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ESS 총정리, 개념부터 주요 기술까지

2015.06.08 09:40

에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)에 대해 들어 보신 적이 있으신가요?


에너지 중에서도 전력은 속성상 저장의 기능이 없는데요. 전력의 수요와 공급을 맞추기 위해서 소비의 부하규모에 따라 발전량을 조절해 왔습니다. 물론 전력의 저장개념으로서 전기(Hydro)가 있기는 하지요. 


ESS는 크게 물리적 저장시스템(CASE, Flywheel 등)과 화학적 저장시스템(리튬배터리, NAS전지, Lead-Acid 등)으로 나눌 수 있습니다. 2000년대 이후 배터리(Battery) 관련 기술이 비약적으로 발전했는데요. 에너지 저장에 대한 수단으로 전력의 발전단부터, 송배전, 소비까지 다양하게 사용되고 있습니다.


이렇게 배터리 기술을 활용한 ESS를 특별히 BESS(Battery Energy Storage System)라고 부르는데요. 오늘은 LG CNS가 진행하고 있는 ESS 사업의 화학적 저장 시스템 중의 하나인 BESS 기반의 에너지 저장시스템에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 


<[그림 1] Global ESS 시장규모 (출처: Navigant Research, 2014.7)>


[그림 1]에서 보듯이 Global ESS의 시장은 2020년 기준 약 8조 8천억 규모를 보일 것으로 예측되는데요. 그 성장률 또한 CAGR 기준으로 63.3%에 이를 정도로 급속히 성장할 것으로 예상됩니다.


아직은 리튬배터리의 가격, 국가별 법/제도 등의 정비 미비로 인해 시장 초창기라고 정의할 수 있는데요. 그렇다면 이렇게 큰 폭의 성장률을 보일 것으로 예상되는 ESS는 어디에 사용할 수 있을까요?

 

ESS의 사용용도는 아래 [표 1]에 정리되어 있습니다.

<[표 1] ESS 사용용도, Sandia report (DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA, 2013)>


용어가 매우 생소하죠? 미국 에너지 관리 기관인 DOE(Department of Energy)에서 분석한 자료에 따르면, 현재 16가지 용도로 ESS가 사용될 수 있다고 하는데요. 현재까지 나오는 사업을 바탕으로 ESS 용도를 살펴보면 아래의 3가지로 요약할 수 있습니다.


가. 전력부하이동(Peak Shifting) 및 최대부하 감소(Peak Cut)

나. 신재생에너지 발전원 출력 안정화(Renewable Integration)

다. 전력계통 보조서비스(Ancillary Service)

- 주파수 관리(Frequency Regulation)

- 전압관리(Voltage Management)

- 예비력 서비스(Reserved Service)

- 자체기동 보조서비스(Black Start)


그러면, 지금부터 순서대로 ESS의 사용용도에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

모든 ESS의 시작은 바로 Peak Management에서 시작하는데요. 

부하관리의 기본 개념은 전력요금이 저렴한 시간(경부하)에 ESS에 전력을 저장하고, 전력요금이 높은 시간(최대부하)에 저장된 전력을 방전하는 것입니다. 


전력의 수요가 낮은 시간대에 저장하고, 전력의 수요가 높은 시간대에 방전하여 전력의 수요와 공급의 균형을 유지시켜 주는 것이지요. 이를 도식화 하면 아래의 표와 같습니다.

<[그림 2] Peak Cut(피크저감)>


Peak Cut(피크저감)이란, 1년 중 가장 높은 Peak 시간대의 부하를 ESS 사용을 통해 기본요금을 낮추는 것인데요. 즉, 7~8월 중 가장 높은 피크를 보이고 있을 때 이것을 절감하면 1년간 평균 전력기본요금이 낮아지게 되는 것이지요.

<[그림 3] Peak Shifting(부하이동)>


Peak Shifting(부하이동)은 [그림 3]에 보이는 것과 같이 하루 중 전력요금이 가장 저렴할 때 배터리에 전력을 저장하고, 전력요금이 가장 높을 때 방전해서 시간대별 전력요금의 차이를 절약해주는 것입니다.


그동안 LG CNS가 구축한 신라대학교 ESS, LG화학 익산공장 ESS, LG화학 오창공장 ESS 등의 프로젝트가 바로 이러한 Peak Management 구축 사례라고 할 수 있습니다. 

 

Peak Management에서 시작한 ESS는 ‘12년도를 기점으로 전력 그리드 상의 다양한 형태로 분화하게 되는데요. 그 중 시장에서 가장 많이 사용될 것으로 예상하는 것이 출력안정화(Renewable Integration: RI)영역입니다.


신재생에너지 발전원 중에 현재 가장 많이 사용되는 것은 태양광과 풍력인데요. 그 중에서도 풍력은 설치 이용률이 높고, 면적을 많이 필요로 하지 않기 때문에 높은 성장을 기록하고 있습니다. 


