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ⓒ클립아트 코리아

 

여러분 신재생 에너지는 날씨에 따라 전력 생산이 영향 받는다는 단점을 갖고 있다는 것, 알고 계시지요? 그래서 ESS의 중요성이 강조되고 있답니다. 오늘은 ESS에 사용되는 슈퍼 커패시터에 대해 자세히 알아볼건데요. 우선 그 전에 ESS가 무엇인지 알아야겠죠?

 

ESS(Energy Storage System)란 돈을 저금통에 저금하는 것처럼 전기를 저장했다가 전력이 필요할 때 꺼내 쓸 수 있어 에너지 사용 효율을 높여주는 장치랍니다. 신재생 에너지의 불규칙한 전력 생산을 안정화시켜 전력의 생산·수송·공급 모든 과정의 품질을 향상시켜주는 역할을 해요.

 

ESS는 크게 ①전력 저장원(배터리) ②전력 변환 장치 ③전력 관리 시스템으로 구성되어 있는데요. 이중 가장 중요한 부분은 전기를 저장하는 배터리입니다. 높은 에너지 밀도와 효율을 얻을 수 있는 리튬 이온 전지가 많이 사용되고 있답니다.

 

리튬 이온 전지란 산화-환원 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 하지만 단점을 갖고 있는데요첫째, 급속 충·방전에 대응하기 어렵고 둘째, 잦은 충·방전에 따라 수명이 줄어들고 셋째, 화재의 위험이 있답니다. 그래서 리튬 이온 전지의 단점을 보완할 수 있는 슈퍼 커패시터가 꾸준히 개발되고 있어요.

 

 

 

커패시터의 구조 ⓒ강민지

 

 

 

커패시터는 전기 에너지를 저장할 수 있는 장치입니다. 두 도체판 사이에 전기가 흐르지 않는 유전체가 있는 구조예요. 이 도체판 사이에 전압이 생기면 (+)극 쪽 극판 표면엔 (+)전하가, (-)극 쪽 도체판엔 (-)전하가 쌓이는데요. 금속판의 면적이 클수록 전하가 많이 모일 수 있답니다.

 

이때, 저장할 수 있는 전기의 양을 ‘커패시터의 용량’ 패럿[F]이라고 해요. 1패럿은 1V(볼트) 전압이 걸렸을 때 1C의 전하를 저장하는 값이랍니다슈퍼 커패시터는 기존 커패시터의 금속 극판에 활성탄을 붙여 용량을 최대 수천 배로 늘린 것이에요

활성탄: 내부 또는 표면에 작은 빈틈을 많이 가진 탄소

 

 

 

ⓒ 강민지

 

 

그래프를 보면 알 수 있듯이 일반 커패시터는 에너지 밀도가 낮은 반면 높은 전력 밀도를 갖고 있습니다. 즉 무게당 생성할 수 있는 에너지는 크지만, 많은 에너지를 낼 수 없죠. 연료 전지는 많은 에너지를 생성할 수 있지만 순간적으로 강한 에너지를 내지 못한답니다. 그래서 리튬 이온 전지보다 수명이 길고, 안전하고, 고출력을 가진 슈퍼 커패시터가 등장하게 된 것이죠.

 

하지만 현재 슈퍼 커패시터는 에너지 저장 밀도가 낮아 사용이 제한적이며 전극 소재인 활성탄을 100% 수입에 의존하고 있어요. 그래서 한국전력연구원은 전극 소재로 그래핀을 사용한 슈퍼 커패시터를 개발했답니다.

그래핀은 다른 소재에 비해 뛰어난 전자 이동과 낮은 저항이 특징입니다. 또한 구리보다 전기 전도율은 100배 이상 높고, 다이아몬드보다 열이 더 잘 전달되는데요. 게다가 탄성이 좋아 구부려도 잘 부러지지 않으며 강철보다 강도가 200배 높습니다.

 

 

그래핀 슈퍼커패시터 ⓒ KEPRI NEWS

 

 

그래핀은 활성탄보다 질량당 표면적이 크고 전기 전도도와 강도 모두 우수해 슈퍼 커패시터의 에너지 밀도를 높일 수 있어요. 정확하게 말하자면, 활성탄 슈퍼 커패시터보다 표면적은 약 2배, 전력 저장 용량은 6배로 증가해요. 또한 에너지 밀도는 5배 이상 높아진답니다.

 

2018년에는 3000패럿, 2019년에는 4500패럿까지 용량을 올린 그래핀 슈퍼 커패시터는 꾸준히 그 성능을 높이고 있어요. 현재는 리튬 이온 배터리와 병행하여 ESS 수명을 10년에서 15년으로 향상시키는 연구가 진행 중이랍니다. 전 세계적으로 슈퍼 커패시터를 활발히 연구 중입니다. 

 

 

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