전기에너지 저장장치 - iec.ch enegery storage_ko.pdf · • 본 서는 iec...

®

전기에너지 저장장치

백서

• 본 서는 IEC (International Electrotechnical Commission) 에서 발행한 White paper를 번역 발간한 것입니다.

• 본 한국어번역본의 저작권은 IEC 에 귀속됩니다. IEC 는 한국어 번역에 대한 오역, 오류 등 으로 인한 어떠

한 책임도 지지 않으며, 번역의 책임은 한국전력공사 전력연구원에 있습니다.

• 번역 및 내용에 대한 문의사항은 전력연구원 R&D사업팀 (042-865-5134) 에 연락 바랍니다.

일러두기

4 | IEC White Paper |

2016년 5월, 미국 Forbes紙 선정 “글로벌 2000” 에서 한전은 종합순위 97위, 전력 유틸리

티 분야 1위를 달성했습니다. 프랑스의 EDF, 독일의 E.ON 등 유럽의 메이저 전력회사가

독차지해 온 전력분야 최고 순위를 한전이 아시아권 전력회사로서 사상 처음으로 1위를 기

록한 것입니다. 이러한 성과는 한전이 글로벌 리딩(leading) 전력회사로 대외에서 당당히 인

정받은 것입니다.

한전이 대한민국 대표 에너지기업으로서 세계적인 위상을 인정받은 것은 매우 영광스러

운 사건이지만, 한편으로는 전력기술의 성장과 선진화, 지속가능한 신성장동력을 발굴해

야하는 한전인으로서 책임감 또한 막중함을 느꼈습니다. 본 IEC 백서의 국문본 번역작업

은 이러한 전력산업의 선도자라는 사명감으로 시작하였습니다. 세계적으로 저명한 학계

및 산업계의 석학과 경영진이 모여 전력산업의 미래기술 트렌드를 예견하고 급격히 변하

고 있는 시장의 니즈를 파악하고자 편찬한 IEC 백서를 국내 전력산업의 미래를 위해 보이

지 않는 곳에서 항상 불을 밝히고 계신 많은 전력인들과 공유하고자 합니다.

IEC(International Electrotechnical Commission, 국제 전기전자 표준위원회)는 전기 및 전자기술 분

야의 표준화에 관한 문제를 국제협력으로 해결방법을 찾고 그 결과를 국제적으로 공유하

고자 1906년에 발족한 비정부간 국제 표준화 기관입니다. 우리가 잘 알고 있는 IEC 표준

발행은 이 기관에서 담당하고 있습니다. IEC 백서(White Paper)는 IEC 산하 시장전략 위원

회(Market Strategy Board)가 주요 기술동향을 파악하고, 향후 예상되는 시장 활동 및 요구 기

술을 분석한 것으로 총 8개의 테마를 다루고 있습니다. 에너지 문제에 부합하기 위한 IEC

의 역할, 전기에너지 저장장치(EES), 신재생에너지의 계통 연계 및 대용량 전기에너지 저장

장치의 이용, 재해복구를 대비한 마이크로그리드, 지속가능한 스마트시티 구축을 위한 인

프라의 조화로운 구성, IoT용 무선센서 네트워크, 미래 공장, 전력계통의 전략적 자산관리

등이 그것입니다. IEC 백서 국문본은 우리 실정에 맞는 전력산업의 미래 상(像)을 구현하여

발간사

| 발간사 | 5

동시대 전력인들과 공감대를 형성하고 미래지향적인 연구개발 발굴에 활용 하고자 합니다.

머지않아 신재생발전원에서 생산된 전기를 주로 사용하고, IoT 기반의 무선센서 네트워

크에서 제공하는 실시간 전기요금에 따라 경제적인 발전원을 선택할 수 있고, 심야에 충

전된 전기자동차로 출퇴근하며, 태양광 등 신재생으로 발전한 전기를 전력회사에 자유롭

게 판매할 수 있을 것입니다. 전기사용 고객은 단순한 전기사용자에서 전기사용 및 발전설

비 운영자, 계통활용자로서 복잡하고 수준 높은 의사결정을 필요로 하는 프로슈머로 재탄

생 할 것이며, 이러한 기술과 서비스가 종합적으로 구현된 스마트 시티에서 살게 될 것입니

다. 이러한 미래의 청사진이 하나하나 구현될 수 있도록 우리는 지금부터 개별 요소기술 간

의 조화로운 균형과 융복합으로 시너지 효과를 꾀할 수 있는 파괴적이고 혁신적인 기술을

개발해야 합니다. 이를 위해 국내 전력산업은 정책 수립, 기초연구, 현안연구, 실증 및 사

업화에 이르는 단계의 유기적인 가치사슬(Value Chain)로 구축되어야 합니다. 국내적으로는

전력산업의 가치사슬의 유기적인 연계를 위해, 세계적으로는 글로벌 전력산업 가치사슬의

중심에서 대한민국 전력산업인이 주도적 역할을 담당하는데 보탬이 되기를 바라며 본 백

서 번역본을 배포합니다.

우선적으로 한국어 번역본 발간을 흔쾌히 승낙해 준 IEC 중앙사무국과 순조로운 진행에

도움을 주신 한국 표준협회에 감사드립니다. 또한 본 백서 번역에 동참해 준 전력연구원 각

분야 연구자들께도 감사드립니다.

2016년 7월

한국전력공사 전력연구원

원장 김동섭


전기저장장치(EES)는 IEC에 적용되는 영역의 핵심 기술 중 하나이다. 주요 전기 특

성중의 하나인 시간대별 전력 수요 차이와 가격 차이가 발생할 때, EES 기술을 적용할

수 있다. 최근에는 EES 기술이 이산화탄소 감소와 스마트 그리드를 위한 신재생 에너

지 보급 확대를 위한 IEC 관련 시장에서 더욱 필수적인 요소가 되고 있다.

EES의 역할은 크게 세 가지로 구분된다. 첫째, EES는 전력수요 피크시 비싼 가격으

로 전기를 구입해오는 대신에, 수요가 낮을 때 값싼 전기를 저장하여 이에 대응함으

로써 전기 비용을 줄여준다. 둘째, 발전원의 신뢰성을 개선해 주는데 자연 재해로 인

한 전력망 고장을 겪는 사용자에게 EES 기술은 매우 유용하다. 세 번째로 전력 품질

과 주파수, 전압을 일정 수준으로 유지하고 향상시키는 역할을 한다.

신흥 시장의 요구는 온-그리드 영역에서 EES를 통해 과도한 전력 변동을 해소하고

전력공급의 신뢰성을 향상시켜주는 것이다. 오프-그리드 영역에서 배터리를 사용하

는 전기차는 화력발전원의 전기를 신재생 전원의 전기로 교체할 수 있는 가장 전망 있

는 기술이다.

스마트 그리드는 일반적으로 전력망을 현대화하는 것을 말한다. 여기에는 전력 생

산과 소비 사이의 전력 시스템과 관련되는 모든 것이 포함된다. 스마트 그리드 기술

이 추가되면서 전력망은 보다 유연해지고 상호작용적으로 변화되며 실시간 피드백

기능을 할 수 있다. 스마트 그리드에서 전기 가격 및 동력 장치 관련 정보를 전기 생산

시점과 소모 시점에 교환할 수 있어, 보다 효율적이고 신뢰성 있는 전력 공급 체계를

구현할 수 있다. EES는 스마트 그리드를 개발하는데 있어서 핵심 요소 중 하나이다.

