 자료 활용 작성
에너지 저장장치의 지속기간을 기준으로 한 분류에서 단주기는 보 통 시간 이내의 전력수급 균형을 맞추는 데 목적이 있다 대표적으로 4 . 반응시간이 빠른 고출력 고효율 특성을 갖는 리튬이온전지, (LIB)와 플 라이휠(Fly wheel)이 있다 장주기 에너지저장시스템은 심야의 잉여전. 력을 저장하여 피크시간에 방전하는 목적으로 설치하기 때문에 보통
시간 정도 지속 가능하며 고용량 저비용 특성을 갖는 나트륨황
10 ,
전지 흐름전지 가 대표적이다 경제적 측면에서 (NaS) , (Flow Battery) .
살펴보면 단주기 에너지저장시스템은 kWh당 생산 단가가 낮아야 하 며 장주기용 에너지저장시스템은 , kWh당 생산단가가 낮아야 하는 특 성이 요구된다.
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
PHS (양수발전)
(원리) 전기에너지를 위치에너지 하부 ( 상부 저수지)로 변 환 저장하여 필요시 전기로 변환,
(장점) 대용량화 용이 낮은 비용, (낮은 발전단가) (단점) 낮은 에너지효율 환경파괴 입지제약, ,
CAES 압축공기저장시스템
( )
(원리) 공기를 동굴이나 지하에 압축 저장 후 필요시 , 압축된 공기를 가열하여 전기 생산
(장점) 대용량화 용이(대규모 저장 낮은 발전단가), (단점) 낮은 에너지효율 입지제약 높은 비용, , (초기비용)
Flywheel (플라이휠)
원리 전기에너지를 회전하는 운동에너지로 저장했다가 ( )
다시 전기에너지로 변환하여 사용
장점 높은 에너지효율 긴 수명 급속 저장 분 단위
( ) , , ( )
단점 초기 구축비용 과다 낮은 에너지밀도
( ) ,
납축전지(Lead-acid)
원리 전기에너지를 납 이온을 이용한 화학에너지로 변 ( )
환 저장 후 필요시 전기로 변환, 장점 낮은 비용 안전성 및 신뢰성 검증
( ) ,
단점 낮은 에너지밀도 ( )
LIB 리튬이온전지
( )
원리 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전위차 발생 ( )
장점 높은 에너지밀도 높은 에너지효율
( ) ,
단점 안전성 수명 검증 높은 비용
( ) ,
NaS 나트륨황 전지
( )
원리 의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온 ( ) 300 350
이 전해질을 이동하면서 전위차 발생 장점 높은 에너지밀도 낮은 비용 대용량화 용이
( ) , ,
단점 고온 시스템 필요 낮은 에너지효율
( ) ,
RFB 레독스 흐름 전지
( )
원리 전해액 이온들의 산화 환원 전위차를 이용하여 ( )
전기에너지를 충 방전하여 이용
장점 낮은 비용 대용량화 용이 장시간 사용 가능
( ) , ,
단점 낮은 에너지밀도 낮은 에너지효율
( ) ,
Super Capacitor
(원리) 소재의 결정구조 내에 저장되는 전지와는 달리, 소재의 표면에 대전되는 형태로 전력을 저장
장점 높은 출력밀도 긴 수명 안정성
( ) , ,
단점 낮은 에너지밀도 높은 비용
(( ) ,
자료 지식경제부 에너지저장 기술개발 및 산업화전략: , (K-ESS 2020전략), 2011 IEA, Technology Roadmap Energy Storage. 2014
표
< Ⅱ 3 주요 전기저장기술의 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
Power rating (MW)
1005,000 100
300 0.001
0.1 0.5 50 0.002 20 0.01
10 0.01
1 0.001 50 Energy rating
(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
(W/ ) 150 315 90 230 400 1,600
500
2,000 0.1 10 500+
Self-dischage
(%/d) 0 0 0.1 0.3 20 20 100 10 15 2 40 0.5 2 Round trip
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
50,000 5,000
20,000 1000
10000+
2000
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. 력 및 음극재료에서 리튬이온을 삽입(intercalation)할 수 있는 충분한
공간의 존재가 전지의 성능을 좌우한다 전해질의 종류에 따라 리튬이. 온 전지와 리튬폴리머 전지로 구분되며 전지의 형상에 따라 원통형과 , 각형으로 구분된다 그리고 양극 활물질의 종류에 따라 리튬코발트산. 화물(LiCoO2), 리튬니켈산화물(LiNiO2), 리튬망간산화 물(LiMn2O4), 리튬인산철산화물(LiFePO4) 등으로 나눌 수 있다 현재 리튬이온 전. 지는 값비싼 코발트 계열을 사용하고 있으며 이를 대체하기 위한 소, 재 연구가 활발히 진행 중에 있다.
