일러두기 본서는 IEC (International Electrotechnical Commission) 에서발행한 White paper를번역발간한것입니다. 본한국어번역본의저작권은 IEC 에귀속됩니다. IEC 는한국어번역에대한오역, 오류등으로인한어떠한책임도지지않으며, 번역

백서 전기에너지저장장치

일러두기 본서는 IEC (International Electrotechnical Commission) 에서발행한 White paper를번역발간한것입니다. 본한국어번역본의저작권은 IEC 에귀속됩니다. IEC 는한국어번역에대한오역, 오류등으로인한어떠한책임도지지않으며, 번역의책임은한국전력공사전력연구원에있습니다. 번역및내용에대한문의사항은전력연구원 R&D사업팀 (042-865-5134) 에연락바랍니다.

발간사 2016년 5월, 미국 Forbes 紙선정 글로벌 2000 에서한전은종합순위 97위, 전력유틸리티분야 1위를달성했습니다. 프랑스의 EDF, 독일의 E.ON 등유럽의메이저전력회사가독차지해온전력분야최고순위를한전이아시아권전력회사로서사상처음으로 1위를기록한것입니다. 이러한성과는한전이글로벌리딩 (leading) 전력회사로대외에서당당히인정받은것입니다. 한전이대한민국대표에너지기업으로서세계적인위상을인정받은것은매우영광스러운사건이지만, 한편으로는전력기술의성장과선진화, 지속가능한신성장동력을발굴해야하는한전인으로서책임감또한막중함을느꼈습니다. 본 IEC 백서의국문본번역작업은이러한전력산업의선도자라는사명감으로시작하였습니다. 세계적으로저명한학계및산업계의석학과경영진이모여전력산업의미래기술트렌드를예견하고급격히변하고있는시장의니즈를파악하고자편찬한 IEC 백서를국내전력산업의미래를위해보이지않는곳에서항상불을밝히고계신많은전력인들과공유하고자합니다. IEC(International Electrotechnical Commission, 국제전기전자표준위원회 ) 는전기및전자기술분야의표준화에관한문제를국제협력으로해결방법을찾고그결과를국제적으로공유하고자 1906년에발족한비정부간국제표준화기관입니다. 우리가잘알고있는 IEC 표준발행은이기관에서담당하고있습니다. IEC 백서 (White Paper) 는 IEC 산하시장전략위원회 (Market Strategy Board) 가주요기술동향을파악하고, 향후예상되는시장활동및요구기술을분석한것으로총 8개의테마를다루고있습니다. 에너지문제에부합하기위한 IEC 의역할, 전기에너지저장장치 (EES), 신재생에너지의계통연계및대용량전기에너지저장장치의이용, 재해복구를대비한마이크로그리드, 지속가능한스마트시티구축을위한인프라의조화로운구성, IoT용무선센서네트워크, 미래공장, 전력계통의전략적자산관리등이그것입니다. IEC 백서국문본은우리실정에맞는전력산업의미래상 ( 像 ) 을구현하여 4 IEC White Paper

동시대전력인들과공감대를형성하고미래지향적인연구개발발굴에활용하고자합니다. 머지않아신재생발전원에서생산된전기를주로사용하고, IoT 기반의무선센서네트워크에서제공하는실시간전기요금에따라경제적인발전원을선택할수있고, 심야에충전된전기자동차로출퇴근하며, 태양광등신재생으로발전한전기를전력회사에자유롭게판매할수있을것입니다. 전기사용고객은단순한전기사용자에서전기사용및발전설비운영자, 계통활용자로서복잡하고수준높은의사결정을필요로하는프로슈머로재탄생할것이며, 이러한기술과서비스가종합적으로구현된스마트시티에서살게될것입니다. 이러한미래의청사진이하나하나구현될수있도록우리는지금부터개별요소기술간의조화로운균형과융복합으로시너지효과를꾀할수있는파괴적이고혁신적인기술을개발해야합니다. 이를위해국내전력산업은정책수립, 기초연구, 현안연구, 실증및사업화에이르는단계의유기적인가치사슬 (Value Chain) 로구축되어야합니다. 국내적으로는전력산업의가치사슬의유기적인연계를위해, 세계적으로는글로벌전력산업가치사슬의중심에서대한민국전력산업인이주도적역할을담당하는데보탬이되기를바라며본백서번역본을배포합니다. 우선적으로한국어번역본발간을흔쾌히승낙해준 IEC 중앙사무국과순조로운진행에 도움을주신한국표준협회에감사드립니다. 또한본백서번역에동참해준전력연구원각 분야연구자들께도감사드립니다. 2016 년 7 월 한국전력공사전력연구원 원장김동섭 발간사 5

요약 전기저장장치 (EES) 는 IEC에적용되는영역의핵심기술중하나이다. 주요전기특성중의하나인시간대별전력수요차이와가격차이가발생할때, EES 기술을적용할수있다. 최근에는 EES 기술이이산화탄소감소와스마트그리드를위한신재생에너지보급확대를위한 IEC 관련시장에서더욱필수적인요소가되고있다. EES의역할은크게세가지로구분된다. 첫째, EES는전력수요피크시비싼가격으로전기를구입해오는대신에, 수요가낮을때값싼전기를저장하여이에대응함으로써전기비용을줄여준다. 둘째, 발전원의신뢰성을개선해주는데자연재해로인한전력망고장을겪는사용자에게 EES 기술은매우유용하다. 세번째로전력품질과주파수, 전압을일정수준으로유지하고향상시키는역할을한다. 신흥시장의요구는온-그리드영역에서 EES를통해과도한전력변동을해소하고전력공급의신뢰성을향상시켜주는것이다. 오프-그리드영역에서배터리를사용하는전기차는화력발전원의전기를신재생전원의전기로교체할수있는가장전망있는기술이다. 스마트그리드는일반적으로전력망을현대화하는것을말한다. 여기에는전력생산과소비사이의전력시스템과관련되는모든것이포함된다. 스마트그리드기술이추가되면서전력망은보다유연해지고상호작용적으로변화되며실시간피드백기능을할수있다. 스마트그리드에서전기가격및동력장치관련정보를전기생산시점과소모시점에교환할수있어, 보다효율적이고신뢰성있는전력공급체계를구현할수있다. EES는스마트그리드를개발하는데있어서핵심요소중하나이다. 2010년 10월에 IEC MSB (Market Strategy Board) 는 EES 영역의 IEC 활동을계획하기위해프로젝트팀을설립하기로결정하였다. 본백서 (White Paper) 에 EES 기술에대한현재및미래시장요구사항을개괄화하고, 기술특징을검토하고, 마지막으로 EES 이해관계자의권장사항을제시한다. 12 IEC White Paper

감사의글 Fraunhofer Institut für Solare Energie systeme 으로부터주로도움을받아 IEC Market Strategy Board 의기술및시장감시에대한특별실무진의일부인전기전자 장치 (Electrical Energy Storage) 프로젝트팀이본백서를작성하였다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 13

목차 1 장전기사용에서전기저장장치기술의역할 1.1 전기의특성 19 1.2 전기와 EES 역할 20 1.2.1 최고수요시기의높은발전비용 20 1.2.2 지속적이고유연한공급필요성 21 1.2.3 발전과소비간먼거리 22 1.2.4 전력망내정체현상 22 1.2.5 케이블에의한전달 23 1.3 점차늘어나는 EES 필요성 23 1.3.1 더많은재생에너지, 더적은화석연료 23 1.3.2 스마트그리드사용 26 1.4 전기저장장치기술의역할 26 1.4.1 유틸리티관점에서의역할 27 1.4.2 소비자관점에서보는역할 29 1.4.3 재생에너지발전기관점에서보는역할 30 2 장전기저장장치타입과특징 2.1 EES 시스템분류 31 2.2 기계식저장장치 32 2.2.1 양수저장 (PHS) 32 2.2.2 압축공기에너지저장 (CAES) 33 2.2.3 플라이휠에너지저장 (FES) 34 2.3 전기화학저장장치 36 2.3.1 2차전지 36 2.3.2 플로우전지 42

2.4 화학에너지저장 45 2.4.1 수소 (H2) 45 2.4.2 합성천연가스 (SNG) 46 2.5 전기저장장치 48 2.5.1 이중층커패시터 (DLC) 48 2.5.2 초전도자기에너지저장 (SMES) 49 2.6 열저장장치 50 2.7 EES 표준 53 2.8 EES 기술에대한기술적비교 53 3 장 EES 시장 3.1 현재적용상태 59 3.1.1 공익사업의이용 ( 기존의발전, 그리드운영및서비스 ) 59 3.1.2 소비자이용 ( 소비자용무정전전원장치 ) 63 3.1.3 전세계에 EES 설치용량 65 3.2 새로운트렌드 66 3.2.1 재생에너지생성 66 3.2.2 스마트그리드 70 3.2.3 스마트마이크로그리드 72 3.2.4 스마트하우스 73 3.2.5 전기자동차 75 3.3 저장시스템의관리및제어계층구조 78 3.3.1 배터리저장시스템의내부구조 79 3.3.2 EES 시스템의외부연결 79 3.3.3 EES 시스템및분산발전 ( 가상발전소 ) 집합 80 3.3.4 배터리 SCADA - 여러분산배터리들의집합 81

4 장 2030 년까지 EES 시장예측 4.1 전체애플리케이션에대한 EES 시장가능성 83 4.1.1 Sandia 국립연구소 (USA) 의 EES 시장예측 84 4.1.2 보스턴컨설팅그룹 (BCG) 에의한 EES 시장예측 84 4.1.3 Panasonic 그룹의리튬-이온배터리에대한 EES 시장예측 86 4.2 신재생에너지의폭넓은도입을위한 EES 시장가능성예측 87 4.2.1 Fraunhofer 의독일 EES 시장가능성예측 88 4.2.2 가스그리드내상당량의에너지저장 91 4.2.3 Siemens 의유럽 EES 시장예측 91 4.2.4 IEA에서예측한 EES 시장가능성 92 4.3 차량에서그리드로의전달개념 94 4.4 향후 EES 시장가능성 96 5 장결론및권장사항들 5.1 운전자, 시장, 기술 99 5.2 신재생자원및향후그리드와관련한결론들 101 5.3 시장과관련한결론들 102 5.4 기술및배치와관련한결론 103 5.5 정책-결정자및규제자들에대한권장사항 104 5.6 R&D 수행연구기관및회사들에대한권장사항 106 5.7 IEC 및그위원회에대한권장사항 108 부록부록 A 전기에너지저장기술에대한기술적개요 111 부록 B 스마트마이크로그리드에서의 EES 113 참고문헌 115

약어목록 기술및과학용어 Br Bromine( 브롬 ) BMS Battery management system( 전지관리시스템 ) CAES Compressed air energy storage( 압축공기에너지저장장치 ) Cd Cadmium( 카드뮴 ) Ce Cerium( 세륨 ) CHP Combined heat and power( 열병합전력 ) CO 2 Carbon dioxide( 이산화탄소 ) Cr Chromium( 크롬 ) CSP Concentrated solar power( 집광형태양광발전 ) DLC Double layer capacitor( 이중층커패시터 ) EES Electrical energy storage( 전기저장장치 ) EMS Energy management system( 에너지관리시스템 ) EV Electric vehicle( 전기차량 ) FB Flow battery( 플로우전지 ) FES Flywheel energy storage( 플라이휠에너지저장장치 ) H2 Hydrogen( 수소 ) HEV Hybrid electric vehicle( 하이브리드전기차량 ) HFB Hybrid flow battery( 하이브리드플로우전지 ) HP High pressure( 고압 ) LA Lead acid( 납산 ) Li-ion Lithium ion (battery)( 리튬이온 ( 전지 )) LP Low pressure( 저압 ) Me-air Metal-air( 금속-공기 ) NaS Sodium sulphur( 소듐설퍼 ) 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 17

NiCd Nickel cadmium( 니켈카드뮴 ) NiMH Nickel metal hydride( 니켈메탈하이드라이드 ) PCM Phase change material( 상변화물질 ) PHS Pumped hydro storage( 양수발전 ) PV Photovoltaic( 광발전 ) R&D Research and development( 연구개발 ) RE Renewable energy/ies( 재생가능에너지 ) RES Renewable energy systems( 재생가능에너지시스템 ) RFB Redox flow battery( 레독스플로우전지 ) SCADA Supervisory control and data acquisition( 감시제어데이터수집 ) SMES Superconducting magnetic energy storage( 초전도에너지저장 ) SNG Synthetic natural gas( 합성천연가스 ) UPS Uninterruptable power supply( 무정전전원장치 ) V2G Vehicle to grid( 차량대그리드 ) V2H Vehicle to home (appliances)( 차량대홈 ) ( 기기 )) VRFB Vanadium redox flow battery( 바나듐레독스플로우전지 ) Zi-air Zinc air( 아연공기 ) Zn Zinc( 아연 ) 기구, 기관, 회사 IEA International Energy Agency( 국제에너지기구 ) IEC International Electrotechnical Commission( 국제전기기술위원회 ) Fraunhofer ISE Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems(Fraunhofer 태양에너지시스템연구소 ) MSB (IEC) Market Strategy Board( 시장전략이사회 ) SEI Sumitomo Electric Industries SMB (IEC) Standardization Management Board( 표준화관리이사회 ) TEPCO Tokyo Electric Power Company( 도쿄전력주식회사 ) 18 IEC White Paper

1 장 전기사용에서전기저장장치기술의역할 1.1 전기의특성 전기의두가지특성은전기의용도에관한문제로이어지고, 같은이유로 EES에대한시장요구가발생한다. 첫째, 전기는발생되는동시에소비된다. 항상수요의변화에맞추어적정전력이공급되어야한다. 공급과수요의불균형이있는등완전하게수요를충족시키지못할때전원장치의안정성과품질 ( 전압과주파수 ) 은저하된다. 두번째특성은전기가발생하는장소는보통소비되는장소에서멀리위치한다는점이다 1. 생산지점과소비지점이전력망을통해연결되어하나의전력시스템을형성한다. 발전기의위치와수량, 수요량에따라대부분의전력흐름이특정송전선로에집중되어정체현상이발생할수있다. 전력선에고장이발생하면 ( 정체현상등의이유로 ) 전기공급이중단된다. 또한, 전력공급을위한선이항상연결되어있어야하므로모바일기기에대한전력공급도어렵다. 다음절에서이러한특성으로인한문제와이에따른 EES의역 1. 그러나, 미래에는, 발전과소비가일반적으로서로가까운분산발전의증가가있을것이다 (3.1 장과 3.2 장에서예로서언급될예정 ). 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 19

할을간략하게설명한다. 1.2 전기와 EES 역할 1.2.1 최고수요시기의높은발전비용최대전력수요가달라짐에따라 ( 그림 1-1 참조 ), 전력가격은변화한다. 전력가격은최고수요시기에비싸고, 최소전력사용시간에싸다. 이것은시간대별로발전비용이다르기때문이다. 평균보다최대전력수요시에전력공급업자는오일과가스연소발전과같은덜비용 효율적이지만보다유연한형태로기저부하용발전소 ( 화력및원자력 ) 를보완해야한다. 전 100 90 80 Demand(%) 70 60 50 40 Japan North Europe RWE PJM France Italy 30 1:30 3:00 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 Hours 그림 1-1 일일부하곡선비교 (IEEJ The Institute of Energy Economics, 일본, 2005) 20 IEC White Paper

력수요가최소인시간에는값비싼발전기의전력생산은중단된다. 이때가 EES 시스템소유주가수익을창출해낼수있다. 유틸리티관점에서, 비용이많이들어가는수단들을제거함으로써총발전비용을줄일수있다. 야간에저렴한발전전력을저장하여피크시기에계통에재주입하는방법이그것이다. PV 및풍력보급율이높은일부지역에서는때때로무상의잉여에너지를이용할수도있다. 이잉여에너지를 EES에저장해서사용하여발전비용을낮출수있다. 반대로, 소비자관점에서볼때, EES를통해최소전력사용시기의가격에사들인전기를저장하고성수기에사용할수있으므로전기비용을낮출수있다. 최소전력사용시간에전지를충전하는소비자는최대전력사용시기에유틸리티나다른소비자에게전기를판매할수도있다. 1.2.2 지속적이고유연한공급필요성유틸리티의두번째문제는기본적전기특성상소비자를위해지속적으로유연하게전력을공급하는것이다. 적정량의전기를소비자가필요로할때제공할수없는경우, 전력품질이저하되고최악에는서비스중단으로이어질수있다. 전력수요의변화에대비하기위해, 수요변화를정확하게예측하면서적정량의전기를지속적으로생산해내야한다. 따라서, 발전기는기본발전기능이외에도두가지필수기능이필요하다. 첫번째, 발전소에필요할때마다충분하게전기 (kw) 를발생시키는 킬로와트기능 을갖추어야한다. 두번째, 일부발전시설에주파수제어기능을갖추고출력을미세조정을하면서필요할때마다 킬로와트기능 의별도전력을사용하여시시각각변화하는수요를따라가야한다. 태양및풍력과같은신재생전원은킬로와트기능과주파수조정기능둘다가지고있지않다 2. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 21

EES 가 kw 기능과주파수제어기능의어려움을보충할수있을것으로예상되고있다. 양수발전소는전력공급부족시대량의전력을제공하는데널리쓰였다. 고정형전지또 한신속한출력반응이가능하여재생에너지출력을지원하는데활용되어왔다. 1.2.3 발전과소비간먼거리소비자는발전시설과종종멀리위치하는데이것은가끔전력공급중단가능성이높아지는원인이된다. 자연재해 ( 예 : 번개, 허리케인 ) 와인위적원인 ( 예 : 과부하, 운전사고 ) 으로인한망고장으로전기공급이중단되고넓은영역이영향을받을수있다. EES는전력망에고장이발생할때, 소비자에게전력을지속적으로공급하는데유용하다. EES를활용하는대표산업중하나는천분의 2-3초동안전압저하 (voltage sag) 가발생하여도제품품질에영향을받는반도체와 LCD 제조업이다. EES에장착되는 UPS 시스템은고객의위치에설치되어있기때문에배전선에직접번개가쳐서전압저하현상이발생하더라도지속적으로전기가공급될수있다. 휴대용전지는전기설비에전력을공급하는비상자원으로사용가능하다. 1.2.4 전력망내정체현상이문제는발전과소비간의먼거리라는앞에서다룬문제에따른것이다. 송전망내전력조류 (power flow) 는전기공급및수요에의해결정된다. 공급과수요를조절하는과정에서전력정체현상이발생할수있다. 유틸리티들은전력정체현상을예측하고과부하를방지하기위해발전출력을적절히조절하거나새로운송전선로를건설하는노력을한다. 과부하가걸리는선로끝단등적합한장소에설치된 EES는송전선로에충분한송전전력량을유지하면서동시에적절히전기를저장하여정체현상을완화하거나, 또는 2. 독일에서는소위 시스템서비스 라는개량이대규모풍력발전에서수행되어야한다. 22 IEC White Paper

