그리드에서 벗어나 전기를 저장하는 방법?

지난 50년 동안 전 세계 전력 소비량은 지속적으로 증가해 왔으며, 2021년에는 약 25,300테라와트시에 이를 것으로 추산됩니다. 산업 4.0으로의 전환과 함께 전 세계적으로 에너지 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 수치는 산업 및 기타 경제 분야의 전력 수요를 제외하고도 매년 증가하고 있습니다. 이러한 산업 변화와 높은 전력 소비는 과도한 온실가스 배출로 인한 더욱 가시적인 기후 변화 영향과 맞물려 있습니다. 현재 대부분의 발전소와 시설은 이러한 수요를 충족하기 위해 화석 연료(석유 및 가스)에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 기후 문제로 인해 기존 방식을 이용한 추가 에너지 생산이 어려워지고 있습니다. 따라서 재생 에너지원으로부터 지속적이고 안정적인 에너지 공급을 보장하기 위해 효율적이고 안정적인 에너지 저장 시스템 개발이 점점 더 중요해지고 있습니다.

에너지 부문은 재생 에너지 또는 "친환경" 솔루션으로 전환하며 대응해 왔습니다. 제조 기술의 발전은 이러한 전환에 기여했으며, 풍력 터빈 블레이드의 효율적인 제조를 가능하게 했습니다. 또한, 연구자들은 태양광 전지의 효율을 개선하여 사용 면적당 에너지 생산량을 증가시켰습니다. 2021년 태양광 발전(PV)의 발전량은 크게 증가하여 179TWh라는 기록적인 수치를 기록했으며, 이는 2020년 대비 22% 증가한 수치입니다. 태양광 발전 기술은 현재 전 세계 발전량의 3.6%를 차지하며 수력과 풍력 발전에 이어 세 번째로 큰 재생 에너지원입니다.

그러나 이러한 획기적인 발전은 재생 에너지 시스템의 고질적인 단점, 특히 가용성 문제를 해결하지 못합니다. 이러한 방식 대부분은 석탄이나 석유 발전소처럼 수요에 맞춰 에너지를 생산하지 못합니다. 예를 들어 태양 에너지 출력은 낮 동안에도 사용 가능하지만, 일사량과 PV 패널 위치에 따라 변동이 발생합니다. 야간에는 에너지를 전혀 생산할 수 없으며, 겨울철이나 흐린 날에는 출력이 크게 감소합니다. 풍력 발전 또한 풍속에 따라 변동성이 큽니다. 따라서 이러한 솔루션은 출력이 낮은 기간 동안 에너지 공급을 유지하기 위해 에너지 저장 시스템과 결합되어야 합니다.

에너지 저장 시스템이란 무엇인가요?

에너지 저장 시스템은 나중에 사용하기 위해 에너지를 저장할 수 있습니다. 경우에 따라 저장된 에너지와 제공된 에너지 사이에 일종의 에너지 변환이 발생합니다. 가장 흔한 예로 리튬 이온 배터리나 납축전지와 같은 전기 배터리가 있습니다. 이러한 배터리는 전극과 전해질 사이의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 제공합니다.

배터리, 즉 BESS(배터리 에너지 저장 시스템)는 일상생활에서 가장 널리 사용되는 에너지 저장 방식입니다. 댐에 저장된 물의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수력 발전소와 같은 다른 저장 시스템도 있습니다. 물이 떨어지면 터빈의 플라이휠이 회전하여 전기 에너지를 생산합니다. 또 다른 예로는 압축 가스가 있는데, 방출되면 가스가 터빈의 휠을 돌려 전력을 생산합니다.