2010년 10월에 IEC MSB (Market Strategy Board)는 EES 영역의 IEC 활동을 계획하기

위해 프로젝트 팀을 설립하기로 결정하였다. 본 백서(White Paper)에 EES 기술에 대한

현재 및 미래 시장 요구사항을 개괄화하고, 기술 특징을 검토하고, 마지막으로 EES

이해 관계자의 권장사항을 제시한다.

⋮요약⋮

| 01. 전기저장장치(Electrical Energy Storage, EES) | 13

Fraunhofer Institut für Solare Energie systeme 으로부터 주로 도움을 받아 IEC

Market Strategy Board 의 기술 및 시장 감시에 대한 특별 실무진의 일부인 전기전자

장치(Electrical Energy Storage) 프로젝트 팀이 본 백서를 작성하였다.

⋮감사의 글⋮

1장 전기사용에서 전기저장장치 기술의 역할

1.1 전기의 특성 19

1.2 전기와 EES 역할 20

1.2.1 최고 수요 시기의 높은 발전 비용 20

1.2.2 지속적이고 유연한 공급 필요성 21

1.2.3 발전과 소비간 먼 거리 22

1.2.4 전력망 내 정체 현상 22

1.2.5 케이블에 의한 전달 23

1.3 점차 늘어나는 EES 필요성 23

1.3.1 더 많은 재생 에너지, 더 적은 화석 연료 23

1.3.2 스마트 그리드 사용 26

1.4 전기저장장치 기술의 역할 26

1.4.1 유틸리티 관점에서의 역할 27

1.4.2 소비자 관점에서 보는 역할 29

1.4.3 재생 에너지 발전기 관점에서 보는 역할 30

2장 전기저장장치 타입과 특징

2.1 EES 시스템 분류 31

2.2 기계식 저장장치 32

2.2.1 양수 저장(PHS) 32

2.2.2 압축 공기 에너지 저장(CAES) 33

2.2.3 플라이휠 에너지 저장 (FES) 34

2.3 전기화학 저장장치 36

2.3.1 2차 전지 36

2.3.2 플로우 전지 42

⋮목차⋮

2.4 화학 에너지 저장 45

2.4.1 수소 (H2) 45

2.4.2 합성 천연 가스(SNG) 46

2.5 전기저장장치 48

2.5.1 이중층 커패시터(DLC) 48

2.5.2 초전도 자기 에너지 저장 (SMES) 49

2.6 열저장장치 50

2.7 EES 표준 53

2.8 EES 기술에 대한 기술적 비교 53

3장 EES 시장

3.1 현재 적용 상태 59

3.1.1 공익사업의 이용(기존의 발전, 그리드 운영 및 서비스) 59

3.1.2 소비자 이용(소비자용 무정전 전원장치) 63

3.1.3 전세계에 EES 설치 용량 65

3.2 새로운 트렌드 66

3.2.1 재생 에너지 생성 66

3.2.2 스마트 그리드 70

3.2.3 스마트 마이크로그리드 72

3.2.4 스마트 하우스 73

3.2.5 전기 자동차 75

3.3 저장 시스템의 관리 및 제어 계층구조 78

3.3.1 배터리 저장 시스템의 내부 구조 79

3.3.2 EES 시스템의 외부 연결 79

3.3.3 EES 시스템 및 분산 발전(가상 발전소) 집합 80

3.3.4 “배터리 SCADA” - 여러 분산 배터리들의 집합 81

4장 2030년까지 EES 시장 예측

4.1 전체 애플리케이션에 대한 EES 시장 가능성 83

4.1.1 Sandia 국립연구소 (USA)의 EES 시장 예측 84

4.1.2 보스턴 컨설팅 그룹(BCG)에 의한 EES 시장 예측 84

4.1.3 Panasonic 그룹의 리튬-이온 배터리에 대한 EES 시장 예측 86

4.2 신재생 에너지의 폭넓은 도입을 위한 EES 시장 가능성 예측 87

4.2.1 Fraunhofer의 독일 EES 시장 가능성 예측 88

4.2.2 가스 그리드 내 상당량의 에너지 저장 91

4.2.3 Siemens의 유럽 EES 시장 예측 91

4.2.4 IEA에서 예측한 EES 시장 가능성 92

4.3 차량에서 그리드로의 전달 개념 94

4.4 향후 EES 시장 가능성 96

5장 결론 및 권장사항들

5.1 운전자, 시장, 기술 99

5.2 신재생자원 및 향후 그리드와 관련한 결론들 101

5.3 시장과 관련한 결론들 102

5.4 기술 및 배치와 관련한 결론 103

5.5 정책-결정자 및 규제자들에 대한 권장사항 104

5.6 R&D 수행 연구 기관 및 회사들에 대한 권장사항 106

5.7 IEC 및 그 위원회에 대한 권장사항 108

부록 부록 A ⋮ 전기 에너지 저장 기술에 대한 기술적 개요 111

부록 B ⋮ 스마트 마이크로그리드에서의 EES 113

참고문헌 115


기술 및 과학 용어

Br Bromine(브롬)

BMS Battery management system(전지 관리 시스템)

CAES Compressed air energy storage(압축공기에너지저장장치)

Cd Cadmium(카드뮴)

Ce Cerium(세륨)

CHP Combined heat and power(열병합전력)

CO2 Carbon dioxide(이산화탄소)

Cr Chromium(크롬)

CSP Concentrated solar power(집광형 태양광 발전)

DLC Double layer capacitor(이중층 커패시터)

EES Electrical energy storage(전기저장장치)

EMS Energy management system(에너지 관리 시스템)

EV Electric vehicle(전기 차량)

FB Flow battery(플로우 전지)

FES Flywheel energy storage(플라이휠 에너지 저장장치)

H2 Hydrogen(수소)

HEV Hybrid electric vehicle(하이브리드 전기 차량)

HFB Hybrid flow battery(하이브리드 플로우 전지)

HP High pressure(고압)

LA Lead acid(납산)

Li-ion Lithium ion (battery)(리튬 이온 (전지))

LP Low pressure(저압)

Me-air Metal-air(금속-공기)

NaS Sodium sulphur(소듐 설퍼)

약어 목록


NiCd Nickel cadmium(니켈 카드뮴)

NiMH Nickel metal hydride(니켈 메탈 하이드라이드)

PCM Phase change material(상변화 물질)

PHS Pumped hydro storage(양수발전)

PV Photovoltaic(광발전)

R&D Research and development(연구 개발)

RE Renewable energy/ies(재생 가능 에너지)

RES Renewable energy systems(재생 가능 에너지 시스템)

RFB Redox flow battery(레독스 플로우 전지)

SCADA Supervisory control and data acquisition(감시 제어 데이터 수집)

SMES Superconducting magnetic energy storage(초전도 에너지 저장)

