ESS는 생산된 전력을 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 저장(충전) 하였다가 필요한 시기에 공급(방전) 하여 에너지의 효율을 높이는 역할을 하는 장치로 사실상 그 기능 자체는 자그마한 소형 배터리와 유사하다고 할
수 있다. 유휴 전력을 저장하고 피크 수요 시간대에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 향상시키며, 안정적인 전력 공급을 통해 부하를 막아 정전으로 인한 피해 방지에도 효과적이다. 특히, 원하는 시간대에 전력 생산이 어려운 태양광, 풍력 등 신재생에너지를 미리 저장했다가 필요한 때에 사용할 수 있어 차세대 에너지의 활용성을 높여주는 데에
주요한 역할을 한다.
에너지를 저장하는 방식에
따라 리튬전지, 나트륨유황전지, 리독스플로전지, 슈퍼커패시터 등의 배터리방식(화학적 에너지저장)과 양수, 압축공기저장, 플라이휠
등의 비 배터리 방식(물리적 에너지저장)으로 나뉜다. 특히 배터리 방식의 ESS를 BESS(Battery
Energy Storage System)라고 하며, 흔히
ESS라고 하면 BESS를 의미한다.
가. ESS의 구성
ESS는 단순히 하나의 장치가 아닌 전체적인 시스템으로 기본적으로 배터리, PCS, EMS, BMS 등으로 구성된다. 배터리 파트는 직류 전기에너지를
화학에너지 형태로 저장 하는 배터리와 배터리 내부 상태를 감시하는 BMS로 구성되어 있다. PCS는 계통 측의 교류를 직류로 변환시켜 배터리를 충전하기도 하고, 배터리에
저장된 직류를 교류로 변환시켜서 방전하도록 양방향 전력제어가 가능하다. EMS는 전력계통의 정보, 배터리 충전상태, 부하상태 등을 실시간으로 입력 받아 내부 제어
알고리즘을 수행하고, 이를 통하여 충전운전 또는 방전운전 제어 지령을 PCS와 배터리 파트에 보낸다.
- 배터리: 전력을 저장하는 저장 장치의 핵심이다. 배터리 셀(Cell)은 양극, 음극, 전해질
그리고 분리막으로 구성된다. 셀마다 가진 특성이 달라 단위를 쪼개 단계별로 묶는다. 먼저 셀을 한데 모아 모듈을 형성한 뒤, 여러 모듈을 합쳐 더 큰
단위의 Rack을 만든다. 다시 여러 Rack을 모으면 최종적으로 시스템이 형성된다.
- PCS(Power Conditioning System): ESS로부터 전력을 받아 배터리에 저장하거나 송전하기 위해 주파수, 전압 등 전기의 특성을 변환해주는 장치이다. 전력을 저장할 때(직류)와 사용할 때(교류) 달라지는 특성을 PCS를 통해 조정한다. 저장 시에는 교류를 직류로, 방출 시에는 직류를 교류로 전환시키는
것이다. 전력 변환 기능 외에도 운영 상태 감시 및 품질 제어, 정전
시 계통 보호, 독립운전 등 ESS 시스템의 핵심적인 기능을
맡고 있다.
- EMS(Energy Management System): ESS의 작동 방식을 감시하고 제어하면서 시스템 전반의 컨트롤 타워 역할을
한다. ESS 발전 시스템을 실시간으로 분석하고 통신망을 통한 모니터링 및 제어를 진행한다. 단순히 충 방전 제어만 가능한 EMS가
있고 소비 패턴이나 기상 정보를 알고리즘화하여 전력의 수요량 및 발전량 예측을 통해 ESS의 최적 운전
계획을 세워줄 수 있는 EMS도 있다.
- BMS(Battery Management System): 배터리의 성능을 최적화 시키면서 안전하게 사용할 수 있도록 제어하는
장치이다. 배터리의 각 단계별(셀, 모듈, Rack, 시스템)로 BMS를 설치하여 배터리의 상태 정보를 감시하고 그 결과 값을 EMS로
전달해 ESS 시스템 전체의 안정성을 높이는데 사용된다.
일반적으로 ESS에 전기에너지를 충방전 시키면 PCS의 변환효율과 배터리의 효율
때문에 손실이 발생한다. 배터리 충전상태인 SoC(State of
Charge)가 100%까지 충전 시킨 후에 SoC 0%까지
방전 시키면 약 10%의 손실이 발생한다. 또한 대용량 ESS에 사용되고 있는 리튬 배터리의 수명은 SoC 100% 충전, 0% 방전을 1회 방전심도(DoD,
Depth of Discharge) 라고 할 때, 4000회 정도의 수명 특성을 갖는다. 즉 충방전 횟수에 따라서 잔존 수명이 감소한다. 이러한 특성에도
불구하고 ESS를 충방전 시켜서 얻을 수 있는 이득이 더 높게 나오도록 PMS의 내부 제어 알고리즘을 구성하여야 한다.
나. ESS의 용도
ESS는 주로 주파수 조정, 첨두부하
저감, 신재생에너지 발전출력 안정, 부하 평준화, 비상용 전원 등의 다양한 방식의 용도로 활용될 수 있다.
- 첨두부하
저감(Peak Shaving): 대부분의 국가에서는 시간대별로 전기 요금에 차등을 두고 있다. 수요가 높아지는 낮 시간대에 전기 요금이 비싸고, 반대로 심야에는
저렴해진다. 이를 이용해 경부하 시간대에 전력을 저장하고 피크 시간대에 방전하여 전기 요금을 절감하거나
차액을 통해 수익을 올리는 것을 말한다.
- 부하
평준화(Load Leveling): 전력의 수요가 공급을 초과할 시 전력의 품질이 낙후될 뿐만 아니라
전력 부하, 정전 등 사고를 유발할 수 있다. 부하 평준화란
전력의 수요가 적을 때 전기를 저장하고, 수요가 많을 때 방전하여 전력 수요 변화에 원활하게 대응하는
것을 말한다.
- 주파수
조정(FR, Frequency Regulation): 전류의 흐름인 주파수를 적정 수준으로 유지시켜
전기 품질을 안정화하는 것을 말한다. 주파수 초과(수요 < 공급) 시 ESS에
전력을 저장해 두었다가 주파수 미달(수요 > 공급) 시 ESS를 방전해 전력을 공급하는 것이다. 발전기 자체에서도 주파수 조정은 가능하다. 발전량의 5% 가량을 예비력으로 두고 가동하는 것이다. 문제는 경제적 손실의
발생이다. 예비력으로 부족한 발전량의 충당이 필요하고, 발전기를
풀가동할 수 없어 기회 비용이 발생하기 때문이다. ESS가 주파수 조정을 담당하면 발전기의 출력량은 100% 유지하면서 더욱 정확하게 주파수를 조정하여 양질의 전력 공급이 가능해진다.
- 신재생에너지
출력 안정화: ESS 결합을 통해 신재생에너지의 활용성을 극대화할 수 있다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지는 기후 변화로 인해 발전 시간의 예측이
어려워 전력 수요 대응에 미스매치가 발생한다. 발전 시간 동안에는 ESS
시스템에 전력을 저장하고, 필요 시에 전력을 방전하여 출력을 안정화하고 공급 불균형을 해소하는
것이다.
다. ESS의 종류
ESS의 어플리케이션은 크게 가정용, 통신용, UPS, 전력용, 상업용 등으로 나누어 볼 수 있다.
- 가정용: 가정용 ESS는 대부분 태양광 발전의 시스템과 연계하여 설치된다. 낮 시간에 생산된 태양광 에너지를 ESS를 통해 저장하고 필요할
때 사용할 수 있게 함으로서 자가 에너지 소비율을 높여주고 전력 요금도 절감시켜 준다. 저장 용량은
보통 3~10kWh이며, 정치의 크기는 비교적 작아 설치가
용이한 편이다.
- 통신용: 통신용 ESS는 통신 기지국의 원활한 통신 환경 구축을 위해 활용된다. 2020년 차세대 네트워크 기술인 5G의 상용화를 앞두고 통신용
ESS에 대한 중요성이 더욱 대두되고 있다. 빠른 네트워크
서비스를 언제 어디서나 자유롭게 이용하기 위해서는 더 많은 통신 기지국 구축이 필요하고, 기지국의 안정적인
전력 공급은 필수이기 때문이다.
- UPS(Uninterruptible Power Supply): 컴퓨터와 주변 장치에 대한 전력 공급을 조절하는 무정전 전원 장치이다. 전압 변동, 순간 정전, 과도
전압 등 발생 가능한 전원 이상을 방지하고, 안정된 전력을 공급하는 장치로서 전력 관리에 있어 매우
중요한 역할을 한다. IT 제품을 생산하는 공장에는 정전으로 인한 생산 라인 가동의 피해를 막기 위해
UPS가 필수적으로 설치되어 있다. 데이터 센터, 금융 기관, 병원 등 활용범위가 확대되고 있다. 기존에는 납축전지 UPS가 시장에 주를 이루어 왔으나, 최근에는 리튬이온전지를 활용한 UPS가 이를 대체하고 있다. 납축전지 대비 출력과 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 부피가 작고 가벼워 설치에 용이하기 때문이다. 또한, 리튬이온전지는 온도 변화에 대한 민감도가 적어 유지 비용이
낮고, 설계 수명도 월등히 우수한 편이다.
- 전력용: 전력용은 대게 발전소가 대규모 신재생에너지용으로 쓰이는 ESS로서
전력 공급망의 안정성을 확보하고 전력의 품질을 향상시켜주기 위해 구축된다. 전력 품질 향상을 위한 주파수
조정 용도로도 사용된다. 발전소의 전력 공급 지원을 목적으로 하기 때문에 ESS 장치의 크기가 커서 주로 컨테이너 형태로 제작된다.
상업용: 상업용 ESS는 안정적인 전력 확보 및 전력 요금 절감을 목적으로
사용된다. 병원, 학교, 공장, 오피스텔 등 전력 사용량이 많은 다양한 환경에서 설치된다. 태양광
등 신재생에너지와 연계하여 자가 발전망 확보로도 활용된다.