배터리가 다른 저장 방식과 다른 점은 잠재적인 작동 범위입니다. 소형 기기 및 자동차 전원 공급 장치부터 가정용 및 대규모 태양광 발전소에 이르기까지 배터리는 모든 오프그리드 저장 장치에 완벽하게 통합될 수 있습니다. 반면, 수력 및 압축 공기 저장 방식은 저장을 위해 매우 크고 복잡한 인프라가 필요합니다. 이로 인해 매우 높은 비용이 발생하며, 이를 정당화하기 위해서는 매우 큰 규모의 응용 분야가 필요합니다.

오프그리드 저장 시스템의 사용 사례.

앞서 언급했듯이, 오프그리드 저장 시스템은 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지 방식의 사용 및 의존성을 향상시킬 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 시스템의 이점을 크게 누릴 수 있는 다른 응용 분야도 있습니다.

도시 전력망은 각 도시의 수요와 공급에 따라 적정량의 전력을 공급하는 것을 목표로 합니다. 필요한 전력은 하루 종일 변동될 수 있습니다. 오프그리드(Off-grid) 저장 시스템은 변동을 완화하고 최대 수요 발생 시 안정성을 높이기 위해 사용되었습니다. 다른 관점에서 보면, 오프그리드 저장 시스템은 주 전력망의 예상치 못한 기술적 고장이나 예정된 유지보수 기간 동안 전력 수요를 보완하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 오프그리드 저장 시스템은 대체 에너지원을 찾지 않고도 전력 수요를 충족할 수 있습니다. 예를 들어 2023년 2월 초 텍사스에서 발생한 빙판 폭풍으로 약 26만 2천 명이 정전되었고, 악천후로 인해 수리가 지연된 사례를 들 수 있습니다.

전기 자동차는 또 다른 응용 분야입니다. 연구자들은 배터리의 수명과 전력 밀도를 높이기 위해 배터리 제조 및 충전/방전 전략을 최적화하는 데 많은 노력을 기울여 왔습니다. 리튬 이온 배터리는 이러한 작은 혁명의 선두에 서 있으며, 신형 전기 자동차뿐만 아니라 전기 버스에도 널리 사용되고 있습니다. 이 경우, 더 나은 배터리는 적절한 기술을 적용하면 주행 거리를 늘리는 동시에 충전 시간을 단축할 수 있습니다.

무인 항공기(UAV)와 모바일 로봇과 같은 다른 기술 발전은 배터리 개발의 혜택을 크게 누려왔습니다. 이러한 기술의 동작 전략과 제어 전략은 배터리 용량과 공급 전력에 크게 의존합니다.

BESS란 무엇인가

BESS(배터리 에너지 저장 시스템)는 에너지를 저장하는 데 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템입니다. 이 에너지는 주 전력망이나 풍력, 태양광과 같은 재생 에너지원에서 공급될 수 있습니다. BESS는 필요에 따라 다양한 구성(직렬/병렬)으로 배치되고 크기가 조정되는 여러 개의 배터리로 구성됩니다. 배터리는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 사용하는 인버터에 연결됩니다.배터리 관리 시스템(BMS)배터리 상태와 충전/방전 작업을 모니터링하는 데 사용됩니다.

다른 에너지 저장 시스템과 비교했을 때, 설치/연결이 특히 유연하고 비용이 많이 드는 인프라가 필요하지 않지만, 여전히 상당한 비용이 들고 사용량에 따라 정기적인 유지 관리가 필요합니다.

BESS 사이징 및 사용 습관

배터리 에너지 저장 시스템을 설치할 때 가장 중요한 점은 크기입니다. 배터리는 몇 개나 필요할까요? 어떤 구성으로 설치해야 할까요? 경우에 따라 배터리 유형은 비용 절감 및 효율 측면에서 장기적인 측면에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.

이는 적용 범위가 소규모 가구부터 대규모 공장까지 다양하므로 사례별로 수행됩니다.