SNG Synthetic natural gas(합성 천연 가스)

UPS Uninterruptable power supply(무정전 전원장치)

V2G Vehicle to grid(차량 대 그리드)

V2H Vehicle to home (appliances)(차량 대 홈) (기기))

VRFB Vanadium redox flow battery(바나듐 레독스 플로우 전지)

Zi-air Zinc air(아연 공기)

Zn Zinc(아연)

기구, 기관, 회사

IEA International Energy Agency(국제 에너지 기구)

IEC International Electrotechnical Commission(국제전기기술위원회)

Fraunhofer ISE Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems(Fraunhofer 태양 에너지

시스템 연구소)

MSB (IEC) Market Strategy Board(시장전략이사회)

SEI Sumitomo Electric Industries

SMB (IEC) Standardization Management Board(표준화관리이사회)

TEPCO Tokyo Electric Power Company(도쿄 전력 주식회사)


｜ 1.1 전기의 특성 ｜

전기의 두 가지 특성은 전기의 용도에 관한 문제로 이어지고, 같은 이유로 EES에 대한

시장 요구가 발생한다. 첫째, 전기는 발생되는 동시에 소비된다. 항상 수요의 변화에 맞

추어 적정 전력이 공급되어야 한다. 공급과 수요의 불균형이 있는 등 완전하게 수요를 충

족시키지 못할 때 전원장치의 안정성과 품질(전압과 주파수)은 저하된다.

두 번째 특성은 전기가 발생하는 장소는 보통 소비되는 장소에서 멀리 위치한다는 점

이다1. 생산 지점과 소비 지점이 전력망을 통해 연결되어 하나의 전력 시스템을 형성한

다. 발전기의 위치와 수량, 수요량에 따라 대부분의 전력 흐름이 특정 송전선로에 집중되

어 정체 현상이 발생할 수 있다. 전력선에 고장이 발생하면(정체 현상 등의 이유로) 전기 공

급이 중단된다. 또한, 전력공급을 위한 선이 항상 연결되어 있어야 하므로 모바일 기기에

대한 전력공급도 어렵다. 다음 절에서 이러한 특성으로 인한 문제와 이에 따른 EES의 역

1장

전기 사용에서 전기저장장치 기술의 역할

1. 그러나, 미래에는, 발전과 소비가 일반적으로 서로 가까운 분산 발전의 증가가 있을 것이다 (3.1장과 3.2장에서 예로서 언급될 예정).


할을 간략하게 설명한다.

｜ 1.2 전기와 EES 역할 ｜

1.2.1 최고 수요 시기의 높은 발전 비용

최대 전력 수요가 달라짐에 따라 (그림 1-1 참조), 전력 가격은 변화한다. 전력 가격은 최

고 수요 시기에 비싸고, 최소 전력 사용 시간에 싸다. 이것은 시간대별로 발전 비용이 다

르기 때문이다.

평균보다 최대 전력 수요시에 전력 공급업자는 오일과 가스 연소 발전과 같은 덜 비용

효율적이지만 보다 유연한 형태로 기저부하용 발전소(화력 및 원자력)를 보완해야 한다. 전

⋮그림 1-1⋮ 일일 부하 곡선 비교 (IEEJ – The Institute of Energy Economics, 일본, 2005)

De

man

d(%

)

Hours

100

80

60

90

70

50

40

30

1:30 3:00 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00

RWE ItalyJapan France

North Europe PJM


력 수요가 최소인 시간에는 값비싼 발전기의 전력생산은 중단된다. 이 때가 EES 시스템

소유주가 수익을 창출해 낼 수 있다. 유틸리티 관점에서, 비용이 많이 들어가는 수단들을

제거함으로써 총 발전비용을 줄일 수 있다. 야간에 저렴한 발전 전력을 저장하여 피크 시

기에 계통에 재주입하는 방법이 그것이다.

PV 및 풍력 보급율이 높은 일부 지역에서는 때때로 무상의 잉여 에너지를 이용할 수

도 있다. 이 잉여 에너지를 EES에 저장해서 사용하여 발전 비용을 낮출 수 있다. 반대로,

소비자 관점에서 볼 때, EES를 통해 최소 전력 사용 시기의 가격에 사들인 전기를 저장하

고 성수기에 사용할 수 있으므로 전기 비용을 낮출 수 있다. 최소 전력 사용 시간에 전지

를 충전하는 소비자는 최대 전력 사용 시기에 유틸리티나 다른 소비자에게 전기를 판매

할 수도 있다.

1.2.2 지속적이고 유연한 공급 필요성

유틸리티의 두 번째 문제는 기본적 전기 특성상 소비자를 위해 지속적으로 유연하게

전력을 공급하는 것이다. 적정량의 전기를 소비자가 필요로 할 때 제공할 수 없는 경우,

전력 품질이 저하되고 최악에는 서비스 중단으로 이어질 수 있다. 전력 수요의 변화에 대

비하기 위해, 수요 변화를 정확하게 예측하면서 적정량의 전기를 지속적으로 생산해내야

한다.

따라서, 발전기는 기본 발전 기능 이외에도 두 가지 필수 기능이 필요하다. 첫 번째, 발

전소에 필요할 때마다 충분하게 전기(kW)를 발생시키는 “킬로와트 기능”을 갖추어야 한

다. 두 번째, 일부 발전 시설에 주파수 제어 기능을 갖추고 출력을 미세 조정을 하면서 필

요할 때마다 “킬로와트 기능”의 별도 전력을 사용하여 시시각각 변화하는 수요를 따라가

야 한다. 태양 및 풍력과 같은 신재생 전원은 킬로와트 기능과 주파수 조정 기능 둘다 가

지고 있지 않다2.


EES가 kW 기능과 주파수 제어 기능의 어려움을 보충할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

양수 발전소는 전력공급 부족 시 대량의 전력을 제공하는데 널리 쓰였다. 고정형 전지 또

한 신속한 출력 반응이 가능하여 재생 에너지 출력을 지원하는데 활용되어왔다.

1.2.3 발전과 소비간 먼 거리

소비자는 발전 시설과 종종 멀리 위치하는데 이것은 가끔 전력 공급 중단 가능성이 높

아지는 원인이 된다. 자연 재해(예: 번개, 허리케인)와 인위적 원인(예: 과부하, 운전 사고)으로

인한 망 고장으로 전기 공급이 중단되고 넓은 영역이 영향을 받을 수 있다.

EES는 전력망에 고장이 발생할 때, 소비자에게 전력을 지속적으로 공급하는데 유용하

다. EES를 활용하는 대표 산업 중 하나는 천분의 2-3초 동안 전압 저하(voltage sag)가 발

생하여도 제품 품질에 영향을 받는 반도체와 LCD 제조업이다. EES에 장착되는 UPS 시

스템은 고객의 위치에 설치되어 있기 때문에 배전선에 직접 번개가 쳐서 전압 저하 현상

이 발생하더라도 지속적으로 전기가 공급될 수 있다. 휴대용 전지는 전기 설비에 전력을

공급하는 비상 자원으로 사용 가능하다.