라. 저장 방식의 종류
ESS는 저장 방식 및 기술에 따라 다양하게 분류되는데, 크게 배터리(화학적 혹은 전자기적)와
비배터리 방식(기계적)으로 나눌 수 있다. 화학적 배터리 방식은 화학 반응을 통한 배터리 저장 기술로서 리튬이온 전지인 LIB(lithium-ion Battery), 나트륨황 전지인 NaS, 레독스
흐름 전지인 RFB(Redox-Flow Battery)가 대표적이다.
전극을 이용한 전자기적 배터리 방식의 기술로는 Super Capacity가 있다.
기계적 비배터리 방식의
경우 물리적인 형태로 에너지를 저장하기 때문에 환경 파괴 가능성이 높고 중장기적 활용이 제한적이다. 대표적으로는
압축 공기 저장 기술인 CAES(Compressed Air Energy Storage), 플라이휠로
알려진 FES(Flywheel Energy Storage), 양수 발전을 활용한 PHS(Pumped Hydroelectric Storage) 등이 있다.
- 리튬이온 전지 LIB (Lithium-ion
Battery)
.방식: 배터리, 화학적
.원리: 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전위차 발생
.장점: 높은 에너지밀도, 높은 에너지효율
.단점: 높은 비용, 안정성 및 수명 미검증
- 나트륨황 전지 NaS Battery
.방식: 배터리, 화학적
.원리: 300~350℃의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온이 전해질을 이동하면서 전위차 발생
.장점: 낮은 비용, 높은 에너지밀도, 대용량화
용이
.단점: 고온 시스템 필요, 낮은 에너지효율
- 레독스 흐름 전지 RFB (Redox
Flow Battery)
.방식: 배터리, 화학적
.원리: 전해액 내 이온들의 산화환원 전위차를 이용하여 전기에너지를 충전 및 방전하여 이용
.장점: 낮은 비용, 대용량화 용이, 장시간
사용 가능
.단점: 낮은 에너지밀도, 낮은 에너지효율
- 납축 전지 Lead-acid Battery
.방식: 배터리, 화학적
.원리: 전기에너지를 납 이온을 이용한 화학에너지로 변환 저장 후, 필요
시 전기로 변환
.장점: 낮은 비용, 안정성 및 신뢰성 검증
.단점: 낮은 에너지밀도
- 슈퍼 커패시터 Super
Capacitor
.방식: 배터리, 전자기적
.원리: 소재의 결정구조 내에 저장되는 전지와 달리, 소재의 표면에 대전되는
형태로 전력을 저장
.장점: 높은 출력밀도, 긴 수명, 안정성
.단점: 높은 비용, 낮은 에너지밀도
- 압축공기저장시스템 CAES
(Compressed Air Energy Storage)
.방식: 비배터리, 기계적
.원리: 공기를 동굴이나 지하에 압축 저장 후, 필요 시 압축된 공기를 가열하여
전기 생산
.장점: 낮은 발전단가, 대용량화 용이(대규모
저장)
.단점: 높은 초기 비용, 낮은 에너지효율,
입지 제약
- 플라이휠 FES (Flywheel
Energy Storage)
.방식: 비배터리, 기계적
.원리: 전기에너지를 운동에너지(회전)로
변환 저장 후, 다시 전기에너지로 변환하여 사용
.장점: 높은 에너지효율, 긴 수명, 급속
저장(분 단위)
.단점: 높은 초기 비용, 낮은 에너지밀도
- 양수발전 PHS (Pumped
Hydroelectric Storage)
.방식: 비배터리, 기계적
.원리: 전기에너지를 위치에너지(하부 à 상부 저수지)로 변환 저장
후, 필요 시 전기로 변환
.장점: 낮은 발전단가, 대용량화 용이
.단점: 환경 파괴, 낮은 에너지효율, 입지
제약
대표적인 리튬이온전지의
경우, 건전지처럼 재사용이 불가능한 1차 전지와 납축전지처럼
충전을 통해 재사용이 가능한 2차 전지로 구분된다. 리튬이온전지는
양극과 음극 사이에 전해질을 넣어 충전 및 방전을 반복하게 하는 원리를 사용하는데, 용도에 따라 원통형, 각형, 폴리머 등 다양한 행태로 생산이 가능하다. 현재 리튬이온전지는 점차 작아지고 가벼워지는 전자 기기에 대응할 최적의 배터리로 꼽히는데, 에너지밀도가 우수하여 소형화가 가능하고 고용량 전지 생산에 유리하기 때문이다.
또한, 중금속을 포함하지 않아 환경 오염 문제가 적고 충전 가능 용량이 감소하는 메모리
효과(Memory Effect)가 없다는 장점도 있다. 기존에는
타 전지 대비 가격이 높아 활용도가 적었지만, 최근에는 가격이 크게 하락하여 경제성이 더욱 높아진 상황이다.
[2차전지 부피 및 무게 비교]
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리튬이온전지
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니켈카드륨전지
|
납축전지
|
리튬이온전지 대비 부피
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1.0
|
1.9
|
9.7
|
리튬이온전지 대비 무게
|
1.0
|
2.5
|
6.7
|