ESS의 현황과 전망

ESS의 현황과 전망

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<목차>

 

1. ESS란?

2. ESS의 응용 분야

3. ESS의 과제와 전망

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1. ESS란?

 

전기는 현재 인류문명에 있어서 가장 중요한 에너지의 형태이다. 에너지는 액체(석유), 기체(가스), 고체(석탄) 등 다양한 형태로 존재하고, 또 같거나 다른 용도로 사용된다. 전기에너지는 이동·냉난방·통신 등 인간의 의식주와 같은 모든 활동의 영역에서 사용되고 있다. 그러나 다른 에너지원으로부터 변환된 전기에너지는 보이지 않을 뿐만 아니라 가장 결정적으로는 담아두기 어려운 즉, 저장하기 어려운 에너지라는 특징이 있다. 현대의 전력시스템은 변전소에서 계측된 전기수요를 바탕으로 하여 실시간으로 발전소의 발전량을 정교하게 조정함으로써 수요와 공급의 균형을 맞추어서 안정적으로 운영되고 있다. 자연재해나 발전설비의 예기치 못한 고장 등 사고로부터 이러한 수급균형이 무너지고 이에 대한 대응이 즉각적이지 못할 때는 대규모 정전이 발생할 수 있다.

이렇게 정전 등으로 전기가 공급되지 않을 때 전기에너지를 저장할 수 있는 장치가 있다면 이를 이용하여 즉시 전기를 공급받을 수 있게 된다. 이러한 에너지 저장장치와 그 변환장치로 구성된 시스템을 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)이라고 한다. 가장 대표적인 ESS의 사례가 배터리에너지저장시스템(Battery ESS, BESS)이고 평시에 충전기로 배터리에 충전해 두고 필요시에 직접적으로나 혹은 전력변환장치(직류-교류 변환장치)를 통해서 전기를 공급받을 수 있다. 정전으로 인한 데이터의 손실이나 서비스 장애 등이 문제가 되는 은행, 데이터 센터, 중요설비의 제어시스템 등은 이러한 전원설비를 갖추고 있는데 이를 무정전전원장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)라고 한다.

 

그림 1 ESS의 구성과 적용 목적

 

ESS 중의 하나인 배터리는 전기에너지를 화학적인 에너지로 저장하는 2차전지(리튬전지, 나트륨전지, 납축전지 등)와 전자기적으로 저장하는 슈퍼커패시터(Super Capacitor)가 있다. 배터리가 아닌 물리적으로 에너지를 저장하는 방식도 있는데 운동에너지로 저장하는 플라이휠(Flywheel) ESS나 물을 위치에너지로 저장하는 양수발전(Pumped Hydro), 공기를 압축하여 저장하는 압축공기 ESS(Compressed Air Energy Storage, CAES) 등이 있으며 저항이 거의 없는 초전도선에 전기를 저장하는 초전도에너지저장장치(Superconducting Magnetic ES, SMES)나 전기에너지를 수소 등 가스로 저장하는 P2G(Power-to-Gas) 기술도 ESS에 포함된다. 각 ESS는 저장 용량이나 응답속도 등 기술적 특성과 경제성 측면에서 장단점들을 가지고 있어 적용 목적에 따라 적절하게 활용된다.

가장 대표적인 배터리 ESS에 대해서 좀 더 자세히 살펴보면 반복적인 충전과 방전이 가능한 2차전지의 대표는 납축전지이다. 납축전지의 장점은 오랫동안 자동차, 산업 현장 등 다양한 분야에 적용해옴으로 인한 안전성과 저렴한 가격이다. 단점으로는 낮은 에너지저장밀도 즉, 단위 중량당 저장할 수 있는 에너지량이 낮다는 것과 수명이 비교적 짧다는 점이다. 가볍고, 안전하고 장기간 사용할 수 있는 배터리의 개발이 진행되어 왔으며 최근 적용 분야를 넓히고 있는 것이 리튬전지이다. 리튬전지는 모바일 등을 통해 기술이 입증된 리튬이온전지와 대용량·고출력 특성이 좋은 리튬폴리머 전지가 ESS 시장에서 경쟁하고 있다. 리튬전지의 제작사로 국내는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK 이노베이션 등이 있고 중국의 CATL, BYD, 일본의 파나소닉 등이 글로벌 상위권을 차지하고 있다.

그림 2 컨테이너형 ESS의 구조

 

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2. ESS의 응용 분야

 

최근 ESS는 무정전전원을 넘어 다양한 적용 분야로 확대되면서 시장이 급성장하고 있다. 먼저, 주파수조정(Frequency Regulation, 이하 ‘FR’)용 ESS를 들 수 있다. 전력시스템은 실시간으로 변하는 수요와 공급의 균형을 맞추기 위해 운영예비력을 확보해야 하는데 이를 위해서 가동 중인 발전기 출력의 일부 혹은 전부를 수급조절하기 위한 예비력으로 활용하게 된다. 그러나 예비력으로 활용될 경우 그 용량만큼 에너지 공급서비스를 하지 못하므로 기회비용이 발생하며, 또 예비력 자원으로서의 기술적인 요건을 충족하기 위한 비용을 보상해야 한다. 이 예비력 자원을 기존의 발전기 대신에 ESS를 활용하는 것이 FR용 ESS이다. ESS를 적용할 경우 발전기보다 빠른 응답과 정확성을 보장할 수 있으며 시간과 비용 측면에서도 유리하기 때문이다.