1.2.4 전력망 내 정체 현상

이 문제는 발전과 소비간의 먼 거리라는 앞에서 다룬 문제에 따른 것이다. 송전망 내 전

력 조류(power flow)는 전기 공급 및 수요에 의해 결정된다. 공급과 수요를 조절하는 과정

에서 전력 정체 현상이 발생할 수 있다. 유틸리티들은 전력 정체 현상을 예측하고 과부하

를 방지하기 위해 발전 출력을 적절히 조절하거나 새로운 송전 선로를 건설하는 노력을

한다. 과부하가 걸리는 선로 끝단 등 적합한 장소에 설치된 EES는 송전선로에 충분한 송

전 전력량을 유지하면서 동시에 적절히 전기를 저장하여 정체 현상을 완화하거나, 또는

2. 독일에서는 소위 “시스템 서비스” 라는 개량이 대규모 풍력발전에서 수행되어야 한다.


송전 제약으로 인하여 송전이 불가능 할 때 저장된 전력을 사용함으로서 정체 현상을 완

화할 수 있다. 이 방식은 전력망 추가 건설을 회피 시킬 수 있는 등, 유틸리티에게 도움이

된다.

1.2.5 케이블에 의한 전달

전기는 전달되는데 케이블이 늘 필요하기 때문에, 이동형 용도로 전기를 외딴 지역에

서 공급하기란 어렵다. 전지와 같은 EES 시스템을 통해 이동형과 설비의 충전/방전 문제

를 해결할 수 있다. 전기 차량을 재충전하는 전력망이 없는 외딴 곳에서는 문제가 될 수

있지만 EES를 통해 기존의 연소 엔진을 사용하지 않고 환경 친화적인 운송 시스템을 구

현할 수 있다.

｜ 1.3 점차 늘어나는 EES 필요성 ｜

더 많은 재생 에너지와 더 적은 화석 연료를 활용하고 미래 스마트 그리드를 위한 핵심

기술로서 EES를 요구하는 두 가지 주요 신흥 시장이 있다.

1.3.1 더 많은 재생 에너지, 더 적은 화석 연료

온-그리드 영역

온-그리드 영역에서 재생 발전 비율이 증가하면 여러 전력망 문제가 발생할 수 있다

(그림 1-2 참조). 첫 번째, 전력망 운영에서 신재생 발전 출력 변동은 시스템 주파수 제어를

어렵게 하고, 주파수 편차가 매우 커지게 되는 경우, 시스템 기능이 저하될 수 있다. 그 동

안, 주파수 제어는 화력 발전기의 출력 변화에 의해 주로 관리되었다. 이 용도로 사용되

면, 화력 발전기는 주파수 조정을 위해 양 또는 음의 출력 여유량(예: 출력 증가 및 감소)을


사용하기 때문에 전 용량 범위에서는 작동되지 않는다. 이것은 비효율적인 운영이다. 신

재생 발전의 보급량이 클 수록 이 출력 여유량이 증가해야 하고, 이것은 발전 효율성을

더욱 떨어뜨린다. 신재생 발전은 대부분 여유량이 많지 않다3. EES가 출력 변동을 완화할

수 있으면, 화력 발전기의 여유량이 줄어들어 더 효율적으로 작동할 수 있다.

두 번째, 재생 에너지 출력은 기후 조건에 영향을 받기 때문에 신뢰성이 없다. 이에 대

처하기 위한 몇 가지 조치가 있다.

한 가지는 신재생 발전용량 증가 즉, 초과 용량을 제공하여 신뢰성이 없더라도 충분한

전력이 확보되도록 하는 것이다. 다른 방법으로는 넓은 영역에 걸쳐 재생 발전기 설비를

확대하여 풍력 및 태양 발전기의 상호 보상성에서 예상되는 스무딩 효과와 장소마다 다

른 기후 조건을 이용하는 것이 있다. 이 조치들은 송전망을 확대하고 많은 설비가 있어야

만 가능하다. 신재생 발전 비용과 새로운 송전 설비 구성을 고려한다면, EES는 전망 있는

대안이다.

오프-그리드 영역

상당한 양의 에너지가 소비되는 오프-그리드 영역에서 특히, 운송 부문에서 플러그인

하이브리드 전기 차량(PHEV) 또는 전기 차량(EV)과 같은 제품의 비화석 에너지 또는 화석

에너지를 덜 사용하여 화석 에너지를 대체해야 한다 (그림 1-2 참조). 더 정확하게는, 재생

발전으로 주로 생산되는 저탄소 전기로 화석 연료를 교체해야 한다. 가장 전망 있는 해결

책은 전지가 있는 전기 자동차로 휘발유 또는 디젤 자동차를 교체하는 것이다. 문제(단거

리 주행, 장시간 충전)가 남아있지만, EES는 전기 차량의 핵심 기술이다.

3. 첨단 제어 계획과 규제와 같은 추가 투자로, 여유량을 늘릴 수 있을 것이다.


⋮그림 1-2⋮ 재생 에너지 설치 문제와 가능한 해결책 (TEPCO)

CO2 reduction

On-Grid AreaRenewable generation

Power fluctuation•Difficult to maintain

power output

Partial load operation ofthermal power generation

(inefficient operation)

Undependability•Difficult to meet power

demand

Excessive RE installationto secure enough

generation capacity

Reinforce transmissionfacilities to cover wider

area to utilize wind farmssmoothing effects

Off-Grid AreaEV powered by electricityfrom less or non-fossil

energy sources

Independence from fossil fuels

“More renewable energy,less fossil fuel”

Electrical Energy Storage

Electrical Energy Storage(EES)

•Stabilize wind and PVoutput in low, mediumand high voltage grids

Electrical Energy Storage(EES)

•Increases selfconsumption of dispersedPV energy in households

for low voltagegrid release

•Time shifting of windand PV energy in low

and medium voltage grid


1.3.2 스마트 그리드 사용

EES는 미래에 스마트 그리드에 필수적인 역할을 할 것으로 예상된다. 일부 EES 관련

용도에 대해 아래에 설명하였다.

첫째, 고객측의 변전소에 설치된 EES는 전력 조류를 제어하고, 정체 현상을 완화하거

나 적정 범위 내에서 전압을 유지시킨다.

둘째, EES는 스마트 그리드 내에 통합되도록 기존의 장비의 전화를 지원할 수 있다. 여

러 지역에 배치된 전기 차량(EV)이 좋은 예이다. 일부 사람들은 스마트 그리드 내 부하 시

프팅 기능을 하는 이동형 분산 에너지 자원으로서 EV의 잠재성에 대해 주장한다. EV는

전기 가격이 높을 때, 공급 처리 시설에 전력을 공급할 수 있는 저장 매체와 새로운 전기

부하 역할을 할 것으로 예상된다.

EES에 대해 기대되는 세 번째 역할은 가정과 건물 내 EMS(에너지 관리 시스템)의 에너지

저장 매체로서의 기능이다. 예를 들어, 거주 고객은 실시간으로 실제 소모량을 모니터링

하여 에너지 소비 패턴 변경에 능동적으로 참여하게 된다. 일반적으로 EMS에서는 예를

들어, 필요하지 않을 때 지역 발전에서 얻은 전기를 저장하고 필요할 때 방전하기 위해

EES가 필요해진다. 이에 따라, 그리드에서 전력이 덜 필요한 최적화된 EMS 기능이 가능

해진다.