송전제약으로인하여송전이불가능할때저장된전력을사용함으로서정체현상을완 화할수있다. 이방식은전력망추가건설을회피시킬수있는등, 유틸리티에게도움이 된다. 1.2.5 케이블에의한전달전기는전달되는데케이블이늘필요하기때문에, 이동형용도로전기를외딴지역에서공급하기란어렵다. 전지와같은 EES 시스템을통해이동형과설비의충전 / 방전문제를해결할수있다. 전기차량을재충전하는전력망이없는외딴곳에서는문제가될수있지만 EES를통해기존의연소엔진을사용하지않고환경친화적인운송시스템을구현할수있다. 1.3 점차늘어나는 EES 필요성 더많은재생에너지와더적은화석연료를활용하고미래스마트그리드를위한핵심 기술로서 EES 를요구하는두가지주요신흥시장이있다. 1.3.1 더많은재생에너지, 더적은화석연료온-그리드영역온-그리드영역에서재생발전비율이증가하면여러전력망문제가발생할수있다 ( 그림 1-2 참조 ). 첫번째, 전력망운영에서신재생발전출력변동은시스템주파수제어를어렵게하고, 주파수편차가매우커지게되는경우, 시스템기능이저하될수있다. 그동안, 주파수제어는화력발전기의출력변화에의해주로관리되었다. 이용도로사용되면, 화력발전기는주파수조정을위해양또는음의출력여유량 ( 예 : 출력증가및감소 ) 을 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 23

사용하기때문에전용량범위에서는작동되지않는다. 이것은비효율적인운영이다. 신재생발전의보급량이클수록이출력여유량이증가해야하고, 이것은발전효율성을더욱떨어뜨린다. 신재생발전은대부분여유량이많지않다 3. EES가출력변동을완화할수있으면, 화력발전기의여유량이줄어들어더효율적으로작동할수있다. 두번째, 재생에너지출력은기후조건에영향을받기때문에신뢰성이없다. 이에대처하기위한몇가지조치가있다. 한가지는신재생발전용량증가즉, 초과용량을제공하여신뢰성이없더라도충분한전력이확보되도록하는것이다. 다른방법으로는넓은영역에걸쳐재생발전기설비를확대하여풍력및태양발전기의상호보상성에서예상되는스무딩효과와장소마다다른기후조건을이용하는것이있다. 이조치들은송전망을확대하고많은설비가있어야만가능하다. 신재생발전비용과새로운송전설비구성을고려한다면, EES는전망있는대안이다. 오프-그리드영역상당한양의에너지가소비되는오프-그리드영역에서특히, 운송부문에서플러그인하이브리드전기차량 (PHEV) 또는전기차량 (EV) 과같은제품의비화석에너지또는화석에너지를덜사용하여화석에너지를대체해야한다 ( 그림 1-2 참조 ). 더정확하게는, 재생발전으로주로생산되는저탄소전기로화석연료를교체해야한다. 가장전망있는해결책은전지가있는전기자동차로휘발유또는디젤자동차를교체하는것이다. 문제 ( 단거리주행, 장시간충전 ) 가남아있지만, EES는전기차량의핵심기술이다. 3. 첨단제어계획과규제와같은추가투자로, 여유량을늘릴수있을것이다. 24 IEC White Paper

CO 2 reduction Independence from fossil fuels More renewable energy, less fossil fuel On-Grid Area Renewable generation Off-Grid Area EV powered by electricity from less or non-fossil energy sources Electrical Energy Storage Power fluctuation Difficult to maintain power output Undependability Difficult to meet power demand Electrical Energy Storage(EES) Stabilize wind and PV output in low, medium and high voltage grids Partial load operation of thermal power generation (inefficient operation) Electrical Energy Storage(EES) Increases self consumption of dispersed PV energy in households for low voltage grid release Time shifting of wind and PV energy in low and medium voltage grid Excessive RE installation to secure enough generation capacity Reinforce transmission facilities to cover wider area to utilize wind farms smoothing effects 그림 1-2 재생에너지설치문제와가능한해결책 (TEPCO) 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 25

1.3.2 스마트그리드사용 EES 는미래에스마트그리드에필수적인역할을할것으로예상된다. 일부 EES 관련 용도에대해아래에설명하였다. 첫째, 고객측의변전소에설치된 EES 는전력조류를제어하고, 정체현상을완화하거 나적정범위내에서전압을유지시킨다. 둘째, EES는스마트그리드내에통합되도록기존의장비의전화를지원할수있다. 여러지역에배치된전기차량 (EV) 이좋은예이다. 일부사람들은스마트그리드내부하시프팅기능을하는이동형분산에너지자원으로서 EV의잠재성에대해주장한다. EV는전기가격이높을때, 공급처리시설에전력을공급할수있는저장매체와새로운전기부하역할을할것으로예상된다. EES에대해기대되는세번째역할은가정과건물내 EMS( 에너지관리시스템 ) 의에너지저장매체로서의기능이다. 예를들어, 거주고객은실시간으로실제소모량을모니터링하여에너지소비패턴변경에능동적으로참여하게된다. 일반적으로 EMS에서는예를들어, 필요하지않을때지역발전에서얻은전기를저장하고필요할때방전하기위해 EES가필요해진다. 이에따라, 그리드에서전력이덜필요한최적화된 EMS 기능이가능해진다. 1.4 전기저장장치기술의역할 일반적으로온 - 그리드 EES 시스템의역할은그림 1-3 과같이사용횟수 ( 주기 ) 와작동 26 IEC White Paper

지속기간으로설명할수있다. 전압품질을유지하기위해 ( 예 : 무효전력 (reactive power) 의보상 ) 주기안정성이높고전력출력시간이짧은 EES가요구된다. 한편, 타임시프팅을위해더긴저장시간과더적은충방전주기횟수가요구된다. 다음절에서는역할에대해상세히설명한다. 1.4.1 유틸리티관점에서의역할 1) 타임시프팅유틸리티들은끊임없이공급용량과송전 / 배전선로를준비하여해마다증가하는피크수요에대처해야하고이에따라, 일차에너지에서전기를생산해내는발전소를개발해야한다. 일부의경우, 최소전력수요시간, 예를들어야간에전기를저장하고최대전력사용시기에방전하여발전비용을줄일수있다. 최대전력사용시기 (peak time) 와최소전력사용시기 (off-peak time) 의수요차이가클경우, 전기저장으로부터얻는이득이더커지게된다. 야간과주간간의차이를줄이는데저장방식을사용하면발전출력이보다기복이없게되어작동효율성이개선되고연료비용이절감될수있다. 이런이유로, 대부분의유틸리티들은양수발전을구축하였고최근에는변전소에대형전지를설치하기시작하였다. 2) 전력품질전력공급사업이제공하는기본서비스는변화하는수요에맞추어공급할수있도록공급전력전압과주파수를허용오차범위내에서유지하는것이다. 발전기출력을조정하여주파수를제어하는데 EES에는주파수제어기능이있다. 전압은보통조상기 (phase modifier) 의무효전력과변압기의탭에의해제어된다. 과부하가있는선끝에위치하는 EES는전기를방전하여전압강하를개선하고, 전기를충전하여전압상승을줄일수있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 27

3) 보다효율적인망사용송전 / 배전선이증가하는전력수요에맞추어보강되지않으면, 전력망에서정체현상이발생할수있다. 이경우, 해당변전소에설치된대형전지는이정체현상을완화할수있어서추가적인송전선로의건설을연기하거나회피하는데도움이된다. 4) 독립그리드소규모독립형전력망내에예를들어, 섬에서유틸리티가전기를공급하는경우, 디젤과신재생과같은소용량의발전기의출력은전력수요와일치해야한다. EES를설치하여유틸리티들은소비자에게안정적인전력을공급할수있다. 5) 보호및제어장비를위한비상전력공급 보호및제어를위한안정적인전력공급은매우중요하다. 정전이발생하는경우, 비상 전원장치로서전지가많이사용된다. Duration 0,1 s 1 s 15 s 1 min 15 min 1 h 8 h Number of uses 1 / month 1 / day 12 / day 30 / h 30 / min Power Quality Electricity supply reserve Primary Regulation Timeshift 5 / sec 그림 1-3 사용기간과횟수에따라다른그리드내전기저장장치사용 eus06 28 IEC White Paper

1.4.2 소비자관점에서보는역할 1) 타임시프팅 / 비용절감전력공익기업은시간에따른전기가격, 야간에는낮은가격, 주간에는높은가격을정하여전기부하가기복이없도록소비자를장려할수있다. 이때, 소비자는주간에그리드에서필요한첨두부하를줄이고최소전력사용시간에는필요한전력를구입하기위해 EES를활용함으로써, 전력구입비용을줄일수있다. 2) 비상전력공급소비자는스프링클러및보안장비와같이지속적인공급을필요로하는기구를보유할수있다. EES는정전되는동안비상발전기의대체물로설치되기도한다. 반도체와 LCD 제조업자는잠시정전되는동안에도 ( 예 : 번개 ) 제품품질유지에있어서크게영향을받는다. 이경우, 대형전지, 이중층커패시터, SMES와같은 EES 기술을갖추어 EES의망의부하를즉시꺼서일시적정전영향을피할수있다. 휴대용전지또한전기기구에전력을비상시에제공하는기능이있다. 3) 전기차량과모바일기기전기차량 (EV) 은이산화탄소감소를위해장려되고있는제품이다. 니켈카드뮴, 니켈메탈하이드라이드, 리튬이온전지와같은고성능전지를 EV에장착하여전원으로사용할수있다. 또한, EV 전지는태양전지, 연료전지와함께사내기기를구동하는데사용할수있을것으로예상된다. 더불어 EV가전력망과유용하게연결될수있는지에대한연구가진행되고있다. 이가능성을 V2H ( 차량대홈 ) 와 V2G ( 차량대그리드 ) 로서종종간략하게나타내기도한다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 29

1.4.3 재생에너지발전기관점에서보는역할 1) 타임시프팅태양광및풍력과같은재생에너지는기후에영향을받고, 잉여전력을수요측에서필요로하지않을때, 제거될수있다. 따라서, 잉여전기를 EES에저장하고필요할때마다사용하여귀중한에너지를효율적으로사용할수있고또한, 가격이높을때, 판매할수있다. 2) 효율적인그리드연결태양광및풍력발전출력은기후와풍속에따라크게변화한다. 이것은계통연계를더욱힘들게할수있다. 타임시프트에사용되는보다비용효율적으로기후 / 풍속에따른출력변동을흡수할수있다. 30 IEC White Paper

2 장 전기저장장치타입과특징 이절에는 EES 시스템타입과특징이열거되어있다. 장단점과함께간략하게설명한 후, 다양한 EES 타입에대해설명한다. 마지막으로, 주요기술적특징을간략히나타내 었다. 2.1 EES 시스템분류 EES 시스템은주로사용되는에너지형태에따라분류한다. 그림 2-1의 EES 시스템은기계, 전기화학, 화학, 전기, 열에너지저장시스템으로분류된다. 수소와합성천연가스 (SNG) 는이차에너지운반체로서수소를생성하기위해물전기분해를통해전기에너지를저장하는데사용할수있다. 필요한경우, 추가단계를밟아메탄을생성할수있다. 연료전지전기는수소또는메탄을산화시켜발생된다. 이전기분해-연료전지과정은전기화학적 EES에해당한다. 그러나, 두가스는다목적의에너지운반체이다. 예를들어, 이두가스를이용하여다시증기터빈또는가스터빈에서전기를발생시킬수있다. 이에따라, 화학에너지저장시스템으로분류된다. 그림 2-1에서보면, 전기가이저장시스템 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 31

Electrical energy storage systems Mechanical Electrochemical Electrical Secondary batteries Double-layer Pumped hydro - PHS Lead acid / NiCd / NiMh / Li / NaS Capacitor - DLC Compressed air - CAES Flow batteries Redox flow / Hybrid flow Superconducting magnetic coil - SME Flywheel - FES Chemical Hydrogen Electrolyser / Fuel cell / SNG Thermal Sensible heat storage Molten salt / A-CAES 그림 2-1 에너지형태에따른전기저장장치분류 (Fraunhofer ISE) 으로거의직접투입되지않더라도열에너지저장시스템또한 EES 에포함된다. 열에너 지저장장치의도움으로재생에너지원의에너지를이용하여수요가있을때전기를생 산할수있기때문이다. 2.2 기계식저장장치 가장일반적인기계식저장장치는양수발전 (PHS), 압축공기에너지저장 (CAES), 플라 이휠에너지저장 (FES) 장치가있다. 2.2.1 양수저장 (PHS) 120 GW 이상의양수저장장치 ( 그림 2-2) 는전세게발전용량의약 3% 인전기저장용 량의 99% 를거의차지한다 4. 기존의양수저장시스템은하부에서상부저수지로부터비 32 IEC White Paper

수기에물을올려보내기위해여러높이에서두가지저수지를사용한다 ( 충전 ). 필요할때, 물이상부저수지에서하부저수지로흐르면, 발전기를통해터빈이구동되어전기가생산된다 ( 방전 ). 상부및하부저수지의여러옵션이있는데예를들어, 높은댐을양수저수지식발전소로서사용할수있다. 하부저수지의경우, 물에잠긴갱도, 기타지하공동, 공해또한기술적으로가능하다. 해수양수발전소는일본에서 1999년에최초로세워졌다 (Yanbaru, 30 MW) fuj98. PHS는오랫동안 1890년대에이태리와스위스에서사용되었다. 1933년까지전동발전기가포함된가역펌프-터빈이이용되었다 5. 일반적으로방전시간은몇시간에서몇일에이른다. PHS 발전소의효율성은 70% - 85% 의범위이다. 매우긴수명을갖고있고무제한주기안정성을보여주는장점이있다. 주요단점은지형조건에따르고큰육지를사용해야한다는점이다. 주요용도는타임시프트를통한에너지관리즉, 비순동예비력 (non-spinning reserve) 과공급예비력을위한것이다. 2.2.2 압축공기에너지저장 (CAES) 압축공기 ( 압축가스 ) 에너지저장장치 ( 그림 2-3) 은모바일을포함하여여러산업용도로 19세기이후로알려지고사용된기술이다. 가용성에의해공기는저장매체로쓰인다. 전기는공기를압축하고지하구조물내에또는지상의저장탱크시스템, 파이프등에공기를저장하는데쓰인다. 필요시압축공기는천연가스와혼합되고연소되어변형가스터빈 (modified gas turbine) 내에서팽창된다. 일반적으로지하저장소로동굴, 대수층또는폐광을선택한다. 압축하는동안방출된열이냉각에의해소멸되고저장되지않는경우, 공기를터빈내에서팽창하기전에재가열해야한다. 비단열 CAES라하는이과정에서 50% 이하의낮은에너지효율성을보여준다. 단열기술은을활용한발전소는높은 4. 2100 MW 피크부하를가지는, 세계에서가장큰 PHS 플랜트는미국, Virginia 에위치하는 Bath County 수력양수저장이다. 5. 요즘기술로, 속도조절할수있는장치가효율을개선하는데사용될것이다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 33

그림 2-2 양수저장 (Vattenfall, IEC MSB/EES Workshop, 2011) Air Exhaust Wasle Heat Moter Comprassor Recuperaoor High Pressure Turbine Low Pressure Turbine Generator Fuol(Nalural Gas) Compressed Air Cavem Salt Dome 그림 2-3 지하 CAES rid11 신뢰성을갖고공기를재가열하기위한외부전력원없이발전을시작할수있다 6. CAES 의장점은대용량이란점이고, 단점은낮은왕복효율성을갖고지리적제한을받는다는 것이다 nak07. 2.2.3 플라이휠에너지저장 (FES) 플라이휠에너지저장장치 ( 그림 2-4) 에서회전에너지는대형회전실린더인가속로터 34 IEC White Paper

내에저장된다. 주요플라이휠부품은컴파트먼트내회전본체 / 실린더 ( 샤프트에부착된림으로구성된 ), 베어링, 전달장치 ( 고정자 7 에장착된모터 / 발전기 ) 이다. 일정한속도로회전본체를유지하여플라이휠내에너지가유지된다. 속도가증가하면저장되는에너지의양이증가된다. 플라이휠을가속화하기위해전기는트랜스미션장치로공급된다. 플라이휠의회전속도가감소하는경우, 동일한트랜스미션장치에의해전기가시스템에서추출될수있다. 약 1970년대이후로이용되었던최초플라이휠발전은기계식베어링의대형강철회전본체를사용한다. 첨단 FES 시스템에는진공엔클로저내에서자기베어링에의해뜨게되고 20,000에서 50,000 rpm의속도로회전하는고강도탄소필라멘트가있다. Field Replaceable Bearing Cartridge Magnetic Bearing Integrated into Field Circuit Air-Gap Armature Smooth Back-Iron, No Slots & Low Loss Field Coil Flywheel Motor/Generator Rotor No Permanent Magnets Enables High Tip-Speed and High Output Power 그림 2-4 플라이휠에너지저장 act11 플라이휠의주요특징은뛰어난주기안정성과긴수명, 거의필요하지않은유지보수, 높은전력밀도, 환경친화적비활성물질사용이다. 그러나, 플라이휠은산업및 UPS 용 도, 주로하이브리드구성에서전력품질을목적으로배치된다. 오랫동안 ( 몇시간에걸친 ) 6. 현재개발중인단열 CAES 공정에서, 배출되는열은열저장장치 ( 예, 다공성의돌 ) 에유지되고, 터빈에확장되면서다시사용된다. 7. 고정자는타워의꼭대기에있는조립품의고정부분이다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 35

차량내발전소에서가동하기위해전력저장장치인플라이휠을최적화하려는노력이 진행중이다. 2.3 전기화학저장장치 이절에서는다양한타입의전기에대해설명한다. 대부분실제로상업화되어활용되고있다. 6개의 2차전지타입인납산전지 ( 납축전지 ), NiCd/NiMH, Li-ion, 메탈에어, 나트륨황, 나트륨니켈클로라이드전지를열거하고두종류의플로우전지에대한설명이열거된다. 2.3.1 2차전지납산전지 (LA, Lead Acid) 납산전지는전세계적으로가장널리쓰이는전지타입으로대략 1890년이후상업화되었다. 납산전지시스템은이동및고정용둘다에쓰인다. 일반적으로비상전력공급시스템, PV가포함된독립형전력공급시스템, 풍력출력변동을완화하기위한전지시스템에적용되고차량내스타터배터리로서도쓰인다. 전화시대 (1910 1945년 ) 초기에그리드내저장용으로납산전지가많이사용되었다. 고정납산전지는스타터전지보다훨씬높은제품품질규격에맞추어야한다. 80% 의방전량에서 1,500회주기수명을가지고, 일반적인사용기간은 6년에서 15년이다. 납산전지는저비용에서발전되고충분한연구를거친기술로안정성을보여주고있다. 많은타입의납산전지가시판되고있는데그예로서, 배기및밀봉하우징버전 ( 밸브조정납산전지라불리는 ) 이있다. 고정식전지는현재차량용인스타터전지에비해제품규격및요구사항등이엄격한이유로비용이훨씬더든다. 고정식시스템용납산전지를대량생산한다면가격이내려 36 IEC White Paper

