기획특집 전력저장장치 (ESS) 와국내외 ESS 정책 김응상센터장 / 한국전기연구원스마트배전연구센터 eskim@keri.re.kr 전력저장장치 (ESS) 개요 전력저장 ( 충전 ) 전력방출 ( 방전 ) (1) 정의및역할전력저장장치 (Electrical Energy Storage System, ESS) 는전지 (Battery), BMS(Battery Management System), 전력변환장치 (Power Conversion System, PCS) 로구성되며, 생산된전력을전력계통에저장했다가전력이가장필요한시기에공급하여에너지효율을높이는시스템을의미한다. 즉, 경부하시 ( 야간 ) 에유휴전력을저장하고, 피크부하시 ( 주간 ) 에사용하여그림 1과같이부하를평준화하고피크전력을낮추어발전설비투자비를절감하고, 전력운영의안정화에기여할수있다. 특히출력변동성이심한태양광, 풍력등과같은신재생에너지전원출력을고품질전력으로전환하고전 발전소용량 심야발전량 주간발전량 0 12 24 시간 그림 1. 부하평준화 (Load Leveling) [1] 투자비절감 력망에연계하여전력망의안정성과신뢰도를향상시킨다. 따라서 ESS를전력계통에적용하였을때연료측면에서는위험을방지할수있고, 발전측면에서는기저부하를중재하는효과가있으며, 송배전측면에서는안정화를도모할수있으며, 판매측면에서는전력품질을향상시킬수있다. 2014. 8 111
에너지효율향상과전기품질대책 Output Night Discharge Day Charge Discharge 1 나트륨황전지 (NaS Battery) 이차전지중나트륨황전지는음극으로서나트륨, 양극으로서유황을사용하고, 전해질로서베타알루미나세라믹스 ( 나트륨이온전도성을가진고체전해질 ) 를사 Charge 용하고있다. 전지의충 방전은 300 부근에서가능한고온형전지이다. Wind Power Wind Power+NAS Battery Output Thermal enclosure 그림 2. 신재생에너지의전력품질및효율향상 [1] Gas Tight Seal Cell Insulator (Alpha-Alumina) (2) 종류와특징 Sodium Safety Tube ESS는전지의발전원리에따라이차전지를이용한전기화학적발전의 ESS, 슈퍼커패시터와같은전기적 Bata-Alumina Sulfur Electrode Sulfur Housing - Main + pole Main pole Thermal enclosure 발전의 ESS, CAES와플라이휠과같은기계적발전의 ESS 등으로구분할수있다. 그림 3. NaS 전지구조 Membran Elektrode Elektrolyttank ElektrolytⅠ ElektrolytⅡ Elektrolyttank Pumpe Pumpe Laden / Entladen 그림 4. 레독스흐름전지의원리 112 계장기술
전력저장장치 (ESS) 와국내외 ESS 정책 2 레독스흐름전지 (Redox Flow Battery) 전기화학적발전의레독스흐름전지는환원, 산화, 흐름의단어를합성한것으로, 가수 ( 假數 ) 가변화하는금속이온을가진수용성전해액을탱크에저장하고그전해액을펌프로셀이라고불리는부분에송액하여충전 / 방전하는전지를의미한다. 양극과음극의전해액으로서바나듐등금속이온을용해시킨산성수용액을이용하여양극과음극의전해액은각각의탱크에저장되어전지셀로송액순환한다. 레독스흐름전지는전지반응이바나듐이온의원자변화에의존하기때문에 12,000회충 방전가능하여수명이길다. 그리고셀과탱크부를분리할수가있어설치장소에적합하게제작가능하다. 또펌프, 냉각장치등의가동부분이필요하기때문에보수및유지가필요하고, 바나듐이온멤브레인의교환이필요하다. 