ESS, 그것이 알고싶다.

ESS, 그것이 알고싶다

 

 

 

태양광을 포함한 신재생에너지 발전시장과 뗄래야 뗄 수 없는 관계의 ESS, 관련 엑스포를 방문한 경험이 있다면 ESS라는 단어를 몰랐다가도 알게 될 정도로 시장의 관심이 집중되어 있다. 뿐만 아니라 전기자동차, 각종 전자기기에서도 에너지 저장은 필수적인지라 산업현장에서부터 시장, 그리고 학계까지 뜨겁게 달구어 놓았다. 우리가 알고 있는 건전지와 대용량 저장장치는 어떻게 다른지, 어떻게 연구되는지, 미래의 배터리는 어떨지 살펴보자.

 

[그림1. 건전지와 ESS system]

출처: Duracell 홈페이지, energy news

 

건전지와 ESS

만들었으면, 저장을 해야 한다. 신재생에너지 발전의 특성상 전기의 공급량이 일정하지 않기 때문에 에너지를 저장했다가 필요할 때 꺼내서 쓰는 장치가 필요한 것이다. Energy Storage System 의 약자로 에너지 저장 장치를 의미한다. 이름에서부터 알 수 있듯이 그 역할은 생산된 전기를 저장장치에 저장하고 전력이 필요할 시 공급하여 전력 사용 효율을 향상시키는 것이다.

 

 

                                        

[그림2. ESS 역할 설명 개념도]

출처: 에너지신사업 홈페이지

 

ESS는 에너지 저장 방식에 따라 물리적 에너지저장과 화학적 에너지저장으로 크게 구분될 수 있다. 물리적 방식으로 양수발전과 압출공기저장 플라이휠 등 다양한 방법이 있고 화학적 방식은 리튬이온배터리, 납축전지, NaS 전지 등이 있으며 우리가 평소에 ESS라고 부르는 것들은 거의 다 화학적 에너지저장 방식을 사용하고 있는 ESS다. 우리가 주로 사용하고 있는 화학적 에너지저장 방식의 ESS에 대해서 구체적으로 알아보자.

 

ESS system의 구조는 크게 배터리(에너지저장부), BMS, EMS, PCS로 구성된다. 첫 번째, 배터리에 대해서 알아보면 배터리는 PCS로부터 받은 전기 에너지를 직류 형태로 저장하거나 저장되어 있는 전기 에너지를 PCS애 출력하는 역할을 한다. 배터리의 방식에 따라 리튬전지, 나트륨황전지, 리독스플로 전지, 슈퍼커패시터 등 여러 종류가 존재하고 있고 각각 마다 특징이 다르다. 전지마다 장점이 다른데 리튬전지의 경우는 높은 에너지밀도와 에너지효율을 얻을 수 있다는 것이 장점이고 나트륨 황전지는 사이클 수명이 길고 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다는 점이 장점이다. 또한 저렴한 가격으로 인해 대용량 ESS에 적합하다. 레독스 플로우 전지는 환경문제가 적다는 점과 유지보수 비용이 낮다는 것이 장점이다. 캐패시터는 급속 충방전이 가능하다는 장점이 있다. 이렇게 배터리의 종류마다 특성이 다르기에 상황에 맞게 배터리를 선택하는 것이 필요하다.

 

두 번째, PMS(Power Management System)은 PCS 또는 배터리로부터 각종 정보를 받아 ESS 실시간 모니터링을 하는 것을 의미하고 요구사항에 맞게 충방전 전력량을 제어한다.

세 번째, PCS(Power Conditioning System)은 배터리로부터 저장된 직류 전력을 교류로 변환하고 전력계통에 전력을 공급하는 역할을 한다. 또한 반대로 교류전력(AC)를 직류(DC)로 변화하여 배터리에 저장하기도 한다.

마지막으로 BMS(Battery Management System)은 배터리의 온도, 전류, 전압 등의 값을 측정하여 배터리의 효율성을 늘려주기 위해 PCS와 연동을 통해 충방전 전류극을 제어하고 비상시에 안전장치를 작동시키는 역할을 한다.

이렇게 ESS를 구성하는 4가지 구성요소의 역할과 특징에 대해서 알아봤다. 그렇다면 ESS에 대해서 학계의 동향은 어떨까?

