효율적인 에너지수급 체계 구축을 위한 선택, 에너지 저장시스템(ESS)

효율적인 에너지수급 체계 구축을 위한 선택, 에너지 저장시스템(ESS)

 

 에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 발전소에서 생산된 전력을 저장해 두었다가 전력이 필요할 때 송전하는 장치로 에너지를 최대한 효율적으로 사용하기 위해 잉여에너지를 저장, 관리하는 시스템이다. 발전소나 가정, 공장, 기업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

[그림 1. ESS 개념도]

출처: 두산중공업 

 ESS의 적용은 다양한 장점을 지닌다. 신재생에너지는 친환경에너지이자 자연에너지로 발전하기 때문에 수요량에 맞추어 발전하기가 힘들어 출력을 보장할 수 없다는 단점이 있는데 ESS를 이용하면 이를 보안할 수 있다. ESS로 충전, 방전을 통해 조정함으로써 신재생에너지의 급격한 출력 변동을 완충 할 수 있어 신재생에너지의 출력의 안정화를 할 수 있다.

 ESS는 발전용으로서의 기능도 할 수 있다. 화력 발전기의 경우 급격한 전력 수요 변동에 대비해 5%의 감발 운전을 한다. ESS가 전력 거래소에서 수요 변동에 따른 주파수 변동을 막기 위해 일부 발전기의 출력을 제한하여 운영하는 주파수 추종을 화력 발전기 대신하는 경우 화력 발전기는 감발 운전 대신 최대 출력으로 운전 할 수 있게 되어 그에 해당하는 발전량을 증가시킬 수 있다. 또한, 잉여전력이나 저가전력을 저장하여 최대수요나 집중수요 시간대에 활용하여 부하를 평준화시키는 기능과 주파수를 조정하거나 계통에 연계하여 전압을 일정하게 유지시켜 계통의 안정화와 전력품질을 향상시키는 것에 기여해 전력품질을 개선시킬 수 있다는 특징이 있다.

 발전 시 변전소, 송전선의 용량을 초과하는 부하 순시 변동에 의한 피크 전력을 ESS에 공급하여 신재생에너지원의 간헐적 출력특성을 완화 시키거나 정전으로 인한 설비의 급정지로 인해 재해가 발생할 우려가 있는 설비에 비상전력을 공급할 수 있어 무정전전원장치 및 비상발전기로서의 효과도 있다.

 이와 같이 ESS효과로 신재생에너지 출력의 안정화, 발전용으로서의 효과, 무정전전원장치 및 비상발전기로서의 효과, 전력품질 개선, 부하평준화 기능, 간헐적 최대부하 저감 기능 등이 있다. 

[그림 2. ESS 구성도]

출처: 구글이미지

 이러한 에너지 저장시스템의 구성은 에너지를 송/방출하는 배터리, 전력을 변환해주는 PCS, 에너지관리프로그램으로 이루어진다. 에너지를 송/반출하는 배터리는 태양광으로 만들어진 에너지를 충, 방전하는 역할을 한다. 전력을 변환해주는 PCS는 태양광으로부터 생산된 에너지를 배터리에 충전을 하거나, 계통으로 전력을 공급할 때 적합한 전력으로 전력을 변환시켜주는 역할을 하고, 에너지 관리시스템의 EMS는 에너지를 효율적으로 관리하기 위해 다수의 PMS와 BMS를 통합으로 관리하는 시스템이다. 여기서 BMS는 배터리의 상태와 전위차를 안정화 시켜주고 과충전, 과방전 시 배터리를 보호해주는 전지 관리시스템을 말하고, PMS는 PCS와 PMS를 직접 통신하여 충, 방전 전력량을 제어하고 시스템과 연계된 보호 계전기 등 보호 협조 기능을 수행하는 전력관리 시스템을 말한다. 이 외에도 에너지저장시스템을 구성할 때는 배터리보호를 위해 공조시설과 전기설비 등이 필요하다.