리튬 이차전지는 양극재 음극재 전해질 분리막을 조립하여 만들, , , 어지며 양극재 음극재 전해질 분리막 대 소재가 전체 생산원가의 , , , , 4
를 차지하고 있다
50% 1). 소재부분의 원가에서 양극재가 44%, 분리막 음극재 전해질 순으로 차지하고 있다
14%, 10%, 7% .
그림 원형 리튬이온전지 구조 및 원가구성도 [ Ⅱ-3]
자료 한국수출입은행 조사자료:
리튬이온 전지는 가볍고 무게 대비 에너지 밀도가 다른 어떤 전지보,
1) 한국수출입은행 해외경제연구소, “리튬 이차전지 산업동향”, Issue Briefing Vol.
2014-G-01, 2014.06.23
다도 크고 자가 방전에 의한 전력손실이 적고 기억효과, , (memory 가 나타나지 않는 장점이 있지만 안정성과 수명이 아직 완벽히
effect) ,
검증되지 않고 비용이 높다는 단점이 있다.
나트륨황 전지 5) (NaS)
나트륨황 전지는 일본의 NGK사와 도쿄전력이 공동 개발하여 ’06 년에 최초로 상용화에 성공하였다. NaS 전지는 양극에 황(Sulfur), 음 극에 나트륨(Na), 전해질로 세라믹 고체를 사용하여 양극과 음극 사, 이를 나트륨 이온이 이동하면서 충전과 방전을 반복하는 원리이다 에. 너지 밀도가 높고 납축전지의 배 이상 사이클 수명이 길고( 3 ), (15년 이 상), 자가 방전이 없는 장점이 있다 그러나 작동을 위해서는 나트륨. 의 용융 상태를 유지해야 하기 위한 300도가 넘는 고온이 필요하므로 높은 운영비용이 요구되고 또한 화재 예방시설 설치가 필요하다는 단, 점이 있다.
레독스 흐름 전지
6) (RFB)
레독스 흐름 전지(Redox-flow Battery, RFB)는 전해질 내 이온의 전 기화학적 산화 환원 전위차를 이용하여 전기를 저장하고 사용하는 장- 치로 산화(Reduction)-환원(Oxidation) 반응 물질의 조합에 따라 전지 의 전위가 결정된다 전해조의 크기에 따라 전기 저장량을 조절하며. , 스택의 크기에 따라 출력을 조절할 수 있다. RFB는 대용량 장시간 , 사용이 필요한 조건에 적합하고 상대적으로 낮은 비용 용이한 대용, , 량화 장시간 사용이 가능한 장점이 있다 반면에 낮은 에너지밀도 낮, . ,
은 에너지효율이 단점으로 지적된다.
의 기본 구조는 전력의 출력을 담당하는 스택과 용량을 담당하 RFB
는 양극(+) 전해액 탱크 음극, (-) 전해액 탱크 그리고 전해액을 스택, 에 공급하는 펌프로 이루어져 있다 양극 음극 전해액에 포함되어 있. 으면서 전기에너지를 저장할 수 있는 물질을 통칭 레독스 커플(redox
이라 부른다 어떤 레독스 커플을 사용하는가에 따라 특성이 couple) .