｜ 1.4 전기저장장치 기술의 역할 ｜

일반적으로 온-그리드 EES 시스템의 역할은 그림 1-3과 같이 사용 횟수(주기)와 작동


지속 기간으로 설명할 수 있다. 전압 품질을 유지하기 위해(예: 무효 전력(reactive power)의

보상) 주기 안정성이 높고 전력 출력 시간이 짧은 EES가 요구된다. 한편, 타임 시프팅을

위해 더 긴 저장 시간과 더 적은 충방전 주기 횟수가 요구된다. 다음 절에서는 역할에 대

해 상세히 설명한다.

1.4.1 유틸리티 관점에서의 역할

1) 타임 시프팅

유틸리티들은 끊임없이 공급 용량과 송전/배전 선로를 준비하여 해마다 증가하는 피

크 수요에 대처해야 하고 이에 따라, 일차 에너지에서 전기를 생산해 내는 발전소를 개발

해야 한다. 일부의 경우, 최소 전력수요 시간, 예를 들어 야간에 전기를 저장하고 최대 전

력 사용 시기에 방전하여 발전 비용을 줄일 수 있다. 최대 전력 사용 시기(peak time)와 최

소 전력 사용 시기(off-peak time)의 수요 차이가 클 경우, 전기 저장으로부터 얻는 이득이

더 커지게 된다. 야간과 주간간의 차이를 줄이는데 저장 방식을 사용하면 발전 출력이 보

다 기복이 없게 되어 작동 효율성이 개선되고 연료 비용이 절감될 수 있다. 이런 이유로,

대부분의 유틸리티들은 양수 발전을 구축하였고 최근에는 변전소에 대형 전지를 설치하

기 시작하였다.

2) 전력 품질

전력 공급사업이 제공하는 기본 서비스는 변화하는 수요에 맞추어 공급할 수 있도록

공급 전력 전압과 주파수를 허용 오차 범위 내에서 유지하는 것이다. 발전기 출력을 조정

하여 주파수를 제어하는데 EES에는 주파수 제어 기능이 있다. 전압은 보통 조상기(phase

modifier)의 무효 전력과 변압기의 탭에 의해 제어된다. 과부하가 있는 선 끝에 위치하는

EES는 전기를 방전하여 전압 강하를 개선하고, 전기를 충전하여 전압 상승을 줄일 수 있다.


3) 보다 효율적인 망 사용

송전/배전선이 증가하는 전력 수요에 맞추어 보강되지 않으면, 전력망에서 정체 현상

이 발생할 수 있다. 이 경우, 해당 변전소에 설치된 대형 전지는 이 정체 현상을 완화할 수

있어서 추가적인 송전선로의 건설을 연기하거나 회피하는데 도움이 된다.

4) 독립 그리드

소규모 독립형 전력망 내에 예를 들어, 섬에서 유틸리티가 전기를 공급하는 경우, 디젤

과 신재생과 같은 소용량의 발전기의 출력은 전력 수요와 일치해야 한다. EES를 설치하

여 유틸리티들은 소비자에게 안정적인 전력을 공급할 수 있다.

5) 보호 및 제어 장비를 위한 비상 전력 공급

보호 및 제어를 위한 안정적인 전력 공급은 매우 중요하다. 정전이 발생하는 경우, 비상

전원장치로서 전지가 많이 사용된다.

0,1 s 1 s 15 s 1 min 15 min 1 h 8 h

1 / month

1 / day

12 / day

30 / h

30 / min

5 / sec

Electricity supplyreserve

Primary

Regulation

PowerQuality

Timeshift

Num

ber

of use

s

Duration

⋮그림 1-3⋮ 사용 기간과 횟수에 따라 다른 그리드 내 전기저장장치 사용 eus06


1.4.2 소비자 관점에서 보는 역할

1) 타임 시프팅/비용 절감

전력 공익 기업은 시간에 따른 전기 가격, 야간에는 낮은 가격, 주간에는 높은 가격을

정하여 전기 부하가 기복이 없도록 소비자를 장려할 수 있다. 이 때, 소비자는 주간에 그

리드에서 필요한 첨두 부하를 줄이고 최소 전력 사용 시간에는 필요한 전력를 구입하기

위해 EES를 활용함으로써, 전력 구입 비용을 줄일 수 있다.

2) 비상 전력 공급

소비자는 스프링클러 및 보안 장비와 같이 지속적인 공급을 필요로 하는 기구를 보유

할 수 있다. EES는 정전되는 동안 비상 발전기의 대체물로 설치되기도 한다. 반도체와

LCD 제조업자는 잠시 정전되는 동안에도(예: 번개) 제품 품질 유지에 있어서 크게 영향을

받는다. 이 경우, 대형 전지, 이중층 커패시터, SMES와 같은 EES 기술을 갖추어 EES의

망의 부하를 즉시 꺼서 일시적 정전 영향을 피할 수 있다. 휴대용 전지 또한 전기 기구에

전력을 비상 시에 제공하는 기능이 있다.

3) 전기 차량과 모바일 기기

전기 차량(EV)은 이산화탄소 감소를 위해 장려되고 있는 제품이다. 니켈 카드뮴, 니켈

메탈 하이드라이드, 리튬 이온 전지와 같은 고성능 전지를 EV에 장착하여 전원으로 사용

할 수 있다. 또한, EV 전지는 태양 전지, 연료 전지와 함께 사내 기기를 구동하는데 사용

할 수 있을 것으로 예상된다. 더불어 EV가 전력망과 유용하게 연결될 수 있는지에 대한

연구가 진행되고 있다. 이 가능성을 “V2H” (차량 대 홈)와 “V2G” (차량 대 그리드)로서 종종

간략하게 나타내기도 한다.


1.4.3 재생 에너지 발전기 관점에서 보는 역할

1) 타임 시프팅

태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지는 기후에 영향을 받고, 잉여 전력을 수요 측에서 필

요로 하지 않을 때, 제거될 수 있다. 따라서, 잉여 전기를 EES에 저장하고 필요할 때마다

사용하여 귀중한 에너지를 효율적으로 사용할 수 있고 또한, 가격이 높을 때, 판매할 수

있다.

2) 효율적인 그리드 연결

태양광 및 풍력 발전 출력은 기후와 풍속에 따라 크게 변화한다. 이것은 계통 연계를 더

욱 힘들게 할 수 있다. 타임 시프트에 사용되는 보다 비용 효율적으로 기후/풍속에 따른

출력 변동을 흡수할 수 있다.


이 절에는 EES 시스템 타입과 특징이 열거되어 있다. 장단점과 함께 간략하게 설명한

후, 다양한 EES 타입에 대해 설명한다. 마지막으로, 주요 기술적 특징을 간략히 나타내

었다.