 

 R&D와 ESS

 

배터리에 대한 기술은 현재 연구도 활발히 진행 중이며 동시에 더 작고 편리하도록 상상하고 고안하고 연구하고 있는 중이다. 미래를 꿈꾸는 배터리에 대한 이야기를 알기 위해서는 먼저 배터리의 짧은 과거를 알고 지나갈 필요가 있다. 먼저 우리가 현재 알고 있는 형태의 최초의 전지는 1800년대 이탈리아의 A볼타가 아연판과 은판을 이용하여 간단한 전기를 발생시키는 볼타 전지를 개발 하였고 그 후 납축전지, 니켈계전지, 리튬 이온전지 들이 개발되고 이용되었다. 하지만 이러한 전지들은 크기, 무게 등의 문제 또한 전기 에너지가 더욱 우리의 일상 속으로 들어오며 유동적이지 못한다는 문제점을 갖고 있으며 이러한 문제를 해결하기 위한 미래형 배터리들이 고안되고 있다. 학계에서는 어떤 차세대 배터리가 연구되고 있는지 살펴보겠다.

 

1.     납산 배터리 (Lead Acid Batteries)

 

[그림3. 납 산 배터리]

출처: UPS battery 홈페이지

 

 1860년 Plante가 발명하여 현재 가장 널리 사용되는 재충전 가능 배터리 중 하나이며, 비용이 저렴하고 높은 전압, 우수한 용량 수용 및 수명이 장점이다. 그러나 전지의 부피가 크고, 저온에서 장시간 방전 시 손상되는 단점이 있다.

 

2.     알카라인 이차 배터리(Alkaline Secondary Batteries)

 

[그림4. 알카라인 이차 배터리]

출처: 위키백과

 

 ‘니켈 배터리’로도 알려진 이 배터리는 산성 전해질과 반대로 작용하는 수산화 칼륨(KOH) 또는 수산화 나트륨(NaOH)과 같은 알카리이온 기반 전해질의 수용액에 의존하는 충전식 배터리이다. 이 배터리는 단가가 높지만 연속 전력 공급시 용량이 우수하고, 빠른 충/방전시 수명이 매우 긴 장점이 있다.

 

3.     은 배터리 (Silver Batteries)

 

[그림5. 은 배터리]

출처: battery association of JAPAN 홈페이지

 

  은 배터리는 주로 은 아연(silver zinc)와 은 카드뮴(silver cadmium)으로 구성되는데, 은-수소 그리고 은-금속 화합체와 같은 물질은 상업적 수명이 충분하지 못하여 더 이상 연구되지 않고 있다. 은 아연 배터리는 금속 아연 양극과 수산화 칼륨 전해질 수용액에 담긴 은 산화물 음극으로 만들어져 있기 때문에 아연-산화은 배터리로 알려져 있다. 용량이 크고 내구성이 좋은 특징을 갖고 있다.

 

4.     리튬 배터리 (Lithium Batteries)

 

 

[그림6. 리튬 배터리]

출처: BOSCH 홈페이지

 

 리튬 배터리는 유기 전해질 리튬을 함유하고 있으며, 330Wh/kg의 에너지 밀도를 갖는다. 이는 수은 배터리나 은 배터리의 3배, 알카리 망간 배터리의 4배에 이른다. 가장 일반적으로 리튬이온 배터리 이며, 이 외에도 리튬 폴리머(Lithium polymer), 리튬-몰리브덴 디설파이드(Lithium-molybdenum disulphide), 리튬 철 모노 설파이드(Lithium (aluminium) iron monosulphide) 등의 다양한 리튬 배터리가 있다.

 

5.     나트륨-황 배터리 (Sodium-sulphur Battery)

 

[그림7. 나트륨-황 배터리]

출처: TMS 저널 홈페이지

 

 상대적으로 높은 전력의 저장이 가능하여 다양한 활용이 기대되는 배터리로, 최근 주목받는 배터리 기술 중 하나이다. 금속성 나트륨 양극과 황 음극으로 구성되며, 세라믹 Beta-Al2O3는 전해질이자 분리막 역할을 한다. 이 전지는 에너지 손실이 아주 낮아 전지의 성능과 효율이 우수하고, 자가방전(selfdischarge)이 없어 에너지 효율이 85%로 매우 높다.

 

6.     교류 배터리 (Flow Batteries)

 

[그림8. 교류 배터리]

출처: LE SYSTEM사 홈페이지

 

  기존의 배터리와는 달리, 유동 배터리는 별도의 탱크에 서로 다른 수용액 전해질에 에너지를 저장한다. 이 전해액에서 발  생하는 산화환원 반응을 이용하기 때문에 산화환원 유동전지라고도 한다. 충전을 하면 양극전해질이 산화되고 음극 전해질이 환원된고, 방전과정은 반대로 일어나게 된다. 일반적으로 상용 가능한 세 가지 배터리는 바나듐 환원 배터리(Vanadium Redox Battery (VRB)), 아연 브로마이드 배터리(Zinc Bromide Battery (ZBB)), 폴리 설파이드 브로마이드 배터리(Polysulphide Bromide Battery (PSB))가 있다.

 

 배터리는 운송 및 통신분야의 에너지 수요, 가정용 에너지 수요, 전력 평준화, 무선 전원공급 장치 등을 보완하는데 주로 사용되므로, 태양광 및 풍력 에너지 응용 시스템과 같은 재생에너지와 관련성이 높다. Grand View Research사의 최근 연구에 따르면 ESS 응용기술 관련 시장 성장은 향후 10년 동안 더 증가할 것으로 예상되며, 배터리 사용량이 늘어남에 따라 더 작고, 더 안정적이고, 더 우수한 배터리 공급은 필수적이다.

 

                                         

[그림9. 배터리 시장의 성장 추이]

출처: Vaal University of technology

 

가장 활발한 연구와 수요를 보이는 리툼, 나트륨-황 배터리는 다른 기술과 비교하여 더 많은 성장이 있을 것으로 예측됐으며, ESS의 수요와 발전이 계속됨에 따라 배터리 기술은 가까운 미래에 합리적인 비용을 실현 될 것으로 기대된다.

 

 미래와 ESS

여러 가지 전력적인 문제 해결에 가장 필요한 부분이며 동시에 미래의 전력시장을 앞당긴 것이 엘론머스크의 테슬라와 솔라시티가 아닐까. 최근에 테슬라를 통해 이미 개발되고 배포가 시작되고 있는 ‘파워 월’이라는 배터리를 이야기 해볼 필요가 있다. ‘파워 월’은 우리가 지금까지 생각하던 가정 전력 공금을 위한 대형 배터리 형태가 아닌 각 집집마다 각 집에서 생산된 전기가 가볍고 저렴한 형태의 배터리 팩을 각 가정에 설치 함으로써 원활한 전력 공급을 실현시켰다.

 

[그림10. 테슬라 사의 power wall 제품]

출처: Renewableenergyhub 홈페이지

 

최근 호주에서의 끝없는 정전사태와 전기 가격의 폭등을 통해 전력 에너지 위기를 겪고 있다. 또한 댜양한 자연환경적 에너지 발생가능성이 높은 지역인 만큼 호주의 신재생에너지의 의존도가 높은 편이다. 이러한 효율적인 신재생에너지 발전과 이에 상응 하는 저장 장치를 위해 테슬라의 엘론머스크는 에너지 저장장치를 빠른 시간 안에 저렴한 가격으로 설치하겠다고 공언함과 동시에 착공 100일만에 남호주에 100MW급 세계 최대 리튬이온 배터리 설치를 완공하였다.

 

이렇듯 전력 공급 문제의 해결을 위해 배터리를 설치하고, 개발하는 것 외에 미래의 우리와 가깝게 될 전자 기기들을 위해서도 배터리가 개발된다. 노트북이나 휴대폰등에 가장 많이 쓰이는 리튬 이온전지의 경우 휘어지거나 충격을 받을 경우 폭발 혹은 발화의 위험이 있다. 하지만 최근 웨어러블형식의 기계나 가벼운 전자기기를 위한 개발이 꾸준하게 진행되며 찢어지거나 구부러질 때에도 버틸 수 있는 배터리의 필요성이 생기게 되었다. 그 문제를 해결하기 위해 현재 전 고체배터리라는 새로운 차세대 배터리의 개발이 한참 이뤄지고 있는 중이다.  이 배터리의 개발과 상용화가 이뤄 진다면 가까운 미래에 웨어러블 기계의 이용이 더욱 가까워 질 수 있고 영화 톰크루즈 주연 엣지오브 투모로우에서 기계식 수트를 입고 전쟁을 하는 모습을 볼 수 있는데 이때 이 기계는 상당히 둔해 보이기도 하고 배터리가 부족하게 되면 그 수트를 버리고 이동해야 되는 상황이 오기도 한다. 가볍고 휘어지는 전지의 개발을 통해 이런 부분도 개선하며 동시의 다양한 미래형 웨어러블 기계들이 개발 될 것을 기대 해볼 법도 하다.

 

 

[그림11. 영화 ‘엣지 오브 투모로우’]

출처: it movie 홈페이지

 

 

 

자료 출처

1.     Overview of Battery Energy Storage System Advancement for Renewable (Photovoltaic) Energy Applications(2017, conference paper)

2.     http://www.energynewbiz.or.kr/res/upload/20170120/050E0E7B0E6B4E7AA8EFE860C5EAA8E3.pdf

3.     https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3476212&cid=58439&categoryId=58439

4.     https://blog.naver.com/lizensup/221142008815

5.     https://thyoon55.blog.me/221056629192

6.     http://m.lgchem.com/kr/ess/ess

7.     http://www.samsungsdi.co.kr/ess/index.html

8.     http://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch=4&t=1&idx=3451

9.     http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20171124000341

10.  http://blog.energy.or.kr/?p=13060

11.  https://www.tesla.com/ko_KR/powerwall