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ⓒ픽사베이

 

재생에너지의 사용은 선택이 아닌 필수!

‘RE100’(Renewable Energy 100%)은 2050년까지 기업에서 필요한 전력의 100%를 재생에너지로만 충당한다는 목표를 가진 캠페인입니다. 처음에는 자발적인 캠페인에 불과했지만, ‘RE100’은 현재에 이르러 다른 의미를 가지고 있다는 평가를 받고 있습니다. 기업이 기후변화 대응, 탄소중립 이라는 국제사회의 요구를 반영한 이 캠페인을 외면한다는 것은 즉, 사회적 책임(CSR)을 회피하는 것으로 인식되고 있죠. 이것은 기업이 발전하는 데 큰 걸림돌이 될 수 있습니다. 실제 사례로 해외기업이 국내기업과 무역할 때, ‘RE100’ 캠페인 동참을 요구하였지만 이에 수락하지 않자 계약이 무산되는 일이 벌어지기도 하였습니다. 재생에너지를 사용하지 않는 것이 무역장벽으로 작용한 것입니다.

 

현대사회에서 기업은 단순 이윤 창출을 목적으로 한다면 지속가능성을 가질 수 없습니다. 따라서 기업이 발전하기 위해, 또 공존하는 사회를 만들기 위해서 재생 에너지를 사용하는 것은 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 이러한 흐름에 맞춰 국내에서는 재생 에너지에 대한 다양한 연구와 투자를 끊임없이 하고 있습니다. 이 중에서도 오늘은 재생 에너지를 효율적으로 사용하는 방법의 핵심! 장주기 ESS에대해 알아보려고 합니다.


ESS란?

재생 에너지에는 태양광, 풍력발전 등이 있습니다. 이러한 재생 에너지를 통한 발전들은 출력 변동이 크다는 특징을 가지고 있습니다. 태양광은 햇볕을 이용하기 때문에 일조 시간에만 출력을 낼 수 있습니다. 풍력 발전 또한 바람의 힘을 이용하므로 날씨에 따라 이용 할 수 있는 에너지의 양이 달라지죠. 그렇기에 재생에너지를 통해 만들어진 전력을 바로 사용하는 데 어려움이 있습니다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 에너지저장시스템(ESS)이 필요합니다. ESS를 이용하면 재생에너지로 만들어진 전력을 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있어 에너지 사용 효율을 높일 수 있습니다.

 

ⓒ김경수 제작

 

이 ESS는 기본적으로 4가지 구성으로 이루어집니다. 첫 번째는 배터리입니다. 우리가 익히 알고 있는 그 배터리의 개념과 같습니다. ESS에서 배터리는 전력을 저장하기 위한 창고로 사용됩니다. 두 번째는 전력변환 장치(PCS)입니다. PCS는 DC와 AC를 상호 변환 할 수 있게 해줍니다. 배터리에 저장되는 전력은 DC전력으로 저장되게 됩니다. 하지만 일반적으로 전력 계통은 AC를 통해 전력을 전달합니다. 따라서 배터리에서의 DC와 전력 계통의 AC를 상호 변환할 수 있게 하는 역할을 PCS가 수행합니다. 세 번째는 전력관리 시스템(EMS)입니다. EMS는 에너지 저장시스템을 효율적으로 관리하기 위해 사용됩니다. 네 번째는 배터리 관리 장치(BMS)입니다. BMS는 말 그대로 배터리 관리시스템으로 배터리 수명 예측, 배터리 보호 등의 역할을 수행합니다.

 

장주기 ESS의 필요성

이 중에서도 배터리에 집중해서 ESS를 살펴보도록 하겠습니다. 기존 ESS는 주로 리튬이온 배터리를 사용하고 있습니다. 리튬이온 배터리를 사용한 ESS는 용량이 적어 '단주기 ESS’라고도 불리고 있습니다. 현재 국내에서는 재생에너지 발전량의 비중이 비교적 적기 때문에 용량이 작은 단주기 ESS’큰 문제 없이 사용되고 있습니다.

 

그러나 리튬이온 배터리는 많은 단점을 가지고 있습니다. 초기 설치비용이 높으며 화재에도 위험합니다. 결정적으로 정부의 ‘재생에너지 3020 이행계획’으로 2030년까지 신재생 에너지 비중 20% 달성을 목표로 하고 있기 때문에, 재생 에너지의 비율이 높아지는 미래에 용량이 작은 리튬이온 배터리를 사용한 단주기 ESS’ 경제성이 매우 떨어지게 됩니다. 따라서 이를 대체할 기술의 필요성이 언급되며, 큰 용량으로 장시간 ESS를 이용 할 수 있는 ‘장주기 ESS’가 주목 받고 있습니다.