3 슈퍼커패시터 (Supper Capacitor, SC) 전기적발전의 ESS 중슈퍼캐패시터는화학반응을 이용하는다른배터리와는달리전극과전해질계면으로의단순한이온의이동이나표면화학반응에의한충전현상을이용한다. 캐패시터는기본적으로 2장의전극판을대향시킨구조이고, 여기에직류전압을걸어각전극에전하를축적하고, 축적하고있는도중에는전류가흐르고, 축적된상태에서는전류는흐르지않는다. 4 압축공기저장발전시스템 (Compressed Air Energy Storage, CAES) 기계적발전의 ESS인 CAES는전력수요가낮은시간대의전력을압축기를사용하여압축공기에너지로지하에저장하고, 전력수요가높은시간대에압축공기를이용하여전력을생산하는시스템이다. 중대형에너지저장장치중 CAES는시간에따른손실이적어대형 / 장주기에너지저장장치로사용된다. 5 플라이휠에너지저장시스템 (Flywheel Energy Storage System, FESS) 기계적발전의 ESS인플라이휠은대용량회전체를 Porous Carbon Electrode Seal Elektrolyte Elektrolyte ++++++ ------ ++++++ ------ Separator Current Collector 그림 5. SC 구조 2014. 8 113
에너지효율향상과전기품질대책 무접촉상태로부양한후전기에너지를회전에너지형태로저장하였다가필요시전기로변환하는기술이다. 자기 ( 초전도또는전자석 ) 베어링, 복합재회전체, 회전안정시스템, 냉각시스템, 전력입출력모터시스템등으로구성된다. (3) 기술동향 [2] 1 국내 ESS 기술동향대명엔터프라이즈는국내최초상업용 MW급 ESS 를 2014년 4월공급, 규모는 2MW로 17억원에공급하였으며, 400kW 출력으로 5시간사용가능피앤이솔루션은전기차충전기와 ESS 융합모델을 2013년 12월에일본으로수출, ESS 기반급속충전기를일본중공업분야대기업에 16기공급삼성SDI는 2014년에인도 ACME사와 2년간총 110MWh 규모의 ESS공급 MOU 를체결하였고, 통신기지국, 태양광연계용에 ESS를독점공급하였고, 향후태양광발전과연계한 ESS 설치사업도적극전개할계획포스코ICT는일본에디슨파워에 2013년 12월에 ESS를공급함국내전력회사 ( 한전 ) 은 2013년 11월 ESS를활용한지능형사옥에너지관리시범사업을착수하였고, 구리남양주지사에 ESS 50kWh 활용스마트그리드스테이션개발 LG화학은 2013년 7월부터독일 SMA 사에 2kWh 급가정용 ESS 배터리를공급했고, 2014년 3월에는미전력사에에너지저장장치를단독공급함 2 국외 ESS 기술동향스페인의 REE는 2014년 1월에 3MW 그리드저장솔루션구축하였고, 신재생에너지통합및전력계통보조서비스지원하고, A123에너지솔루션의배 터리저장시스템을도입함 NY-BEST와 DNV KEMA는 2013년 8월에배에너지저장기술상업화센터를설립하였고, 양사파트너십체결로 2,300만불을투자해단전지에서메가와트시스템까지시험이가능한센터를건립예정 Duke는 2013년 1월텍사스풍력발전단지배터리저장프로젝트를완료하였고, 36MW 에너지저장및전력관리시스템을구축하고, EPRI 및 Sandis 국립연구소에서기술및경제성분석을할예정 ABB와닛산은 2012년 2월에 LEAF 배터리의가정용저장장치로의재활용을연구하였으며, 50kWh 프로토타입리튬이온배터리시스템을개발할예정국내외 ESS 관련정책 (1) 국내 ESS 정책산업통상자원부 ( 구지식경제부 ) 는중대형 ESS 기술개발및산업화정책추진 (K-ESS 2020 전략 ) [1] 으로에너지저장 R&D 투자를확대하여원천기술확보및글로벌시장선도가가능한기술에집중투자한다고발표했다. 