[사진 1. 서안성변전소 내 설치된 ESS]

출처: 경인일보

 안정적이고 효율적인 에너지수급 체계 구축에 효과적인 ESS는 국내, 외에서 주목을 받고 있다. 각 국에서 ESS의 실증사업과 보급 확대를 위해 정부의 예산지원으로 ESS 사업 추진과 보조금 지급, 세금 감면, 의무화 등의 다양한 노력을 하고 있다.

[그래프 1. Global ESS시장 규모]

출처: Navigant Research, 2014.7

 

 미국은 세계 최초로 의무화제도 도입, 세제혜택, 차별적 요금제도 등 연방정부의 지원정책을 바탕으로 보급 확산정책을 적극적으로 추진하고 있다.

 일본은 2011년 대지진 이후 원자력 발전을 전면 가동 중단하면서 안정적 전력예비율을 확보,유지하고 비상 정전에 대비하기 위해 ESS설치를 적극적으로 지원하고 있다. 일본에서는 신재생 발전소용, 가정용 등 다양한 분야에서 기술개발을 추진하고 있고, 나트륨황 전지, LIB에서 앞선 기술력을 보유하고 있으며, 정부의 보조금 지원 및기업체와의 협력을 통하여 ESS 시장창출을 가속화하고 있어 일본의 에너지저장 시장은 지속적으로 성장하고 있다.

 독일은 프랑스와 공동으로 Solion 프로젝트를 추진하고 있고, 이 프로젝트는 태양광 주택의 에너지 자립을 위한 리튬이온전지 도입 타당성을 평가하기 위해 약 75개 시스템에 대한 실증사업을 추진 하에 있으며 독일 정부는 2013년 2월 태양광 발전에 연계된 ESS의 설치비용의 30%까지 분석보조금을 지원하기로 하는 등 세계적으로 ESS에 대한 투자가 이루어지고 있다.

[그래프 2. ESS국내 시장규모 전망]

출처: 산업통상자원부,2013

 국내에서는 ESS 분야에서 삼성SDI, LG화학, 효성, LS산전 등의 대기업이 핵심 분야인 배터리와 전력제어장치(PCS)에서 경쟁력을 확보하고 있고, 상대적으로 경쟁 우위에 있는 ICT 기술과 리튬이온전지 기술을 가지고 있다. 그동안 풍력발전과 ESS를 연계 사례가 많아지만 최근에는 태양광발전에 ESS를 접목한 사례로 강원도 고성군에서 태양광발전에 ESS를 연계한 대규모 태양광발전소가 준공됐고, 전북 김제시에 소재한 한전 김제변전소에 주파수조정용 에너지저장장치를 구축되었다.

[사진 2. 주파수조정용 에너지저장장치 구축 기념식]

출처: 시민의 소리 

 주파수조정용 ESS는 기존 발전기가 담당하는 주파수조정을 대체함으로써 전기품질을 높이고 발전비용을 낮출 수 있다. 2014년 52㎿ 시범사업을 성공적 구축과 상업운전을 통해 한전은 김제변전소 등 13개 장소에 주파수조정용으로 세계 최대 규모인 376㎿를 구축해 운영하고 있다. 주파수조정용 376㎿ ESS는 상업운전이 시행되면 전기품질 확보와 전력계통 운영효율 향상이 기대되며, 매년 약 620억 원의 전력구입비 절감을 예상되고 있다고 한다.

 국내에서는 신재생출력 안정화용 및 피크절감용 ESS분야로 활용범위를 넓혀 ESS 산업 생태계를 조성할 계획에 있으며 ESS에 대한 사업이 활발하게 진행되고 있다.

 

 

참고자료

1. ESS적용효과(http://www.keei.re.kr/)

2. NEWSIS - 대규모 ESS 태양광 발전소 준공…태양광에 ESS 도입 첫 사례(http://www.newsis.com/view/?id=NISX20170406_0014813292 )

3. 현대솔라에너지(http://blog.naver.com/hdsolarenerge/221019272954)

4. 국가환경산업기술정보시스템 (http://www.konetic.or.kr)