달라지며, 대표적인 RFB로는 바나듐(Vanadium) 화학흐름 전지 화학흐름 전지 화학흐름 전지 등 (VRB), Polysulfide bromide , Zn-Br
이 있다.
는 독일 미국 등에서 이미 오래전에 상용화 단계에 들어섰다
RFB , .
일본에서는 2013년 월 홋카이도 지역에 7 60MWh급 RFB를 건설해 실증하고 있으며 중국에서도 , 1GWh 5GWh급 RFB가 베이징 지역에 건설되어 실증단계에 있다.
슈퍼커페시터
7) (Super Capacity)
슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면의 단순한 이온 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전현상을 이용 하여 급속 충 방전이 가능한 기술이다 구동원리에 따라 전극 전해질 . / 계면 간 전기이중층에서의 정전기적 인력에 의한 전하의 분리로 발현 되는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor)와 전극 전/ 해질 계면 간 가역적인 산화 환원 반응에 의한 커패시터- (redox capaci- 로 구분된다 일반 커패시터의 장점인 고출력 특성과 전지의 장점 tor) .
인 고에너지 밀도 특성의 중간단계에 위치한 소자로 축전용량이 커서 , 울트라 커패시터 또는 슈퍼커패시터라고도 불린다 화학적 현상에 의.
해 충전되는 배터리에 비해 충 방전 속도가 빠르다 또한 전극 자체를 . 손상시키지 않아 수명은 거의 무한대이다 다만 유일한 단점으로는 전. 기 저장능력이 떨어진다는 점이다 축전기의 저장용량은 두 판 사이의 . 거리에 반비례하고 면적에 비례한다.
일본 러시아 미국 등 주요 국가들이 , , 1990년대 들어 상용화를 목적 으로 기술개발을 시작하여 1995년에 상용화되었다 국내의 경우는 .
년 고출력 전기화학적 전기에너지 저장장치로 분류하여 차세대 2004
전지 성장 동력사업으로 선정하였다.
다 열에너지저장기술.
열에너지저장기술은 냉열 또는 온열을 필요한 시기에 사용하기 위 해 저장하는 기술이다 열저장기술은 에너지시스템의 생산단계 및 소. 비단계에서 적용되어 열에너지의 공급관리와 수요관리 측면에서 활용 되고 있다 건물의 냉열 및 온열 수요는 에너지소비의 약 . 45%를 차지 하고 있어 열저장 기술은 에너지 수요관리 측면에서 매우 유용한 수 단이다 열저장기술은 열에너지 수요와 공급이 시간 강도. , ( ), 공간 상에서 매칭되지 않는 문제를 완화 혹은 해소할 수 있어 열에너지시 스템의 최적운영에 중요한 수단이다.
열저장 방식으로 현열( ) 저장 잠열, ( ) 저장 화학 반응 열저, 장 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 대표적이다 잠열 저장기술은 , . 온도변화 없이 상태변화 액체 고체 고체 액체 액체 기체 에 따라 ( , , ) 잠열 열저장 방열 열방출 원리를 활용하여 열을 저장하는 기술이다( ), ( ) .
잠열은 융해열 고체 액체( ), 기화열 액체 기체( ), 액화열 기체 액체( ), 응고열 액체 고체 이 있다 잠열 저장시스템으로는 빙축열시스템이 ( ) . 대표적이다 화학반응 열저장은 시스템이 복잡하고 높은 기술수준과 . 낮은 조작 가능성으로 현재까지 실험 연구 단계에 있다.
현열 저장 기술은 폭넓게 응용되고 있지만 열저장 재료의 열저장 밀 도가 낮아 대용량 열저장 시스템을 건설하기 위해서는 방대한 체적이 필요하다 잠열 저장기술은 현열 저장 기술에 비해 열저장 밀도가 높. 고 또한 상변화 온도 범위 내에서 비교적 큰 에너지양 흡수와 방출이 , 가능하며 저장과 방출 온도 범위가 좁고 열저장 및 열방출 과정에서 온도의 안정성을 유지하는 데 유리하다 열저장은 저장 열의 온도를 . 기준으로 저열(<10 ), 중열(10 250 ) 및 고열(>250 ) 저장으로 분 류된다.