갈수있다. 납산전지의한가지단점은고출력방전시, 사용가능한용량이감소한다는것이다. 예를들어, 전지가한시간만에완전방전될경우, 정격용량의약 50 70% 만을사용할수있다. 다른단점으로는낮은에너지밀도와여러지역에서금지하거나제한하는유해물질인납사용이있다. 장점으로는유리한비용 / 성능비율, 재활용의용이성, 충전기술의간단함이있다. 현재, 납산전지에대한 R&D에서는마이크로하이브리드전기차량 (3.2.5절참조 ) 의거동을개선하려고노력중이다 etg08, lai03. 니켈카드뮴, 니켈메탈하이브라이드전지 (NiCd, NiMH) 1995년경, 니켈메탈하이드라이드 (NiMH) 가상업목적으로도입되기전까지는, 1915년경개발된니켈카드뮴 (NiCd) 전지가널리쓰였다. 납산전지에비해, 니켈기반전지는더높은전력밀도, 다소높은에너지밀도와장수명특성을가진다. 기술적관점에서, NiCd 전지는매우성공적인전지제품이다. 특히, -20 C ~ -40 C 범위의낮은온도에서도잘기능을하는유일한전지이다. 배기 NiCd 전지를이용하는대형전지시스템은납산전지와유사한스케일에서작동한다. 그러나, 카드뮴의독성때문에이전지는현재유럽내에서고정식용도로만쓰인다. 2006년이래로소비자용으로는사용금지되었다. NiMH 전지는 NiCd 전지를대체하기위해최초로개발되었다. 실제로, NiMH 전지는 NiCd 및납산에비해열배더적은최대공칭용량을가진다는점을제외하고 NiCd 전지의장점을모두가진다. 또한, 훨씬더에너지밀도가높다 ( 질량대비 ). 전지의특성에따라휴대용및이동식용도의밀폐형 NiMH 전지가리튬이온전지로광범위하게교체되었 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 37

다. 한편, 오늘날시판되는하이브리드차량은리튬이온전지보다견고하고훨씬안전한 밀폐형 NiMH 전지만을거의이용하여작동된다. NiMH 전지는현재리튬이온전지와거 의동일한비용이든다 etg08, smo09, dah03. 리튬이온전지 (Li-ion) 리튬이온전지 ( 그림 2-5) 는약 2000년이후, 휴대용및모바일용도 ( 예 : 노트북, 휴대폰, 전기자전거, 전기자동차 ) 에서가장중요한저장기술이되었다. 3.7의공칭 Volt에이르는높은셀전압레벨에서관련연결장치와전자장치와직렬로연결된셀의개수를목표전압을얻기위해줄일수있다. 예를들어, 하나의리튬이온셀로 1.2 Volt의셀전압을갖는 3 개의 NiCd 또는 NiMH 셀을대체할수있다. Li-ion 전지의또다른장점은높은중량에너지밀도 (gravimetric energy density) 와대량생산을통한상당한비용절감가능성이다. Liion 전지가소형휴대용장치시장에서 50% 이상의점유율을보이지만, 대형 Li-ion 전지개발과제가진행되고있다. 주요장애요인은특수포장과내부과충전보호회로등의필요로인해 USD 600/kWh 이상의고비용이소요된다는점이다. 리튬이온전지는일반적으로매우높은효율 (95% - 98%) 을보여준다. 초단위에서몇주 (week) 에이르는거의모든방전시간을설정할수있어서유연하고보편화된전기저장이가능하다. 5000회의충방전주기수명을가지는표준셀은쉽게구할수있지만더높은주기수명을가지기위해전극사용물질을개발중에있다. 리튬이온전지는여전히고가여서, 유일하게짧은방전시간 ( 높은순간출력 ) 이요구되는용도에 ( 예 : 1차컨트롤백업으로서 ) 납산전지와경쟁할수있다. 안전은리튬이온전지기술에서중대한문제이다. 대부분의금속산화물전극은열 에의해불안정하여온도상승시, 분해되어산소를방출하여열폭주 (thermal runaway) 를 38 IEC White Paper

일으킬수있다. 이를최소화하기위해, 리튬이온전지에는 POUCH 과충전과과방전을방지하기위한모니터 링장치가갖추어져있다. 또한, 전압평형회로가개별셀의전압레벨을모니터링하고 그편차를방지하기위해시스템내부에함께설치된다. 리튬이온기술은여전히개발 단계에있으며, 발전가능성이매우높다. 주로음극물질개발에주력하는연구가진행 되고있다 etg08, esp11. POUCH CATHODE NANOPHOSPHATE SEPARATOR ANODE SEPARATOR CATHDDE NANOPHOSPHATE SEPARATOR ANODE POUCH 그림 2-5 일반 Li-ion 각기둥형셀 (prismatic cell) 설계와전지모듈 (A123, IEC MSB/EES 워크샵, 2011) 메탈에어전지 (Me-air) 메탈에어전기화학전지는순금속으로제조된양극과대기중의공기가무제한으로공급될수있는음극으로구성되어있다. 전기화학반응에서는공기중산소만사용된다. 다양한메탈에어전지화학커플중에서산소를배제한이론적특정에너지가 ( 산소는전지에저장되지않음 ) 다른전지타입보다 100 배이상인 11.14 kwh/kg으로매력적인데, 심지어는휘발유 (10.15 kwh/kg) 보다높다. 그러나, 높은공기와의리튬반응성과습도는화재의원인이될수있어안전위험도가높다. 현재, 1.35 kwh/kg 의산소를배제한이론적특성에너지를갖는아연공기전지만이기 술적으로실행가능하다. 아연공기전지는연료전지와기존의전지특성을일부가지 고있다. 아연은연료이고, 반응속도는변화하는공기흐름양에의해제어될수있으며, 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 39

산화아연 / 전해질은새로운 ( 초기성능을가지는 ) 전해질로교체할수있다.( 유지보수용이 ) 1970년대에연료전지연구에근거한얇은전극개발로보청기, 페이저, 의료장비특히, 심장텔레메트리 (cardiac telemetry) 에가능한소형버튼프리즘 1차전지가제조되었다. 재충전이가능한아연공기전지는물기반의전해질성분으로인한아연침전이잘조절되어야하므로설계어려움이있다. 충분한기술수준의메탈에어시스템은낮은재료비용과높은에너지용량을제공할가능성이있지만, 아직아무도상업화에성공하지못하고있다 wor02, atw11. 소듐설퍼전지 (NaS) 소듐설퍼전지 ( 그림 2-6) 는양극에있는액체 ( 용융 ) 유황과음극에있는액체 ( 용융 ) 소듐으로구성되었다. 고체베타알루미나세라믹전해액 (solid beta alumina ceramic electrolyte) 에의해활성물질이분리된다. 전지온도는전극의용용상태가유지되는 300 C - 350 C 사이이다. NaS 전지는대략 4,500회주기의수명이일반적이고, 6 7 시간의방전시간을갖는다. AC-기반왕복효율성이약 75% 로효율적이고빠른반응을보인다. 이전지는높은에너지밀도의전력수요이전용도와복합전력품질에경제적으로사용될수있다. NaS 전지기술은주로전력수요피크때를대비하여일본내에약 200군데에서입증되었고, 독일, 프랑스, 미국, 아랍에미리트에도 NaS 전지가운영되고있다. 주요단점은작동온도를유지하기위해전지자체에저장된에너지를사용하게되는, 전지성능을부분적으로감소시키는열원이필요하다는것이다. 매일꾸준히사용할때는, 적정규모의단열장치를사용하여자체반응열에의해전지온도를거의유지할수있다. 대략 1990년대에 300 kwh - 360 kwh 의용량및 50 kw 출력의최소모듈크기의 NaS 전지가일본의한회사에서제조되었다. 하나의분리된모듈만을사용하는것은활용성이낮아 20개의모듈을하나의전지로결합하기때문에최소상업전력과에너지범위는 40 IEC White Paper

1 MW 와 6.0 MWh - 7.2 MWh 에따른다. 이전지는일일사이클링용도에적합하다. 반응 시간이밀리세컨드범위에있고 NaS 전지가그리드안정화요건을충족하므로이기술 은공익기업과소비자들에게매우흥미로울수있다 esp11, kaw11. 소듐니켈클로라이드전지 (NaNiCl) ZEBRA (Zero Emission Battery Research) 로더잘알려진소듐니켈클로라이드 (NaNiCl) 전지는 NaS 전지와같이고온 (HT) 전지이며, 약 1995년이후, 상업적으로사용되어왔다. 작동온도는약 270 C이고, 양극의황대신에니켈클로라이드를이용한다. NaNiCl 전지는과충전과과방전에비교적잘견딜수있고, NaS 전지보다더나은안전특성과더높은셀전압을가질수있다. Battery Cell + Sodium Na Sulfur S Beta Alumina tube Gas Tight Seal (TCB thermal compression bonding) Insulator (alpha-alumina) Sodium Safety Tube Beta-Alumina Sulfur Electrode Sulfur Housing (with corrosion protection layer) Main pole Main pole Thermal enclosure Cell Thermal enclosure 그림 2-6 NaS 전지 : 셀설계와 50 kw 모듈 (NGK, IEC MSB/EES 워크샵 2011) 고장이발생하면저항이낮아지는경향이있는데이것은직렬연결부내단전지결함 으로인하여전체시스템에고장이일찍발생하는대신에하나의단전지전압이손실되 기때문이다. 이전지는여러전기차량설계 (Think City, Smart EV) 에성공적으로구현되었 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 41

고차량군 (fleet) 에쓰일가능성이있다. 하이브리드차량을위한더높은전력밀도를갖 는첨단버전과, 부하평준화와산업용도의재생에너지저장을위한고에너지버전의 ZEBRA 전지를개발중에있다. 2.3.2 플로우전지기존의 2차전지의에너지는전극의활성물질에서충전되고방전된다. 플로우전지도재충전이가능한전지이지만, 기존의 2차전지와달리액체전해질에용해되어있는하나이상의전기활성종 (electroactive species) 에에너지가저장된다. 전해물질은외부탱크에저장되고화학에너지를직접전기로또는반대로직접화학에너지로전환시킬수있다. 출력은전기화학셀의크기와설계로정의되는반면, 에너지양은탱크의크기에따른다. 이러한특성의플로우전지는광범위한고정식용도에적합할수있다. 장기우주비행을위한 EES로서 70년대초에 NASA가원래개발한플로우전지는현재몇 MW에이르는전력으로몇시간또는며칠동안에너지를저장하기위한용도로관심을받고있다. 플로우전지는레독스플로우전지와하이브리드플로우전지로분류된다. 레독스플로우전지 (RFB) 용해된금속이온 ( 활성물질 ) 이함유된두가지의액체전해질은전기화학셀에서서로반대방향으로보내어진다. 음극과양극에있는전해질은각각음극액 (anolyte) 과양극액 (catholyte) 으로부른다. 충전과방전시금속이온은전해액에용해된상태에있는다. 이활성물질의상변화가발생한다. 양극액과음극액은다공성의전극을통해흐르고막에의해물리적으로분리되어있는데, 전기가외부회로를통해흐르면서양성자는이막을통과한다. 하전 (charge) 교환이이루어지는동안, 전극을통해전류가흐르는데전선에연결된동력장치가이를이용할수있다. 방전하는동안, 전극에는탱크에용해되어있던활성물질이지속적으로공급된다. 일단, 활성물질이다른상태로전환되면, 전환된활성 42 IEC White Paper

물질 ( 생성물 ) 은탱크에서제거된다. 이론적으로방전된전해물질을올려보내고재충전된전해물질로교체하여 RFB를몇분이내에 재충전 할수있다. 이것은레독스플로우전지가모바일분야에대한활용가능기술로논의되고있는이유이다. 그러나, 현재까지, 전해물질의에너지밀도는전기차량용으로는매우부족한실정이다. 오늘날, 다양한레독스커플이조사되고 Fe-Ti 시스템, Fe-Cr 시스템, polys-br 시스템 ( 시운전되지않았지만 5 MW과 120 MWh의 Regenesys 설비 ) 과같은 RFB에서시험을거쳤다. 바나듐레독스플로우전지 (VRFB, 그림 2-7) 은가장멀리까지개발되었다. Prudent Energy (CN) 과 Cellstrom (AU) 과같은회사가대략 2000년이후부터이끌었다. VRFB는산화제로 V 2+ /V 3+ 레독스커플을, 환원제로서약한황산용액에녹인 V 5+ /V 4+ 레독스커플을사용한다. 이전지의주요장점은양측에서동일한금속이온을사용하는것이다. 물리적으로양극과음극을분리하는막을통해통과하지말아야할금속이온이통과되더라도 ( 모든레독스플로우전지의경우와같이 ) VRFB에서는에너지손실만이있을뿐이다. 여러다른금속이온을사용하는다른 RFB에서금속이온교차는전해물질이완전히사용불가하게되버리고 ( 전해액폐기 ), 용량이손실되는원인이된다. 1980년초기에호주뉴사우스웨일스대학교에서 VRFB 기술을선도적으로연구하였다. 500 kw과 10시간에이르는 VRFB 저장시스템이 SEI에의해일본에설치되었다. SEI는전력품질을위해 VRFB를사용하였다 ( 예 : 3 MW, 1.5 sec.). 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 43

e Sink/Source e Tank V 2 /V 3 Electrode Charge V 2 Membrane V 3 V 4 Charge V 5 Electrode Tank V 2 /V 4 Discharge Ions Discharge Pump Pump 그림 2-7 베나듐레독스플로우전지개략도 (Fraunhofer ISE) 하이브리드플로우전지 (HFB) 하이브리드플로우전지 (HFB) 에서활성물질중하나는전기화학셀내에저장되고, 나머지는액체전해물질에녹아있고외부탱크에저장된다. 따라서, 하이브리드플로우셀은기존의 2차전지및레독스플로우전지특성이복합되어있다. 전지용량은전기화학셀의크기에따른다. HFB의일반적예는 Zn-Ce와 Zn-Br 시스템이다. 이두가지경우, 양극액은 Zn 2+ 이온의산용액으로이루어져있다. 충전하는동안아연은전극에침전되고방전시, Zn 2+ 는용액으로돌아간다. 막으로다공성의폴리올레핀물질이사용된다. 대부분의전극은탄소-플라스틱합성물이다. 1970년초기에 Exxon에의해개발되었던 Zn-Br 하이브리드플로우전지의상용화작업을여러기업이하고있다. 미국에서는 ZBB Energy와 Premium Power가공익시설용으로 1 MW / 3 MWh에이르는단위용량의트레일러로운송가능한 Zn-Br 시스템을판매한다. 지역에너지저장용 5 kw / 20 kwh 시스템도개발중이다. 44 IEC White Paper

2.4 화학에너지저장 대량의 ( 전기 ) 에너지저장분야에상당한영향을끼칠수있으므로, 이보고서에는이차에너지운반체로서수소및합성천연가스 (SNG) 를기반으로하는화학에너지저장에대해설명한다. 이화학에너지저장시스템의주요목적은물전기분해를통해수소를생성하기위해초과전기를사용하는데있다. 일단수소가한번만들어지면, 순수소로사용하거나또는 SNG의형태로전환된에너지운반체로사용되는등여러방식이가능하다. 수소와 SNG의전체효율성이 PHS와 Li-ion과같은저장기술에비해낮지만, 화학에너지형태의저장은계절단위이상의훨씬긴시간동안 TWh 범위에이르는대량에너지저장을가능하게하는개념이다. 수소와 SNG의또다른장점은이범용에너지운반체를운송, 이동성, 가열, 화학산업과같은여러부문에서사용할수있다. 2.4.1 수소 (H2) 일반수소저장시스템은전해조, 수소저장탱크, 연료전지로구성된다. 전해조는물을전기를이용하여수소와산소로분해하는전기화학컨버터이다. 이것은흡열성과정즉, 반응하는동안열이필요하다. 수소는가스병또는탱크내압력하에저장되고이것은무제한시간동안가능하다. 전기를발생시키기위해연료전지로가스가흐르고여기서, 물분리의반대가되는전기화학반응이발생한다. 수소와산소가반응하고물이생성되고, 열이방출되고전기가생성된다. 경제적이고실용적인이유로, 산소가저장되지않고전기분해시공기로배출되고, 발전을위해공기에서산소가유입된다. 연료전지이외에도, 가스모터, 가스터빈, 복합된가스및증기터빈주기가발전에대 해서논의된다. 연료전지 (1 MW 이하 ) 가있는수소시스템을분산설비내열병합전력을위 해채택할수있다. 몇백 MW 에이르는가스및증기터빈을피크발전소로사용할수있 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 45

다. 전체 AC-AC 효율성은약 40% 이다. 수소는메탈하이드라이드에흡수되거나복합하이드라이드내에화학적으로결합된매우낮은온도에서의액체, 고압상태의가스로서저장하는등여러방식이있다. 그러나, 고압상태에서의고정식가스저장이가장대중적이다. 900 bar에이르는압력하에서지상탱크또는병에소량의수소를저장할수있다. 대량의수소의경우, 지하배관시스템또는심지어 200 bar에이르는압력하의 100,000m³ 체적의암염공동을사용할수있다. 현재까지, 재생에너지에사용되는상업용수소저장시스템이없었다. 그러나, 노르웨이의 Utsira의섬에서의프로젝트와같이지난 25년간다양한 R&D 프로젝트에서수소에대한실현가능성은성공적으로입증되고있다. 다른예로는현재건설중인독일의 Enertrag 의하이브리드발전소가있다 ene11. 전력이그리드내로직접공급되지않으면, 전기분해를통해수소를생성하는데이때풍력에너지가이용된다. 필요시, 저장된수소는바이오가스와혼합되어가스모터를가동하게된다. 또한, 베를린국제공항에있는수소충전소에앞서생성된수소가사용될것이다. 산업에서대규모 (160 MW 에이르는 ) 의물전기분해플랜트가 1990 년대말에노르웨이, 이 집트, 페루등여러장소에건설되었다. 2.4.2 합성천연가스 (SNG) 메탄합성 ( 합성천연가스 SNG라고도불리는 ) 은화학에너지로서전기를저장하기위한두번째옵션이다. 여기서, 전해조내물분리과정을넘어두번째단계가필요하다. 이단계에서수소와이산화탄소가메탄화반응기내에서메탄으로반응한다. 수소와마찬가지로, 46 IEC White Paper

생성된 SNG는압력탱크, 지하에저장되거나직접가스그리드내에공급될수있다. 메탄화과정을위해화석연료를쓰는발전소, 산업설비또는바이오가스플랜트와같은여러이산화탄소자원을생각할수있다. 에너지손실을최소화하기위해가스이산화탄소 ( 이산화탄소자원에서 ) 와수소 ( 전기분해플랜트에서 ) 를메탄화플랜트에운송하는것은피해야한다. Power Generation Conversion In / Out Uililzation Photovoltaic O Z H 2 H 2 Drectulilization(no storage step) H 2 storage H 2 Fuel Cell Car Mobility (H 2 -refueling) Wind Power Conventional (e.q.fossil) Intermittent H 2 O generation PEM-Electrolyzer H2 Steady generation Grid CO 2 Gas pipefine CH 4 (njection) Methanation CO 2 utilization (S-abatior-process) CH 4 H 2 CC-Turbine Industry Energy (Re-Electntication) Industry (Rusage of H 2 ) 그림 2-8 에너지운반체인수소및 SNG 사용에대한전체컨셉 wai11 SNG 생산은이산화탄소와전기가남는지역에서의적용이바람직하다. 특히, 바이오가스생산과정에서얻는이산화탄소가널리사용될수있는유망한기술이다. 그러나, 메탄화공정은연속적이기때문에메탄가스를저장할수있는부지및저장소가필요하다. 최근에이개념 메탄으로전환된전력 (power to methane) 은독일에서실증설비규모정도 (pilot-scale) 의생산플랜트등이건설중에있다 kuh11. 이방식의주요이점은기존의가스그리드인프라 ( 예 : 유럽내 ) 사용이가능하다는점이 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 47

다. 사양범위내 ( 예 : 열량값 ) 의가스혼합비율을유지하기위해특정농도까지만순수소를가스그리드내에공급할수도있다. 또한, 메탄은에너지밀도가더높고, 배관내운송시에너지가덜필요하다 ( 높은가스밀도때문 ). SNG의주요단점은전기분해, 메탄화, 저장, 운송및그이후다시전력생산되는과정에서전환손실로인해효율이비교적낮다는것이다. 35 % 이하의전체 AC-AC 효율성은수소보다도더낮다. 화학에너지저장장치로수소와 SNG를복합적으로사용하는것에대한종합적개요는그림 2-8에나타나있다 wai11. 2.5 전기저장장치 2.5.1 이중층커패시터 (DLC) 슈퍼커패시터로도알려진전기화학이중층커패시터 (DLC) 는 60년동안알려진기술이다. 거의무제한의충방전주기안정성과매우높은전력용량, 기존의커패시터에비해매우높은등급의에너지저장기능때문에전자장치와일반전지에사용되는기존의커패시터들의격차를줄인다. 이기술은기존의커패시터보다훨씬더높은커패시턴스와에너지밀도를가질수있어서소형설계가능성이크다. 두가지주요특징은기존배터리에는없는매우낮은내부저항에의한매우빠른충전 및방전가능성과수천패럿의매우높은커패시턴스값이다. 나머지장점으로는내구성, 높은신뢰성, 유지보수가필요없음, 긴수명, 다양한환경 ( 추위, 더위및습함 ) 과넓은온도범위에걸친작동이있다. 커패시터에용액을사용하면주 기횟수와관계없이 5 내지 6 년내에저하된다는점을제외하고기능저하없이수명이 48 IEC White Paper

백만회주기 ( 또는 10 년작동 ) 에이른다. 환경친화적이고쉽게재생이가능하거나중화된 다. 일반적으로약 90% 의효율성이고, 방전시간이초에서시간범위에있다. 기존전지보다약 10 배높은출력밀도에도달할수있지만 ( 매우높은출력의리튬전지만 이거의동일한출력밀도에도달할수있음 ) 특정에너지 ( 저장량 ) 밀도는약 10 배더낮다. 상기와같은특성으로, DLC 는짧은충전 / 방전주기가많은용도에특히적합하다. DLC 는높은자기방전율, 낮은에너지밀도, 높은투자비용때문에장시간에걸친에너지저 장에는적합하지않다. 약 1980년대이후, 소비자전자제품과전력전자기기에널리적용되어왔다. DLC는또한단시간전압고장시작동하는 UPS로서이상적으로적합하다. 새로운응용분야로전기차분야가가능할수있는데가속프로세스와회생제동의버퍼시스템으로사용될수있다. 2.5.2 초전도자기에너지저장 (SMES) 초전도자기에너지저장 (SMES) 시스템은전기역학원리에따라작동한다. 에너지는초전도임계온도미만에서유지되는초전도코일내직류흐름에의해형성된자기장내에저장된다. 초전도성이발견된 100년전에약 4 K의온도가필요하였다. 많은연구를거치고다행하게도임계온도가더높은초전도물질이만들어졌다. 오늘날에약 100 K 에서기능할수있는물질이있다. 이저장시스템의주요구성요소는초전도물질로제조된코일이다. 추가구성요소에는전력변환장비 (power conditioning equipment) 와극저온으로냉각되는냉동장치가있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 49

SMES의주요장점은매우빠른반응시간이다. 요구되는전력이거의즉각적으로가능하다. 또한, 높은전체왕복효율성 (85 % - 90 %) 과단시간에가능한매우높은전력출력이특징이다. SMES 주요부분에이동부품이없지만전체신뢰성은냉동장치에주요하게의존한다. 냉각시스템이작동하는한, 에너지가무한정저장될수있지만긴저장시간은냉동장치의에너지수요에의해제한된다. 10 MW 전력이상의대형 SMES 시스템은핵융합과고에너지물리실험용입자검출 기에주로쓰인다. 현재까지, 소형의몇몇 SMES 제품이시판되고있고, 마이크로칩제조 시설과같은제조공장에서전력품질제어에주로사용된다 iea09. 2.6 열저장장치 열 ( 에너지 ) 저장시스템은난방또는냉각, 고온의물생성또는전기생성과같은여러산업및가정용에사용하기위한절연처리된저장소에서여러수단에의해열을저장한다. 열저장시스템은열에너지수요와공급간의불일치를극복하기위해배치되었는데이에따라, 재생에너지자원통합을위해중요하다. 열저장은여러기술 ( 감열저장, 잠열저장, 열화학흡착및흡수저장 ) 로세분화될수있다 sch08. 가장잘알려진것중에하나인감열저장은가장널리퍼진기술이고, 한예로서가 정용온수탱크가있다. 저장매체는콘크리트또는토양과같은고체또는물또는서 모 - 오일과같은액체가될수있다. 열에너지는저장매체의온도변화를통해서만저장 된다. 저장시스템의용량은특정열용량과매체질량에의해결정된다. 50 IEC White Paper

잠열저장은저장매체인상변화물질 (PCM) 을사용하여가능하다. 이러한저장시스템에는유기 ( 파라핀 ) 및비유기 PCM( 염수화물 ) 이있다. 잠열은얼음이녹는것과같은상변화가있는동안교환되는에너지이다. 또한, 에너지이동시온도변화가없으므로 숨은 열이라고불리기도한다. 가장잘알려진잠열또는냉저장방법은아이스쿨러로서매우더운날에식품을차게유지하는절연상자또는실내에서얼음을사용한다. 현재대부분의 PCM은집광형태양열 (CSP) 발전소의열저장매체인용융염과같이고체-액체상변화를이용한다 iee08. 잠열저장의장점은최소온도변화와작은부피로대량의에너지를저장하는용량이어서효율적인열전달이가능하다. 수착 ( 흡착, 흡수 ) 저장시스템은진공상태에서열화학열펌프로서기능을하고보다복잡한설계를갖는다. 고온소스의열은흡수제 ( 예 : 실리카겔또는제올라이트 ) 를가열하고, 수증기 ( 물과같은작동유체 ) 는흡수제에의해제거되고저온에서컨덴서에서응결된다. 응축열은시스템에서빠져나간다. 건조된흡수제와분리된작동유체는오랫동안저장할수있다. 방전과정에서작동유체는증발기내저온의열을사용한다. 그다음에, 작동유체의수증기는흡수제에서흡수되고흡수열은고온에서방출된다 jäh06. 흡수제 / 작동유체에따라방출된열의온도는 200 C 에이를수있고 sch08 에너지밀도는물이있는감열저장보다 3배더높다. 그러나, 수착저장시스템은복잡성때문에더비싸다. EES의목적에서중요한감열 / 잠열저장시스템이주로있다. CSP 플랜트는주로열을생산하고, 전기전환이있기전에쉽게저장하고따라서, 보낼수있는전기에너지를제공한다. 최첨단기술은열전달유체와저장매체로서하나의용융염이있는태양열타워발전소의투-탱크시스템이다 tam06. 용융염은태양복사에의해가열된후, 고온염저장탱크로운송된다. 전기를생산하기위해고온염은증기터빈을구동하는증기발전기를통해통과된다. 그다음에, 저온염 ( 여전히용융상태 ) 은태양열타워로다시보내지기전에제2 탱크에저장된다. 주요단점은저온에서액체염이냉동되는위험과고온에서 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 51

염분해위험이있다는것이다. 태양열트로프발전소 (solar trough plant) 는중간오일 / 염열교환기가바람직한이중-매체저장시스템이다 tam06. Na-K-NO 3 와같은일반적인염혼합물은냉각온도 > 200 C를갖고, 저장물질과밀폐에는태양열타워발전소의저장시스템보다높은부피가요구된다. 투-탱크인디렉트시스템은남부스페인에있는세개의 50 MW parabolic trough 발전소인 Andasol 1-3 에배치되고있고, 아리조나주에있는 Abengoa Solar s 280 MW Solana 발전소에서계획되어있다. CSP의감열저장시스템을제외하고잠열저장은스페인카보네라에있는 Endesa s Litoral 발전소에있는 DLP와 Endeas를포함하여독일-스페인컨소시엄에의해개발중이다. 시험시설에있는질산나트륨을기반으로하는저장시스템은 700 kwh의용량을갖고, 305 C의온도에서작동한다 csp11. 단열 CAES에서공기압축시방출되는열은대형고체또는액체감열저장시스템에저장할수있다. 다양한 R&D 프로젝트에서이기술을탐구하고있지만 rwe11, bul04 지금까지가동중인단열 CAES 발전소는없는상태이다. 고체물질로서콘크리트, 주철또는암반을사용할수있다. 액체시스템의경우, 질산염의염과오일결합에대한여러개념이논의중이다. 왕복효율성이 70% 이상으로예상된다 rad08. 특히, 여압탱크는열저장에필요하거나또는비여압컴파트먼트를사용할수있는경우관련된다. 액체시스템에서열교환기는액체용대형여압탱크필요하지않을때사용할수있지만열교환기는추가비용을발생시키고복잡성을높인다. 이중-매체방식 ( 소금과오일 ) 을 50 C - 650 C의온도범위를위해사용해야한다 bul04. 고체열저장시스템내가압공기와저장매체의직접접촉은열전달을위한높은표면적을만들어내는장점이된다. 저장물질은일반적으로저렴하지만여압컨테이너비용은더높다. 52 IEC White Paper

2.7 EES 표준 PHS, LA, NiCd, NiMH, Li-ion와같은 EES 시스템은다양한 IEC 표준이있다. 이표준은기술적특징, 시험, 시스템통합을포함한다. 다른기술의경우, 특별한주제를포함하는극소수의표준이있다. 현재까지, 유틸리티또는독립형그리드로의 EES 통합에대한일반적이고기술독립적인표준이개발되지않았다. 화학으로재충전이가능한전지에대한표준이계획되어있다. EES 에대한표준화주제는다음과같다. 전문용어 EES 구성요소와시스템의기본특성특히, 비교및기술평가측정방법과정의 - 용량, 전력, 방전시간, 수명, 표준 EES 유닛크기 구성요소간의통신 - 프로토콜, 보안 상호연결요건 - 전력품질, 전압허용오차, 주파수, 동기화, 미터링 안전성 ( 전기, 기계등 ) 시험 구현가이드 2.8 EES 기술에대한기술적비교 이전의절에서는전기에너지를저장하기위한광범위한여러기술을제시하였다. 요 구사항이다른여러용도에따라여러다른 EES 기능이요구된다. 저장기술에대한종합 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 53

적비교와평가가방대하지만그림 2-9에 EES에대한일반개요를나타내었다. 이중대수도표에정격전력 (W) 이 EES 시스템의에너지함량 (Wh) 에대해표시되었다. 정격전력에서초에서월범위에이르는공칭방전시간또한볼수있다. 그림 2-9는현재의 EES 시스템적용영역과미래의적용범위를포함한다. 모든 EES 시스템이현재적용된범위내에서출시되지않았지만대부분중요해질것으로예상된다. 모든시스템이모듈설계이고또는최소한두배가될수있으므로 (H2,SNG,CAES의지하저장에대한몇몇제한과 PHS를제외하고 ) 대부분의기술은더큰전력출력과에너지용량으로구현될수있다. 더큰전력범위또는더높은에너지용량이실현되지않는경우, 주로경제적인이유때문일것이다 (kw 당비용, kwh 당비용 ). 짧은방전시간 ( 초 - 분 ): 이중층커패시터 (DLC), 초전도자기에너지저장 (SMES), 플 라이휠 (FES). 에너지대전력비율은 1 미만이다 ( 예 : 1 kw 의전력을갖는시스템의 1 kwh 이하의용량 ) 중간방전시간 ( 분 시간 ): 우세한기술 ( 납산 (LA), 리튬이온 (Li-ion), 소듐설퍼 (NaS) 전지 ) 인전기화학 EES와더큰용량을위한플라이휠에너지저장 (FES). 여러전기화학기법의기술적특징은비교적유사하다. 다른기술과비교할때, kw MW와 kwh MWh 범위의장점이있다. 일반방전시간은몇시간에이르고, 에너지대전력비율은 1과 10 사이이다 ( 예 : 1 kw 시스템에대한 1 kwh와 10 kwh 사이 ). 전지를용도에따라제작할수있다. 높은에너지또는높은전력밀도, 빠른충전또는긴수명등을절충할수있다. 긴방전시간 ( 일 월 ): 수소 (H2) 와합성천연가스 (SNG). EES 시스템의에너지대전 력비율은 10 이상이다. 54 IEC White Paper

1 GW 1 sec 1 min 1 hour 1 day PHS 100 MW 10 MW Li-lon CAFS H2 SNG 1 month Rated Power 1 MW 100 KW 10 KW DLC 1 KW 0.1 kwh 1 kwh SMES LA BEV FES RFB NaS & (NaNiCl) BEV Battery Electric Vehicle(NiMH and Li Ion) CAES Compressed Air ES DLC Double Layer Capacitor FES Flywheel Engrgy Storage H2 Hydrogen Storage LA Lead Acid Bettery Li-lon Li-lon Bettery NaS Sodlum Sulphur Battery PHS pumped Hydro Storage RF B Redox Flow Battery SMES Superconduct magnetic ES SNG Synthetic Natural Gas 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh Energy 그림 2-9 여러 EES 기술의정격전력, 에너지함량, 방전시간비교 (Fraunhofer ISE) 양수저장 (PHS), 압축공기에너지저장 (CAES), 레독스플로우전지 (Redox Flow Battery) 는중간과긴방전시간의저장시스템사이에위치한다. 수소 (H2) 와 SNG 시스템과같이, 이 EES 기술은외부저장탱크가포함된다. 그러나, 에너지밀도는낮아서대략 5와 30 사이의값으로출력대에너지용량비율이한정된다. 그림 2-10에서는여러 EES 기술의출력밀도 (power density, 중량이아닌단위체적당 ) 와에너지밀도 (energy density) 에대하여표시되었다. 출력및에너지밀도가클수록저장시스템에필요한체적은낮아진다. 모바일용도에적합한초소형 EES 기술은우측상단에서볼수있으며, 큰면적과부피를차지하는저장시스템은좌측하단에위치한다. PHS, CAES, 플로우전지는다른저장기술에비해낮은에너지밀도를갖는다는사실을다시한번알수있다. SMES, DLC, FES는높은출력밀도를갖지만에너지밀도는낮다. Liion은높은에너지밀도와높은출력밀도를보인다. 이것은현재광범위한용도에서사 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 55

100 000 DLC 10 000 SMES FES Li-ion decreasing volume Power densly W/ 1 000 100 0 Increasing volume NiCd vented LA HFB NiMH Me-air NaNiCl NaS H 2 SNG PHS CAES RFB 1 10 100 1 000 10 000 Energt density Wh/l 그림 2-10 EES 기술의전력밀도와에너지밀도비교 ( 부피에대한 ) (Fraunhofer ISE) state of art in development developed mature NiCd portable NiMH portable Li-ion portable Market launch Field test LA NiMH mobile HT batteries (NaS, NaNiCl) SuperCap Flywheel Li-ion mobile Li-ion stationary Flow batteries H2, mobile H2, stationery Me-air SMES PHS CAES diabatic CAES adiabatic SNG 1 W 1 kw 1 MW 1 GW Nominal Power 그림 2-11 전기에너지용저장시스템의발전과최첨단상태 (Fraunhofer ISE) 56 IEC White Paper

용되고있음을말해준다. LA와 NiCd와같은기존의전지타입에비해 NaS와 NaNiCl는에너지밀도가더높다. 그러나, 이에비해출력밀도가더낮다. 메탈에어셀 (Metal air cell) 은에너지밀도측면에서잠재성이가장높다. 플로우전지는대형전지시스템 (MW/MWh) 가능성이높지만에너지밀도는보통이다. 수소와 SNG의주요장점은다른저장시스템보다우세하게에너지밀도가높다. 그림 2-11 은앞서설명한저장기술의개발및발전상황을요약한것이다. EES 기술별 로전력범위에대해표시되어있으며, 가능한기술관련여러용도의적합성을비교할 수있다. 비록 PHS와 CAES의에너지밀도는낮지만, 확실히 PHS, CAES, H2,SNG는높은출력범위와에너지용량에가능한유일한저장기술이다. 이러한 EES 시스템은다른발전소설비와비슷한터빈과컴프레셔를이용하므로큰출력범위의실행이가능하다. 그러나, PHS만이발전되었고, 이용가능하다. 장소 ( 지형 ) 과소요면적에대한제한은낮은에너지밀도특성보다더가혹한제한요소가된다 ( 이두가지는일부의경우관련될수있음 ). 그림 2-11은 10 MW에서수백 MW에이르는즉시배치가능한저장시스템부족을보여준다. 열교환을통한 CAES는개발이충분히이루어졌지만아직검증되지않았다. 수소와 SNG 저장시스템은이용가능하고, 일부의경우에수십년간산업계에서쓰였다. 그러나이저장시스템은전력계통에서신재생에너지원의출력변동성을완화시키고분배될때에만실행가능하고경제적으로합리적이다. 최초의검증및파일럿설비가현재유럽내에건설중이다. 기술적으로비교해볼때, 다른저장시스템보다우세한보편적저장기술이존재하지 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 57

않음을결론내릴수있다. 현재와미래의여러타입의 EES 는 1 절에설명된용도에전부 적합해야할것이다. 그림 2-9, 2-10, 2-11 의결과를보면서다음과같은결론을내릴수 있다. 1) 짧은, 중간방전시간의 EES 시스템은광범위한정격출력과에너지밀도를포함한다. 여러발전된 EES 기술, 특히 FES, DLC, 배터리시스템을이범위에서사용할수있다. 2) PHS는중간방전시간에서구현가능한현재유일한대용량 EES이며, CAES에대한추가개발이기대된다. 하지만대형 PHS와 CAES 시스템에적합한장소는지형적으로제한되며, 중간기간대에사용하기위해서는 EES 시스템의용량증가와분산 EES 시스템의통합및제어 (3.3절참조 ) 가필요할것이다. 3) 며칠에서몇달에이르는장기간방전시간과매우큰용량 (GWh - TWh) 의경우, 아직까지실효성이있는 EES 기술이없는상태이다. 수소와 SNG와같은새로운형태의 EES 기술의개발이필요하다. 58 IEC White Paper

3 장 EES 시장 이장에서는 EES 시장에대해기존의적용사례를들면서제시한다. 재생에너지생성 이조합된저장에중점을두면서기존의전기공익사업및소비자이용과가까운미래의 이용사례를제시한다. 3.1 현재적용상태 이절에서는유틸리티및소비자에의해이미구현된사례들에대해설명한다. 전자의 경우, 타임시프트 (time shift) 와투자연기에 (investment deferral) 해당하고, 후자는비상공 급 (emergency supply) 과전력품질 (power quality) 에관한것이다. 3.1.1 유틸리티업체의이용 ( 기존의발전, 그리드운영및서비스 ) 유틸리티업체의타임시프트와전력품질을위한양수저장이용양수저장 (PHS) 은타임시프팅을통하여총발전비용을줄이고그리드주파수를제어하기위해유틸리티측면에서사용되어왔다. 여러국가에 PHS 시설이많이있고전세계 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 59

1) 비수기에전기를저장하고피크시간에전기를제공하는타임시프팅을위한양수발전전기를사용하여총발전비용을줄인다. 2) 필요할때마다 EES에서전력을흡수하고 EES에전력을공급하여전력품질, 전압, 주파수를유지한다. 3) 피크시프트를통해망의정체현상을완화하여필요한투자를연기한다. 4) 오프-그리드시스템 ( 분리된망 ) 의안정적인전력을제공한다. 5) 비상전력을공급한다. 적으로총저장용량이가장크다. 기존의설비는양수기능은있지만주파수제어장치로 서의기능을하지못하지만, 첨단가변속도제어 PHS ( 그림 3-1) 은모터의회전속도를변 화시키며조절가능하다. 그림 3-1 TEPCO 에서가동하는가변속도 PHS (TEPCO) 유틸리티업체의타임시프트와전력품질을위한압축공기에너지저장이용 현재, 두가지의열교환압축공기에너지저장 (CAES) 발전소가전세계적으로가동중 이다. 1978 년에최초의 CAES 발전소가독일 Huntorf 에건설되었다 ( 그림 3-2). 약 41% 의 60 IEC White Paper

Kaverne NK2 Kaverne NK1 GT Kraftwerk 그림 3-2 Huntorf 내 CAES 발전소 (Vattenfall, IEC MSB/EES 워크샵 2011) 효율을가진 CAES 발전소로작동하고있다 rad08. 인터쿨러가포함된저압및고압의컴프레서, 두개의암염공동 (2 x 155 000 m³ 의사용가능한용적, 46 72 bar의압력범위 ), 모터- 발전기 (60 MW 충전, 321 MW 방전 ) 로구성되었다. 두번째 CAES 발전소는미국알라바마에위치한 Mcintosh 에있고 1991년에시운전되었다. 110 MW의순출력을갖고열교환 CAES 프로세스를기반으로하지만가스터빈의출구에서배기로부터열을회수하기위해추가로레큐퍼레이터를사용한다. 따라서, 54% 의더높은효율을얻을수있다. 두시스템전부비수기에공기압축을위한전기를사용하고하루동안피크레벨링을위해가동된다. 전세계적으로여러 CAES 발전소가개발중이거나건설중이다. 예를들어, 독일에서는 단열 CAES 발전소가 2016 년에시연될예정이다 ( 프로젝트 ADELE). 이것은열교환 CAES 에비해효율성이더높을것이다 rwe11. 전력망의효율적유틸리티이용 유틸리티업체의 EES 사용예중하나로, Li-ion 전지는전력망을보다효율적으로사용 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 61

할수있는이점이있다. 2009년에칠레의아타카마사막에위치한 AES Gener s Los Andes 변전소에미국기업인 AES Energy Storage와 A123 시스템이공동으로 12 MW, 3 MWh Li-ion 전지를설치하였다 ( 그림 3-3). 전지는시스템운영자가송전선업그레이드보다비용이덜들고보다잘대응하면서수요변동을관리하고주파수조정을할수있게한다. 또한, 기존발전소의예비력에대한비용을대체하였기때문에, AES Gener는전력계통에직접판매하여출력용량에대한비용을지급받게된다. 유틸리티업체의비상전력공급발전소, 변전소, 통신시설과같은중요한시설은전력이중단되지않도록높은전력품질과신뢰성을가진전원공급이필요하다. 이용도의 EES 시스템은대부분 DC 전원이고전지에의해지원된다. 납축전지는이목적으로사용되어왔다. 유틸리티업체의오프 - 그리드시스템 ( 독립형계통 ) 소형전력망예를들어, 섬에서유틸리티업체가전기를공급하는경우, 디젤과신재생 그림 3-3 칠레내 Los Andes 변전소에설치된 12 MW 급의 Li-ion 전지 (A123, 2009) 62 IEC White Paper

에너지와같은소용량의발전기의전력출력은전력수요와일치해야한다. 8,000명이거주하는 Hachijo-jima ( 섬 ) 에 TEPCO는디젤발전기와 NaS 전지, 풍력발전소를이용하여수요변동에대응하고있다. 독립형태양광시스템을위해 EES용으로전력범위 (50W-) 1 kw ~ 500 kw 의납산축전지가일반적으로사용된다. 3.1.2 소비자이용 ( 소비자용무정전전원장치 ) 1) 비수기에전기를구입하고 EES 에저장하여피크시기에더저렴한전기를사용하고최대수 요를억제한다. 타임시프팅을통해부하평준화가이루어진다. 2) 중요한공장과상업시설을위해신뢰성있고고품질의전원장치를확보한다. 예 : 소비자의 NaS 전지이용그림 3-4는전력용량이각각포함된전세계에설치된 NaS 전지이용을나타낸것이다. 부하평준화 (LL) 전용시스템은거의전체의절반을차지하고, 비상전원장치 (emergency power supply) 또는독립형전원장치 (stand-by power supply) 의추가기능이포함된부하평준화 (load leveling) 용설비는 20% 를나타낸다. 그러나, 3.2절에설명한재생에너지와관련되는저장장치요구가증가하고있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 63

160 Installation amount, MW 140 120 100 80 60 40 20 Notes LL : Load Leveling EPS : Emergency Power Sipply SPS : Stand - by Power Supply 0 LL LL+EPS LL+SPS Renewahle R&D Others 그림 3-4 NaS 전지적용과용량 (NGK, IEC MSB/EES Workshop, 2011) 2% 3% 19% 7% 5% 64% Factory equipment Water supply / sewage systems Schools & research institutions Office buildings Hospital facilities Substations 그림 3-5 TEPCO 서비스영역내 NaS 시스템위치 (TEPCO) 그림 3-5 는 TEPCO 서비스영역내에설치된 NaS 전지의위치를나타낸것이다. 장소 별평균용량은약 2 MW 이다. 대부분의전지가대형공장에설치되어있고 (64%) 상수도 / 하수도시스템, 학교 / 연구기관 ( 합해서 12%) 뿐만아니라대형상업빌딩 (19%) 에있다. 64 IEC White Paper

3.1.3 전세계에 EES 설치용량그림 3-6은전기그리드에서사용되는 EES의설치용량을나타낸것이다. 127 GW 이상의양수저장 (PHS) 발전소는 99% 를차지하고이것은전세계발전용량의약 3% 이다. 설치용량이두번째로큰 EES는 CAES이지만가동중인시스템은 2개밖에없다. Compressed Air Energy Storage 440 MW 3,730 MWh Pumped Hydro Sodium Sulphur Battery 316 MW 1,900 MWh 127,000 MW ~1,500,000 MWh over 99 % of the total storage capacity Lithium Ion Battery ~70 MW ~17 MWh Lead Acid Battery ~35 MW ~70 MWh Nickel Cadmium Battery 27 MW 6,75 MWh Flywheels <25 MW <0,4 MWh Redox Flow Battery <3 MW <12 MWh epr10, doe07 그림 3-6 전세계에설치된전기에너지저장용량 세번째로가장널리쓰이는 EES는 NaS 전지이다. 2010년 9월말에 NaS 시스템은예를들어, 일본, 독일, 프랑스, 미국, 아랍에미리트 ( 총 : 316 MW) 내 223 곳에설치되고가동되었다. 그라나, 다음절에제시되는여러다른용도에대한시장요구가나타나면서대량의다른 EES가설치될것으로예상된다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 65

3.2 새로운트렌드 EES 적용에서보이는 5 가지새로운트렌드 ( 신재생에너지, 스마트그리드, 스마트마이크로 그리드, 스마트하우스, 전기차 ) 에대해설명한다. 현재사용사례에는실험장비와플랜이 있다. 3.2.1 신재생에너지생성전세계환경문제를해결하기위해태양및풍력과같은신재생에너지가널리쓰이고있다. 이것은미래의에너지공급이신재생에너지원의출력변동으로부터영향을받게됨을의미한다. 전력생산은기상조건을따르게되고, 에너지과잉과부족이균형을이루어야한다. 에너지공급과수요에맞추기위한 ( 타임시프팅 ) 에너지저장장치의주요기능중하나는대규모와소규모용도에필수적이다. 아래에, kwh, MWh 등급의크기로분류된두가지의경우가제시되어있다. 3 등급인 GWh 등급은 4.2.2절에서다루어졌다. 에너지저장과관련한타임시프팅이외에도수요와공급에맞추기위한다른방법들이있다. 전력계통을보강하면서초과생산된지역에서일시적으로덜생산적인지역에에너지를전달하여보완될수있다. 에너지저장규모를신재생에너지원의출력을초과설치하여줄일수있다. 이방식으로생산이취약한기간에도예상부하에적합하다. 추가옵션은소위수요측면에서의관리 (3.2.2 절의스마트그리드아래에설명 ) 이다. 여기서, 사용자는과잉으로생산된신재생에너지가이용가능한기간으로전기소모를하도록 장려된다. EES 잠재시장예측을위해, EES 가필요하지않은방법을고려할필요가있다. 66 IEC White Paper

PV 시스템의증가된자가 - 소비를위한분산저장시스템 (kwh 급 ) PV 시스템설치가증가하면서저압그리드가그성능의한계에도달하고있다. 독일의 경우, EEG( 신재생에너지법 ) 는 20 년동안생산된매 kwh 에대해발전차액지원제도와 PV Generator Inverter Meter Bidirectional Meter Grid Storage DC/DC Changer Load 그림 3-7 에너지자기 - 소비를위해설계된 PV 시스템 (Fraunhofer ISE) 100% 90% 80% 70% Consumption 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month of the year Solar Grid 그림 3-8 저장시스템을갖춘일반적가정의소비 : 그리드와 PV 시스템에서소비된에너지 (Fraunhofer ISE) 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 67

생산되고자가 - 소비된매 kwh 에대해고정요금을보장한다. 분산시스템의운영자를 독려하기위해, 자가 - 소비되는 PV 에너지가격을더높게한다. 따라서전력의자가-소비는, 특히전기요금이증가할때, PV 시설을갖춘가정의중요한옵션이될것이다. 그림 3-7은시스템설계에대한예를보여준다. 소비되거나계통으로공급되는전력량을측정하기위해 2가지설비가필요하다. 하나는 PV 시스템에서생성되는에너지를측정하고, 다른하나는계통으로공급되는것을측정한다. 즉시소비되지않는신에너지는배터리에저장된다. PV에서얼마나많은전기를공급하는지조사하는데있어서마드리드의일반적인가정에대한시뮬레이션결과가흥미를끌수있다 sch11. 그목적은 10.7 kw PV 발전기와 6kWh 리튬이온저장시스템을통해내부에서가능한많은에너지를사용하는것이다. 그림 3-8에서는 1년동안이가정에서소비한전기를보여주며, 저장장치는 PV 발전기에서만든에너지를전기장치에저장한다. 공급및수요는서로조정할수있다. 통합저장시스템은여름중 PV 시스템으로 100% 수요를충족할수있도록설계된다. 나머지계절은전력계통으로부터추가에너지를거의구입하지않아도된다. 싼가격으로고객-친화적시스템을제공하기위해특히유지보수비용을낮출필요가있으며, 여전히배터리들에대한가장중요한요소는 kwh 당가격이다. 현재는투자비용이낮기때문에납축전지가이를위한가장일반적인기술로사용된다. 리튬이온배터리는효율및사이클수가더효율적이지만투자비용이훨씬더크다. NaNiCl 배터리들도이같은애플리케이션에대한다른옵션이지만, 발열을피하기위해매일사이클링을해줄필요가있다. 68 IEC White Paper

Wind turbines Interconnected power transformation unit NaS battery units PCS building Administration/control building 그림 3-9 Futamata 풍력발전소전경 (Japan Wind Development Co. Ltd ( 일본풍력개발사 )) 그림 3-10 NaS 배터리유닛 - 34 MW (Japan Wind Development Co. Ltd ( 일본풍력개발사 )) 풍력 ( 및 PV) 에너지 (MWh 급 ) 안정화 (Smoothing) Japan Wind Development Co. Ltd ( 일본풍력개발사 ) 는일본아오모리 ( 그림 3-9 및 3-10 의 Futamata 풍력발전소 ) 에배터리설비를갖춘풍력발전설비를건설했다. 이시설은풍력터빈 51 MW(1500 kw x 34 units) 와 34 MW (2000 kw x 17 units) NaS 배터리들을갖추고있다. 이 NaS 배터리를사용해서발전설비의출력용량을안정화하고최대출력이 40 MW가넘지않도록제어한다. 운전은 2008년 6월에시작되었다. 그림 3-11은발전설비의출력예를보여준다. 전력판매계획은하루전에결정되었다. 이계획을수립하기위해, NaS 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 69

Data Interval: 1 sec 50,000 40,000 Wind Power 30,000 Power (kw) 20,000 10,000 0-20,000 Total Power -20,000-30,000 (23-Oct) 17:00 NAS Power 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 그림 3-11 8 시간동안일정출력을유지한운전예시결과 (NGK) 배터리시스템은풍력발전의출력에따라충전또는방전을조절한다. 이시설은전력계 통에연계하기위한지역유틸리티업체의기술요건을충족한다. 3.2.2 스마트그리드오늘날그리드는일반적으로고압송전시스템에연결된대규모중앙발전소를기반으로하며, 이송전시스템은전력을중간및저압배전시스템에제공한다. 전력흐름은변전소에서송전및배전계통을통해최종소비자에게이어지는한방향으로만일어난다. 전력및네트워크제어는일반적으로중앙집중시설들에서수행하기때문에소비자가참여할가능성은거의또는전혀없다. 향후배전시스템을위해, 전력계통은보다능동적이되고양방향전력흐름과정보의전송을향상시켜야할필요가있다. 전통적인대규모발전소들에서생산한전력들의일부는신재생에너지원에의해대체될것이다. 그수가증가하고있는 PV, 바이오메스및 70 IEC White Paper

Energy Information & Communication 그림 3-12 스마트그리드 (Fraunhofer ISE) 해상풍력발전기들이중간및저압그리드에공급될예정이다. 전통적인전력시스템은시장의힘에따라발전이이뤄지며계통제어센터가전체적인감독역할을맡는시장모델의프레임워크내에맞게변환되어야한다. 스마트그리드개념 ( 그림 3-12) 은이같은시스템내문제를해결하기위한수단들중하나로제안된다. 스마트그리드는수요측과발전측을모두제어할수있어서전체적인전력시스템이보다효율적이고합리적으로작동할수있도록해줄수있다. 스마트그리드는 IT와통신, 제어기술및 EES 같은여러기술들을포함한다. 스마트그리드의 EES- 관련애플리케이션에는다음이포함된다. 1) EES는네트워크운영자의충전및방출제어를통해신재생에너지의도입에보다많은전력시스템내제어역할을하게되며, 전력소비와발전간의불균형을완화하게된다. 2) 경우에따라, EES는최대수요시특정구역에대한부하유지를통해변압기, 송전선및배전선같은전력시스템인프라에대한투자를줄일수있다. 이를위한 EES는주파수제어능력을개선하는데도사용될수있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 71

3) 작은규모의계통과주거사용자들을포함한수요-측관리로불리는추가옵션이존재한다. 지능형소비관리와경제적인센티브를통해소비자들은그에너지구매를잉여전력이존재하는시기로변경할수있다. 사용자들은전기가필요한때를바꾸거나, 필요하지않을때전기를구매및저장하거나혹은이두가지를병행해서이를실천에옮길수있다. 스마트그리드에사용된전기화학적인저장방식은기본적으로납축전지와 NaS 배터리를사용하며경우에따라 Li-ion 배터리도사용한다. 이경우, 출력대용량비의독립성으로인해레독스플로우배터리도가능할수있으며, 이는비용-효율적인저장솔루션을제공한다. 3.2.3 스마트마이크로그리드 EES를갖춘스마트공장, 스마트건물, 스마트병원, 스마트상점또는기타중간-규모그리드를 스마트마이크로그리드 8 로취급할수있다. 재난에의한정전에유연하게대비하기위해, 스마크그리드를구성하는하나의요소로서분산된스마트전원인스마트마이크로그리드를채택하는것이매우중요하다. EES는스마트마이크로그리드의핵심요소이며, 확장이가능하고, 자율적이며, 다른그리드들과협력할준비가되어야한다. 스마트마이크로그리드의구조는단일컨트롤러를갖추고 EES와관련해서확장이가능해야한다. 즉, 공장, 건물, 병원또는상점등에서사용애플리케이션에따라 EES( 배터리 ) 용량의확장및축소를통해매끄럽게조정이가능해야한다. 마이크로그리드및 EES 는일반적으로네트워크에연결되며, 고립된섬과같이특수스마트마이크로그리드가그리드에연결되지않는경우에도고립된스마트마이크로그리드도확장또는축소가가능할수있기때문에여전히지능형조정가능성이있어야한다. 그림 3-13은확장식구조계통도를보여준다. 8. 마이크로그리드 라는용어는다양한특정정의의주제였으나, 여기에서는어떤것도가정하지않는다. 72 IEC White Paper

Off-Grid Peak-cut / Peak-shift / Energy-shift Grid stabilization Sollar Parking Lot Residential (EMS) Shop (SEMS) Building (BEMS) Factory Solor / Wind FarmGeneration (FEMS) Battery Safety Network Battery Management Unit PCS PCS PCS Battery 1.6k Wh 3k Wh 30k Wh 100k Wh 1 MWh 그림 3-13 스마트마이크로그리드내 EES 적용을위한확장형구조 부록 B에서는공장및상점의두가지예시를제공하는데, 이둘은배터리크기가아주다르지만, 같은컨트롤러를사용한다. 마이크로그리드는이러한방식으로메인그리드에연결하고조정하며배터리의입력및출력상태를보여주며, 비상시전력을매끄럽게통제 ( 필요시마이크로그리드를메인그리드에서차단하는것포함 ) 한다. 이들은 EES 규모나애플리케이션과상관없이스마트마이크로그리드에필요한특성이다. 3.2.4 스마트하우스주거지에서에너지를보다효율적이고, 경제적이며신뢰할수있는방법으로사용하기위해스마트하우스의개념이제안된다. 여기서 EES 기술은중요한역할을할것으로기대된다. 1) 소비자비용은수요전력요금 (kw) 과충전요금 (kwh) 으로구성된다. EES에의한부하조절은피크수요를억제할수있다 ; 하지만, 충전 / 방전손실이소비된전기의양도증가시킨다. 소비자들은 EES 운영최적화를통해전기비용을줄일수있다. 2) 일부고객들은자체보유한신재생에너지원을사용하는것을선호한다. EES는그전력수요와자체발전간의불일치를줄여줄수있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 73

Grid Management / Demand Response Bidirectional Communication Multi-utility Metering Customer Information Systems Inhouse Communication Smart Appliances Monitoring Distributed CHP Smart Grids Smart Metering Smart Homes 그림 3-14 스마트하우스 (Fraunhofer ISE) Power station Hydrogen AC 50/60 Hz AC 100-200 V Transformer Photovoltaic FC Secondary Cell LVDC 24~48 V Hybrid Control DC PLC Air conditioner Refrigerator Washing machine Heat pump Microwawe oven Induction heater TV DVD/BD Audio set PC Fax LED lighting Wireless charger Printer Game machine Sensor Ventilation Electric toothbrush Electric shaver Heat pump Waste heated water Bath Kitchen Wash basin 그림 3-15 미래의스마트하우스내가정에너지네트워크 (IEC White Paper 2010) 3) 전력공급차단같은특정상황에서, 대부분현장의신재생발전기는고립된운전시 통제할수없는발전출력으로인한문제를갖고있다. EES 는이에대한솔루션이될 수있다. 74 IEC White Paper

