[TECH] 스마트 그리드에서 ESS가 필요한 이유

 

[스마트 그리드 (Smart Grid)에서 ESS가 필요한 이유]

전기는 발전 후 저장이 어렵다

 

기존 전력계통의 특성 전기는 다른 에너지원과 달리 저장이 어렵기 때문에 전력이 생산됨과 동시에 소비가 이루어져야 한다는 특성이 있음 

 

기존의 전력계통은 예상 수요량만큼의 발전을 하여야 하는데, 소비자들의 전력 사용량은 시간･요일 및 계절별로 변동하여 수요와 공급량을 일치시키는 데 애로가 있음

 

발전소 발전 전기는 저장이 힘들다  22%의 전력예비율을 갖추고 있어봤자, 평소엔 70~80%의 전기가 남아돈다는 게 환경단체들의 주장

(생산한 에너지는 저장할 방안이 없어 그냥 흘려보내야 한다)

 

[ESS를 도입되면 이 문제가 나아질 것이며 재생 에너지가 더 ESS 필요함]

ESS를 바라보는 관점도 수요 관리와 다르지 않다. 전력을 한 곳에 모아놓았다가 필요할 때 쓸 수 있다는 것

 

ESS에 더 큰 관심을 보이는 것은 재생에너지 쪽이다.

기후변화의 영향을 크게 받는 풍력, 조력 및 태양광 발전은 일정하게 발전량을 유지하기 힘들기 때문에 생산한 전기를 저장하는 기술이 절실하다.

‘친환경’의 상징처럼 여겨지는 전기자동차도 ESS 기술이 필수적이다.

 

[ESS란? Energy Storage System]

에너지저장시스템(ESS)란? 에너지저장시스템(Energy Storage System)은 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장 후, 전력이 필요한 시기에 선택적･효율적 사용을 통해 에너지 효율을 극대화 시키는 시스템임 

 

야간에 유휴전력을 저장하고 전력소모가 심한 주간에 저장된 전력을 사용함으로써, 전력의 효율적 사용이 가능함

 

에너지저장장치(ESS)는 심야시간대 경부하시 생산 된 전기를 저장했다가 주간 피크시 등 필요한 시기에 전기를 공급하여 에너지 효율을 높일 수 있는 시스템 으로 양수발전기가 대표적인 ESS 장치였으며, 최근에 는 기술의 발전에 따라 배터리(Battery)를 이용한 ESS 가 세계적으로 주목을 받고 있다.

 

특히 핸드폰 등 소규 모에서 전력분야 대용량 저장장치까지 다양하게 사용 되는 리튬이온 배터리의 경우 국내기업의 생산량이 세 계 1∼2위로 우리나라는 선진국과 경쟁할 수 있는 제조 기술을 보유하고 있다.

 

ESS는 크게 3가지로 구성된 다. 컴퓨터의 CPU와 같이 ESS 운영시스템이라 할 수 있는 PMS(Power Management System), AC와 DC간 상호 변환을 담당하는 PCS(Power Conditioning System), 전기에너지를 저장하는 배터리로 구성된다

 

 

 

ESS는 야간에 유휴 전력을 저장하고 주간에 사용하는 부하평준화(Load Leveling)를 통해 전력운영 최적화에 기여할 수 있음

 

전력저장을 위한 주요 기술로는 양수발전장치(Pumped Hydro) 외에 리튬 2차 전지(Lithium Secondary Battery), 레독스 흐름 (Redox Flow) 전지, NaS(나트륨- 유황) 전지 및 압축공기 저장 장치(Compressed Air Energy Storage) 등이 있음

 

양수 발전 및 플라이휠은 물리적 에너지저장시스템으로 고출력 에너지를 신속히 저장할 수 있는 반면에 초기 투자비가 과다함

 

리튬 2차, NaS 및 레독스 흐름 전지 등은 화학적 에너지저장 시스템이며, 특히 리튬 2차 및 NaS 전지는 발전소 및 수용가 ESS 모두에 적합한 것으로 알려져 있음

 

우리나라는 IT 기기에 사용되는 소형 리튬 2차 전지 분야에서 세계 최고의 기술력을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 리튬 2차 전지를 적용한 ESS 분야로의 확대를 계획하고 있음

 

일본은 NEDO 주도로 대용량 전지 개발 로드맵을 추진 중으로, NGK 등이 NaS 전지를 사업화 하였고, GS-Yuasa, 미쯔비시 및 Elly Power 등도 리튬 2차 전지를 개발 중임

 

NGK는 전력용 애자 등을 제조하는 세라믹회사로서 미국의 포드 및 독일의 ABB로부터 기술을 이전 받아 NaS 전지의 개발을 시작하였음

 

NGK의 NaS 전지 세계 시장점유율이 ’08년 기준 51%로 과점 상태

－ 미쯔비시는 14kWh급 Li-ion 가정용 시스템 및 산업용 저장 시스템, 자동차용 리튬 2차 전지에 집중하고 있음

－ SHARP는 태양전지용 리튬 2차 전지 사업을 위해 NaS전지, 리튬 2차 전지에서 앞선 기술력을 보유하고 있음

 

[ESS 국내개발현황]

1 리튬 2차 전지

주로 KEPCO 주관 하에 삼성SDI, LG화학 등 기존의 리튬 2차 전지 생산업체들이 참여하는 형태로 시제품 생산 및 각 분야별 실증사업이 진행 중임

－ 단기적으로 에너지 저장장치 실증을 토대로 상용화의 발판을 마련하고 있으며, 중장기적으로 ESS의 확대 보급을 위한 비용 절감활동도 수행 중임

 

삼성SDI는 각 분야별 실증사업을 통해 ESS 기술의 안정성을 검증하고 있으며, ESS 시스템 개발을 총체적으로 수행함으로써 가정용 및 산업용으로 적용을 목표로 하고 있음

LG화학은 기존 전력계통에 연계하여 전력전송의 효율성을 높이고, 특히 신･재생 에너지의 불안정한 전력의 안정화에 주력하고 있음

 

2  NaS 전지

POSCO는 ’15년 사업화를 목표로 NaS 전지 개발을 추진하고 있으며, 현재 시제품을 만들기 위한 개발 단계임 본격적인 실증은 ’13년부터 계획하고 있으며 수십kWh급 NaS 전지를 적용한 국내 최초의 실증 실험이 될 것으로 예상됨

－ 수백kW급의 실증이 가능한 ’14년부터는 본격적으로 계통에 연계된 실증이 가능할 것으로 예측하고 있음 POSCO에서는 ESS용 2차 전지인 NaS 개발 및 실증사업에 대한 추진전략을 ’14년에 소규모 건물 및 ’15년 이후 대규모급으로 확대시켜 나갈 계획임

－ 건물용 ESS를 대상으로 ’14년까지 개발될 수백kW 용량의 2차 전지 시스템을 이용하여 소규모 건물(일반 사무용 또는 상업용 빌딩)용에 설치하여 실증사업을 진행할 예정임 － ’14년 이후부터 데이터 센터, 병원, 통신사 등 전력의 높은 신뢰도가 필요한 시장을 대상으로 하는 중/대형 건물(1MW급 이하)용 ESS 사업 진행을 목표로 하고 있음 y 전기 자동차의 보급 확대 대응용 분산 전력 공급소(1MW급 이상)에 대한 실증화 계획도 마련되어 있음

－ 건물용 ESS에 대한 실증을 토대로 ’15년 이후, 신재생에너지, 계통연계 및 발전원을 대상으로 ESS 실증의 규모를 수백MW급으로 확대시켜 나갈 계획임

  

[직류교류]

석연료를 이용한 전통적인 발전 방식은 전력을 교류로 생산했다. 이 같은 이유로 지금도 교류 송전이 세계 표준으로 자리잡고 있다. 그러나 신재생에너지 활용 폭이 넓어지면서 전세가 바뀌고 있다. 신재생에너지는 전력을 직류로 생산한다. 게다가 최근 나오는 가전제품은 직류를 사용한다. 결국 생산과 소비는 직류인데 송전만 교류인 상황이 발생하는 것이다. 송전만 직류로 할 수 있다면 불필요한 변환 과정을 없앨 수 있다.

그 때문에 세계 전력산업은 직류 송전으로 눈을 돌리고 있다. 아직은 기술이 초기 단계다. 본래 직류 송전은 불가능의 영역이었다. 그러나 최근 들어 직류 송전 가능성이 커지고 있다. 핵심은 초전도 물질이다. 기존 구리 케이블 대신 초전도 케이블을 활용한다. 송전 용량이 5배 이상 크고, 송전 과정에서 발생하는 손실도 절반 이하로 줄일 수 있다. 특히 초전도 케이블을 이용하면 직류 송전도 가능해진다. 한전은 기술개발 10년 만에 세계 최초로 직류 80㎸ 초전도 케이블을 설치하는 데 성공했다.

참조: KDB산업은행, 한겨레21, 대한전기협회

 

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