휴가철에 여행객의 일시적인 증가로 숙박이나 항공비용이 올라가는 것은 수요에 비해 공급 가능한 호텔이나 항공기가 제한적이기 때문이다. 에너지 부문에서도 공급 측면에서 단기간에 발전설비를 확충할 수 없기 때문에 수요 측면에서 피크요금제(계시요금제), 누진요금제 등 요금제도를 통해서 수요를 억제 혹은 분산시키는 방식을 우리나라를 비롯한 대부분의 나라에서 적용하고 있다. 이 경우 동일한 전기에너지를 사용해도 사용한 시점과 누적 구간에 따라 전기요금이 달라지게 된다. 이러한 문제는 ESS를 활용하여 해결할 수 있는데 심야 같은 싼 요금대 시간에 전기를 ESS에 저장하고 이를 비싼 피크요금대 시간에 방전함으로서 수용가는 에너지비용을 절감할 수 있다.

세계적인 탄소중립 전략에 따라 에너지 공급 부분도 화석연료 기반에서 태양광, 풍력 같은 재생에너지로의 에너지 전환이 진행되고 있다. 그러나 이러한 재생에너지전원은 자연조건에 따른 간헐적 출력 특성이 있으며 또한 발전 시점이 수요 시점과 다를 수도 있다. ESS는 전력수요가 낮은 시점에서 신재생 설비가 발전하는 전기를 저장했다가 필요시 사용하거나 혹은 간헐성에 따른 변동성을 흡수(평활)하여 전력망에 미치는 영향을 최소화하는 용도로 활용될 수 있다.

그림 3  한전의 FR용 ESS

 

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3. ESS의 과제와 전망

 

전술한 ESS의 종류와 적용 분야에 있어서 현재의 과제는 경제성 확보와 비즈니스 모델의 확립이다. ESS는 높은 효용과 가치에도 불구하고 높은 초기 투자비로 제한을 받는다. 경제성과 비즈니스 모델은 시스템 비용 감소와 요금제도, 정책 등에 영향을 받는다. 시스템 비용은 기술개발의 진척과 시장 확대에 따라 꾸준히 낮아지고 있지만 포괄적인 보급과 활용을 위해서는 현재보다 더 낮아져야 한다. 지속 가능한 비즈니스가 되기 위해서는 요금제도 및 지원제도 등이 개선되어야 한다.

탄소중립을 위한 에너지전환은 세계적인 추세이고 이에 따라 신재생전원의 대량 보급은 필연적이며 이는 덕커브(Duck Curve)1)에 대응하는 기존 발전기의 응답성 제약, 간헐성에 기인한 전력품질의 악화, 신재생전원의 출력제한(Power Curtailment)을 야기하는 잉여전력 발생, 기존 전력망에 대한 수용 능력(Hosting Capacity) 한계 등의 기술적인 문제를 지속적으로 노출하게 될 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로서 ESS는 납이나 리튬 배터리 기반에서 양수발전, 흐름전지, 압축공기저장장치 등 대용량, 장주기 ESS의 개발과 상용화가 시급하다 할 것이다. 뿐만 아니라 현재까지의 단순한 비즈니스 모델에 따른 제어 및 운영기술도 대량 보급과 보조서비스 시장의 개설에 따라 보다 정교하고 다양한 기능으로의 기술개발이 필요할 것이다.

 

1)하루를 기준으로 태양광발전이 급증하면 태양광을 제외한 발전원의 전력 수요가 낮은 상태를 유지하다 일몰 후 전력 수요가 급상승하는 현상으로, 이를 그래프로 그려보면 마치 오리 모양과 닮았다고 해서 붙여진 이름이다. 즉, 오전에 태양광발전이 출력을 내기 시작하면 전력의 공급과 수요를 맞추기 위해 기존의 화력발전소 등은 출력을 급격히 줄여야 한다. 반면, 늦은 오후에는 반대로 태양광 출력이 줄어들어 타 발전소들이 출력을 급격하게 올려야 한다. 원자력은 출력변동이 불가능하고, 석탄화력발전소는 시간당 출력을 변동하는 것이 제한되어 있기 때문에 문제가 될 수 있다. 따라서 양수, 수력, 가스터빈 등을 가동해야 한다는 것이다. 정리하자면, 신재생전원의 대량 보급에 따라 전력시스템의 유연성이 확보되어야 한다는 의미이고 그 방안 중의 하나가 ESS가 될 수 있다는 의미로 이해할 수 있다.

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저자

한국에너지기술평가원 ESS PD 안종보