그림 3-14는스마트하우스를체계적으로나타내며, 그림 3-15는그에대한가능한에너지구조를보여준다. 스마트하우스에서는주로납축전지가사용되지만, 향후특히고사이클수명및높은피크전력을전달할수있는능력으로인해 Li-ion이나 NaNiCl 배터리가사용될수있다. 3.2.5 전기자동차전기자동차 (EVs) 는 19세기에처음개발되었지만전통적인연소엔진을갖고있는차량들이훨씬싸고주행범위가약 500km로여러장점을갖고있어서전기차량들이시장에많이도입되지는못하고있다. 전기구동차량을제작하는데있어서가장큰장애물은에너지의배터리저장용량이다. 이배터리의용량이작기때문에전기자동차는소비자들이인정할수있는만큼먼거리를주행할수없었다. 그러나, 최근배터리기술의발전으로인해에너지밀도가증가된배터리를사용하는새로운가능성이제시된다. 과도기로서향후수년동안주로하이브리드차량이시장에도입될것이다. 이들은내연기관과전기모터가결합된형태로각각의단점을보완할수있다. 예를들어, 내연기관은일부상태에서효율이낮은데, 이는전기모터로보상할수있다. 전기-구동방식은특히정밀한응답거동, 높은효율그리고상대적으로단순한에너지저장소취급으로인해도로차량에적합하다. 전기모터의장점에도불구하고, 전기-구동방식과내연기관엔진의조합은합리적이다. 이는전통적인구동방식 ( 및휘발유탱크 ) 에의해이루어지고있는최대 500km의주행거리를만족하기에는전기저장만으로는오늘날실현할수없기때문이다 하이브리드등급및차량배터리 일반적으로다양한하이브리드차량들은그림 3-16 에서와같이그기능으로분류한 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 75

다. 배터리에대한전력수요는추가된통합기능에따라증가한다. 기능들이차량에많이포함될수록연료절감가능성이커지고그에따라이산화탄소배출감소도커진다. 많은수준의차량들이하이브리드로시장에나와있지만, 플러그-인하이브리드및순수전기차량은아직많은양을차지하지않고있다. 차량의에너지저장소와관련해서, 오늘날납축전지가마이크로-하이브리드에일반적으로사용된다. 이중커패시터와의조합을통해, 중간또는완전하이브리드에사용하기위한옵션이존재할수있지만, 기술적으로더낫고, 경제적으로타당성이있는솔루션들을이용할수있기때문에, 이들은향후중요한역할을하지않을것이다. NiMH 배터리들은일반적으로하이브리드차량에사용되는데, 공학적으로우수하고 Li-ion 배터리와비교할때실제로안전문제에서보다긍정적이기때문이다. 하이브리 Increasing electric power & electric driving range Electric vehicle Pure electric driving Plug-In Hybrid Charging at sockets Full Hybrid Integrated motor assist Limited electric driving Mild Hybrid Recuperation of braking energy Acceleration assistance (boost) Micro Hybrid Start-Stop System improvement of the conventional combustion engine Increasing electrification of the drive train 그림 3-16 개발단계가아닌전력및기능범위로분류한하이브리드등급 76 IEC White Paper

드차량에서자주발생하는저충전상태에서우수한사이클안정성이이들배터리의특징이다. 모든도요타하이브리드차량들이 1.3 kwh와 40 kw의 NiMH 배터리를사용한다. 도요타는이배터리를장착한하이브리드차량을약 300만대판매했다. 이는판매된총배터리의양이약 4GWh 및 120GW임을의미한다. 표 3-1 하이브리드및전기자동차의동력전달장치차이 smo09 Specifi cations Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Electric vehicle Electric vehicle Capacity Batteries 2 8 kw 10 20 kw 20 100 kw 20 100 kw < 100 kw < 1 kwh < 2 kwh < 5 kwh 5 15 kwh 15 40 kwh DC voltage 12 V 36 150 V 150 200 V 150 200 V 150 400 V Potential in saving fuel Range for electrical driving - 8 % - 15 % - 20 % - 20 % -- -- < 3 km 20 60 km < 100 km 100 250 km EES type Lead Acid, NiMH, Li-Ion NiMH, Li-Ion NiMH, Li-Ion Li-Ion Li-Ion, NaNiCl 이기술의주요문제는향후기술또는경제적개선가능성이제한된다는것이다. 리튬이온배터리가기술적으로보다우수하고비용절감가능성이커짐에따라 NiMH 배터리에대한중기적전망은밝지않을것으로보인다. 리튬배터리는전기및하이브리드전기차량용모두에대해이상적이다. 하이브리드차량의경우높은사이클안정성과출력밀도로인해리튬-티탄염배터리가좋은선택이될수있다. 보다진보된하이브리드방식을위해증가된배터리용량이필요함에따라, 리튬-티탄염배터리의상대적으로낮은에너지밀도는전체적인차량중량에큰영향을 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 77

미치며, 이는보다큰에너지수요를초래한다. 따라서, 리튬 - 이온 - 인산염및특별히높 은에너지밀도의리튬 -NMC 배터리가플러그 - 인 - 하이브리드와순수전기자동차에대 해선호되며, 후자의경우주행범위는가장중요한기준이다. 순수전기차에대한대체배터리는고온나트륨-염화-니켈배터리 (ZEBRA 배터리로도불림 ) 이다. 이는배터리를고온에서유지해야하는대기상태에서자체방전율이하루에 10% 로크다. 따라서, 배터리들이영구적으로작동하고일반적으로추가배터리가열이필요하지않은버스같은수송차량들에대해서는 NaNiCl 배터리가선호된다. 3.3 저장시스템의관리및제어계층구조 본절에서저장시스템의관리및제어개념에대해소개한다. 저장설비의안전하고신뢰할수있는운영이필수적이지만, 그리드전체적인적용이바람직할경우, 그리드내다른요소들과의조화도이에못지않게중요하다. 본절의목적은독자들이본논문에서설명하는일부적용애플리케이션들에대한요소들과그상호작용들을그려볼수있도록도움을주는것이다. 많은저장시스템들이, 전류의파형과전압을그리드에직접공급하거나받을수있을수준으로조절하는컨버터를포함해서, 전력전자요소들을통해그리드에연결된다. 경우에따라, 컨버터는그리드연결전에변압기에연결해서필요한전압을제공한다. 컨버터는저장시스템의설정점을정의하는컨트롤러로관리한다. 이들설정점들은유효및무효전력즉, P 및 Q의크기로표현할수있다. 이같은컨트롤러는컨트롤전자장치로도불리는데, 이같은맥락에서컨트롤러는지능형의사결정을위한장소를나타낸다. 78 IEC White Paper

3.3.1 배터리저장시스템의내부구조배터리들로이뤄진복합저장시스템은배터리셀또는모듈의충전및방전프로세스를감시및제어하는배터리관리시스템 (BMS) 을갖춘다. 이는배터리의수명과그작동을안전하게보장하기위해필수적이다. 그림 3-17은배터리저장시스템에대한내부제어구조의실현가능성을보여준다. 벌크에너지저장소의경우 BMS를위한보다개선된계층구조가존재할수있음에주목해야하며, 여기엔슬레이브컨트롤모듈의충전및방전을조절하는마스터컨트롤모듈이사용된다. 서로제조사가다른배터리및컨버터를사용할수있으며, 따라서통신과전기연결장치들간에호환성과상호운용성이매우중요하다. 3.3.2 EES 시스템의외부연결특정애플리케이션에서 EES에대한 P 및 Q 설정점은이행된제어체제에따라로컬또는원격으로설정할수있다. 제어체제는다시애플리케이션에따라결정해야한다. 보다자세히말하면, 애플리케이션이 EES 시스템에대한알고리즘및입력 / 출력요건을결정한다. 예를들어, 로컬요건만을사용하는단순로직을필요로하는애플리케이션에서는저장컨트롤러를통해로컬로설정점들을결정할수있다. 이같은애플리케이션으로는부하균형유지를들수있는데, 이때는 EES가설치되는옆로컬장비 ( 예, 라인, 변압기등 ) 의부하조건만을알면된다. 이는운전중에변경되지않고사전에결정한설정점들만을갖는애플리케이션에도적용한다. 그러나, 네트워크운전환경에대한동적적용과많은원격데이터또는측정값을필요로하는애플리케이션에대한설정점들은원격컨트롤러로결정하는것이더나을수있는데, 이들원격입력들을보다효과적으로수집할수있기때문이다. 이같은애플리케이션으로는풍력단지의출력예측을풍력출력, 그리고측정치들을입력으로사용하는풍력안정화를들수있다. 또다른예시로는동적시장가격을사용하는에너지시간-이동이해당된다. 그림 3-18은원격결정설정점으 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 79

로일반적인설정을하는것을보여준다. 배터리및 BMS 는 에너지저장매체 로대체되 어필요한에너지변환서브시스템을포함하는모든저장기술들을나타낸다. Storage Controller Converter BMS Batteries Battery Energy Storage System Communication Connection Electrical Connection 그림 3-17 배터리저장시스템 (ABB) 의내부제어구조를실현한모습 3.3.3 EES 시스템및분산발전 ( 가상발전소 ) 집합제어계층은더일반화해서그림 3-19에나타난것과같이그리드에연결된저장시스템이나장치들을포함시킬수있다. 이다이어그램은 EES 시스템과 DGs( 분산발전기들 ) 이하나인것같이거동하는통합된상태를나타내며, EES를갖춘 VPP 로불린다. VPP(Virtual Power Plant) 는가상발전소로정의에따르면네트워크제어센터나주요변전소들에설치할수있는집중식컨트롤러를통해스마트그리드기술을사용해서하나의그리드-연결발생원들집합에서발전량을모으기위한기술이다. 그리드의다양한위치에있는분산된에너지저장시스템을통합하는것이 VPP의용량을더욱개선하고전기인프라는크게단순화된다. 통신및전기인프라그림은대략적인개념을보여주기위해단순화시킨것임에유의한다. 배터리를사용하는집합적에너지저장시스템에대한구체적인예시는 배터리 SCADA 에대한다음절에나타난다. 80 IEC White Paper

3.3.4 배터리 SCADA - 여러분산배터리들의집합배터리용량및비용과관련해서발전이이뤄지고있어서, 많은배터리들이소비자들과그리드에설치될예정이며, 그에따라누적용량이커지고상당한영향을미치게된다. 이들대부분은소형배터리저장시스템을갖추고, 분산방식으로로컬에서사용된다. 그러나, 이들을가상어셈블리에통합하고집중식으로제어한다면, 이들은부하빈도제어, 하중균형유지및송전흐름제어등많은유틸리티애플리케이션을위해서도사용할수있다. 이같은애플리케이션을실현하기위해, 일단의일본내배터리제조사와발전회사들이 배터리 SCADA 라는분산배터리들의중앙제어기술을개발하고있다. 배터리 SCADA를사용하면, 분산된배터리들을조합하고가상의대용량배터리같이관리할수있으며, 다양한제조사들의서로다른사양을갖는배터리들을통합방식으로그리드운영자들이제어및사용할수있다. 그림 3-20은배터리 SCADA를체계적으로보여준다. 그리드측과소비자측모두에서의배터리정보는배터리 SCADA에서수집, 처리하고제어센터로전송한다. 이정보와네트워크상황에대한정보를토대로, 제어 Remote Data/Measurements Control Center/Substation P, Q Set-points Storage Status to grid Storage Controller Energy Storage Medium EES System Communication Connection Electrical Connection 그림 3-18 원격데이터 / 측정과관련한제어계층 (ABB) 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 81

센터는각배터리시스템에해당명령을배분하는배터리 SCADA에명령을전달한다. 이기술에대한시연은 2012년일본요코하마시에서시작될예정이며, 이때그리드측과소유자부지내에다양한리튬-이온배터리를설치하고배터리 SCADA에서제어하게된다. Control Center/Substation Remote Data/Measurements to grid EES System EES System EES System EES System DG DG DG DG VPP with EES Communication Connection Electrical Connection 그림 3-19 일반화된 EES 시스템및 DGs 의통합개념도 (ABB) Interface Customer side Information collection and Command distrbution Advantages of virtual large capacity battery Easier utilization Easier location Step by step introduction of batteries Battery SCADA Interface Control center (Grid control) Advantages of comprehensive battery control Optimum operation for grid control Flexible assignment of batteries' capability to various applications Utility-side Packaged developmenl of Battery and Control System Utility-side 그림 3-20 배터리 SCADA 개통도 (TEPCO) 82 IEC White Paper

4 장 2030 년까지 EES 시장예측 제3장에서언급한바와같이, EES에는많은애플리케이션들이존재하며, 이미일부 EES 애플리케이션들은상업적으로사용되고있고향후에도지속적으로증가할전망이다. 또한, 신재생에너지발전과스마트그리드의확장을지원하는용도등새로운 EES 애플리케이션들도확대되고있다. 앞으로 EES의중요성은폭넓게인식되고있고이미미래의 EES 시장에대한연구가진행되고있다. 이러한연구들은각각목표로하는시간, 영역등다양한차이가있지만, 크게두그룹으로분류할수있다. 첫째는모든 EES 애플리케이션을다루는향후시장예측, 둘째는새로운분야의 EES 애플리케이션에대한시장예측이며, 본장에서는이들두그룹에대한일부연구결과들을설명할것이다. 4.1 전체애플리케이션에대한 EES 시장가능성 본절에서는미국내거의모든 EES 애플리케이션의혜택과최대시장가능성을평가 하는 Sandia 국립연구소 (USA) 의연구와, EES 기술비용의절감과 EES 애플리케이션에 따른투자수익을예측하는보스턴컨설팅그룹의연구를통하여시장가능성을예측할 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 83

것이다. 또한 Panasonic 의향후리튬 - 이온 EES 시장의시뮬레이션에대하여설명할것 이다. 4.1.1 Sandia 국립연구소 (USA) 의 EES 시장예측그림 4-1은 Sandia 국립연구소의미국내애플리케이션에의한 EES 시장가능성을보여주고있으며, kw 당손익분기점에해당하는시장규모및혜택을각애플리케이션에서개별적으로평가한다. 이연구에서는시장가능성만을다루고하나의시장 ( 대규모 ) 만을고려하지만, 향후 EES 시장을고려하는데있어서유용한제안을제시한다. 그결과에서는현재모든애플리케이션에적합한높은수익을낼수있는큰시장이존재하지않음을보여준다. 예를들어, 변전소에설치되는비상전원을의미하는 Substation On-site 애플리케이션의경우, 매우높은가치를갖는반면시장이작다. 반대로, 수용가의전력수요분산을의미하는 Time-of-use Energy 애플리케이션의경우시장의규모는크지만그가치는높지않은것으로예상된다. 이연구에서는각 EES의애플리케이션에대한가치와시장규모가향후상황에따라바뀔수있고, 하나의 EES 설비를다목적애플리케이션에동시에사용될수있음을나타내는데, 이는혜택을증가시킬수있다. 또한향후 EES 시장에영향을주는중요한요소중하나는새롭게설치되는신재생에너지의설비규모이다. 4.1.2 보스턴컨설팅그룹 (BCG) 에의한 EES 시장예측 이연구에서는 2030 년까지 EES 의가격하락과 EES 애플리케이션에의한투자수익률 을평가할것이며, 활용가능한 8 개의 EES 애플리케이션을정의할것이다. 84 IEC White Paper

3,000 Benefit Maximum Market Potential 70,000 2,500 60,000 Beneflt(Skw, 10 Years) 2,000 1,500 1,000 500 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 Max, Market Potential (MW, 10 Tears) 0 0 Energy Time-shift Capacity Load Following Area Regulation Reserve Capacity Voltage Support Trasmission Support Trasmission Congestion T&D Deferral 50th Percentile T&D Deferral 90th Percentile Substation On-site Time-of-use Energy Demand Charge 그림 4-1 미국내애플리케이션에따른 EES 혜택 ( 손익분기점비용 ) 및시장규모 eye11 Reliability Power Quality RE Time-shift RE Firming Wind, Gen, Integration, Short Wind, Gen, Integration, Long Attractive (IRR~30%) Conventional stabilization Profitability of Medium the business case (IRR~10%) Not attractive (Negative IRR) Difficult Industrial peak shaving Balancing energy T&D deferral Feasiblity of implementation Island/ off-grid storage Black-start services Price arbitrage Residential storage Easy Calculations based on estimated storage prices for 2015-2020; price decreases would improve profitability in all cases Centralized Decentralized Mixed Market size to 2030 >C50 billion C25 C50 billion <C25 billion 그림 4-2 2030 년까지애플리케이션에따른 EES 시장예측 bcg11 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 85

향후애플리케이션에따른 EES 시장가능성결정을돕기위해이연구에서는이행타 당성, 전통적인기술의존재, EES 의기술적인문제, 기존관련사업및사회적상황과의 연관성도평가할것이며, 그림 4-2 에서그결과를확인할수있다. 큰시장규모와높은수익을기대할수있는가장유망한시장은양수발전및 CAES를적용할수있는 Conventional Stabilization 이다. Conventional stabilization 에는 time shift, 출력변동의 smoothing 및기존발전기의효율개선등이포함되는데, 특히이애플리케이션이유망한이유는향후신재생에너지발전출력이증가함에따라 time shift와출력변동 smoothing의요구도상당히증가되기때문이다. 또하나의유망한시장은 Balancing Energy 애플리케이션으로서이것은단기적인수요변동을충족시키기위해전력공급을조정하는기능이다. 경제적인이유로인하여 PHS 및 CAES 같은대규모에너지저장기술들이이애플리케이션에적합하며, 향후다른 EES 기술도확대적용이가능할전망이다. 신재생에너지발전출력이증가함에따라 Balancing Energy의필요성도함께증가할것이며, 점점더많은전력시장에서 Balancing Energy 애플리케이션을적용하기위한복잡한시장메커니즘을도입하게될것이다. 이연구에서는 8개애플리케이션그룹에대한전체시장용량을 330 GW로추정하고있다. 4.1.3 Panasonic 그룹의리튬 - 이온배터리에대한 EES 시장예측 Panasonic 그룹 (Sanyo) 에서리튬 - 이온배터리의 EES 시장가능성을평가하였으며, 이 평가에서는아래와같은가정하에시뮬레이션을진행하였다. 86 IEC White Paper

