1. 개황 윤용범한전전력연구원 ESS 사업단장 전세계적으로산업고도화가진행되어에너지수요가지속적으로증가하고있고, 화석연료의지속적인사용으로 CO 2 배출량이증대됨에따라심각한기후변화를경험하고있어이에대한대안들이활발히논의되고있다. 전력저장시스템은생산된전력을저장해필요할때사용함으로써에너지의효율적이용과함께신재생에너지활용도제고및전력공급시스템을안정화하는장치로서, 에너지관리를선도할중요기술로부각되고있다. 대용량전력저장장치를이용할경우 1일전력부하격차해소를통해부하율향상, 피크억제및전력부하평준화를도모할수있다. 또한분산전원및신재생에너지의출력안정및전 2014 June + 61
력품질향상을지원할뿐만아니라, 전력소비자의비상전원공급및고품질전력공급을지원할수있게된다. 이와같이다양한분야에서의역할이기대되는전력저장시스템은지속적인기술개발과함께소요비용이점차감소할것으로예상되고있어국내외적으로전력계통에적용되고있거나진행중에있다. 이에여기서는전력저장시스템의종류및특성을우선소개하고전력계통에서의대표적인응용사례, 즉첨두부하조절, 주파수조정, 신재생출력완화개념에대하여기술하였다. 2. 전력저장시스템종류및특성전력저장방식에따라크게는물리적저장과화학적저장으로구분할수있다. 대표적인물리적저장방식으로는양수발전과압축공기저장, 플라이휠등을들수있으며, 전기에너지를위치에너지또는운동에너지로변환 저장하였다가필요시다시전기에너지로변환하여사용한다. 그리고화학적에너지저장에는리튬이온전지, NaS 전지, 플로우전지등이있으며전기에너지를양극과음극간의전자이동을기본으로한화학반응을이용하여변환 저장하였다가전력으로변환하여사용한다. 가. 양수발전발전소의아래와위, 두개의저수지를만들어전력이풍부한시간대에발전기를이용하여아래쪽저수지의물을위쪽저수지로퍼올렸다가전력이필요한시기에방수하여발전한다. 오랜기간상업운전을통해신뢰성이입증된방식으로서경제적대용량전력저장이가능한반면지형적입지제약이수반된다는단점이있다. 나. 압축공기에너지저장장치 (Compressed Air Energy Storage) 전력수요가낮은시간대또는조절불가한전력을압축기를사용하여압축공기를지하에저장하고, 전력수요가높은시간대에저장하였던압축공기를이용하여전력을생산하는방식으로전력계통안정화및효율적운영을위해적용된다. 다. 플라이휠에너지저장시스템 (Flywheel Energy Storage System) 대용량회전체를무접촉상태로부양한후전기에너지를회전에너지형태로저장하였다가필요시전력으로변환하는방식이다. 자기 ( 초전도또는전자석 ) 베어링, 복합재료회전체, 회전안정시스템, 냉각시스템, 전력입출력모터시스템등으로구성된다. 라. 리튬이온전지 (Lithium ion Battery) 리튬이온이분리막과전해질을통하여양극 ( 리튬산화물전극 ) 과음극 ( 탄소계전극 ) 사이를이동하며에너지를저장하며, 출력특성과효율이좋으나, kwh 당단가가높아주파수조정과같은단기저장방식에유리하다. 마. NaS 전지 ( 나트륨황전지 ) 음극에나트륨금속을, 양극에황등나트륨과반응하여화합물을형성하는물질을사용하는전지이다. 나트륨이온전도가가능한고체전해질을사용하는전기에너지저장장치로단위전지의용량을크게만들수있어대용량의전지구성에유리하며나트륨과황등가격이저렴한재료를사용하여경제성이우수하다. 3. 전력저장시스템의전력계통응용전력저장시스템은전력계통에서생산된발전력을 62 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
UPS Power Quality T & D Grid Support Load Shifting Bulk Power Mgt Pumped Hydro [Discharge Time at Rated Power] Seconds Minutes Hours High-Energy Supercapacitors NlCd Flow Batteries: Zn-Cl An-Air An-Br VRB PSB New Chemistries NaS Battery Advanced Lead-Acid Battery NaNiCl2 Battery Li-ion Battery Lead-Acid Battery