저열 에너지 저장시스템 1)
냉수저장탱크는 상업 및 산업체에서 설치되어 전 세계적으로 널리 활용되고 있다 대규모 열저장시스템도 상업화되어 활용되고 있다 지. . 하 열에너지저장(UTES: Underground thermal energy storage) 시스템 은 냉수와 온수를 깊은 지하에 저장해 필요에 따라 활용하는 시스템 이다 여름에는 따뜻한 햇볕을 받아 뜨거워진 온수를 저장해 겨울에 . 난방용으로 사용하고 겨울에는 지표에서 차가워진 냉수를 지하에 저 장해 여름에 냉방 목적으로 사용하는 방법이다 지하 열저장은 대수층 . 열에너지저장(ATES: Aquifer Thermal Energy Storage), 굴착공 열에 너지저장(BTES: Borehole Thermal Energy Storage)을 포함한다 지하 . 열에너지시스템은 네덜란드 스웨덴 독일 캐나다 등의 국가에서 이, , ,
미 상업화되어 활용되고 있다.
냉방 목적으로는 현열 저장방식에 비하여 에너지저장 밀도가 높은 상변화물질을 활용한 잠열 저장방식이 널리 활용되고 있다 미국에서. 는 피크 전력수요를 줄이기 위하여 빙축열시스템이 널리 활용되고 있 으며 설치용량이 1GW에 달하는 것으로 추정되고 있다.
냉방용으로 이용하기 위해 물 이외에 상변화 물질(PCM) 개발 연구 가 진행되고 있으며 또한 현열 저장방식에 비하여 에너지밀도가 , 5
배 높은 열화학 저장방식 기술개발도 활발하게 진행되고 있다
20 .
그림 기본 개념
[ Ⅱ-4] UTES
자료: 네덜란드, Ministry of Spatial Planning and the Environment(공간계획 및 환경부)
중열 에너지저장시스템 2)
뉴질랜드 호주 및 프랑스 등 많은 국가에서 지난 수십 년 동안 전, 기온수저장히터의 열저장기능을 활용하여 열저장하고 있다 일부 국.
위해 전력회사가 수용가의 온수 저장기능을 직접 제어할 수 있도록 하고 있다 프랑스의 경우 전기온수히터의 열저장기능을 활용하여 전. 력피크 수요의 약 5%(5GW)를 절감하고 있는 것으로 보고되고 있다.
자료: IEA, Energy Technology Perspectives 2014, 2014.3.19
상변화물질을 이용한 열에너지 저장은 물이 얼음으로 변하는 것처 럼 어떤 물질이 특정의 상태에서 다른 상태로 변화하면 그 과정에서 상당한 양의 에너지가 흡수되거나 방출되는 원리를 이용하는 것이다.
적당한 물질을 사용하면 이와 같이 잠복해 있는 에너지 잠열 를 이‘ ( )’
온수난방 전기사용량(TWh)
가정 전기사용 중 전기온수난방 비중(%)
EU(유럽연합) 93 22
독일 23 27
프랑스 20 43
이태리 7.4 25
영국 6.1 9
스페인 5.8 11
벨기에 3.3 29
체 코 2.9 31
네덜란드 2.1 13
아일랜드 1.8 34
오스트리아 1.8 21
스웨덴 1.8 20
핀란드 1.0 19
그리스 1.3 38
미국(2005년 기준) 123 20
표
< Ⅱ 5 주요국 가정 부문 전기 온수난방의 전력소비 - >
용하여 열에너지를 저장할 수 있다 특정한 소금이나 밀랍 종류를 포. 함하여 열에너지를 저장하는 데 적합한 물질들이 현재 상변화물질 에너지 저장용 구조재로 상업화되었다 이런 제품들은 셀 형태
(PCM) .
나 구조용 시팅(sheeting)에 이르기까지 다양한 제품으로 사용되고 있 다 공기나 글리콜. (glycol) 등의 상변화물질 순환액은 패시브 솔라시스 템으로 생산된 열에너지를 저장하여 야간이나 구름이 낀 주간과 같이 시스템이 작동하지 못하는 기간에 사용될 수 있기 때문에 패시브 솔 라 난방시스템에 적합하다.
제 장 에너지저장시스템 활용분야 및 기대효과 3
에너지저장시스템의 활용분야 및 요구 성능 1.
가 에너지저장시스템의 활용분야.
편리성으로 인해 가장 광범위하게 사용되고 있는 전기는 생산과 소 비가 동시에 균형을 이루어야 하는 특징으로 저장이 어렵고 시시각각 으로 변화하는 전기수요에 맞추기 위한 신속한 응답속도가 요구되며 생산단가가 높은 발전원 가동 및 예비용량 보유해야하는 점이 단점으 로 거론되고 있다 그러나 빠르게 발전하고 있는 저장기술을 전력분야. 에 활용하여 이러한 단점을 보완할 수 있는 에너지저장시스템이 최근 주목을 받고 있다.
에너지저장시스템은 전력계통에서 전력 수요와 공급의 불균형을 해 소하기 위해 사용되는 전력 저장장치로 발전소 송전 변전소 배전 수~ ~ ~ ~ 용가에 이르는 전 과정에서 다양한 용도로 활용될 수 있다.
에너지저장시스템의 발전서비스 이용은 전력계통의 기존 발전기와 연계하여 발전자원으로 전력시장에서 전력판매와 보조서비스 제공을 위해 활용될 수 있다 또한 전기를 저장한 후 필요 시 공급하여 피크. 수요 시점의 전력 부하 조절을 통해 전력계통의 운영효율을 최적화하 는 역할을 수행한다 송전망 서비스로는 송배전망에 연계하여 송배전. 망의 안정적 운영을 위해 필요한 각종 전력설비의 역할을 에너지저장 시스템이 담당하여 신규 설비투자의 지연과 전력계통의 신뢰성, 안정 성을 높일 수 있다 수용가 측면에서는 에너지저장시스템을 이용하여 .
전기 생산 및 소비 환경의 변화로 발생하는 전력 계통의 품질 및 신뢰 성 저하를 방지하는 역할을 수행할 수 있다 특히 태양광 풍력 등 신. , 재생에너지 발전과 전기자동차 충전에 따른 전력수급의 변동성이 높 아져 전력망의 불안정성이 심해질 수 있는 상황에서 에너지저장시스 템은 변동성이 높은 전기의 공급과 수요를 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정하여 전력망의 신뢰도를 향상하는 기능을 수행한다 그. 리고 돌발적 정전에도 에너지저장시스템은 안정적인 전력 공급이 가 능하도록 한다 정보통신 환경의 발달로 단 몇 초의 정전만으로도 데. 이터센터 제조공정 설비 각종 통신 장비 등에 치명적 손실이 발생할 , , 수 있으므로 에너지저장시스템을 활용하여 빠른 시간에 비상 전력을 공급하고 장기 정전 시에는 자체 전원 역할까지 수행하면서 전력 계 통의 비상 상황을 대비하게 해준다 또한 수용가가 에너지저장시스템. 을 설치 활용할 경우 공급자에게 전적으로 의존하던 전기 공급에서 벗어나 필요시 자체 공급으로 전기요금을 절감하고 외부계통의 문제, 로 야기될 수 있는 구역 내 전력계통의 문제에 효과적으로 대응할 수 있다 이러한 에너지저장시스템의 효과는 다양한 용도로 실증적용을 . 통해 입증되고 있는 만큼 명확하다. <표 -1>에서 보는 바와 같이, 에너지저장시스템 활용 가능한 시장을 보다 세분화하면 개 분야에 17 이르고 있다.