1) 향후리튬이온배터리가격과비교한배터리구매가격추이가계속해서시장조사에서결정한바와같이움직인다고가정한다. 2) 전력회사의경우, 커뮤니티에너지저장소가송전및배전투자의부분적으로대체한다. 3) UPS의경우, 공간절약, 정비의편의성그리고비용차이를고려하기위한리튬이온배터리의납축전지대체가능성 4) EV 변전소의성장이 EVs 자체의성장과비교할수있을수준이다. 5) 리튬부족은없다. 시뮬레이션결과는그림 4-3 에서확인할수있으며, 리튬 - 이온배터리시장이지속적으 로성장하고, 특히주택시장이 2017 년부터급격하게증가할것으로예상된다. 따라서소 형에서대형에이르는다양한크기의리튬이온배터리시장이형성될것으로전망된다. 4.2 신재생에너지의보급확대를위한 EES 시장가능성예측 신재생에너지를전력그리드에연계하는것은출력변동과불확정성등의문제를야기할수있다. 그리드에연결된신재생에너지의출력이일정수준을넘으면이같은문제가나타날수있고, 이러한문제를해결하기위한시정조치가필요하다. 특정시장에신재생에너지를도입하기위해상당한인센티브를제공하는다양한방안이존재 ( 주로 EU에서 ) 하며, EES가이같은목표달성에핵심요인이될것이다. 이러한이유로인하여일부연구들에서는신재생에너지의계획된도입을위해필요한 EES의양을결정하였다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 87

20,000 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 UPS EV Charger Industrial Residential Utility 6,000 4,000 2,000 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 그림 4-3 리튬 - 이온배터리에대한글로벌시장 (Sanyo, 2011) 4.2.1 Fraunhofer 의독일 EES 시장가능성예측 독일은신재생에너지의도입에있어서잘알려진선도국가로커다란 EES 시장이예 상된다. 그림 4-4 에나타난바와같이, 독일은 2030 년까지신재생에너지의비중을현재 Electricity generation in TWh /Y Germany: Renewables have grown very rapidly and are being extended strongly 900 BMU Lead Study, 2010 - Scenario for 100% Lignite 800 Source: Nitech, Sterner, Wenzel et al, 2010 Increased demand from 2030 on Coal 700 today due to transport(electromobility, wind and solar fuels) and heat(heat pumps, air conditioning) 600 500 Natural gas/oil Nuclear Imported electricity (wind/solar) 400 300 200 100 Geothermal electricity Photovoltaic Wind Blomass 0 Hydroalectric 2000 2010 2020 2030 2040 2050 그림 4-4 독일내재생에너지의예상도입규모 88 IEC White Paper

20% 이하에서 60~80% 로증가하려는목표를수립하였다. 독일이이러한목표를달성하기위해서는보다많은 EES 용량이필요하다. 그림 4-5는현재에비해 4배이상인 2030년의 Vattenfall 그리드내풍력생산시나리오를보여주고있다. 회색곡선은풍력을나타내며충전및방전할필요가있는에너지변동을보여주고, 검정곡선은실제부하를나타낸다. 검정면적안의오른쪽밝은청색필드는독일내양수발전의저장용량 (40 GWh, 7GW) 을나타내는데, 현재총에너지저장량의 90% 에해당하며보관할에너지의양 ( 검정면적 ) 으로는매우부적절하다. 그림 4-6은신재생에너지의계통연계를위해과거및현재의시간대별로필요한 EES 용량예측을보여준다 ste11. 단기및장기적으로필요로하는최대전력을공급하기위해서는상당량의 EES가필요하다. 2030년에필요한용량은다음과같이추정된다.( 최대전력에시간을곱하여산출 ) 시간 : 16 GWh 일간 : 170 GWh 주간 : 3.2 TWh 월간 : 5 TWh 총 : ~8.4 TWh 현재설치된 40 GWh PHS의용량은시간단위수요와일일수요의일부만을처리할수있다. 이러한시간및일일수요를추가적으로처리하기위해서는배터리같은전기화학 EES를사용할수있다. 이보다긴주간및월간수요의경우에는 CAES, H2 및 SNG 저장기술의적용이예상된다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 89

[MW] 35,000 30,000 Load curve and wind power in the Vattenfail grid Potential charge and discharge periods Data source: 50hertz Graph: LBST 25,000 20,000 CAES Huntorf 0.66 GWh Pumped Hydro Goldisthal 8.48 GWh Pumped Hydro Germany 40 GWh 15,000 10,000 5,000 Charge Discharge 0 23Jan 24Jan 25Jan 26Jan 27Jan 28Jan 29Jan30Jan 31Jan 01Fed 02Fed estimated wind power 2030(4 2008) load 2008 그림4-5 Vattenfall 그리드 ( 독일북-동부 ) 내부하곡선 ( 검정색 ) 및풍력 ( 회색 ): 2030년까지충전및방전규모를양수보관용량과비교 alb10 30 Distrbution of requirde peak power from residual load Requred Peak Load Power In GW 25 20 15 10 5 0 hour day week month 2007 2020 2030 2040 2050 Year Short term storage: Pumped Hydro, Stationary and Mobile Batteries, CAES, Flywheels Long term storage: Large PHS? H 2 +??? Store H 2 somehow 그림 4-6 시간에따른재생에너지원통합을위해필요한최대출력분포 90 IEC White Paper

4.2.2 가스그리드내상당량의에너지저장상당히큰에너지저장을위해, 전기화학 EES는비싸고너무많은공간이필요할수있다. 이에대한대안은전기를기존천연가스그리드에보관및배분하기위해수소나합성메탄가스로변환하는것이다 (2.4.1 및 2.4.2 절참조 ). 전기를수소로변환하는전체-사이클효율은약 55% - 75% 이고 SNG로변환하는것은 50% - 70% 수준이다. 독일에서기존천연가스그리드의보관용량은매우커서약 200 TWh( 배분그리드포함약 400 TWh) 이다. 기술적인관점에서, 가스품질에악영향을주지않고 10% 의질소를천연가스에주입하는것이가능하다. 질소가천연가스에너지의 1/3이기때문에, 7TWh의에너지를포함하는질소를천연가스그리드에주입하는것이가능하며, 가스그리드의어느지점에서든가스를고-효율가스발전설비 (~60%) 를통해다시전기로환원하는것이가능하다. 2030년에독일에서주간및월간 EES 수요는약 8.2TWh(4.2.1 절참조 ) 가될것으로전망되며, 이는가스그리드에수소를주입해서거의처리할수있을것으로예상된다. 이러한솔루션은가스그리드가존재하는국가에만해당되는데, 그렇지않은경우수소나합성메탄을추가적인고압용기 ( 일반적으로어려움은없다 ) 나동굴에저장해야한다. 4.2.3 Siemens의유럽 EES 시장예측신재생에너지의발전량이큰경우에발생하는문제들을해결할수있는 EES 시장의가능성에대한또다른연구를 Siemens에서수행하였다 wol11, hof10. 이연구는전체유럽을대상으로하며모든전기를신재생에너지로공급 ( 풍력 65%, 태양광 35%) 한다는극단적인가정을전제로수행하였다. 신재생에너지는에너지원의특성상인위적으로통제하기힘들기때문에, 지리적및 시간적인부분에서수요와공급사이에차이가발생할수있다. 이들사이에불일치가발 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 91

생할경우공급부족은화석연료를사용하는화력발전기와같은신뢰할수있는전력공급을통해보완된다. 이같은상황을피하기위해인접구역들간의상호협력강화를통해특정구역내지리적불일치를줄일수있으며, 시간영역불일치는 EES time shift 기능을통해해결할수있다. 여분의용량을줄이기위해 EES를단독으로사용할경우얼마나많은 EES가필요할지에대해서외부연결을통한보강이없는조건을가정하여시뮬레이션을실행하였다.( 그림 4-7 참고 ) 유럽은 83개구역들로분할되어있으며, 각각은다양한신재생에너지를혼용하고있고, 그림에서 EMix 1% PV 는 1% PV와 99% 풍력을의미한다. 유럽전체의경우, 65% 가풍력에의해 35% 가 PV에의해공급된다. 이결과는 EES가없을경우 30% - 50% 의부하가화석연료발전기를통해공급될필요가있음을보여준다 ( 그림 4-7의 0h ). 필요한용량은 1주일의부하에해당하는 EES를이용할수있는경우수요가 10-20% 로줄어 ( 그림 4-7의 7d ) 드는데, 이는 60 TWh 의 EES나연간수요의약 2%(3200 TWh) 에해당한다. 실제로 100% 신재생에너지를사용하는경우, 송전선로의보강과연간총수요의 2-8% 의 EES 용량이필요하다. 그값은계통연결부의보강정도와얼마나큰신재생자원의초과공급이발생하는지에달려있다. 시간및일일저장의경우, 연구에서는 PHS및전기화학 EES(NaS, Li-ion, LA 또는 RFB) 사용을제안하고있으며, 주간및월간수요의경우 CAES 및 H 2 를권장하고있다. 주간및월간수요에대한대안으로, 스칸디나비아국가들 ( 스웨덴, 노르웨이 ) 에서 TWh 범위와관련해서크고새로운 PHS에대해논의를진행하였으나, 이들을연결하기위해서는장거리송전선이필요할수있으며, 이같은송전선건설을위한자금문제는오늘날의관점에서어려울수있다. 4.2.4 IEA 에서예측한 EES 시장가능성 IEA( 국제에너지기구 ) 는전세계적으로방대한양의신재생에너지의도입에대응하기위 92 IEC White Paper

하여 EES 시장가능성에대한또다른연구를수행하였다 iea09. 이연구에서필요한 EES 의양은신재생에너지의출력변화와관련해서계산하였다. 1 backup enerqy [rel. to load] 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 EMix 1% PV EMix 39% PV EMix 100% PV 0.2 0.1 0 0h 1h 4h 12h 1d 7d 30d 90d storage capacity [time avg. demand] 그림 4-7 EES 용량과관련해서필요한백업에너지 wol11 그림 4-8에나타난바와같이, 필요한 EES양은신재생에너지도입과가정으로산출한신재생에너지의출력변화에따라증가한다. 예를들어, 순수한풍력의변화가그정격출력의 30% 라고가정하는경우, 서유럽에서필요한 EES의양은풍력발전의예상되는증가에보조를맞추기위해 2010년 3GW에서 2050년에 90GW로증가한다. 2050년에필요한 EES의양은 15% - 30% 의가정한풍력의순수출력변화율에따라 50 GW에서 90GW까지변할수있다. 그림 4-9에서, 지역별로필요한 EES의양은신재생에너지도입예측을토대로한다. 서유럽과중국에서높은신재생에너지의도입이예상되기때문에, 두지역의 EES 잠재시장은상대적으로크다. 2050년에전세계적으로필요한 EES의양은각각 15% 나 30% 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 93

의재생에너지변화율에따라 189 GW 나 305 GW로예상된다. 지리적으로완전하게분포되었을경우를가정한다면현재총 EES 용량 ( 주로 PHS) 은 100 GW, 혹은그두배또는세배의 EES가필요하게될것이며, 그렇지않은경우에는훨씬증가할것이다. 4.3 차량에서그리드로의전달개념 전기차량의발전가능성및확산으로인해, 차량배터리에서그리드로전력을공급할가능성이상당히증가하였다. 독일연방정부는 2020년까지최대 1백만 EVs 로예측하였으며 bmw10, 하이브리드및순수 EVs 차량을포함한평균용량은차량당약 20 kwh이다. 이들용량의약 30% 가사용된다는가정에따라, 에너지저장을위해약 6 GWh를이용할수있을것이다. 2011년에약 40 GWh였던독일의양수발전저장과비교할때, 약 15% 정도의용량을추가로공급할수있게된것이다. 120 Assumed Variation 2050(Wind: 25%) Storage Capacity(GW) 80 40 Existing 33GW 2015(Wind: 18%) 2010(Wind: 10%) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Net Variation of Wind Power(%) 그림 4-8 풍력과가변성에따른서유럽의필요저장용량 shi11 94 IEC White Paper

120 Total 189GW Capacities(GW) 150 100 50 Existing Storage: 100GW USA CHI WEU 0 2005 2015 2025 2035 2045 Years Capacities(GW) 50 WEU CHINA USA CSA Comparison of Storage Capacities in 2050 With High Share Renewables AUS JAP CAN 0 그림 4-9 지역별필요저장용량 ( 풍력변화율 : 15%) shi11 IEA는신재생에너지출력변화완화를위한 EV 배터리에대한전세계적인연구를수행하였다. EV 배터리가차량 그리드 (V2G) 기술을통한 time shift와단기변동안정화에사용되는경우, 두시나리오에서 EES를 189 GW에서 122 GW로혹은 305 GW에서 280 GW로줄일수있다 (4.2.4 절참조 ). 이들용량들을사용하는경우, 그리드운영자는단기시간이동범위가보다넓어지고더높은수준의신뢰도를보장할수있다. 전기자동차의전력공급을위한인프라가아직준비되지않아저압전력그리드의보강이필요한상황이며, 그렇지못할경우선로의송전용량을초과할수있다. 또한, 자동차와그리드운영자간의통신을위해소비자가수용할수있는지능형시스템이필요할수있다. 이러한소비자의승인은 V2G의성공에중요한역할을하게된다. 차량소유자 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 95

가배터리를소유하지않고임대하거나배터리비용을부담하는요율에따라전기요금 을지불하는등현재다양한비즈니스모델이논의되고있다. 4.4 향후 EES 시장가능성 본절에서는시장가능성에대한몇가지연구에대하여언급하였으며, 다음과같은결 론을얻을수있었다. 1) 향후 EES에대한시장은기존시장보다훨씬더큰규모로확대될전망이며, 전기자동차같은새로운애플리케이션을포함하여, 주로신재생에너지원의이용확대와에너지부문의변화에의해성장할것이다. 시장의규모는향후신재생에너지비율과여러지역들에따라변화할것이다. 표 4-1 EES 는타당성, 향후가능성그리고향후연구및개발필요성을제시한다 (Fraunhofer ISE) PHS CAES FW LA NiMH Li-lon Me Air NaS NaNiCl RFB HFB H 2 SNG DLC SMES Therm Time Shifting Power Quality Utillty Network Efficiency Off-Grid Emergency Supply Consumer Time Shifting Power Quality Electric Vehicle Renewable Time Shifting Effective Connection Feasible today Needs further stringent development&mass production Needs fundamental research and development of production methods 96 IEC White Paper

2) 추가적인비용절감과기술개발이진행되는경우, 수요이전, 신재생에너지출력안정화및기존발전효율을개선하는등 EES 시스템을광범위하게활용할수있다. 3) 유럽의연구에서는신재생에너지출력의변동을보상하기위한 EES 기술에대한전망을확인할수있다. 대규모풍력터빈및 PV 설비들은 2시간에서하루동안전기를방전할수있는여러 EES 시스템을필요로하는데, PHS와 CAES 같은대규모 EES 설비가적절한것으로예상된다. 하지만, 독일이나일본같은많은국가들에서는적절한지리적요건이나지질구조의어려움으로인하여 PHS와 CAES를적용하기에는무리가있을것으로판단된다. 4) 수시간에서수일까지의방전시간에대해 NaS, Li-ion 및 RFB 같은 MW-MWh 범위의전기화학적 EES의폭넓은도입이예상된다. 5) 장주기에너지저장은높은신재생에너지비율을얻는데필수적이다. IEA 보고서에서는신재생에너지의추가적인설치가화력발전기전력제어에서비효율과단기출력변동을초래한다는것을보여주고있으며, 이러한시나리오는신재생에너지- 도입목표를높게설정한서유럽과중국에서발생할것으로전망된다. 6) 수일에서수개월까지보다긴시간의방전시간을처리하기위해수소및 SNG 기술의개발이필요한실정이며, 유럽지역에서는잘구축된천연가스그리드와지중저장소가 H 2 및 SNG 저장소로 ( 부분적으로 ) 사용될수있다. 7) EV 배터리같은여러소규모분산배터리를사용하는스마트그리드기술이활성화될것으로전망되지만, 모든 EV 배터리들이이같은목적으로사용된다고해도향후 EES에대한수요를충족하기에는부족할것이다. 이들연구를고려할때, 표 4-1 은특정애플리케이션과향후연구및개발이필요한분 야에대해 EES 기술이타당하거나타당해질수있다는것을보여준다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 97

상기결론에더해서, 표 4-1은리튬 -이온이여러애플리케이션에매우큰가능성이있음을보여주지만, 비용효율성을얻기위해서는추가개발및대량생산이필요하다. 전력회사에서는 time shift를위하여 CAES, RFB 및 H 2 도적용할수있으며, 이를위하여비용효율성을얻기위해서기술개발및대량생산이필요한상황이다. 또한, HFB 및 SNG 도이애플리케이션에적용할수있으며, 안정적이고비용효율적인제품을얻기위해서추가적인기초연구와개발이필요하다. 98 IEC White Paper

5 장 결론및권장사항들 5.1 운전자, 시장, 기술 본논문의처음 4장에서실질적, 사실적, 객관적부분에서부터현재절에이르기까지일관된그림을그리기위한결론을도출하려고노력하였다. 이를통해정책 ( 규제포함 ), 연구및개발, 그리고표준화의영역에서권고사항들을만들수있었으며, 이에대해서그림 5-1에서정리하고자한다. 전기시장에서, 전체적이고지속적인목표는 CO 2 감축과보다효율적이고신뢰할수있는전기를공급하고사용할수있도록하는것이다. IEC 는전기에너지저장이이들공공정책목표달성에필수불가결한요소가될것을확신하며, 에너지저장장치의배치에정책 - 결정자와규제자들의장기적이고강력한지원의필요성을강 조하고있다. 이들목표에따라, 향후 EES 의미래를결정하는 3 가지추진요인을파악하였다 (3 장참 고 ). 신재생에너지생산의예측가능한증가, 스마트그리드의설계및시행, 그리고여기 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 99

Objectives CO 2 reduction More efficient and reliable electricity Drivers Renewable energies Smart Grid Dispersed generation/microgrid Market forecasts Total EES market Conventional large-scale Long-term storage Dispersed storage Technological and practical implications Batteries H2/SNG (synthetic natural gas) Lifetime costs Control / interoperability Recommendations a) Policy recommendations b) R&D recommendations c) Standards recommendations 그림 5-1 논리적발전형태의결론 서는단순히 마이크로그리드 라고부르는전기에너지의분산된발전및관리확산이그것들이다. 이들추진요인들은서로간에일부만독립적이다. 신재생자원은명확하게마이크로그리드를촉진및필요로하며신재생자원과분산된자원모두스마트그리드를요구한다. 그러나, 본논문에서는 3가지추진요인들이일반적으로전기에너지저장시스템의미래를조정하는서로다른측면들을다루고있음을보여주었다. 이들추진요인들이 EES 에대한향후수요에미치는결과는편의상전체 EES 시장, 전 통적인대규모시스템 ( 예, 양수발전저장, PHS ), 장기저장소 ( 예, H 2) 그리고분산저장소의 100 IEC White Paper

4개의시장구획으로나눌수있다. 어떻게이들시장들이개발될지는어떤기술이가장필요한지와, 향후개발할종류에어떤기술이적합한지, 시행과시장도입에영향을주는고려사항들은무엇인지, 그리고실행시어떤문제점이발생할수있는지에달려있다. 이전장들에서이미다뤘던것을넘어서는일련의복잡한요인들은여기서제시하지않는다. 4가지의측면들을나타내는데, 2가지는기술적유사성 ( 배터리및 H 2/SNG) 이고두가지는제약 ( 수명비용및제어 / 상호운용성 ) 으로향후시장에서가장중요한부분이될것으로보인다. 끝으로, 이는행위자체로권고사항이되는데, 이들권고사항은다음의 3종류의다른대상자들을다루기위해아래와같이분류한다 : 규제자를포함한정책결정자, 연구및제품개발을결정하는회사및실험실, 그리고모든 EES 시장참여자들이필요로하는표준을결정하는 IEC 가그것이다. 5.2 신재생자원및향후그리드와관련한결론들 많은연구에서 EES 가대규모신재생에너지도입에필수적임을보여주었다. 따라서 EES 의양과시기는신재생에너지개발속도에큰영향을받는다. 스마트그리드는진보된 IT 기술을사용해서유틸리티 ( 그리드 ) 측과고객측모두의설비들을연결한다. 이같은연결의혜택은저장소를이용할수있을경우에만얻을수있다. 따라서 EES는재난으로인한정전에대응하기위한기본요건으로서스마트그리드의핵심으로간주된다. 또한, 스마트그리드가분산된저장소를사용하고필요로할가능성도있다 ( 예, 로컬방식으로설치된배터리등 ). 이는여러분산된소형저장설비들의전체적인 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 101