｜ 2.1 EES 시스템 분류 ｜

EES 시스템은 주로 사용되는 에너지 형태에 따라 분류한다. 그림 2-1의 EES 시스템은

기계, 전기화학, 화학, 전기, 열 에너지 저장 시스템으로 분류된다. 수소와 합성 천연 가스

(SNG)는 이차 에너지 운반체로서 수소를 생성하기 위해 물 전기분해를 통해 전기 에너지

를 저장하는데 사용할 수 있다. 필요한 경우, 추가 단계를 밟아 메탄을 생성할 수 있다. 연

료 전지 전기는 수소 또는 메탄을 산화시켜 발생된다. 이 전기분해-연료 전지 과정은 전

기화학적 EES에 해당한다. 그러나, 두 가스는 다목적의 에너지 운반체이다. 예를 들어,

이 두 가스를 이용하여 다시 증기터빈 또는 가스터빈에서 전기를 발생시킬 수 있다. 이에

따라, 화학 에너지 저장 시스템으로 분류된다. 그림 2-1에서 보면, 전기가 이 저장 시스템

2장

전기저장장치 타입과 특징


으로 거의 직접 투입되지 않더라도 열 에너지 저장 시스템 또한 EES에 포함된다. 열 에너

지 저장장치의 도움으로 재생 에너지원의 에너지를 이용하여 수요가 있을 때 전기를 생

산할 수 있기 때문이다.

｜ 2.2 기계식 저장장치 ｜

가장 일반적인 기계식 저장장치는 양수 발전(PHS), 압축 공기 에너지 저장(CAES), 플라

이휠 에너지 저장(FES) 장치가 있다.

2.2.1 양수 저장(PHS)

120 GW 이상의 양수 저장 장치(그림 2-2)는 전세게 발전 용량의 약 3%인 전기 저장 용

량의 99%를 거의 차지한다4. 기존의 양수 저장 시스템은 하부에서 상부 저수지로부터 비

⋮그림2-1⋮ 에너지 형태에 따른 전기저장장치 분류 (Fraunhofer ISE)

Mechanical Electrochemical Electrical

Chemical Thermal

Electrical energy storage systems

Pumped hydro - PHSSecondary batteries

Lead acid / NiCd / NiMh / Li / NaS

Double-layer

Capacitor - DLC

Hydrogen

Electrolyser / Fuel cell / SNG

Sensible heat storage

Molten salt / A-CAES

Flow batteries

Redox flow / Hybrid flow

Superconducting

magnetic coil - SMECompressed air - CAES

Flywheel - FES


수기에 물을 올려 보내기 위해 여러 높이에서 두 가지 저수지를 사용한다 (충전). 필요할

때, 물이 상부 저수지에서 하부 저수지로 흐르면, 발전기를 통해 터빈이 구동되어 전기가

생산된다 (방전). 상부 및 하부 저수지의 여러 옵션이 있는데 예를 들어, 높은 댐을 양수 저

수지식 발전소로서 사용할 수 있다. 하부 저수지의 경우, 물에 잠긴 갱도, 기타 지하 공동,

공해 또한 기술적으로 가능하다. 해수 양수 발전소는 일본에서 1999년에 최초로 세워졌

다 (Yanbaru, 30 MW) fuj98.

PHS는 오랫동안 1890년대에 이태리와 스위스에서 사용되었다. 1933년까지 전동 발전

기가 포함된 가역 펌프-터빈이 이용되었다5. 일반적으로 방전 시간은 몇 시간에서 몇 일

에 이른다. PHS 발전소의 효율성은 70% - 85%의 범위이다. 매우 긴 수명을 갖고 있고

무제한 주기 안정성을 보여주는 장점이 있다. 주요 단점은 지형 조건에 따르고 큰 육지를

사용해야 한다는 점이다. 주요 용도는 타임 시프트를 통한 에너지 관리 즉, 비순동 예비

력(non-spinning reserve)과 공급 예비력을 위한 것이다.

2.2.2 압축 공기 에너지 저장(CAES)

압축 공기(압축 가스) 에너지 저장장치(그림 2-3)은 모바일을 포함하여 여러 산업 용도로

19세기 이후로 알려지고 사용된 기술이다. 가용성에 의해 공기는 저장 매체로 쓰인다.

전기는 공기를 압축하고 지하 구조물 내에 또는 지상의 저장탱크 시스템, 파이프 등에

공기를 저장하는데 쓰인다. 필요시 압축 공기는 천연 가스와 혼합되고 연소되어 변형 가

스 터빈(modified gas turbine) 내에서 팽창된다. 일반적으로 지하 저장소로 동굴, 대수층

또는 폐광을 선택한다. 압축하는 동안 방출된 열이 냉각에 의해 소멸되고 저장되지 않는

경우, 공기를 터빈 내에서 팽창하기 전에 재가열해야 한다. 비단열 CAES라 하는 이 과정

에서 50% 이하의 낮은 에너지 효율성을 보여준다. 단열 기술은을 활용한 발전소는 높은

4. 2100 MW 피크 부하를 가지는, 세계에서 가장 큰 PHS 플랜트는 미국, Virginia 에 위치하는 Bath County 수력 양수 저장이다.

5. 요즘 기술로, 속도 조절할 수 있는 장치가 효율을 개선하는데 사용될 것이다.


신뢰성을 갖고 공기를 재가열하기 위한 외부 전력원 없이 발전을 시작할 수 있다6. CAES

의 장점은 대용량이란 점이고, 단점은 낮은 왕복 효율성을 갖고 지리적 제한을 받는다는

것이다 nak07.

2.2.3 플라이휠 에너지 저장 (FES)

플라이휠 에너지 저장장치(그림 2-4)에서 회전 에너지는 대형 회전 실린더인 가속 로터

⋮그림2-2⋮ 양수 저장 (Vattenfall, IEC MSB/EES Workshop, 2011)

⋮그림2-3⋮ 지하 CAES rid11

Moter Comprassor

CompressedAir

CavemSalt Dome

Air

ExhaustWasle Heat

Recuperaoor High PressureTurbine

LowPressureTurbine

Generator

Fuol(Nalural Gas)


내에 저장된다. 주요 플라이휠 부품은 컴파트먼트 내 회전 본체/실린더(샤프트에 부착된 림

으로 구성된), 베어링, 전달 장치(고정자7에 장착된 모터/발전기)이다. 일정한 속도로 회전 본체

를 유지하여 플라이휠 내 에너지가 유지된다. 속도가 증가하면 저장되는 에너지의 양이

증가된다. 플라이휠을 가속화하기 위해 전기는 트랜스미션 장치로 공급된다. 플라이휠의

회전 속도가 감소하는 경우, 동일한 트랜스미션 장치에 의해 전기가 시스템에서 추출될

수 있다. 약 1970년대 이후로 이용되었던 최초 플라이휠 발전은 기계식 베어링의 대형 강

철 회전 본체를 사용한다. 첨단 FES 시스템에는 진공 엔클로저 내에서 자기 베어링에 의

해 뜨게 되고 20,000에서 50,000 rpm의 속도로 회전하는 고강도 탄소 필라멘트가 있다.