시장주도형기술개발, 미래신기술개발, 국제공동기술개발등기술개발의전략성을강화하여미래에너지저장시장을선점하고, 2020년까지 6.4조원규모의기술개발및설비투자추진할계획이다. ESS 보급목표용량은 2020년까지 1,700MW(Global Market Share 30%) 이다. 또한신재생에너지공급의무화제도 (Renewable Portfolio Standard, RPS) 또는에너지공급자효율향상의무화제도 (Energy Efficiency Resource Standard, EERS) 를통하여 ESS 설치의무화를추진하고있다. 114 계장기술
전력저장장치 (ESS) 와국내외 ESS 정책 사업명구축설비사업모델 제주 SG 실증 (Smart Place) 제주 SG 실증 (Smart Transportion) 제주 SG 실증 (Smart Renewable) 10kW급 LiB 대구실증신재생에너지연계형 LiB 조천변전소실증스마트그리드보급지원사업고창변전소 ESS 실증 CAES 군산해상풍력연계실증 3kWh~30kWh (09~13) 150kWh (09~13) 35kWh ~1MW (09~13) 3kW/10kWh*100 (10~13) 4MW/8MWh (11~14) 250kW/500kWh (12) 50MW (13~16) 100MW (13~17) 부하평활화피크절감 충전소보조 풍력보조 부하평활화피크절감 부하평활화피크절감풍력보조 수요반응 송배전망 풍력보조 표 1. 국내보급및실증추진현황 (2) 국외 ESS 정책일본, 미국등선진국위주로기술개발및실증을활발히추진중이며, 일부상용화에성공하는등사업화단계에진입했다. 일본은 250kW 이상 ESS의초기설치비 1/3 수준의보조금을지원 ( 선도적부하평준화모델사업 ) 하며, 가정용, 신재생에너지발전용등다양한분야에서기술개발을추진중이다. 특히 LiB, NaS 등에서앞선기술력을보유하고있다. 미국은 2010년 9월캘리포니아에서 ESS 설치의무화법안이승인되었으며, 최근 5년간평균공급전력의 2.25% 이상을 ESS를이용하여 2014년부터공급한다. 2020년 5% 이상으로조정할예정이다. 또한공공기관 (ARPA-E, EPRI 등 ), 벤처기업및대형전력회사 (AES, AEP) 를중심으로기술개발및실증을적극추진하고있다. 프랑스의 Saft, 독일 Conergy 등은프랑스경제성독일환경부공동으로지원하는국책과제인 Solion 프로젝트에참여하여추진중이다. 일본은 1998년부터기존탄광을활용한 2MW급 CAES Pilot 플랜트를구축하여실증실험을완료하였다. 중국은미국 ES&P 사에 EPC 역할을부여하고자국내 CAES 건설추진중이다. 전력망등대규모전력공급안정화를위한에너지저장수요가확대되어대용량화되는방향으로기술개발이진행될것으로예상된다. 50MW 이하는 LiB, NaS, RFB 등의전지방식이, 50MW 이상은 CAES 등의대형발전방식이대세를이룰전망이다. 2014. 8 115
에너지효율향상과전기품질대책 SG 표준화포럼 운영위원회 사무국 ( 지능형전력망협회 ) 상임워킹그룹 (Standing WG) 도메인위원회 (Domain Committee) 프레임워크 (Frame Work) 시험인증 (T&C) 발전 (Generation) 송전 (Transmission) 배전 (Distribution) 보안 (Security) 정보통신 (ICT) 분산자원 (DER) 소비자 (Customer) 운송 (Transportation) 전기자기적합성 (EMC) 안전 (Safety) 시장 (Market) 운영 (Operation) 사업자 (Service Provider) 그림 6. 