차세대 전력망, 에너지 저장시스템 ESS오래전부터 화석연료의 고갈로 인해 각광받고 있는 신재생에너지와 최근 교육을 받으며 알게 된 스마트 그리드가 결합이 되면서 함께 관심을 받고 있는 것이 있다. 그것은 에너지저장시스템, ESS(Energy Storage System)다. 에너지 저장장치는 전력을 저장하여 필요할 때 사용함으로써 에너지 이용 효율 향상, 신재생에너지 품질 향상 및 전력공급 시스템 안정화를 위한 장치입니다. 신재생 에너지는 스마트 그리드에서 중요하게 쓰이는데, ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있기 때문에 신재생 에너지와, 스마트 그리드와 더불어 각광받고 있다.이번 강의를 진행해주신 분은 LG화학 ESS 솔루션 팀의 이승혁 박사님이셨다. LG화학의 ESS 전지는 Stack & Floding 기술을 적용하여 고에너지 밀도를 구현하고 소형화 하며, 잦은 충 방전에도 높은 수명을 자랑하며 국내 ESS 업계의 선두 주자로 달리고 있다. 또한 LG화학은 2015년 기사에 의하면 국내 시장에서만 100MWh가 넘는 규모의 ESS를 수주하며 국내시장을 선점하고 있다. LG 화학에서 에너지 산업을 추진하였던 배경은 기존 전력에서 존재하였던 높은 에너지 수입 의존도에 따라 에너지 안보가 취약하고 전력의 수급이 불안정성을 띄고 있었다. 또한 정부의 탄소배출에 대한 환경오염 관련 규제로 인해 신재생 에너지 기반의 분산전원이 확대되어 지면서 태양광 발전과 풍력발전에 대해 큰 관심이 쏠리기 시작하였다.태양광 발전은 태양의 빛 에너지를 각 하나의 셀에서 변환하여 인버터를 통해 직류 전력을 생산하는 발전 기술이다. 주요 구성은 Cell, Module, Array, 인버터로 구성되어 있으며 Cell은 기본 단위이며 반도체의 일종으로 태양의 빛을 전기로 바꾸는 장치이다. Module은 셀을 직렬로 연결하여 일정한 틀에 고정을 한 것이다. 셀을 모아둔 형태이다. Array는 여러 개의 모듈을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 원하는 전력을 발전시키는 태양광 발전 시스템이며 인버터는 빛 에너지를 받아 태양광 발전시스템에서 발전된 직류 (DC) 형태의 전기를 교류 (AC)로 변화시켜 주는 역할을 수행한다. 현재 태양광 발전시스템은 국내 신재생 에너지 설치 용량의 29%를 차지하고 있으며 에너지원 중 가장 많은 설치 용량을 가지고 있다. 현재 태양광 발전을 설치한 수용가는 설치 유형에 따라서 REC(Renewable Energy Certificate, 신재생 에너지 설비를 이용하여 전기를 생산 및 공급하였음을 증명하는 공급인증서로 발전사업자는 RPS 수행을 위해 신재생에너지를 직접 설치, 생산하여 REC를 발급받거나, REC 거래를 통해 의무량 충당이 가능하다.) 0.7 ~ 1.5 가중치를 부여 받으며, ESS와 연계한 태양광 발전 모델을 확대하기 위하여 ESS연계 태양광에 한시적으로 REC 가중치를 5.0 부여하고 있는 실정이다.태양광 다음으로 신재생에너지원으로 많이 사용되는 풍력발전은 바람의 에너지를 풍력발전의 회전력으로 전기에너지로 전환시켜 주는 발전기술이다. 설치 규모는 매년 증가하고 있으나, 풍력이 좋은 지역이 한정적으로 적고 신규 설치가 태양광에 비해 변동적으로 증가하고 있다. 풍력발전 시스템의 주요 구성은 블레이드, 기어박스, 발전기가 있으며 블레이드는 바람이 불게 되면 회전하는 날개이며 기어박스는 바람의 세기에 따라 기어를 변동하여 많은 전력을 공급하기 위해 장착되어지며 블레이드의 회전력으로 인해 발전기 속의 모터가 돌아가면서 전력이 생성되는 형태이다. 국내 대부분 설치되어 있는 육상 풍력은 설치 시 REC가중치 1.0을 부여 받는다. 해상풍력의 경우, 설치 유형에 따라 1.0 ~ 2.5의 REC 가중치를 부여 받을 수 있다.앞서 기술하였던 신재생에너지와 더불어 ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다. ESS는 전기를 생산하는 발전 영역에서 젼력을 저장하는 영역과 생성된 전기를 이송하는 송배전 영역, 그리고 전달된 전기를 실제 사용하는 수용가(소비자) 영역에 모두 적용된다.보통 필요 발전량은 냉난방 수요가 급증하는 최고 수요 시점을 기준으로 설정돼 있는데, ESS는 피크 수요 시점의 전력 부하를 조절해 발전 설비에 대한 과잉 투자를 막아준다. 