플라이휠의 주요 특징은 뛰어난 주기 안정성과 긴 수명, 거의 필요하지 않은 유지보수,

높은 전력 밀도, 환경 친화적 비활성 물질 사용이다. 그러나, 플라이휠은 산업 및 UPS 용

도, 주로 하이브리드 구성에서 전력 품질을 목적으로 배치된다. 오랫동안(몇 시간에 걸친)

Field Replaceable

Bearing Cartridge

Magnetic Bearing

Integrated into

Field Circuit

Flywheel

Motor/Generator

Rotor

Air-Gap Armature

Field Coil

Smooth Back-Iron,

No Slots & Low Loss

No Permanent

Magnets Enables

High Tip-Speed and

High Output

Power

⋮그림2-4⋮ 플라이휠 에너지 저장 act11

6. 현재 개발중인 단열 CAES 공정에서, 배출되는 열은 열 저장장치(예, 다공성의 돌)에 유지되고, 터빈에 확장되면서 다시 사용된다.

7. 고정자는 타워의 꼭대기에 있는 조립품의 고정 부분이다.


차량 내 발전소에서 가동하기 위해 전력 저장 장치인 플라이휠을 최적화하려는 노력이

진행 중이다.

｜ 2.3 전기화학 저장장치 ｜

이 절에서는 다양한 타입의 전기에 대해 설명한다. 대부분 실제로 상업화되어 활용되

고 있다. 6개의 2차 전지 타입인 납산 전지(납축전지), NiCd/NiMH, Li-ion, 메탈 에어, 나트

륨 황, 나트륨 니켈 클로라이드 전지를 열거하고 두 종류의 플로우 전지에 대한 설명이

열거된다.

2.3.1 2차 전지

납 산 전지(LA, Lead Acid)

납산 전지는 전세계적으로 가장 널리 쓰이는 전지 타입으로 대략 1890년 이후 상업화

되었다. 납 산 전지 시스템은 이동 및 고정용 둘 다에 쓰인다. 일반적으로 비상 전력 공급

시스템, PV가 포함된 독립형 전력공급 시스템, 풍력 출력 변동을 완화하기 위한 전지 시

스템에 적용되고 차량 내 스타터 배터리로서도 쓰인다. “전화 시대” (1910 – 1945년) 초기

에 그리드 내 저장용으로 납 산 전지가 많이 사용되었다. 고정 납 산 전지는 스타터 전지

보다 훨씬 높은 제품 품질 규격에 맞추어야 한다. 80%의 방전량에서 1,500회 주기 수명

을 가지고, 일반적인 사용 기간은 6년에서 15년이다. 납 산 전지는 저비용에서 발전되고

충분한 연구를 거친 기술로 안정성을 보여주고 있다. 많은 타입의 납 산 전지가 시판되

고 있는데 그 예로서, 배기 및 밀봉 하우징 버전(밸브 조정 납 산 전지라 불리는)이 있다. 고

정식 전지는 현재 차량용인 스타터 전지에 비해 제품규격 및 요구사항 등이 엄격한 이

유로 비용이 훨씬 더 든다. 고정식 시스템용 납 산 전지를 대량 생산한다면 가격이 내려


갈 수 있다.

납 산 전지의 한 가지 단점은 고출력 방전시, 사용 가능한 용량이 감소한다는 것이다.

예를 들어, 전지가 한 시간만에 완전 방전될 경우, 정격 용량의 약 50 – 70%만을 사용할

수 있다. 다른 단점으로는 낮은 에너지 밀도와 여러 지역에서 금지하거나 제한하는 유해

물질인 납 사용이 있다. 장점으로는 유리한 비용/성능 비율, 재활용의 용이성, 충전 기술

의 간단함이 있다. 현재, 납 산 전지에 대한 R&D에서는 마이크로 하이브리드 전기 차량

(3.2.5절 참조)의 거동을 개선하려고 노력 중이다 etg08, lai03.

니켈 카드뮴, 니켈 메탈 하이브라이드 전지 (NiCd, NiMH)

1995년경, 니켈 메탈 하이드라이드(NiMH)가 상업 목적으로 도입되기 전까지는, 1915년

경 개발된 니켈 카드뮴 (NiCd) 전지가 널리 쓰였다. 납 산 전지에 비해, 니켈 기반 전지는

더 높은 전력 밀도, 다소 높은 에너지 밀도와 장수명 특성을 가진다.

기술적 관점에서, NiCd 전지는 매우 성공적인 전지 제품이다. 특히, -20°C ~ -40°C

범위의 낮은 온도에서도 잘 기능을 하는 유일한 전지이다. 배기 NiCd 전지를 이용하는

대형 전지 시스템은 납 산 전지와 유사한 스케일에서 작동한다. 그러나, 카드뮴의 독성

때문에 이 전지는 현재 유럽 내에서 고정식 용도로만 쓰인다. 2006년 이래로 소비자용으

로는 사용 금지되었다.

NiMH 전지는 NiCd 전지를 대체하기 위해 최초로 개발되었다. 실제로, NiMH 전지는

NiCd 및 납 산에 비해 열 배 더 적은 최대 공칭 용량을 가진다는 점을 제외하고 NiCd 전

지 의 장점을 모두 가진다. 또한, 훨씬 더 에너지 밀도가 높다 (질량대비). 전지의 특성에 따

라 휴대용 및 이동식 용도의 밀폐형 NiMH 전지가 리튬 이온 전지로 광범위하게 교체되었


다. 한편, 오늘날 시판되는 하이브리드 차량은 리튬 이온 전지보다 견고하고 훨씬 안전한

밀폐형 NiMH 전지만을 거의 이용하여 작동된다. NiMH 전지는 현재 리튬 이온 전지와 거

의 동일한 비용이 든다 etg08, smo09, dah03.

리튬 이온 전지(Li-ion)

리튬 이온 전지(그림 2-5)는 약 2000년 이후, 휴대용 및 모바일 용도(예: 노트북, 휴대폰, 전

기 자전거, 전기 자동차)에서 가장 중요한 저장 기술이 되었다. 3.7의 공칭 Volt에 이르는 높

은 셀 전압 레벨에서 관련 연결장치와 전자장치와 직렬로 연결된 셀의 개수를 목표 전압

을 얻기 위해 줄일 수 있다. 예를 들어, 하나의 리튬 이온 셀로 1.2 Volt의 셀 전압을 갖는 3

개의 NiCd 또는 NiMH 셀을 대체할 수 있다. Li-ion 전지의 또 다른 장점은 높은 중량 에너

지 밀도(gravimetric energy density)와 대량 생산을 통한 상당한 비용 절감 가능성이다. Li-

ion 전지가 소형 휴대용 장치 시장에서 50% 이상의 점유율을 보이지만, 대형 Li-ion 전지

개발 과제가 진행되고 있다. 주요 장애요인은 특수 포장과 내부 과충전 보호 회로등의 필

요로 인해 USD 600/kWh 이상의 고비용이 소요된다는 점이다.

리튬 이온 전지는 일반적으로 매우 높은 효율(95% - 98%)을 보여준다. 초 단위에서 몇

주(week)에 이르는 거의 모든 방전 시간을 설정할 수 있어서 유연하고 보편화된 전기 저

장이 가능하다. 5000회의 충방전 주기수명을 가지는 표준 셀은 쉽게 구할 수 있지만 더

높은 주기 수명을 가지기 위해 전극 사용물질을 개발중에 있다. 리튬 이온 전지는 여전히

고가여서, 유일하게 짧은 방전 시간(높은 순간 출력)이 요구되는 용도에(예: 1차 컨트롤 백업으

로서) 납 산 전지와 경쟁할 수 있다.