NiMH High-Power Flywheeis High-Power Supercapacitors SMES CAES 1kW 10kW 100kW 1MW 100MW 1kW 1GW [System Power Ratings, Module Size] [ 그림 1] 에너지저장장치의구분 저장하여필요한시점에저장된전력을사용하기위해적용되고있으며, 송배전망에설치가능한전력저장시스템은 MW급이상의대규모전력저장장치에해당한다. [ 그림 1] 은전력저장장치를정격출력에서의방전기간및출력용량에따라구분한것이다. [ 그림 1] 에서알수있는바와같이다양한전력저장장치중에서전력망의요구사항을충족시킬수있는장치들은저장밀도가높고장시간의방전이가능한양수발전, 압축공기에너지저장장치, 플로우전지, NaS, 개량형 Lead-Acid, 리튬이온전지등이있다. 특히전력계통에서의전력저장장치의적용성은방전주기에따라장주기및단주기적인역할로구분될수있다. 에너지저장장치의장기적인운영은주로발전과에너지사용의이동 (Energy time shift) 이주된목적을갖고에너지원으로활용하는것으로, 이를위해일반적으로 1일에한주기의긴충전기간과방전기간을갖도록수행된다. 단기적인운영은에너지저장장치를전력계통에서의전원으로서응용하는것으로수초에서수분의기간으로비교적짧은충 방전 기간을갖도록운영하며하루에많은충 방전주기를갖는다. 단기적인운영전략에해당하는주파수및전압조절, 전력품질개선, 신재생에너지원출력변동성개선뿐만아니라피크저감, 부하평준화를위한장기적인응용을위한에너지저장장치의성능기준은각시스템의요구에따라달라진다. 일반적으로가장중요한요건은저렴한비용과유연한디자인, 입증된배터리기술그리고안정적인성능을필요로한다. 4. BESS에대한국외기술개발동향가. 일본정부차원의 NEDO 프로젝트를필두로신재생에너지효율제고를위한연구개발을활발히진행중으로세계적으로앞선기술력을보유하고있다. 장주기전력저장을위한 4MW(6MWh) 의 Redox-flow 전지전력저장시스템을도입하여운영중에있다. 또한최근 2014 June + 63
NEDO 주도로기존 NaS/Redox Flow 시스템외에 Ni-MH 및 LiB 전력저장시스템개발을추가로진행하고있다. 나. 미국기초적인원천기술은국립연구소와대학이주도하고응용기술은국립연구소가수행하며이차전지의개발은산업체가중심이되어수행중이다. 미국 DOE의이차전지에대한연구개발지원은배터리개발, 배터리응용, 장기개발로나누어진행되고있다. 실증연구에서는 NaS전지, PHEV 및가정용전력저장시스템, 리튬이온배터리등다양한종류의배터리에대한적용이진행중이며, 특히 AEP의경우 2020 년까지 1,000MW 또는현재 AEP 발전용량의 2.6% 에해당하는용량의에너지저장장치를설치하여계통의신뢰성과계통증설투자비용지연등에활용할계획이다. 간에낮은특성을보이며이에따라전력도 소매가격도유사한형태를가지게된다. 따라서전력저장시스템에의하여심야에저장했다가주간에활용함으로써전력을경제적으로사용할수있게된다. 이때전력저장시스템의단기적경제성은주간과심야와의전력가격차에의하여결정된다. Peak shaving을위한최적화문제를 [ 그림 3] 에나타내고있다. 목적함수는방전여부를판단하기위한한계값, 즉를최소화하는것이다. 각시간의부하수요가보다높은경우해당개소의전력저장장치가초과분에해당하는만큼방전을통해수요조절을하는것이다. 그리고제약조건으로는충 방전에대한차분방정식및배터리자체의전력및에너지용량제약을고려한다. 이제약은고려방전스케쥴링구간에서의설치되어있는배터리의과충전 (overflow) 및과방전 (underflow) 를억제하기위한것이다. 5. 전력계통측면에서의 BESS 역할 가. 전력수요조절 (Peak shaving) [ 그림 2] 는 BESS에의한수요조절개념을나타내고있다. 일반적으로전력수요는주간에높고심야시 [ 그림 3] 부하조절최적화모델 0 4 8 12 16 20 [ 그림 2] 전력수요조절개념도 24 h 나. 주파수조정 [ 그림 4] 는 BESS의주파수변동에대한응동개념을나타낸것으로서전력계통주파수가규정주파수 ( 우리나라의경우 60Hz) 보다높은경우는발전력이전력수요보다높다는의미이므로 ESS 등에의하여전력을흡수해야한다. 이와는반대로주파수가낮은경우는전력을방출하여야한다. 얼마나흡수또는방 64 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
