ESS 산업 동향과 기술 발전 동향

ESS 산업 동향과 기술 발전 동향

한태환<명지전문대학 교수>․안기봉<(주)중앙제어 대표>

1. 서 론

에너지 패러다임의 변화적 시점에서 전력 피크 관 리에 효율적인 수단이자 스마트 그리드 신 성장 동력 사업의 하나인 ESS(Energy Storage System)의 중요성이 그 어느 때보다 부각되고 있다.

이는 국내뿐만 아니라 일본, 미국 등 주요 선진국 에서 ESS 도입의 필요성을 인지하고 전력 수급 안정 화 및 ESS 보급 사업을 추진 중에 있다.

그림 1. 에너지 사용의 패러다임 변화([출처] Energy Storage: A Distributed Resource)

2. 본 론

2.1 ESS란 무엇인가??

그렇다면 앞서 언급한 ESS란 무엇인가? ESS는 Energy Storage System의 약자로 에너지를 배터 리처럼 저장해서 언제든 꺼내 쓸 수 있는 저장장치를 의미한다. 이는 에너지를 보다 효과적으로 저장해서 사용하는 것으로 에너지 생산에 대한 여유를 가질 수 있으며 용도, 상황 별 에너지 사용에 대한 유연한 대 처를 할 수 있는 장점이 있다.

2.2 ESS의 필요성

전력공급량보다 전기사용량이 많아지게 되면 모든 전력시스템이 정지해버리는 블랙아웃 사태가 일어날 수 있다. 블랙아웃은 정상적인 지역까지 함께 정전을 일으킨다. 갑자기 온 지역 신호등이 꺼지고 지하철이 멈춰 버린다면, 큰 사고가 이어질 것이다. ESS는 전 기수요가 적은 시간에 전기를 저장했다가 수요가 많 은 피크시간대에 사용하는 것이기 때문에, 미리 저장 되어 있는 전기를 피크시간대에 사용하게 되므로 동 시간에 사용되는 전기량을 줄일 수 있다. 이렇게 되면 블랙아웃이 일어날 가능성을 낮출 수 있다.

전력사용량을 줄이기 위해 전력 피크 시간대의 전기 요금을 평소보다 비싼 가격으로 올린다고 생각해보자.

이 때 ESS에 저장해 둔 전기를 이용한다면 그만큼 전 기요금을 절약할 수 있다. 값싼 시간대에 전기를 저장 해 두었다가 비싼 시간대에 ESS에 저장해 둔 전기를 이용하는 것이다. 그리고 만일 블랙아웃이 일어날 가능 성을 대비해 지역별로 순환단전을 실시한다고 생각해 보자. 가동 중이던 공장들의 기계가 갑자기 멈춰서 버 리게 될 것이다. 그럼 어마어마한 규모의 피해액이 생 기고, 이를 방지하기 위한 대책이 바로 ESS가 될 수 있 다. ESS를 이용하면 안정적인 전력 공급이 가능하다.

2.3 ESS의 구성 요소

ESS는 커다란 배터리라고 보면 이해하기 쉽다.

작은 리튬이온 배터리 한 개를 셀(CELL)이라고 하 며, 이러한 셀들이 모여 모듈(MODULE)을 이루고 이 모듈들이 모여 트레이(TRAY)를 이룬다. 그리고 이 트레이들이 모여 랙(RACK)을 구성하고 이 랙들 이 모여 ESS를 완성하게 된다. ESS는 이렇게 배터 리가 중심이긴 하지만, 각각의 배터리 셀마다 특성이 다르기 때문에 이를 조절해 줄 수 있는 장치가 필요 한데, 그것이 바로 BMS(Battery Management System)다. BMS는 셀용량 보호 및 수명 예측, 충․방전 제어 등을 통해 ESS가 최대의 성능을 발휘 하면서 안전하게 사용될 수 있도록 제어한다. 이 외에 도 PCS(Power Conversion System, 전력 변환 장치)도 있는데, 이 PCS는 전력을 저장할 때와 사용 할 때의 특성이 달라지는 경우를 보완해 주기 위해 사 용된다. PCS는 전력변환장치라고 해서 ESS에 저장 되어 있는 전력을 실제 사용이 가능하도록 특성을 바 꿔주는 역할을 한다. 우리가 가정에서 사용하는 전기 는 대부분 교류(AC, Alternating Current)의 특성 을 띈다. 하지만 ESS에는 직류(DC, Direct Current)의 특성을 띄는 전기로 저장을 해야 한다.

따라서 일반적으로는 ESS(에너지 저장장치)에서 전기를 꺼내다 쓸 때는 ‘직류 → 교류’로, ESS(에너지

저장장치)에 저장할 때는 ‘교류 → 직류’로 전기의 특 성을 변환시켜줘야 한다.

이 때 필요한 것이 바로 PCS이다. PCS는 컨버터 (Converter)와 인버터(Inverter)로 나눌 수 있다.

사전적 정의로는 컨버터(Converter)는 ‘교류를 직류 로 바꿔주는 장치’, 인버터(Inverter)는 그 반대로

‘직류를 교류로 바꿔주는 장치’를 뜻한다. 교류와 직류 의 차이를 컨버터와 인버터가 극복할 수 있도록 만들 어 준다.

그림 2. ESS 내부 구성도

2.4 ESS 연구 고찰

중앙제어(주)는 스마트그리드 제주실증단지 시범 사업에 참여하여 전기자동차용 충전기를 개발하여 충 전인프라를 제주도에 구축하였으며, ESS의 일부인 PCS 등 각종 전력전자 분야의 우수한 제품들을 개발 중에 있다. 최근 환경문제와 관련하여 에너지 효율 향 상 및 그린에너지 사용에 대한 관심이 집중되고 있다.

에너지 효율 향상을 위해서 수요부하와 발전전력의 시간 차이를 줄이고 피크 부하전력을 감소하기 위한 시스템 운영에 대한 연구가 증가하고 있으며, 에너지 저장장치에 대한 필요성이 급격히 증대되고 있다. 에 너지 저장장치는 대용량 배터리 기술의 발달로 인해 수요와 공급 전력에 대한 완충 작용을 위한 시스템으 로 적용이 가능하게 됨으로써 에너지 효율향상을 위

한 솔루션을 제공할 수 있게 되었다.

중앙제어(주)의 계통 연계형 양방향 PCS는 전력 변환시스템 제어기술을 적용하였고, 부하조건의 변화 에 따라 효율적인 에너지 벨런싱 제어를 통해 안정된 전력을 공급할 수 있도록 하고 있으며, 최적의 충ㆍ방 전 제어 알고리즘을 적용하였다. 아래는 에너지 저장 장치의 최적화설계 기법이 적용된 중앙제어(주)의 개 발단계 제품사진이다.

그림 3. 중앙제어(주)가 개발 중인 PCS 실험용 제품

PCS의 구성은 크게 제어보드와, 보호회로 및 센싱 회로, 전력변환을 할 수 있는 DC-DC converter와 DC-AC converter로 이루어져 있다.

그림 4. DC-DC and DC-AC converter 부 회로

DC-DC 부는 베터리의 전압을 높은 전압으로 승 압시킨다. 이 후, DC-AC 부에서 IGBT 스위칭 소자 를 제어하여 AC 전압을 만들어 내게 된다.

그림 5. PCS의 제어부

PCS의 제어부는 고성능 마이크로프로세서를 사용 하여, 과온 및 과전압, 과전류, 과부하 등 각종 보호 회로를 갖추고 있으며, PWM 컨트롤을 사용하고, 고 성능의 충ㆍ방전 제어 알고리즘이 적용되어 있다.

2.5 ESS의 종류

출력 및 용량등에 따라서 ESS 규모와 종류가 구분 된다. 주로 전력 주파수 조정을 목적으로 하는 MW급 의 Power Storage, Peak time의 전력 수요 등에 대한 대응을 목적으로 하는 Mwh의 대용량 Energy storage 및 kwh급의 중소용량의 가정용 Energy Storage등이 있다. 이를 Grid내 역할에 따라 ESS 를 구분하면 다음과 같다.

그림 6. ESS 내부 구성도([출처]Sandia National Laboratories, 2010.02)

2.5.1 가정용 ESS(소용량)

가정용 ESS는 각 가정마다 설치해서 사용되는 것

으로, 가정 지붕에 태양광 패널들을 설치해 태양광 에 너지를 낮에 생산하여 ESS(에너지 저장장치)에 저 장해 놓았다가 심야에 ESS(에너지 저장장치)에 저 장된 에너지를 활용하여 전등을 작동하거나 청소기를 돌리거나 앞으로 전기자동차의 보급이 확대되면 저기 자동차의 충전에 사용하는 등의 역할을 한다. 또한 갑 자기 정전이 발생했을 때에도 ESS를 통해 저장된 전 기를 활용할 수도 있다. 

표 1. 가정용 ESS 주요 사양

PCS

정격전압 AC220V 정격전류 최대 15A 정격용량 3.3kW

효율 90%이상 역률 0.98 이상

통신 TCP/IP, RS-485(세대기 연동) CAN 2.0A

모니터링 7인치 임베디드 시스템

BMS 용량 3.3kWh(1시간용), 6.6kWh(2시간용)등으로 선택 가능 통신 CAN 2.0A

기타

수명 BATTERY수명 예측 (내부 임피던스 측정) 보호기능 과전압, 과전류,과온 등

냉각방식 강제공랭식 사용온도 0~50℃

설치장소 옥내 (세대 내부 설치 가능)

2.5.2 산업용 ESS(대용량)

산업용 ESS 역시 전력을 저장하고 사용하는 방식 은 가정용 ESS와 유사하다. 발전소에서 사용되는 ESS의 경우 전력 수요가 적은 시간대에 여분의 전력 을 ESS에 저장한 후, 주로 낮시간대 전력사용량이 최대치인 시간일 때에 사용함으로써 발전소의 과부하 를 감소시켜주는 역할을 한다. 주로 대용량 ESS의 경우 컨테이너 형태로 제작된다.

표 2. 산업용 ESS 주요 사양

PCS

정격전압 AC380V 삼상 4선식 정격전류 80A

정격용량 500kW(50kW 급을 10개 병렬 운전) 효율 90%이상

역률 0.98 이상 통신 CP/IP, RS-485

CAN 2.0A

모니터링 7인치 임베디드 시스템

BMS 용량 500kWh 1시간용 (50kWh급 10개 병렬 운전) 통신 CAN 2.0A (PCS와의 통신)

기타

수명 BATTERY수명 예측(내부 임피던스 측정) 보호기능 과전압, 과전류,과온 등

냉각방식 강제공랭식 사용온도 0~50℃

설치장소 옥외 및 아파트 EPS실 설치 가능

2.5.3 ESS 연계형 충전기

자동차 완성차 업체들이 앞 다투어 전기자동차를 출시, 민간 보급에 박차를 가하고 있다. 따라서 전기 자동차 충전용 전력의 확보가 무엇보다 중요한 사항 으로 떠오르고 있다. 이러한 현상을 반영하여 최근 ESS와 연계되는 전기자동차 충전기가 개발되어 전 기차 충전 전력을 보다 효과적으로 관리할 수 있다.

또한 신재생 에너지와의 연계가 가능하기 때문에 그 활용 면에서 많은 장점이 있다.

ESS 연계형 충전기는 다음과 같은 특징을 갖는다.

- BEMS 기술을 이용한 전력 피크 관리

- EV 충․방전이 가능한 양방향 전기차 충전 Station

- ESS 용 PCS(Power Conditioning System), 인버터 내장

- EV 운영 시스템 Software 연계 구축

표 3. ESS 연계형 충전기 주요 사양 V2G 급속 충․방전 시스템

모델명 JC-6500

운영체계(OS) Window XP or Window Embedded

주요기능 급속 충전, 방전 기능

전원입력 3상 380VAC, 60Hz

충전/방전방식 CC,CV,CP

충전/방전 배터리 전압 및 전류 DC 50~450V, 110A

정격용량 50Kw

사이즈 750(W)x600(D)x1,700(H)mm

그림 7. ESS 연계형 충전시스템 DIAGRAM

3. 결 론

앞서 언급한 바와 같이 ESS 활용은 단순하게 에너 지의 절감뿐만 아니라 전기를 보다 스마트하게 사용 할 수 있음을 의미한다. 즉 ESS를 통하여 다양한 전 기의 운전모드를 설정할 수 있으며, 사업장 등의 전기 사용량에 따라 최적화된 시스템 설계가 가능하다. 또 한 향후 신재생원이나 전기차 충전시스템과 연동할 경우 그 활용 가치는 더욱 높아질 것이다. 이를 위하 여 다음과 같은 과제들이 검토되어야 할 것이다. 첫째 로, 계통 연계 기준, 인증 제도 미흡 및 시설인가의 어 려움을 해결 하여야 한다. 둘째, 보급 활성화를 위하 여 관련 제도 마련 및 제정이 보다 적극적인 정책이 펼쳐져야 한다. 셋째로, 활용성 확보를 위한 전문가 육석 시스템이 필요하다. 마지막으로 신재생에너지

보급 확신 및 전기자동차 보급 활성화에 보다 많은 노 력을 기울여야 할 것이다.

이제 ESS의 도입은 선택이 아닌 필수인 만큼 조금 더 적극적인 기술의 개발과 정부의 지원이 그 어느 때 보다 중요한 시점이다.

참고문헌

[1] 스마트그리드협회, “스마트그리드 ESS 기술 동향 보고서”.

[2] 한국수출입은행, “에너지저장산업의 현재와 미래”, 강정화.

[3] SK C&C, ESS(에너지 저장 시스템)는 선택 아닌 필수, 정재열.

[4] 삼성 SDI STORY. ESS 기술 자료.

[5] 중앙제어 주식회사, ESS 기술자료.

[6] 메가베스, ESS 기술자료.

◇ 저 자 소 개 ◇

한태환(韓泰煥)

1956년 3월 18일생. 1980년 한양대 전기공학과 졸업. 1986년 동 대학원 졸업(석사). 1998년 충북대 전기공학과 졸업(박사). 1982~199년 2월 LG산전 자동화사업부. 1999년 3월~2000년 2월 서울대 신기술 계측제어연구센터. 2000년 3월~현재 명지전문대학 전기과 교수, 1999년 산업계측제어기술사.

Tel : (02)300-1286 Fax : (02)300-1093 E-mail : [email protected]

안기봉(安基鳳)

1956년 4월 1일생. 1981년 2월 28일 한양대학교 전기과 졸업. 현재 중앙 제어(주) 사장. 나라컨트롤(주) 상무 5년.

(주)대우건설 전기부장 5년 외. 품질 관리 기사 1급, 공업계측제어 기술사. 현재 빌딩자동제어, 홈 네트워크 시스템, 전기 자동차 충전 시스템 및 신규 아이템(스마트 세대분전반, 누수감지, LED 디밍 관련) 총괄영업 및 관리.