 

점점 더 확장되어가는 재생에너지 발전에 ‘장주기 ESS’가 상용화 된다면 경제성을 가지고 더욱 안정적으로 전력을 수급할 수 있을 것입니다. 이에 국내에서는 ‘장주기 ESS’의 상용화를 위해 다양한 연구와 투자를 하고 있습니다.

 

 

망간 수계전지

한전의 기업부설 연구소인 한전 전력연구원이 개발한 망간 수계전지. 이름 그대로 망간(Mn)을 물을 전해질로 이용해 만든 배터리입니다. 비교적 흔한 원소인 망간을 이용해 가격 경쟁력을 갖췄으며, 물을 전해질로 사용해 화재의 위험을 낮췄습니다. 기존에도 망간을 이용한 전지가 있었으나 최대 용량이 1Ah에 불과해 ESS와 결합하여 사용하기에 적절하지 않았습니다. 하지만 한전 전력연구원이 개발하여 만든 망간 수계전지는 20Ah급으로 ESS에 탑재가 가능합니다. ESS의 배터리를 리튬이온전지에서 망간 수계전지로 교체할 경우 2500억원의 절감 효과가 기대되고 있죠.

 

망간 수계전지 ⓒ한전 전력연구원

 

그래핀 슈퍼커패시터

슈퍼커패시터 또한 한전 전력연구원이 개발한 기술입니다. 기존의 슈퍼커패시터는 전기 에너지를 저장할 수 있는 커패시터에 활성탄을 붙여 용량을 수천 배로 늘린 기술입니다. 하지만 기존의 슈퍼 커패시터는 에너지 저장 밀도가 낮아 사용이 제한적이며 활성탄이 수입에 의존하는 상황이었습니다. 이에 한전 전력연구원을 전극 소재로 그래핀을 사용한 슈퍼 커패시터를 개발하게 되었죠. 그래핀은 비표면적이 크고 전기전도 특성이 우수하여 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 높일 수 있었습니다. 2차 전지와 함께 사용하여 ESS의 수명을 늘리고 경제성을 확보할 것으로 기대됩니다.

 

그래핀 슈퍼커패시터 ⓒ한전 전력연구원

 

카르노 배터리

다음은 한국에너지기술연구원에서 연구 중인 카르노 배터리입니다. 잉여 전력을 대용량의 열에너지 형태로 변환하고, 이를 통해 발전 사이클을 구동하여 전력을 얻는 방식입니다. 이는 수백 MW급의 대용량 전력을 10시간 이상 장기간 저장 할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 또한 노후화력발전소 터빈을 재활용하여 추가적인 건설비용이 들지 않을뿐더러 친환경적인 방안으로 발전소 주위의 지역 주민과의 타협도 원만 것으로 평가됩니다.

 

압축공기-양수 하이브리드 발전 시스템

압축공기-양수 하이브리드 발전시스템은 물리적인 에너지 저장 방법으로 야간이나 전력 여유가 많은 시간에는 공기를 압축 저장하고, 주간이나 전력 여유가 없을 때는 공기압을 가한 물로 수차를 돌려 발전하는 방식의 에너지 저장 방식입니다. 기존의 압축공기 발전에서 공기를 연소시키는 과정이 사라져 친환경적이며, 운전 방식이 비교적 단순하고, 발전단가가 낮습니다. 또한 안정적으로 장기간 에너지 저장이 가능하다는 장점이 있습니다. 한전은 이 기술을 에너지 저장에 비용과 안정화 문제를 해결 할 수 있는 방안으로 주목하고 다양한 연구를 진행하고 있습니다.


ⓒ픽사베이

국내에서 연구를 진행하고 있는 ‘장주기 ESS’에 대해 살펴봤습니다. 앞서 보았듯이 ‘장주기 ESS’ 기술의 공통점으로 첫 번째는 경제성 확보와 두 번째로 재생에너지 전력 수급의 안정화를 꼽을 수 있습니다. 그렇다면 어느 기술이 가장 효율적이고 안전한지에 대해 고민해 볼 수 있을 것입니다. 하지만 한전 전력연구원 책임연구원은 “장주기 ESS 기술의 경우 어느 하나가 독보적으로 눈에 띄는 것은 없다”라고 말하였습니다. 따라서 입지조건별로 여러 환경에 맞춰 다양한 기술을 개발하고 선택하는 것 중요합니다. 다양한 연구와 투자를 통해 하루빨리 장주기 ESS’의 상용화가 이루어져 지속 가능한 에너지의 미래를 만들어 갈 수 있기를 바랍니다.

 

 

 


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