그리고 ESS는 돌발적인 정전 시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 해준다. ESS에서는 3가지의 구성으로 이루어져 있는데 PCS( 생산된 전력이 배터리에서 충전/방전하기 위해 전기의 특성 (AC ? DC, 전압, 주파수) 등을 변환하는 역할을 수행)과 PMS( 배터리 및 PCS 상태에 대한 모니터링과 PCS를 제어하는 역할 수행, EMS의 지령을 받아 ESS를 제어하며 ESS 상태를 상위 측에 전달), Battery ( 계통으로부터 받은 전기 에너지를 직류(DC)형태로 저장(충전)하거나 저장되어 있는 전기에너지를 계통에 출력(방전)) 으로 이루어져 있다. 또한 ESS는 태양광, 풍력, 조력, 파력 등 신재생 에너지 또는 소규모 발전소등 전 영역에 설치가 가능하며 적용 목적에 따라 다양한 솔루션이 적용 가능하다. 또한 모든 영역에서 생산된 전기가 수시로 전력망에 공급되거나 전기자동차 충전소 등에서 높은 출력으로 갑자기 전기가 소비될 때 유용하다. ESS는 Utility에서 주파수 조정과 피크부하 관리, 신재생 발전 전력품질 개선 및 REC적용이 가능하며, Commercial에서는 피크부하관리, 전압 조정관리, 비상발전 대체가 가능하며 Residential에서 피크부하관리, 비상발전 대체 Soultion이 적용 가능하다. ESS는 전기의 불규칙한 수요와 공급을 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정해 전력망의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.ESS로 인해 신재생에너지 사업자의 수익까지 향상 시킬 수 있는데 수익의 구조는 이러하다. 태양광 발전 설비의 수익구조와 동일하며 태양광발전사업자는 SMP와 REC의 거래로 수익이 발생한다. ESS를 연계한 태양광발전설비의 충전과 방전 사이클을 그래프로 나타내 보았다.태양광발전사업자는 태양광 발전을 통해 전기를 생산하여 얻는 수익 외에 ESS를 통해 축적된 전기를 방전함으로써 생산되는 전기로 추가 수익을 얻을 수 있다. 따라서 ESS 신규 발전사업자는 충전하는 시간 외에 방전을 함으로써 다음과 같이 추가 수익을 얻을 수 있다.ESS방전량 X (월가중편균SMP + 신규 REC계약가 X 5.0) - ESS충전량 X (월가중평균SMP + 기존REC계약가 X 기존 REC가중치)오전 10시에서 16시 사이에는 ESS의 저장장치에 충전을 한다. 이때 저장장치 용량을 초과하는 발전량과 태양광인버터의 80%로 설계 한 PCS용량을 초과하는 발전량은 충전을 하기 않고 바로 한국전력공사에 판매를 하고 태양광 발전이 되는 오전 7시에서 20시 이외의 시간에는 방전을 함으로써 추가 수익을 얻게 되는 구조이다.현재 ESS설치 확대는 세계적 추세를 띠고 있으며 가까운 나라의 일본의 경우 2011년 도후쿠 대지진 이후 원자력 발전의 가동을 전면적으로 중단하는 한편, 전력 예비율을 높게 유지하고 비상 정전에 대비하기 위해 보조금 지원으로 ESS를 적극 지원한 바가 있다. 특히 가정용 ESS의 보급으로 전력 공급의 불안감을 잠재우는 데 효과를 봤다. 다수의 ESS업체와 건설사는 주택 구매 시 안정적인 전력 수급 차원에서 10kW급 미만의 ESS를 빌트인(built-in) 방식으로 공급하기도 한다. 미국은 이미 전력 계통형 대형 ESS와 주거용 ESS를 대상으로 다수의 실증 사업을 진행 중인데, 효과가 검증된 영역을 중심으로 ESS의 구체적인 수준까지 제도화하고 있다. 예를 들어 캘리포니아 주는 2010년 9월 에너지 저장 시스템의 설치를 의무화하는 법안인 ‘캘리포니아 에너지저장 법안(AB 2514)’을 제정했다. 이에 따라 캘리포니아 주의 전력회사들은 2024년까지 1.3GW의 ESS를 설치 완료하기로 결정했다. 우리나라는 2011년 지식경제부에서 ‘에너지저장 기술 개발 및 산업화 전략 K-ESS 2020’을 마련해 2020년까지 세계시장 점유율 30%를 목표로 총 6.4조 원 규모의 연구 개발 및 설비 투자를 추진하고 있다. 또한 신재생에너지 촉진법을 통해 2022년까지 신재생에너지 공급 의무자 비율을 10% 이상으로 확대하는 것을 발표하면서 ESS의 중요성이 높아지고 있다. 이에 따라, 2012년부터 리튬전지를 채택한 ESS 보급화 사업을 진행하고 있는데, 2013년에는 보급화 사업에서 165억 원을 지원해 총 12MWh의 ESS를 설치했다. 또, 향후 ESS 설치량 증가에 대비해 각종 제도, 안전 규격 및 지원책이 논의되는 한편, 국내 사업화 및 수출 확대에 필요한 ESS용 리튬 이차전지의 신뢰성을 확보하기 위해 시험 평가 인증에 대한 정부 지원이 추진되고 있다.