소규모 가구, 특히 도시 지역에서 가장 보편적인 재생 에너지원은 태양광 패널을 이용한 태양광 발전입니다. 엔지니어는 일반적으로 가구의 평균 전력 소비량을 고려하여 특정 지역의 연중 일사량을 평가합니다. 배터리 수와 계통 구성은 연중 태양광 발전량이 가장 낮은 시기에 가구의 전력 수요에 맞춰 결정되며, 배터리를 완전히 방전시키지 않도록 설계됩니다. 이는 주 전력망으로부터 완전히 독립된 전력을 공급받는 솔루션을 전제로 합니다.

배터리를 비교적 적정한 충전 상태로 유지하거나 완전히 방전하지 않는 것은 처음에는 직관에 어긋날 수 있습니다. 결국, 배터리의 잠재력을 최대한 끌어낼 수 없다면 왜 저장 시스템을 사용해야 할까요? 이론적으로는 가능하지만, 투자 수익률을 극대화하는 전략은 아닐 수 있습니다.

BESS의 주요 단점 중 하나는 배터리 가격이 상대적으로 높다는 것입니다. 따라서 배터리 수명을 극대화하는 사용 습관이나 충전/방전 전략을 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 납축전지는 50% 용량 이하로 방전하면 돌이킬 수 없는 손상을 입습니다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 사이클 수명이 길며, 더 넓은 범위로 방전할 수 있지만 가격 상승의 위험이 있습니다. 화학 물질에 따라 가격 차이가 크며, 납축전지는 같은 크기의 리튬 이온 배터리보다 수백 달러에서 수천 달러까지 저렴할 수 있습니다. 이러한 이유로 납축전지는 제3세계 국가와 빈곤 지역에서 태양광 발전에 가장 많이 사용됩니다.

배터리 성능은 수명 기간 동안 성능 저하에 크게 영향을 받습니다. 배터리는 갑작스러운 고장으로 끝나는 안정적인 성능을 제공하지 못합니다. 대신, 배터리 용량과 공급량은 점진적으로 감소할 수 있습니다. 실제로 배터리 용량이 원래 용량의 80%에 도달하면 수명이 다한 것으로 간주됩니다. 즉, 용량이 20% 감소하는 것입니다. 이는 실제로 공급 가능한 에너지량이 감소함을 의미합니다. 이는 완전 독립 시스템의 사용 기간과 전기차의 주행 가능 거리에 영향을 미칠 수 있습니다.

고려해야 할 또 다른 사항은 안전성입니다. 제조 및 기술의 발전으로 최근 배터리는 화학적으로 전반적으로 더욱 안정되었습니다. 하지만 성능 저하 및 오용 이력으로 인해 셀이 열 폭주를 일으켜 치명적인 결과를 초래할 수 있으며, 경우에 따라 소비자의 생명을 위험에 빠뜨릴 수도 있습니다.

이것이 바로 회사들이 배터리 사용을 제어하고 적절한 유지 관리를 제공하고 심각한 결과를 피하기 위해 배터리 상태를 모니터링하기 위해 더 나은 배터리 모니터링 소프트웨어(BMS)를 개발한 이유입니다.

결론

그리드 에너지 저장 시스템은 주 전력망으로부터 전력 독립성을 확보할 수 있는 좋은 기회를 제공할 뿐만 아니라, 가동 중단 시간이나 최대 부하 기간 동안 예비 전력원을 제공할 수 있습니다. 이러한 발전은 친환경 에너지원으로의 전환을 촉진하여 에너지 생산이 기후 변화에 미치는 영향을 최소화하는 동시에 소비 증가에 따른 에너지 수요를 충족할 수 있습니다.

배터리 에너지 저장 시스템은 가장 널리 사용되고 다양한 일상 용도에 맞게 구성하기 가장 쉬운 시스템입니다. 높은 유연성에도 불구하고 상대적으로 높은 비용이 발생하기 때문에, 배터리의 수명을 최대한 연장하기 위한 모니터링 전략이 개발되고 있습니다. 현재 업계와 학계는 다양한 조건에서 배터리 성능 저하를 연구하고 이해하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다.