새로운에너지저장매체로서의연료전지자동차계통연계기술 새로운에너지저장매체로서의연료전지자동차계통연계기술 1. 개황 최진혁한전전력연구원 ESS 연구사업단선임연구원 가. 에너지저장기술최근들어산업용등소비자의전기소비패턴의변화는부하변동에도영향을미치고있으며평균부하의증가율에비해최대전력의상승률이급격히증가하고있다. 전체적인부하율은점차낮아지고있는반면에, 시간대별부하변동뿐만아니라하절기및동절기같은계절별부하에서의차이가커지는경향을보이고있다. 이와같이시간대별, 계절별최대부하가지속적으로증가하면이에대응하기위한전력공급설비를확충해야한다. 그러나 2014 June + 55
우리나라의경우전반적인부하율은점점낮아지는등설비이용률이떨어지고있는상황에서최대부하에대응하기위한전력설비를증설할경우유휴설비가늘어나게되고경제성측면에서의문제가발생할수있다. 전력부족현상을해결하기위해서는장기적으로전력공급의확충, 전력수요관리, 전기요금의현실화, 신재생에너지보급등다양한대안이제시되고있다. 그러나시간대별, 계절별변동이큰전기부하 [ 표 1] 국내최대전력전망값 연도 최대전력 ( 하계 ) 최대전력 ( 동계 ) 2014 80,328 80,969 2015 81,577 82,677 2016 84,576 84,167 2017 88,218 86,922 2018 91,509 89,581 2019 93,683 91,424 2020 95,316 94,014 ( 출처 : 제6차전력수급기본계획, 산업통상자원부, 2013) 발전소송전배전서비스 대규모저장 ( 화력발전, 신재생등 ) 송배전효율향상용저장 ( 변전소설치 ) [ 그림 1] 에너지저장시스템개념도 ( 출처 : 산업통상자원부 ) 수용가측저장 ( 가정용, 상업용등 ) [ 표 2] 에너지저장기술의종류 ( 출처 : 산업통상자원부, LG 화학 ) 종류리튬이온전지압축공기저장나트륨-황전지플라이휠레독스흐름전지슈퍼캐패시터 특징 원리 : 리튬이온이양극과음극을오가면서전위차발생 장점 : 고에너지밀도, 고에너지효율, 고출력으로적용범위넓음 단점 : 안전성, 고비용, 대형시스템장기운전경험부족 원리 : 공기를밀폐공간내에압축저장후, 가열하여터빈구동 장점 : 100MW이상의대규모시스템구현가능 단점 : 초기설비구축비용과다, 지형조건등지리적제약 원리 : 고온 (~300oC) 에서용융상태의나트륨이온을이용한전기저장 장점 : 저비용, 대용량화용이 단점 : 저출력, 고온유지에따른소내전력손실에따른저효율 원리 : 전기에너지를운동에너지로저장후다시전기에너지로활용 장점 : 고출력, 장수명 단점 : 초기구축비용과다, 저에너지밀도 원리 : 전해액내이온의산화 / 환원전위차를이용하여에너지저장 장점 : 저비용, 대용량화용이, 출력 / 에너지분리설계가능 단점 : 저에너지효율, 저에너지밀도 원리 : 탄소또는금속산화물표면에대전되는형태로전기에너지저장 장점 : 고출력밀도, 고수명 단점 : 저에너지밀도, 사용시간짧음 56 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
새로운에너지저장매체로서의연료전지자동차계통연계기술 를평준화시켜전반적인부하율을향상시킬수있다면, 전력생산자입장에서는발전단가를낮출수있으며, 전력설비증설에필요한투자비와운전비등을절감할수있다. 이러한전기부하의평준화를위해서에너지저장매체를보급 확산함으로써하절기및동절기의전력피크에적극대응할수있다. 에너지저장시스템은생산된전력을전력계통에저장했다가전력이필요한시기에공급함으로써에너지효율을높이는시스템이다. 즉에너지저장시스템이란생산과동시에소비가이루어지는전기의특성에저장기술을도입하여전기수요가적을때생산된전기를저렴한가격으로저장하고수요가많을때저장된전기를공급하는시스템이다. 에너지저장장치는화학에너지, 운동에너지, 위치에너지등의여러가지형태를활용하여에너지를저장한후다시전기에너지로변환하여활용할수있으며그종류는 [ 표 2] 와같다. 나. 연료전지자동차연료전지는연료의화학에너지를전기화학반응에의해전기에너지로직접변환하는발전장치로서연료저지스택, BOP(Balance of Plant), 연료변환장치및제어기술을통합하는융복합기술이다. 연료전지자동차는내연기관자동차의동력변환장치에해당하는엔진을연료전지로대체함으로써연 료전지에서생산된전기로모터를구동시켜주행하는자동차이다. 연료전지는수소와산소의전기화학반응을통해직접전기를발생시키기때문에기존내연기관이갖는열역학적제한을받지않기때문에자동차의평균운전영역에서내연기관자동차보다 2~3배높은효율을나타낸다. 또한연료전지는수소를연료로이용하기때문에내연기관을이용하는경우에비해유해물질을비롯하여지구온난화의주번인이산화탄소를전혀배출하지않는무공해자동차이다. 그러나연료전지자동차의상용화를위해서는시스템가격절감과스택내구성향상을통한장수명화가필요하다. 