그런데 풍력발전원은 단 하나의 결정적인 단점을 가지고 있는데요. 바로 전력에너지 생산의 간헐성입니다. 바람은 일관적으로 불지 않기 때문에 전력의 생산이 불규칙적인데요. 이것이 기존 전력계통전 연결에 매우 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.


이러한 풍력발전의 전력생산 불균형을 조절하기 위해 ESS가 사용됩니다.

<[그림 4] 풍력발전원의 간헐 발전을 제어하기 위한 RI용 ESS Simulation (출처: LG CNS SGS연구소)>


[그림 4]에서 보듯이 분홍색은 풍력발전의 전력생산 곡선입니다. 0시부터 24시까지 매시간 단위로도 풍력의 발전량은 매우 심하게 차이가 나지요. 노란색은 이를 보정하기 위한 ESS의 출력이고, 하늘색은 풍력발전과 ESS의 합성출력의 전력생산입니다.


또한 [그림 4]의 아래 그림에서처럼 풍력발전으로만 생산할 때는 분홍색의 곡선이 위 아래로 매우 심하게 흔들리는 것을 볼 수 있습니다. 즉, 전력의 생산의 매우 불규칙한 것을 나타내는 것입니다. 


하지만 이를 ESS로 보정하게 되면, 하늘색처럼 흔들림이 매우 적어지는 것을 볼 수 있는데요. 이렇게 ESS는 신재생에너지 발전원과 결합하여 기존 그리드에 더욱 안정적으로 전력을 연결할 수 있도록 도와 주는 것이지요.

 

전력계통 보조서비스(Ancillary Service)란 전력의 생산과 소비가 불일치할 때 발생되는 품질문제를 보정해 주는 서비스입니다.


전력이라는 것이 우리가 사용하고 있는 양과 발전하는 양이 정확히 일치해야 하는데요. 지금까지는 소비되는 전력을 보고 발전단에서 맞추는 식으로 운영되어 왔습니다. 이론적으로는 이것이 가능하지만 현실적으로는 매우 어렵겠지요.


즉, 전력의 생산과 소비가 일치되지 않을 때 품질에 문제가 발행합니다. 이는 곧 주파수와 전압의 문제를 야기시키지요. 부분적으로는 단전, 심한 경우에는 ‘Black out(단전)’ 현상까지 나타날 수 있는데요. 이런 전력품질의 이슈를 해결하는 것이 전력계통 보조서비스 입니다.


보조서비스는 주파수 조정(Frequency Regulation), 전압관리(Voltage Management), 예비력 서비스(Reserved Service), 자체기동 보조서비스(Black Start)의 4가지로 이루어 지는데요. 이번 시간에는 그 중에서도 주파수 조정(Frequency Regulation)에 대해서만 다루도록 하겠습니다. 


전력의 주파수에 대해서 들어 보신 적이 있나요? 현재 전력의 전송에는 교류방식이 활용되고 있습니다. (극히 일부에서 직류전송이 사용되고 있기도 합니다.) 교류 방식은 초당 60번의 Cycle을 가지는 주파수를 가지게 되는데요. 이 주파수는 전력의 소비가 생산보다 많으면 낮아지고, 적으면 높아지는 구조를 가지고 있습니다. 


[그림 5]에서 보듯이 주파수는 시간이 지남에 따라 불규칙한 반응을 보이는데요. 불규칙한 주파수를 60HZ에 맞추기 위해서 ESS는 매우 빠른 시간내에(200ms) 충방전을 연속적으로 실시하게 됩니다. 


이렇게 속도가 빠른 ESS를 통해서 200ms 이내에 필요한 주파수를 올리고 낮추는 일을 하는데요. 이것을 주파수 조정(Frequency Regulation)이라고 합니다.

<[그림 5] 주파수 조정(Frequency Regulation) (출처: LG CNS SGS연구소)>


LG CNS에서는 2014년도에 한국전력에서 발주한 주파수 조정 사업을 수주하여 시험테스트를 통해 현재 시범 운영 중에 있습니다. 


아직 ESS 시장은 초기 개발 상태에 있지만, 앞으로 그 발전 가능성이 매우 무궁무진합니다. 전력의 불안정성을 극복하기 위한 최적의 대안으로 ESS의 사용량과 용도가 빠르게 발전할 것으로 예상하고 있습니다.


LG CNS는 이러한 전력사업의 방향에 따라 ESS에서 Reference 확보 및 역량을 키우기 위해 노력하고 있는데요. 최근 발표한 것처럼 울릉도 친환경 자립섬 Microgrid 구축 등 ESS 역량을 Global TOP 수준에 맞추어 끌어 올리고 있습니다. 


앞으로 LG CNS의 에너지 사업 발전에 많은 관심 부탁드립니다. 


글 ㅣ LG CNS 스마트그리드사업팀

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