ESS 기술의 현재와 미래: '에너지 저축'을 꿈꾸다!

ESS 기술의 현재와 미래: ‘에너지 저축’을 꿈꾸다!

 전 세계적으로 각종 환경 문제와 더불어 지구온난화가 지속되고 있는 가운데, 그 원인인 석탄, 석유 등 화석에너지의 사용을 줄이기 위해 국가적 차원에서 규제와 제약이 심화되고 있는 것이 현 에너지 시장의 동향이다. 이에 자연으로부터 에너지를 얻는 방식인 신재생에너지 관련 기술 개발에 전 세계가 열을 올리고 있다. 최근 산업통상자원부 산하의 에너지신산업협의회에서 2030년 전력 산업의 변화를 이끌 4가지 축을 마이크로그리드, 신재생에너지, ESS, 전기차로 전망했고 이 네 가지 산업은 서로 협력하여 기술 개발과 함께 에너지 산업의 핵심이 될 것이다.

 태양광과 풍력 등 자연으로부터 생산되는 ‘신재생에너지’는 그 양이 일정하지 않은 것이 단점인데, 그 단점을 보완하기 위해 에너지를 저장하는 기술인 ‘ESS(Energy Storage System)’의 필요성이 대두되고 있다. ESS에 저장된 전력은 필요할 때마다 공급되어 전력이용효율을 증대시킬 수 있다. 예를 들면 전기 요금이 저렴한 시간에 저장을 하고 전기 요금이 비싼 시간에 사용함으로써 전기 요금을 낮출 수 있는 것이다. 이처럼 ESS 사용을 통해 에너지의 출력이 안정되고 효율성을 높일 수 있다는 장점 때문에 ESS 기술은 미래 에너지의 핵심 기술로 평가되고 있다. 그렇다면 ESS의 종류부터 알아보자.

1.배터리 방식

 리튬전지(LiB)는 양극과 음극 간의 리튬이온 이동에 의해 생기는 전위차로 인해 에너지가 저장되는 방식이다. 리튬전지는 크게 양극, 음극, 전해질 세 부분으로 나뉜다. 음극에는 흑연이 가장 많이 사용되고 있고 양극에는 층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물, 인산철리튬과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰인다. 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성은 음극, 양극, 전해질에 사용되는 물질에 따라 달라진다. 최근에는 나노기술을 활용하는 등 다양하게 개발되고 있다. 가장 큰 장점은 높은 에너지 효율과 높은 에너지 밀도이고, 단점은 안정성, 비싼 가격과 대용량의 셀 구성이 힘들다는 점이다.

나트륨-황전지(NaS)는 300~350도의 온도에서 용융 상태의 Na와 S의 반응을 통해 전기를 저장한다. NaS전지는 양극(S)과 음극(Na), 고체전해질 및 분리막(Al2O3)로 구성된다. 양극 물질인 황은 부도체이기 때문에 도전재인 탄소섬유에 함침시켜 사용해야 하므로 양극을 구성하는 물질의 특성에 따라 전지성능이 크게 달라진다. 장점은 저비용, 높은 에너지 밀도, 대용량화하기에 좋다는 점이고 단점은 온도를 올릴 수 있는 시스템의 필요와 에너지 효율이 낮다는 점이다.

[그림 1. 리튬 전지와 나트륨-황전지의 구조]

출처: ’ESS의 종류별 특징과 구성’-전기평론,스마트앤컴퍼니(주)

레독스 플로우 전지(RFB)는 전해액 안의 이온들이 산화와 환원을 할 때 생기는 전위차를 이용해 전기에너지를 충, 방전하는 방식이다. ‘레독스(Redox)’는 ‘환원(reduction)’과 ‘산화(oxidation)’를 합친 말이고, 에너지가 저장되는 전해질이 배터리 내 저장탱크에 보관된 후 시스템 내부를 흐르면서 전기 파워의 출력을 담당하는 스텍(stack)이라는 장치에서 산화, 환원의 반응을 일으켜 충전과 방전을 반복한다. 레독스 흐름전지는 다양한 종류의 물질들이 전해질로 사용되고 있고 가장 대표적인 물질은 바나듐(Vanadium)이다. 레독스 플로우 전지의 가장 큰 특징은 전기를 저장한 전해질이 반영구적으로 순환한다는 점이다. 따라서 가장 큰 장점은 친환경성, 안정성, 긴 수명, 저비용이고 대용량 에너지 저장장치로서 적합하다는 점이다. 단점은 에너지 밀도와 효율이 낮다는 점이다.