제어가그리드 9 에통합될수있음을의미한다. 이는자율운영, 쉬운확장및다른그리드들과의조율이향후 EES의중요한특성이된다는것을말한다. 마이크로그리드는커뮤니티, 공장, 건물등에서의 스마트 에너지사용에핵심요소가된다. 소규모 EES는전기에너지의공정하고경제적인소비를위해절대적으로필요하다. 비용효율을극대화하기위해, 마이크로그리드도그 EES를그리드에연결하고 ( 그리드와마찬가지 - 상기참고 ) 소비된전기에너지의양을매끄럽게증감하도록조정하도록요구한다. 발전또는저장분산시설의경우 ( 예를들어, 스마트하우스또는전기자동차내 EES) 일반적으로시설이용방법을결정할권리를우선적으로갖는최종소유자가보유한다. 이는집중된시설들에적용하는조건이분산된것들에적용하는것과차별화되는정책및규제체제가필요함을의미한다. 5.3 시장과관련한결론 전체 EES 시장은크게확장될것으로예상되지만, 여전히비용은매우중요하게고려하여야할요소이다.(5.4 절참조 ). 이는 R&D와정책목표에대한매우구체적인의미를갖는다. 또한, 관련표준들 ( 일정한시장을형성또는확장함으로써비용절감 ) 을즉시이용할수있어야한다는것이아주큰영향을준다는것도나타낸다. 전체시장중일부는신재생에너지의도입을위한 PHS 같은전통적인대규모 EES가될것이다. 매우큰 (GWh 및 TWh 규모 ) 시설들에대한필요도증가하게되며, 일부애플리케이션에서전통적인발전기와같이작동할필요가있다 ( 총에너지에대한제한에도불구하고 ). 9. 하나의실제에너지저장소설치. 102 IEC White Paper

매우큰신재생에너지출력을얻을때, 저장기간이최대수개월에달하는장기적인에너지저장이필요한데, 이는매우큰저장용량을의미한다. 가능한솔루션은수소및합성천연가스 (2.4 및 4.2.2 절참조 ) 를이용한새로운 EES를개발하는것인데, 이들의개발은전통적인 IEC의업무범위를넘는화학적및공학적연구와관련되며, 특정한권고사항이발생할것이다. 고객의장소에저장소를설치해서스마트그리드및마이크로그리드를이용하는경우, 소규모시장과분산된 EES도꽤클것으로예상된다. EES는다중분산저장소들을통합하는방식으로단일애플리케이션뿐아니라몇가지용도에서동시에사용될것이다. 5.4 기술및배치와관련한결론 신재생에너지 (RE) 시장이성장하면, EES 시스템시장, 특히소규모및분산된시스템에대한시장도함께확장될것이며, EES의그리드연결과관련한기술사양및규제를필요로한다. 신재생에너지를포함한분산된발전설비의상호연결을조사하였으나, 주로신재생에너지와관련된 EES 설비와의연결등에서전력품질및안전과같은문제들은아직완전하게연구되지않았다. 따라서, EES를그리드에원활하게연결하기위해서는추가적인기술요건들과필요한규제적요건들을조사할필요가있다. 비용민감도를고려할때, 비용절감은매우중요하다. 이를위해, 수명비용을고려해야하며, 단순설비비용뿐아니라운영및폐기비용도고려해야한다. 전체설비비용의일부로서낮은원자재비용이 EES 기술의특정선택기준이될수있다. 또한, 3.2 및 3.3 절에서설명한바와같이, 전체그리드의매우다른부분들간의상호운용성이보장되어야하며, 복잡한제어역량도가용성과전체적효율에서필수적이다 10. 한국가에성공적 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 103

인배치는비용을조절하고가용성을보장하는데도움을줄수있는 EES 공급산업 의 규모와건전성에도영향을받을수있다. 연구에서언급한 3가지저장기술들이가장중요한것으로볼수있다. 기술적성숙도감소시키기위해, 양수발전 (PHS), 전기화학적배터리, 그리고수소 / 합성천연가스를사용한다. 그림 5-1 에서는 PHS 보다더개발이필요하고이둘이서로다른방식이기때문에마지막 2가지만이언급된다. 배터리는주로비용을줄이기위해그리고일부기술들의경우에너지밀도를증가시키기위해서도개발이필요하다. 수소 /SNG는물리적시설, 기존가스사용과의상호작용, 최적화학공정, 안전, 신뢰도및효율을포함해서추가로광범위한연구및개발을해야한다. 5.5 정책 - 결정자및규제자에대한권장사항 권장 5.5.1 - 전통적저장소개발을위한공공지원신재생에너지의비용을크게증가시키기위한의도를고려할때, IEC는정책-결정자들이부지선정및공사의어려움에도불구하고양수발전같은전통적저장소의추가개발을심각하게고려할것을권장한다. 권장 5.5.2 - 수개월단위의장기적저장소 IEC 의연구에서는많은정부들이향후전기를어떻게만들고관리할지에대한현재의 계획을보여주었는데, 이러한계획은수 -TWh 범위의장기적인저장소가없이는이행할 10. 수행의이측면은관련된국제기준의존재에특히의존할것이다. 104 IEC White Paper

수없다. 따라서, 정책결정자들은장기적으로매우큰용량의저장소를만들기위한조 치가공적측면에서필요하며민간부문에서그역할을수행할수있도록인센티브를주 는등다양한방안을권장하고있다. 권장 5.5.3 - 에너지부문들간의협력 ; 일관된규제들천연가스에첨가하는수소및합성천연가스는에너지저장기간및용량으로인해향후전기그리드에필수적인요소가될것이다. 따라서, IEC는규제자들이인프라이용을포함해서, 전기및가스에너지시장간에필요한모든협력을위한조건을만들것을권장하고있다. 권장 5.5.4 - 저장소개발및운영을위한인센티브 IEC는정책결정자들이공공정책목표를달성하기위하여저장소배치를장려하도록권장하고있다. 신재생자원을통하여발전된전력의장기적잉여에너지저장이경우에따라서는기존화석연료발전소에서추가로생산한것보다더비싼경우가있다. 그러나, 향후그리드에필요한저장소는민간행위자들이저장소를확보및운영하는경우에만이용이가능해지며, 재정적인센티브를포함해서관련규정이자주필요해진다. 민간소비자-보유저장소와규제그리드에직접연결된저장소간에차별화를위해규제체계도필요할수있다. 권장 5.5.5 - 저장소연구를위한공공정책및투자 IEC의연구에서는집중적인연구및개발이필요한몇가지분야들에대해설명하고있으며, IEC는정부와연구를담당하는당국이그연구정책을수정하고저장소개발을위한바람직한목표에투자를하도록권장하고있다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 105

권장 5.5.6 - 마이크로그리드도입에대한잠재적장벽기존의일부규제체계가마이크로그리드또는그저장요소의도입을가로막고있다. IEC는마이크로그리드가향후전력공급에필수적이기때문에이러한규제를수정하도록권장하고있다. 권장 5.5.7 - 새저장소기술의안전을위한규정 IEC는과거다른영역에서와같이새저장기술의안전성에대해국제적으로합의된표준에따를것을기대한다. 규제자가이안전을보장하기위한요건을예측하고조정된규정을토대로하는적절한국제표준의형성에기여하도록권장한다. 권장 5.5.8 - 새저장기술에대한환경적규제새로운저장기술은자연및인간환경을보호하는데대해재료, 조건및토지이용과관련한새로운도전을나타낼수있다. IEC는규제자가표준을마련하고국제적으로합의된기술적기반에따라새로운규정을수립해서다른국가들과지역과의불필요한차이를피할수있도록권장한다. 5.6 R&D 수행연구기관및회사들에대한권장사항 권장 5.6.1 - 저 - 비용재료및제조를목표로하는 R&D IEC 는낮은원료비용과저비용질량생산기술가능성을갖는 EES 기술에대한표적 연구및개발을권장한다. 106 IEC White Paper

권장 5.6.2 - 재생자원과저장소와의상호작용에대한연구필요한저장소의사양과크기가재생에너지에큰영향을받기때문에, IEC는재생에너지에서저장소가결과적으로충족해야하는전력시스템과기능에미치는영향을추가로연구할것을권장한다. 권장 5.6.3 - EES에사용된수소및합성천연가스에대한 R&D 전기저장을위한수소의저장및사용, 합성천연가스의생성및사용은상대적으로새로운기술이다 ; 특히그신뢰도와비용에대한개선이필요하며, 기존가스공급및배전망을이용하는과정에서인프라, 시스템운영및안전과관련한기술적및조달문제가발생할것으로예상된다. IEC는발전부문, 가스부문및연구실험실이이들영역에대한협력연구및개발에노력할것을권장한다. 권장 5.6.4 - 다기능저장관리시스템개발 IEC 는 IEC 연구에서설명한많은애플리케이션을위한단일저장시스템을사용할수있는저장소관리시스템을개발하도록업계에권장한다. 제어할배터리의종류에상관없이기능하는컨트롤러및관리시스템이필요하다 11. 또한, 통제기술은애플리케이션에여러참여자들 ( 그리드운영자, 최종-사용공급자, 소비자 ) 이관련되었을때에도기능해야한다. 권장 5.6.5 - 그리드이용을위한로컬저장소개발 IEC 는업계및발전사에저장소의로컬목적과계통목적 12 모두에서효율적이고합리 적으로이용할수있는기술개발을권장하며, 이를통해많은분산저장설비를단일의 11. 여러기술들을가지는배터리에대한제어의표준화를언급한권장 5.7.4를보라. 12. 예, 배터리 SCADA - 3.3.4 장을보라. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 107

큰시설로사용할수있을것으로예상된다. 권장 5.6.6 - 차량-> 그리드및차량 가정기술개발전기자동차배터리가그리드규제및차량외부전기사용을위한저장원으로써사용될가능성이있기때문에, IEC는차량 그리드및차량 가정기술의연구및개발을권장하고있다. 권장 5.6.7 - 구조 IEC 연구에서권장한많은표준들의전제조건은저장을위한우수한구조와관리 / 제어체계의존재인데, 현재는이를이용할수없다. IEC는실험실및업계에 IEC와함께표준에대한기준으로서사용할수있는구조와관리체계개발에참여할것을권장한다. 5.7 IEC 및그위원회에대한권장사항 권장 5.7.1 - 수소및 SNG 표준에필요한협력 MSB는 IEC에그간거의접촉이없었던 ISO 및업계와긴밀한협력을통해수소그리고천연가스및석유같은합성천연가스 (SNG) 저장영역에대한향후솔루션표준화수행을권장한다. 권장 5.7.2 - EES 시스템의구조 IEC의연구는모든그리드-관련상황에서저장소의역할및기능을현재이용할수없다는데대한완전하고, 공유된이해를보여준다. MSB는따라서, IEC에 EES 구조와 EES 시스템에대한기본표준을개발하도록권장하며, 이를토대로기타모든표준들을수립 108 IEC White Paper

할수있다. 권장 5.7.3 - 저장소계획수립및설치에대한사용자지침저장소솔루션의성공적인시행을결정하는요인들중하나는여러기술의비용과기능에대한참여자의이해도이다. MSB는 IEC에특정애플리케이션에각특정기술 ( 제품의종류 ) 을계획및사용할때적용하기위한제안된기준을포함하는사용자지침개발을권장한다. 저장기술거동및특성에대한데이터에더해서 ( 속도, 출력, 에너지 ), 전체사이클비용, 폐기비용, 규제고려사항들및환경적장점및단점에대한정보를포함할필요가있다. 권장 5.7.4 - 인터페이스, 제어및데이터요소표준 IEC 연구의일부요소들은 EES 설비의제어및상호연결필요성이아주시급하다는것을보여준다 : 마이크로그리드와그그리드연결부내소규모저장소, 단일가상상점, 여러조직들 ( 발전소소유자, 그리드운영자, 전기판매자 ) 이공동으로사용하는시스템및여러애플리케이션등과다른기술들과의저장시스템통합. 관련표준이존재하지않는한, MSB는 IEC에저장소및기타그리드요소, 데이터교환을위한프로토콜과제어규정그리고저장시스템에공급된입력, 출력및제어정보를위한데이터요소를신속하게표준화하도록권장한다. 권장 5.7.5 - 송전혼잡완화를위한시스템표준많은양의신재생에너지도입은송전시스템혼잡을초래하게되며, 이때저장소가솔루션이될수있다. 풍력단지와결합된저장소로구성된하이브리드시스템등일부통합시스템의경우, 적절한기능을위해표준화가필요하다. MSB는 SMB에필요한표준수립에착수하도록권장한다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 109

권장 5.7.6 - 비용에영향을주는장치크기및기타인자들에대한표준저장소의수명비용감축에는무엇보다도관련장비의대량생산을가능하게하는표준화된 EES 장치크기와기술적특징들같은표준범위를필요로한다. 따라서, MSB는 SMB에이들프로젝트를시작할것을권장한다. 권장 5.7.7 - 새저장기술의안전성가까운미래에전기에너지의저장과관련한새로운기술의급격한발전과소비자들의설비증가로인해안전에대한규정이새로제정될예정이다. 동시에, 사회및정부는시스템을실제배치하기전안전이보장되는것을바랄것이다. 따라서, MSB는 SMB가신속하게저장소안전표준을개발하도록권장하고있다. 권장 5.7.8 - 환경과 EES의양립성 EES 규모, 영향및재료는새로운기술이개발되는것을고려한환경에미치는영향과관련이있다. 국제표준이없을경우, 규제요건들은지역마다다를수있으며, 이는제조사및소유자에게불필요한부담을가할수있다. 따라서, MSB는환경과양립할수있는 EES 표준개발을가능한빨리완료하도록권장한다. 110 IEC White Paper

부록 A 전기에너지저장기술에대한기술적개요 표 A-1 EES 에대한기술데이터개요 (Fraunhofer) Battery Technology Nominal Voltage [V] Capacity per cell [Ah] Response Time Energy Density [Wh/kg] Energy Density [Wh/l] Power Density W/l PHS - - min 0.2 2 0.2 2 0.1 0.2 CAES - - min - 2 6 0.2 0.6 Flywheel - 0.7 1.7 MW < sec 5 30 20 80 5 000 Lead acid 2.0 1 4 000 < sec 30 45 50 80 90 700 NiCd Vented sealed 1.2 2 1 300 0.05 25 < sec 15 40 30 45 15 80 80 110 75 700 (vented) NiMH sealed 1.2 0.05 110 < sec 40 80 80 200 500 3 000 Li-ion 3.7 0.05 100 < sec 60 200 200 400 1 300 10 000 Zinc air 1.0 1 100 < sec 130 200 130 200 50 100 NaS 2.1 4 30 < sec 100 250 150 300 120 160 NaNiCl 2.6 38 < sec 100 200 150 200 250 270 VRFB 1.6 - sec 15 50 20 70 0.5 2 HFB 1.8 - sec 75 85 65 1 25 Hydrogen central decentral - - sec min 33 330 600 (200 bar) SNG - - min 10 000 1 800 (200 bar) 0.2 2 2.0 20 0.2 2 DLC 2.5 0.1 1 500 F < sec 1 15 10 20 40 000 120 000 SMES - - < sec - 6 2 600 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 111

Typical Discharge time Energy- Effi ciency ηwh [%] Lifetime [a] Typ. Cycle Lifetime [cycles] Typical applications hours 70 80 > 50 > 15 000 Time shifting, Power quality, Emergency supply hours 41 75 > 25 > 10 000 Time shifting seconds 80 90 15 20 2*10 4 10 7 Power quality hours 75 90 3 15 250 1 500 Off-Grid, Emergency supply, Time shifting, Power quality hours 60 80 60 70 5 20 5 10 1 500 3 000 500 800 Off-Grid, Emergency supply, Time shifting, Power quality hours 65 75 5 10 600 1 200 Electric vehicle hours 85 98 5 15 500 10 4 Power Quality, Network effi ciency, Off-Grid, Time shifting, Electric vehicle hours 50 70 > 1 > 1 000 Off-Grid, Electric Vehicle hours 70 85 10 15 2 500 4 500 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid hours 80 90 10 15 ~ 1 000 Time shifting, Electric vehicles hours 60 75 5 20 > 10 000 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid hours 65 75 5 10 1 000 3 650 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid hours weeks hours weeks 34 44 10 30 10 3 10 4 Time Shifting 30 38 10 30 10 3 10 4 Time Shifting seconds 85 98 4 12 10 4 10 5 Power Quality, Effective Connection seconds 75 80 *) *) Time Shifting, Power Quality *) 애플리케이션에대한경험부족 112 IEC White Paper

부록 B 스마트마이크로그리드에서의 EES 스마트마이크로그리드확장가능한구조의두가지예시를제공한다 ( 그림 B-1). Panasonic 그룹 (Sanyo) 은일본 Kasai 공장에서리튬이온배터리를사용하는큰-확장식저장배터리시스템을갖춘스마트마이크로그리드를개발하였는데, 이시스템은 2010 년 10월에설치되었다. 이시스템은배터리에심야전기와잉여태양전기를충전하고낮동안에사용하였다. EES 시스템은배터리박스 1000개이상이며, 각박스는 31218650 셀배터리로구성된다. 따라서, 시스템은 30000018650 셀이상으로구성된다. 전체 EES 는배터리관리시스템과함께하나의배터리처럼사용하였으며, EES의용량은약 1500 KWh, PV 시스템은 174060 kw DC 전력을공급할수있었다. 이시스템은컨트롤러로제어하는전체에너지관리시스템을통해피크시간에 15% 이상의전력을차단할수있다. 다른예시로는일본의차세대편의점에대한스마트마이크로그리드시스템 (EES 애플리케이션 ) 을들수있다 ( 그림 B.2). 재난에의한정전시에도, 이시스템은재생에너지를사용해서연중무휴로 POS(point-of-sale) 장치, LED 조명및기타영업에필수적인기능들에전기를공급할수있다. 이시스템은교토에위치하고있으며 2010년 12월에영업을시작하였으며, 리튬이온배터리와 10kW PV를사용하였다. 01. 전기저장장치 (Electrical Energy Storage, EES) 113

PCS Batteries consist of 18650cells 18650Cell 그림 B-1 공장의배터리관리시스템 (Sanyo, IEC MSB/EES Workshop, 2011) Battery Management System PV Lighting POS Charge Discharge Outlets Showcase HIT is a registers trademark of SANYO Electric Co., Ltd 그림 B-2 차세대편의점 (Sanyo, IEC MSB/EES Workshop, 2011) 114 IEC White Paper

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