다. V2G(Vehicle to Grid) 기술 V2G 기술은배터리전지자동차또는연료전지자동차를계통에연계하여필요시전력을공급할수있는매체로활용하는기술이다. 연료전지자동차는이동형전원으로사용가능하며, 전력계통에연계시에너지저장매체로활용이가능하므로배터리전기자동차를활용하는기존 V2G 기술에비해충전과정이필요하지않기때문에여러가지장점을갖는다. 배터리전기자동차를에너지저장매체로활용할경우에는전기자동차보급확대에따라충전기가다수보급되어야하며, 정부에따르면 2016년까지 15 만대의충전기를보급할계획에있다. 급속충전기 열, 수증기 ( 물 ) PEMFC 청정배가스 DMFC SOFC, MCFC Micro fuel cell 천연가스연료개질기수소가스발전부직류전류 전류전환기 교류전류 -mw 3W 50W -kw 100kW -MW 화학에너지 공기 전기에너지 마이크로기기 휴대폰 노트북 건물용 수송용 전기에너지 [ 그림 2] 연료전지의발전방식및응용분야 ( 출처 : 그린에너지전략로드맵, 한국에너지기술평가원, 2011) 2014 June + 57
(50kW) 및완속충전기 (7.7kW) 비율 1:9, 부하율을 50% 로가정할경우 2016년배터리전기자동차충전을위해약 900MW의추가적인부하로작용하게된다. 그러나연료전지자동차는충전과정이필요하지않기때문에피크시계통에전력을공급하는소규모분산발전소의역할을수행하면서도추가적인부하로는작용하지않는이점을갖는다. 2. 시장현황 2020년전세계시장의 V2G용배터리전기자동차보급대수는 105만6,000대, 매출액은 266억달러, V2G용인프라매출액은 66.8억달러, 기술관련매출액은 105억달러로예측된다. V2G 기술에적용가능한배터리전기자동차판매량은전세계적으로 2011년 100만대에서 2015년 678만대, 2020년 1,000만대로연평균 30% 증가할것으로전망되고있으며, 자동차연비규정강화, 고유가및정부의정책지원으로보급확대가예상된다. V2G 기술에적용가능한연료전지자동차의경우, 세계수소연료수요량이 2010년 775톤에서 2015년 5만5,000톤, 2020 년 41만8,000톤으로급격히확대될것으로추정되고, 전세계연료전지자동차시장은 2015년을기점 으로고속성장해 2020년누적판매량 120만대를기록할것으로예상된다. 현재국내 V2G 관련시장은초기단계로서기술개발을시작하고있고, 제주실증단지를통해기술검증중에있다. 국내시장의경우, V2G용차량보급대수는 2020년 3만대, 매출액은 7.2억달러, 관련인프라매출액은 1.75억달러, 기술관련매출은 2.83 억달러이며, V2G 서비스로인한매출은 0.53억달러로예측된다. 배터리전기자동차의경우 2012년 3만7,000 대의하이브리드차와 750대의순수배터리차가판매되어각각 1조1,850 억원및 338억원규모의시장이형성되었으며, 2020년약 6조6,000 억원정도의시장을형성할것으로전망된다. 연료전지자동차의경우, 환경부친환경자동차보급계획에의해서 2013 년 5대, 2014년 50대를보급할예정이며, 2020년차량 500대및수소충전소 10기보급이후, 2025년차량 2만대및수소충전소 200기를보급할계획에있다. 그리고에너지저장시장규모는 2012년약 710 억원규모에서 2017년이후본격화될것으로전망되어 2020년약 8,629억원으로성장할것으로예상되나, 한전에서발표된주파수조정용에너지저장장치투자계획약 6,300억원을포함할경우시장규모는더큰폭으로성장할것으로보인다. 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 3,000 2015 South Korea V2G Vehicle Unit Forecast 2015-2020 CAGR = 58.1% 5,000 2016 8,900 2017 13,800 2018 19,900 2019 29,700 2020 2020 2019 2018 2017 2016 2015 S0.0 South Korea V2G Vehicle Morket Value Forecast(US billons) 2015-2020 CAGR = 52.8% S0.72 S0.9 S0.16 S0.1 S0.2 S0.24 S0.3 S0.36 S0.4 S0.56 S0.5 S0.6 S0.7 S0.8 [ 그림 3] 국내 V2G 보급대수및시장전망 ( 출처 : Smart Grid Insight-V2G, ZPryme, 2010) 58 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