주파수추이 BESS 의 p-f 특성 전력공급 주파수편차 주파수유지허용범위 규정주파수방전충전 전력공급 주파수편차 [ 그림 4] BESS 에서의 P-f 응동모델 출하여야할것인지는 BESS의 P-f ( 유효전력-주파수 ) 특성에의하여결정된다. 으로는 BESS 출력과풍력발전기출력이합성되어전력계통에전력을공급하게된다. 다. 신재생출력완화 [ 그림 5] 는 BESS에의한풍력발전기출력완화모델을나타낸것이다. 완화하고자하는목표출력은풍력발전기출력과 1차시지연함수의곱에의하여결정되게된다. 이와같이하여얻어진목표출력과풍력발전기출력차가 BESS의출력목표가되며 BESS 의동작특성에의하여출력이결정되게된다. 최종적 [ 그림 5] 와같은모델을이용하여풍력발전기용량이 9,000kW이고 BESS 용량이 4,000kWh, 시정수 (T) 가 1,200s 인경우의모의결과를 [ 그림 6] 에나타내었다. 급격한변동은풍력발전기출력을, 완만한변동은합성출력을나타내고있는데합성출력의변동폭이풍력발전기의자체출력변동율에비하여대폭적으로감소하는것을알수있다. [ 그림 5] 신재생출력완화모델 2014 June + 65
[kw] 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0 50,000 [ 시간 (second)] 100,000 150,000 [ 그림 6] 풍력발전기출력및합성출력 6. 향후전망지속적인경제발전과생활수준향상에따라에너지에대한중요성은더욱높아질것으로전망된다. 특히전력은사용의편리성으로인하여일상생활에서의의존도는더욱증가할것으로예상된다. 그러나전력은생산과소비가동시에이루어져야한다는특수성을가지고이에대한경제적기술적운용체제를필요로하게된다. 이에대하여대표적전력저장설비라할수있는양수발전은전력수요가낮은심야에펌핑했다가전력수요 가높은주간에발전함으로써안정적이고도경제적인전력공급에기여하고있다. 이와더불어최근에는배터리에의한충 방전및전력변환기술의급속한발전과함께대형화가가능해짐에따라주야간전력부하이전을비롯하여신재생출력안정화, 주파수조정등에활용하고있거나실증연구가활발히이루어지고있다. 향후이러한전력저장시스템이전력계통에서보다효과적으로활용되기위해서는우리나라전력계통의향후환경변화를면밀히분석하고이를바탕으로다양한분야에서의전력저장시스템의적정역할도출이필요하다. 참고문헌 1. 한전경제경영연구원, 전력회사의중대형 ESS 활용을위한사업모델개발및경제성평가연구, 2014.1 2. 한전전력연구원, 신재생에너지연계형 MW급리튬이차전지시스템운용기술개발, 2013.6 3. Muhammad Khalid and Andrey V. Savkin, Model Predictive Control Based Efficient Operation of Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control, 2010 11th Int. Conf Control, Automation, Robotics and Vision, Singapore, 7-10th Dec. 2010 4. Xiaojuan Han, Fang Chen, Xiwang Cui, Yong Li and Xiangjun Li, A Power Smoothing Control Strategy and Optimized Allocation of Battery Capacity Based on Hybrid Storage Energy Technology, energies, ISSN 1996-1073 5. DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA, SANDIA REPORT, July 2013 66 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine