에너지 저장 체계(Energy Storage System, ESS)은 에너지를 저장하고 필요할 때 사용할 수 있는 기술입니다. 재생 가능 에너지원(태양광, 풍력, 수력 등)과 같은 불규칙한 에너지원에서 발생하는 에너지를 안정적으로 저장하고, 전력 수요가 높을 때 이를 공급함으로써 전력 그리드의 안정성을 향상시키고 에너지 효율성을 개선하는 역할을 합니다.
ESS는 기존 전력 시스템에 다양한 장점을 제공합니다:
에너지 저장: ESS는 에너지를 저장할 수 있으므로, 재생 가능 에너지 발전이 최대치로 이루어지는 시기에 에너지를 저장해 두고, 전력 수요가 증가하는 시기에 사용함으로써 에너지 사용을 최적화할 수 있습니다.
빠른 반응: 전력 그리드의 불규칙성으로 인해 ESS는 빠른 반응 시스템이 됩니다. 전력 수요의 급격한 증가나 감소에 대응하여 그리드의 불안정성을 줄일 수 있습니다.
주파수 및 전압 안정화: ESS는 전력 그리드의 주파수와 전압을 안정화시켜 전력 공급의 품질을 향상시킵니다.
긴급 상황 대응: ESS는 재해나 다른 긴급 상황에서 전력 그리드에 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 대규모 민간인 해제시 문제를 예방하고 대규모 블랙아웃을 방지할 수 있습니다.
주요한 에너지 저장 기술에는 다음과 같은 것들이 있습니다:
배터리 저장: 리튬 이온 배터리, 납-산화물 배터리, 흐름형 배터리 등이 사용됩니다.
열 저장: 열을 저장하는 열 저장 시스템은 고온 열을 저장하여 나중에 사용합니다.
매개체 저장: 에너지를 물리적으로 저장하는 매개체 저장 시스템으로는 압축 공기, 압력 그래비티, 압력 산업가스 저장 등이 있습니다.
수소 저장: 수소를 저장하는 수소 저장 시스템은 화학적 반응을 통해 수소를 생성하고 저장합니다.
ESS는 지속 가능한 에너지 인프라와 스마트 그리드의 핵심 요소로 간주되며, 에너지 저장 기술의 발전은 에너지 효율성과 신뢰성을 향상시키는 데 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다.
- 이차전지 -
일차 전지는 재충전이 안 되는 방식이고, 이차 전지가 우리가 흔히 사용하는 리튬, 납, 니켈 전지 등이다. 용량을 크게 하는데 불리하나 에너지 저장 밀도나 에너지 방출 밀도를 올리기엔 대단히 유리하며, 성숙된 기술을 바탕으로 다양한 어플리케이션 적용에 수월하다. UPS도 여기에 해당되는 방법이며. ESS 역시 ESS 에 몇 가지 장치를 더하면 대단위 UPS로 구성이 가능하다. 이 부분은 시제품 일람에서 별도 서술.
이분야에서 주목받는 기업은 전기승용차로 유명한 테슬라사. 자동차뿐 아니라 리튬배터리 기반의 에너지 저장장치에서도 성과를 내고 있는데 호주 사우스오스트렐리아주에 129 MWh / 100 MW 용량의 송전망급 파워팩을 2017년 말까지 가동하기로 계약했다. 이는 화학적 에너지 저장시설로는 세계 최대의 시설규모이다. 호주의 다급한 전력사정으로 긴급한 건설을 요청하자 테슬라 CEO 엘론 머스크는 계약하고 100일 안에 가동하지 못하면 돈 받지 않겠다는 호기를 부리기도 했다. 정확한 계약액은 발표되지 않았으나 엘론 머스크가 100MWh+급 시스템 이상은 $250/kWh에 공급할 수 있다고 밝힌 적이 있어서 129 MWh 용량이면 약 3천 235만 달러쯤 된다. 2017년 초에는 미국 캘리포니아에 80 MWh급 전력저장시설을 공급 6개월 만에 성공적으로 완공한 실적이 있어서 호주 전력 저장시설도 낙관적이다. 발전량이 일정하지 않은 대규모 태양전지 발전소나 풍력발전소의 출력을 전기 수요에 맞추는 데 적합한 방식이다.
전기차를 폐차하거나 배터리를 교체하면서 나오게 되는 폐배터리의 처리가 문제가 되고 있다. 이 폐배터리를 전기차 충전소에 ESS로 재사용하는 방법이 주목받고 있다.
폐배터리 ESS의 간략한 원리는 이렇다. 리튬 계열 배터리는 충전 용량과 재충전 횟수가 거의 정확한 반비례 관계를 가진다. 가령 80% 충전했을 때 10번 재사용할 수 있는 리튬 배터리가 있다고 하자. 이는 20% 충전했을 때 대략 40번 재사용할 수 있다.
전기차 배터리의 충전 용량이 60% 정도로 떨어지면 교체 시기에 이르렀다고 봐도 좋다. 이 폐배터리를 수거해서 10~20% 만 충전되게 조정하면 충전 횟수를 크게 늘릴 수 있다. 더불어 이 정도 충전량이면 화학적으로 상당히 안정적인 상태라 장기 운용에도 유리하다.
물론 에너지 밀도는 낮지만 ESS 부지에 고정해서 쓰므로 큰 문제는 아니다.
전기차 자체의 배터리를 에너지 저장장치로 이용하는 방법도 구상되고 있다. 주차된 전기차의 배터리에 전력을 축전했다가 전력 수요가 많을 때 끌어다 쓰는 방식이다.
리튬 이온 배터리를 ESS에서 사용할 경우 시설 면적이 늘어나는 단점이 있다. 배터리 자체의 에너지 밀도는 높지만, 배터리의 발열을 식혀줄 냉각 장치와 화재시 다른 배터리로 번지지 않도록 막아주는 방화벽도 같이 필요하기 때문이다. 화재 및 폭발 위험이 낮은 리튬인산철(LFP) 배터리를 대신 사용하기도 한다. 에너지 밀도가 일반 리튬 이온 배터리보다는 낮다는 단점이 있지만, ESS는 배터리를 고정된 장소에 설치해놓고 쓰므로 문제되지 않는다.
플로우 배터리라는 방식도 있는데 액체로된 염류 전해액을 전기에너지로 분해해서 두 개의 탱크에 분리해서 담아두었다가 전기가 필요하면 분리된 전해액을 다시 반응막 사이에서 전지처럼 반응시켜 전기로 환원시키는 방식이다. 용량 대비 부피는 크지만 전기 저장 용량은 전해액 저장탱크만 크게하면 되므로 저장용량을 확대하기가 쉽다. 독일에서는 천연가스 저장시설로 쓰이던 지하 암염 동굴을 이용해서 100 MW/700 MWh급 플로우배터리 시설의 건설을 추진중이다. 독일 베를린 시에 한 시간 동안 전력을 공급할 수 있을 정도의 용량이다.
대량 생산에 가장 근접한 차세대 배터리로는 나트륨 이온 전지가 있는데, 납/니켈 전지에 비해 에너지 밀도도 높고 리튬 이온 전지에 비해 안전성이 높지만 비용은 납 축전지와 비슷하거나 더 저렴하므로 상용화가 된다면 중금속 문제가 있는 납 축전지와 화재 위험이 있는 리튬 이온 전지를 대체하여 전력 저장 시설에서 널리 사용될 것으로 예상된다. 이외에도 2021년에 발표된 바나듐 이온 배터리(Vanadium Ion Battery, VIB), 전고체 배터리(Solid State Battery, SSB) 등 새로운 유형의 배터리들이 연구개발되고 있으므로 이들 또한 좋은 대안이 되리라 보인다.
배터리는 직류(DC) 전력만 저장할 수 있으므로 교류 전력망과 연계된 에너지 저장 시설에서는 충전 및 방전을 위해 정류기와 인버터를 이용하여 전력을 변환해야 하므로 손실이 일부 발생한다. 이러한 이유로 데이터 센터와 같은 일부 시설에서는 정류기로 외부 전력을 정류한 뒤 시설 내부의 배터리와 직류 전력망으로 공급하여 인버터를 이용한 변환 과정을 생략하는 경우도 있다.
2020년 초 시점에서 다른 저장 체계에 비해 공간 활용성이 높고 에너지 밀도도 높은 축에 속하는 방법이지만 높은 비용과 짧은 수명으로 인한 경제성 문제가 꾸준히 단점으로 지적되고 있다.
전기차에서 사용이 끝난 배터리에는 에너지를 충분히 저장할 수 있는 용량이 남아 있어 최소 3~10년까지 활용이 가능하며, 이를 에너지 저장장치로 재활용하는 시스템이 UBESS이다.
* 사업 수행 회사 *
에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 분야에서 활동하는 몇 가지 주요 회사들을 소개합니다.
- Tesla, Inc.: 테슬라는 전기 자동차 및 재생 가능 에너지 기술 분야의 선두 주자로 유명합니다. 테슬라는 하이브리드 전력 시스템인 Powerpack 및 Powerwall과 같은 대형 및 가정용 에너지 저장 시스템을 제공하고 있습니다.
- LG Energy Solution: LG Energy Solution은 리튬 이온 배터리 기술을 중심으로 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템을 개발하고 제조하는 글로벌 기업입니다.
- Samsung SDI: 삼성 SDI는 리튬 이온 배터리 분야에서 선두 기업 중 하나로, 이동식 장치용 배터리뿐만 아니라 에너지 저장 시스템에도 집중하고 있습니다.
- Siemens Energy: 시멘스 에너지는 에너지 저장 솔루션을 비롯하여 전력 발전, 전력 변환, 전력 전송 등 다양한 에너지 관련 제품과 서비스를 제공하는 기업입니다.
- General Electric (GE): GE는 재생 가능 에너지 및 에너지 저장 기술 분야에서 활동하는 글로벌 기업으로, 에너지 저장 시스템과 그리드 관련 솔루션을 제공합니다.
- ABB: ABB는 에너지와 자동화 기술을 전문으로 하는 스위스의 기업으로, 에너지 저장 시스템과 스마트 그리드 기술을 개발하고 구축하는데 전문화되어 있습니다.
- Panasonic: 파나소닉은 재생 가능 에너지 및 에너지 저장 시스템 분야에서 다양한 제품을 제공하는 기업 중 하나입니다.
- Fluence: 플루언스는 AES 기업과 시멘스의 합작사로, 대형 전력 그리드용 에너지 저장 시스템을 전문으로 개발하고 구축하는데 전념하고 있습니다.
이 외에도 많은 기업들이 에너지 저장 시스템 분야에서 활동하고 있으며, 시장의 성장과 기술의 진보에 따라 새로운 회사들이 등장할 수 있습니다. 선진 기술과 지속 가능한 에너지 솔루션을 제공하는 회사를 찾을 때에는 기업의 평판, 기술력, 과거 성과, 고객 리뷰 등을 고려하여 선택하는 것이 중요합니다.