새로운에너지저장매체로서의연료전지자동차계통연계기술 3. 기술현황배터리전기자동차, 연료전지전기자동차등 V2G 관련차량설계및제조기술이전세계적으로활발하게개발되고있으며, 계통연계를위한양방향인버터기술및연료전지전기자동차보급확대를위한수소스테이션인프라구축, 차량과 EMS(Energy Management System) 간통신솔루션및충 방전표준또한개발되고있다. 대부분의기술은배터리전기자동차를계통에연계하여에너지저장장치로활용하기 위한기술이며, 본고에서소개하고자하는연료전지자동차를이용한 V2G관련기술개발은아직초기단계에있다. 연료전지자동차를계통에연계하여활용하기위해서는소형발전기형태로운전이가능한스택이장착된연료전지자동차, 계통연계를위한컨버터및인버터, 연료전지발전출력을제어하기위한제어시스템, 통합관제시스템과제어시스템간의통신시스템및규격의개발이필요하다. [ 표 3] 국내 V2G 관련기술현황및전망 ( 출처 : V2G 시스템관련기술개발현황, 이현구외, 2011) 기술분류 배터리전기자동차 연료전지자동차 에너지저장장치 수소스테이션 표준 기술현황및전망 V2G 기반기술인충전기기술개발을위해코디에스및동하정보기술 ( 주 ), 피엔이솔루션, LS 산전, LS 전선, 효성, 중앙제어등에서개발하고있으며차량탑재형충전기인 OBC 의경우시그넷시스템 ( 주 ) 가개발중 LG 화학은리튬폴리머배터리를 2010 년부터양산되는 GM 쉐보레볼트에공급하고있으며, 다양한 EV 적용을위해 GM 과협약체결 삼성 SDI 는 EV 용배터리생산을위해보쉬와합작사 SB 리모티브설립 코캄은 2008 년휴대폰배터리보다 300 배수명이긴 4.5kg 리튬배터리를유럽전기버스제조사에납품 현대자동차는 98 년 G7 사업에연료전지차량제작을시작으로 2013 년 2 월세계최초로보급형 Tucson ix35 FuelCell 양산 현대자동차는초기시장형성전단계인실증단계로연료전지자동차가격저감및내구성확보를위한기술개발중 국내에서개발중인에너지저장장치기술은주로리튬이온전지, 플로우전지, 나트륨 - 황전지와수퍼캐패시터등이며, 최근압축공기저장사업이추진되고있음 제주조천변전소에 4MW/8MWh 급리튬이온전지에너지저장장치가한전, 삼성 SDI 및효성에의해개발및실증중 대구에서 PV 연계 10kWh 급가정용에너지저장장치가 KT, 삼성 SDI, 효성및 EnTech 이참여하여개발 2003 년부터분산공급방식수소제조기술개발 30Nm3/hr 급천연가스, 나프타, LPG 개질기및수전해원천기술개발 2013 년세계최대규모인 300Nm3/hr 급수소스테이션개발착수 정부지원과제로 350bar, 700bar 압축기개발 서울시는상암동에 Land Fill Gas 기반수소충전소운영중 (30Nm3/hr) 산업통상자원부기술표준원에서는 2011 년 3 월 EV 표준코디네이터를임명, EV 표준화마스터플랜을수립하고국제표준에대응 장점 : EV 중앙관리시스템을위한공통데이터모델표준인 IEC 61850, 61970, 61968 등은국제표준에대응하고있으며, V2G 양방향요구사항은 2012 년, V2G 성능및환경요구조건은 2015 년까지단체표준또는 KS 로제정하여 NP 제안계획 국내수소스테이션의경우적합용량및설치기준에대한표준부재로실질적인제품화가이루어지고있지않음 2014 June + 59
4. 향후전망연료전지자동차를계통에연계하기위해서는승압형컨버터및계통연계형인버터, 고전압커넥팅안전설계기술, 제어소프트웨어및데이터분석기술등추가적인기술개발이필요하다. 또한연료공급을위한수소스테이션인프라확대, 차량-계통연계를위한관리시스템및규격, 계통연계시계통보호시스템, 차량및관리시스템상태감시위한네트워크기술, 에너지통합관제시스템개발또한필수 적이다. 연료전지자동차계통연계기술은정부에서추진하고있는분산발전강화및수요관리정책에부합하며, 배터리전지자동차와는달리충전이필요하지않기때문에계통내추가부하로작용하지않는동시에피크시전력공급이가능하다. 이를통해수요관리및전력예비율개선에기여할수있으며, 친환경연료전지차량보급을통해이산화탄소배출량을 2020 년 8,000톤, 2030년 160만톤저감이가능할것으로전망된다. 참고문헌 1. 전력수급균형및스마트그리드활성화를위한에너지저장시스템, 한국산업연구원, 2012 2. 제6차전력수급기본계획, 지식경제부, 2013 3. 그린에너지전략로드맵, 한국에너지기술평가원, 2011 4. 2013 스마트그리드연감 5. Smart Grid Insights: V2G, Zpryme, 2010 6. 전기자동차가몰고올변화의물결, LGeri 리포트, 2009 7. 2012 Pike research 8. 2013-2014 에너지기술국내시장전망, 한국에너지기술평가원 9. 창조경제구현을위한 ESS 종합추진계획 ( 안 ), 한국전력공사, 2013 10. V2G 시스템관련기술개발현황, 이현구외, 2011 11. 에너지기술개발사업기획보고 (V4G 기술개발 ), 한국에너지기술평가원, 2014 60 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine