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ESS의 종류 <2>

화학적 방법을 이용한 ESS



경일대학교 신재생에너지학부 박진남 교수



(지난 기사에서 이어집니다. http://blog.kepco.co.kr/1422)




지난 시간에는 물리적 방법을 이용한 ESS에 대해 살펴봤죠. 이번에는 화학적 에너지로 전기를 저장하는 ESS에 대해 알아보겠습니다.


화학적 ESS 중 가장 유명한 것은 배터리(2차 전지)에 전기를 저장하는 방식입니다. 보통 배터리를 이용한 전력저장시스템을 ESS라고 부르는데요. 정확하게는 BESS(Battery ESS)라고 부르는 게 옳답니다.


BESS의 저장용량을 키우기 위해서는 사용하는 배터리를 용량만큼 늘려야 해요. 그렇기 때문에 큰 저장용량의 ESS를 만들 때는 비용이 그만큼 많이 들게 되죠. 배터리로는 리튬이온배터리가 주로 사용되며, 그 외에 고온에서 작동하는 나트륨-황 배터리(NaS Battery) 등도 널리 쓰인답니다.




BESS의 속을 들여다보자


BESS는 크게 배터리, BMS(Battery Management System), PCS(Power Conversion System, 전력변환장치), EMS(Energy Management System)로 구성되는데요. 각 구성 부분에 대해서 상세히 알아볼까요?


▲ EMS 현황을 살펴볼 수 있는 모니터 ⓒ정환도

(출처 : https://blog.kepco.co.kr/1306)



배터리는 전력을 직접 충전하거나 방전하는 용도입니다. BMS는 여러 개의 배터리를 결합하여 사용할 때 배터리간 최적의 균형을 이룰 수 있도록 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 길게 해주는 장치랍니다. 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하여 과충전이나 과방전을 방지해주기도 하죠. PCS는 직류와 교류를 변환시켜주는 동시에 전압과 전류를 적절히 조정해주는 역할을 해요. EMS는 이 모든 요소들이 적절하게 작동하도록 총괄해주죠.


BESS의 장점은 전력저장 효율이 높다는 건데요. 단점으로는 시간이 지남에 따라 자연방전이 일어나 저장된 전력이 사라진다는 점을 꼽을 수 있어요. 대용량 전력저장 시스템을 만들기 어렵다는 것도 단점 중 하나죠.




대용량 ESS로 가장 적합한 이차전지, 흐름전지 시스템


화학적 방법을 이용한 또 다른 ESS로 흐름전지 시스템(FBS, Flow Battery System)이 있어요. 레독스 흐름전지(RFB, Redox-flow Battery) 기술을 사용한 ESS인데요. 레독스 흐름전지라는 단어가 조금 생소하시죠?


▲ 바나듐 레독스 흐름전지를 사용하는 

대표적인 기업, redT의 ESS 시스



레독스 흐름전지는 ESS로 사용하기에 적합한 이차전지의 종류 중 하나예요. 전력의 출력을 담당하는 스택, 용량을 담당하는 양극(+) 전해액 탱크와 음극(-) 전해액 탱크, 전해액을 스택에 공급하는 펌프로 구성된 전지인데요. 양극전해질 탱크와 음극전해질 탱크가 따로 구분되어 있어서 액체펌프를 이용해 이 둘을 순환시킨다는 점을 제외하면 기본적인 구성은 고분자전해질 연료전지와 유사하답니다.


RFB의 종류 역시 매우 다양한데요. 가장 널리 쓰이는 RFB는 바로 바나듐 RFB입니다. 전기를 저장할 때 양극에서는 양극전해질에 녹아 있는 바나듐 산화물 이온 중 바나듐이 환원(Redox)되어 산화수가 +5에서 +4로, 음극에서는 음극전해질에 녹아있는 바나듐 이온이 산화되어 산화수가 +2에서 +3으로 변하는데요. 전기를 방출할 때는 전기를 저장할 때와 반대의 반응이 일어나죠. 이렇게 산화·환원(Redox) 반응을 통해 전기에너지를 장기간 저장할 수 있기 때문에 ‘레독스’라는 이름이 붙은 거랍니다.



▲ 바나듐 레독스 흐름전지의 작동 방식



RFB의 경우 가격과 내구성에 개선이 필요해 아직 보편적으로 사용되지는 않고 있는데요. 해외에서는 RFB가 블랙아웃을 대비하거나 신재생에너지를 저장하기에 적합한 대용량 ESS로 주목 받고 있답니다. 그래서 국내의 다양한 기업과 연구소 역시 관련 기술 개발에 한창 집중하고 있어요.



요즘 대세, 수소에너지로 전력을 저장한다!




마지막으로 수소에너지로 전력을 저장하는 방법이 있는데요. 이는 HESS(Hydrogen ESS)라고 부릅니다. 전력에 여유가 있을 때 물을 전기분해해서 수소를 생산하고 이를 저장해 두며, 전력이 부족할 때는 저장해 둔 수소로 연료전지를 가동하여 전기를 공급하는 거죠.


물을 전기분해하는 데는 알칼리 수전해, 고분자전해질 수전해, 고온수전해 기술 등이 사용될 수 있는데요. 수전해 효율은 50~80% 정도입니다. 고온수전해 기술이 가장 높은 효율을 가지지만 아직도 많은 연구개발이 필요한 상황이에요.


수소 연료에 적합한 대용량 연료전지로는 인산형 연료전지와 고체산화물 연료전지가 있으며 이들의 발전효율은 50~60% 정도입니다. HESS의 경우 발전출력은 연료전지 스택이 결정하고 전력저장량은 수소탱크의 크기가 결정하는데요. 그러므로 대용량의 전력저장 장치를 만들기 위해서는 수소탱크만 더 크게 만들면 되며 저장된 수소는 손실이 없으므로 장기간 저장도 가능해요. 이처럼 HESS의 장점은 대용량 전력저장이 용이하다는 점이며, 단점은 전력저장 효율이 낮은 것입니다.





이렇게 두 기사에 걸쳐서 다양한 종류의 ESS에 대해 살펴봤어요. 신재생에너지 발전이 대세가 될 미래에는 에너지를 저장해 주는 ESS의 수요 역시 크게 증가할 텐데요. 이에 따라 다양한 기업에서 ESS에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있답니다. 현재의 송전탑, 전주만큼이나 미래의 일상에서 자주 만날 수 있을 ESS! 한국이 관련 기술을 선도하여 또 다른 미래 성장 동력으로 자리 잡길 바랍니다~!  




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  • 권중근 2019.02.05 08:26
    ESS에 대한 자세한 정보 감사합니다. 깔끔하게 모아주셔서 보기 편하네요

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