스마트그리드표준화포럼조직도 국내외 ESS 표준화 (1) 국내외 ESS 표준제정기관 신규제안 (NP) 도메인위원회위원장 (4 주 ) 국내의 ESS 관련표준제정기관인스마트그리드표준화포럼의조직구조는그림 6과같다. [3] 스마트그리드표준화포럼의표준문서제 개정절차는그림 7과같으며, ESS 관련표준제정은그림 6에붉은색점선 [ 분산자원 (DER) 부분 ] 으로표시한분산자원도메인위원회에서수행하고있다. 작업초안 (WD) 위원회안 (CD) 도메인위원회산하프로젝트팀 (28 주 ) 상임 WG (7 주 ) 도메인위원회 (7 주 ) 해외에서는 ESS를구성하는개별요소 ( 배터리및 PCS 등 ) 에대한표준개발은진행중이나, 전체적인시스템측면의국제표준개발은초기단계이다. 국외 ESS 관련표준제정은 2012년에설립된 IEC TC120에서하고있으며, 한국은 WG(Working Group) 4번째환경분야의의장직을수임하여 ESS 설치시환 최종표준안 (FDFS) 포럼표준 (SGSF) 운영위원회 (4 주 ) 그림 7. 스마트그리드표준화포럼표준문서제 개정절차 116 계장기술
전력저장장치 (ESS) 와국내외 ESS 정책 경조건, 유해물질사용제한등의규제와시험, 설치, 안전등을검토한다. (2) 국내 ESS 관련기술기준분산형전원과전기저장장치에대한표준 6종이개발완료되었고, 2종이개발중이다. 지능형전력망협회주도로변환장치및시스템에대해서 SGSF포럼표준을작성한후표준협회에단체표준의절차를거치고있으며, 2014년 6월까지진행된단체표준을나열하면아래와같다. 1 에너지저장시스템용전력변환장치의성능요구사항 2 전기저장장치-제1부 : 단상저압연계용전기저장장치일반요구사항및시험방법 3 전기저장장치-제2부 : 삼상저압연계용전기저장장치일반요구사항및시험방법 4 분산형전원의운용기술표준-제2부배전계통연계분산형전원의통합정보관리운영지침 결론 ESS는생산된전력을전력계통에저장했다가전력이가장필요한시기에공급하여에너지효율을높이는시스템이다. 최근우리나라전기요금은매년평균 5.4% 씩인상되고있으며, 산업용요금제가국가총사용량의 80% 를차지하므로국내업체들의 ESS의도입은본격가속화될전망이다. 이러한필요성과기능에비하여 ESS는아직보급및연구개발단계에있으며, 국제표준작업도초기단계에있다. 앞서기술현황에서언급하였듯이우리나라의배터리기술은세계정상급이므로정부는값비싼 ESS 설치비를지원하는등경제성을개선하여 ESS 상용화에힘써야한다. 따라서 ESS는저가화, 효율향상, 실증및정확한성능시험구축등이필요하다. ESS를효율적으로활용하기위해서는통신기술, 원격제어, LVRT, Grid Code, 스마트그리드상호운용등의협력과제와전기요금, 전력수요관리등제도의개선이필요하다. 전기저장장치-제3부 : 수요관리용전기저장시스템일반요구사항및시험방법에대한표준화작업은진행중이다. ESS용이차전지기술기준에대해서는전지협회주관으로작성하여표준협회에단체표준의절차를거치는형태이며, 2013년 2월리튬이차전지관련단체표준이아래와같이제정되어인증시사용되고있다. [ 참고문헌 ] [1] 지식경제부, 에너지저장기술개발및산업화전략 (K-ESS 2020), 2011. 05 [2] 지능형전력망협회홈페이지 (www.ksmartgrid.org) [3] 스마트그리드포럼홈페이지 (www.sgstandard.org) 5 배터리에너지저장장치용리튬이차전지-단전지및전지시스템-제1부 : 안전성시험 6 배터리에너지저장장치용리튬이차전지-단전지및전지시스템-제2부 : 성능시험 2014. 8 117