슈퍼캐패시터는 이온의 표면에 전기화학적 흡착을 통해 전기를 저장하는 방식이다. ‘캐패시터’란 우리가 흔히 알고 있는 ‘축전기’이고, 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 큰 정전 용량을 낼 수 있는 것이 ‘슈퍼캐패시터’이다. 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어있다. 여기에 직류전압을 걸면 각 전극에 전하가 축적되고 축적하고 있는 동안에는 전류가 흐르지만 축적된 상태에서는 전류가 흐르지 않는다. 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 따라서 급속 충,방전이 가능하다는 점이 특징이다. 2차전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능해서 응용분야가 다양하다. 최근 탄소나노튜브를 이용한 연구가 진행되고 있고 단위는 패럿(F)이 사용된다. 장점은 오랜 수명과 빠른 충,방전 속도, 높은 효율이고 단점은 에너지 밀도가 낮고 비용이 비싸다는 점이다.

[그림 2. 레독스 플로우 전지와 슈퍼캐패시터의 구조]

출처: ‘ESS의 종류별 특징과 구성’-전기평론,스마트앤컴퍼니(주)

2.원조 ESS ‘양수발전’

 에너지를 저장할 수 있는 장치의 원조가 바로 ‘양수발전’이다. 현재는 배터리가 많이 개발되면서 양수발전의 입지가 더욱 좁아지고 있는 것이 현실이지만 ‘자연으로부터 에너지를 얻는다.’라는 신재생에너지의 모토에 가장 적합한 ESS가 ‘양수발전’인 것으로 보인다. 양수발전의 기본적인 원리는 물이 갖는 위치에너지를 기계에너지로 변환하는 수력발전소 위에 댐 하나를 더 설치해 전력 여유가 있을 때는 저장에너지로 비축해두고 필요한 시간에 이를 적절히 사용하는 것이다. 즉 전력 사용이 적은 밤 중이나 강수량이 많은 여름철에 양수 펌프를 이용해 아래쪽 저수지 물을 위로 끌어올린 뒤 전력이 많이 필요한 낮 시간에 방수하여 발전하는 방식이다. 현재 우리나라에는 총 7개의 양수발전소가 있다. 밀양에 있는 삼량진양수발전소가 우리나라 최대 양수식 발전소이고 국내에서 가장 큰 용량의 발전기는 산청양수발전소가 보유하고 있다.

[그림 3. 양수발전의 원리]

         출처: 한국수력원자력발전 홈페이지

3.압축공기에너지저장시스템(CAES)

CAES(compressed Air Energy Storage)의 기본적인 원리는 사용하고 남은 전력으로 공기를 고압 압축시켜 놓았다가 전력생산량이 부족할 때 압축된 공기로 터빈 발전기를 돌려 전기를 추가 생산, 공급하는 방식이다. 전기료가 싼 야간에 공기를 압축하여 저장했다가 전력 사용량이 많은 주간에 터빈을 돌려 전기에너지를 생산하는 것이다. 대규모로 저장가능한 점, 수명이 길다는 점이 장점이지만 공기 압축 시 화석연료를 사용한다는 점과 에너지 밀도가 낮은 것이 단점이다.

[그림 4. CAES의 원리]

출처: 공기압축저장시스템(CAES) 개념도 자료-지식경제부

4.플라이휠(Flywheel)

 플라이휠의 원리를 간단히 말하면 회전운동에 의해 전기를 저장하는 방식이다. 플라이휠은 양수발전, 압축공기 저장방식과 함께 기계적 에너지 저장방식의 일종으로 화학 전지와 같이 소형화, 모듈화가 가능하여 기계전지라고 불린다. 이 플라이휠의 가장 핵심은 플라이휠을 구동하여 입력되는 전기에너지를 플라이휠의 회전운동에너지로 저장하였다가 필요시 전기에너지로 출력하는 ‘전동발전기’이다. 전동발전기는 크기가 작아야하고 높은 출력을 내야한다. 따라서 이 전동발전기 개발에 따라 플라이휠의 효율이 결정된다. 플라이휠은 다른 에너지 저장방식에 비해 저장효율이 높고 수명이 길며 화학전지와 다르게 저온에서 성능저하가 없다는 장점을 가지고 있어 전기자동차, 컴퓨터용 UPS, 대용량 전력저장장치 등 다양한 방향으로 연구가 진행되고 있다. 단점은 초기 비용이 많이 들고 에너지 밀도가 낮다는 점, 베어링의 영향력이 크다는 점이다.

 [그림 5. 자동차용 플라이휠 에너지 저장장치의 구성]

출처: ‘도시철도 핵심부품 및 장치고도화 기술동향’-국토교통과학기술진흥원 홈페이지

 

 지금까지 현재 개발된 ESS기술에 대해 알아보았다. 그렇다면 미래에는 어떤 ESS기술이 개발되어 현재 ESS기술의 단점을 보완할 수 있을까?

1. LAES(Liquid Air Energy Storage)

 공기를 압축시켜 에너지를 저장하는 방식인 CAES는 높은 압력으로 공기를 압축할 때 상당한 에너지가 필요하다는 것과 기체 상태의 공기를 압축했을 때 에너지 저장 밀도가 낮아진다는 것이 단점이었다. 이 단점을 보완하기 위해 연구를 진행하던 영국에 본사를 둔 High view Power Storage는 압축 공기를 액화시키는 시스템을 이용해 에너지를 저장하는 방법을 제안했다. LAES(Liquid Air Energy Storage)라고 명명된 이 시스템은 영국 에너지 및 기후 변화부의 지원을 받아 5 MW급의 실제 시스템 개발에 나서고 있고 현재는 소규모 파일럿 시스템으로 테스트까지 마친 상태라고 한다. 이 방법의 특징은 단순한 공기 압축이 아닌 액화를 통한 에너지 저장 밀도의 극대화에 초점을 맞춘 것이다. 신재생에너지를 통해 과잉 생산된 잉여전력을 이용해 공기를 액화시키는데, 공기를 영하 196도로 액화시켜 저장하는 방법을 이용한 것이다. 에너지가 필요할 때 액화 공기에 열을 가해서 팽창시키고 팽창될 때 방출되는 에너지를 통해 전력을 생산하는 방식이다. 에너지 효율을 극대화시키기 위해, 액화 과정에서 생성되는 열과 기화 과정에서 흡수되는 열을 저장하는 시스템도 존재한다. 이렇게 만들어진 액화공기 1 L는 GWh급 에너지를 낼 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 한다. 만약 이 기술이 상용화 된다면 그동안 문제가 되었던 효율과 비용의 단점을 보완할 수 있는 효율적인 ESS기술이 될 것이라고 전망된다.

[그림 6. LAES의 가동방법]

출처: 한국수력원자력 블로그

2. 하이브리드 캐패시터

 리튬이온 전지는 에너지 저장밀도가 높지만 출력이 약하고 슈퍼캐패시터는 충전과 출력이 좋지만 에너지 저장밀도가 낮은 단점이 있다. 전기자동차에 필요한 큰 용량에 높은 출력의 전지로 사용하기에는 한계가 있어 전 세계가 개발에 나서고 있던 와중에, 미래창조과학부가 리튬이온 전지와 슈퍼캐패시터의 장점만을 조합한 하이브리드 에너지 저장기술을 개발했다. 기존 리튬전지보다 높은 에너지밀도를 갖고 약 100배 빠른 급속충전이 가능한 차세대 하이브리드 에너지 저장 기술을 개발해낸 것이다. 하이브리드 에너지 저장 기술은 기존 리튬이온 전지보다 에너지 저장밀도는 1.5배인 275 Wh/kg이고, 충전,출력의 특성은 23 kW/kg로 리튬이온 전지의 100배를 초과한다. 또 고속 충방전 성능을 지녀 에너지저장 밀도에 도달하는 데 걸리는 충방전 시간을 약 30초 정도로 단축할 수 있다. 하이브리드 캐패시터의 원리는 리튬이온 전지의 음극과 슈퍼캐패시터의 양극을 혼성해 사용하는 것이다. 이를 위해 국내 연구진은 음극과 양극에 동시에 적용되는 전극 재료를 개발하기 위해 높은 표면적을 가져 이온 흡착에 용이하고 빠른 이온 이동이 가능하며 금속 활물질을 완전히 포함할 수 있는 내부 공간을 갖는 전극 재료를 설계했다. 이번 연구는 에너지 재료 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재되었고 VIP논문으로 추천되었다. 하이브리드 캐패시터는 리튬이온 전자의 용량과 슈퍼캐패시터의 출력 및 수명을 충족하여 차세대 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 에너지 저장장치로 평가되고 있으며 높은 용량과 높은 출력을 필요로 하는 전기 자동차 분야로의 적용이 기대되고 있다.

[그림 7. 하이브리드 커패시터의 구성]

출처: 미래창조과학부

 이렇게 ESS가 배터리뿐만 아니라 다양한 방식으로 개발되고 있다는 것을 확인했다. ESS의 가장 큰 핵심은 남는 전력을 저장하고 필요할 때 사용하는 것이다. 이는 마치 우리가 저축을 한 뒤 필요할 때 사용하는 것으로 생각하면 훨씬 이해하기 쉽다. 태양광과 풍력을 포함한 신재생에너지는 자연으로부터 얻어지는 것이기 때문에 전력 생산량이 일정하지 않다는 것이 단점인데 ESS와 함께 개발된다면 전력을 일정하게 유지시킬 수 있을 것으로 예상된다. 화석에너지에서 신재생에너지로 에너지 흐름이 넘어가고 있는 가운데, 변화의 흐름에서 핵심적인 역할을 담당할 ESS기술의 개발과 이로 인한 ESS시장의 확대는 불 보듯 뻔한 상황이다.