안전은 리튬 이온 전지 기술에서 중대한 문제이다. 대부분의 금속 산화물 전극은 열

에 의해 불안정하여 온도 상승 시, 분해되어 산소를 방출하여 열 폭주(thermal runaway)를


일으킬 수 있다.

이를 최소화하기 위해, 리튬 이온 전지에는 과충전과 과방전을 방지하기 위한 모니터

링 장치가 갖추어져 있다. 또한, 전압 평형 회로가 개별 셀의 전압 레벨을 모니터링하고

그 편차를 방지하기 위해 시스템 내부에 함께 설치된다. 리튬 이온 기술은 여전히 개발

단계에 있으며, 발전 가능성이 매우 높다. 주로 음극 물질 개발에 주력하는 연구가 진행

되고 있다 etg08, esp11.

메탈 에어 전지 (Me-air)

메탈 에어 전기화학 전지는 순금속으로 제조된 양극과 대기중의 공기가 무제한으로 공

급될 수 있는 음극으로 구성되어 있다. 전기화학 반응에서는 공기 중 산소만 사용된다.

다양한 메탈 에어 전지 화학 커플 중에서 산소를 배제한 이론적 특정 에너지가(산소는 전

지에 저장되지 않음) 다른 전지 타입 보다 100 배 이상인 11.14 kWh/kg으로 매력적인데, 심

지어는 휘발유(10.15 kWh/kg)보다 높다. 그러나, 높은 공기와의 리튬 반응성과 습도는 화재

의 원인이 될 수 있어 안전 위험도가 높다.

현재, 1.35 kWh/kg의 산소를 배제한 이론적 특성 에너지를 갖는 아연 공기 전지만이 기

술적으로 실행 가능하다. 아연 공기 전지는 연료 전지와 기존의 전지 특성을 일부 가지

고 있다. 아연은 연료이고, 반응속도는 변화하는 공기 흐름양에 의해 제어될 수 있으며,

⋮그림2-5⋮ 일반 Li-ion 각기둥형 셀(prismatic cell) 설계와 전지 모듈 (A123, IEC MSB/EES 워크샵, 2011)

POUCH

POUCH

POUCH

CATHODE NANOPHOSPHATESEPARATORANODE

ANODE

SEPARATOR

CATHDDE NANOPHOSPHATESEPARATOR


산화 아연 / 전해질은 새로운(초기 성능을 가지는) 전해질로 교체할 수 있다.(유지보수 용이)

1970년대에 연료 전지 연구에 근거한 얇은 전극 개발로 보청기, 페이저, 의료 장비 특히,

심장 텔레메트리(cardiac telemetry)에 가능한 소형 버튼 프리즘 1차 전지가 제조되었다. 재

충전이 가능한 아연 공기 전지는 물 기반의 전해질 성분으로 인한 아연 침전이 잘 조절되

어야 하므로 설계 어려움이 있다. 충분한 기술 수준의 메탈 에어 시스템은 낮은 재료 비

용과 높은 에너지 용량을 제공할 가능성이 있지만, 아직 아무도 상업화에 성공하지 못하

고 있다 wor02, atw11.

소듐 설퍼 전지 (NaS)

소듐 설퍼 전지 (그림 2-6)는 양극에 있는 액체(용융) 유황과 음극에 있는 액체(용융) 소듐

으로 구성되었다. 고체 베타 알루미나 세라믹 전해액(solid beta alumina ceramic electrolyte)

에 의해 활성 물질이 분리된다. 전지 온도는 전극의 용용 상태가 유지되는 300 °C - 350

°C 사이이다. NaS 전지는 대략 4,500회 주기의 수명이 일반적이고, 6 – 7 시간의 방전 시

간을 갖는다. AC-기반 왕복 효율성이 약 75%로 효율적이고 빠른 반응을 보인다.

이 전지는 높은 에너지 밀도의 전력수요 이전 용도와 복합 전력 품질에 경제적으로 사

용될 수 있다. NaS 전지 기술은 주로 전력수요 피크 때를 대비하여 일본 내에 약 200군

데에서 입증되었고, 독일, 프랑스, 미국, 아랍에미리트에도 NaS 전지가 운영되고 있다.

주요 단점은 작동 온도를 유지하기 위해 전지 자체에 저장된 에너지를 사용하게 되는, 전

지 성능을 부분적으로 감소시키는 열원이 필요하다는 것이다. 매일 꾸준히 사용할 때는,

적정 규모의 단열장치를 사용하여 자체 반응열에 의해 전지 온도를 거의 유지할 수 있다.

대략 1990년대에 300 kWh - 360 kWh 의 용량 및 50 kW 출력의 최소 모듈 크기의 NaS

전지가 일본의 한 회사에서 제조되었다. 하나의 분리된 모듈만을 사용하는 것은 활용성

이 낮아 20개의 모듈을 하나의 전지로 결합하기 때문에 최소 상업 전력과 에너지 범위는


1 MW와 6.0 MWh - 7.2 MWh에 따른다. 이 전지는 일일 사이클링 용도에 적합하다. 반응

시간이 밀리세컨드 범위에 있고 NaS 전지가 그리드 안정화 요건을 충족하므로 이 기술

은 공익 기업과 소비자들에게 매우 흥미로울 수 있다 esp11, kaw11.

소듐 니켈 클로라이드 전지 (NaNiCl)

ZEBRA (Zero Emission Battery Research)로 더 잘 알려진 소듐 니켈 클로라이드 (NaNiCl)

전지는 NaS 전지와 같이 고온(HT) 전지이며, 약 1995년 이후, 상업적으로 사용되어 왔다.

작동 온도는 약 270 °C이고, 양극의 황 대신에 니켈 클로라이드를 이용한다. NaNiCl 전지

는 과충전과 과방전에 비교적 잘 견딜 수 있고, NaS 전지보다 더 나은 안전 특성과 더 높

은 셀 전압을 가질 수 있다.

고장이 발생하면 저항이 낮아지는 경향이 있는데 이것은 직렬 연결부 내 단전지 결함

으로 인하여 전체 시스템에 고장이 일찍 발생하는 대신에 하나의 단전지 전압이 손실되

기 때문이다. 이 전지는 여러 전기 차량 설계(Think City, Smart EV)에 성공적으로 구현되었

⋮그림2-6⋮ NaS 전지: 셀 설계와 50 kW 모듈 (NGK, IEC MSB/EES 워크샵 2011)

Battery Cell

Sodium Na

Sodium

Safety Tube

Beta-AluminaSulfur Electrode

Gas Tight Seal

(TCB – thermal compression bonding)

Insulator

(alpha-Alumina)

Sulfur Housing

(with corrosionprotection layer)

Sulfur S

Cell

Mainpole

Mainpole

Thermal enclosure

Thermal enclosure

Beta

Alumina tube

– +


고 차량군(fleet)에 쓰일 가능성이 있다. 하이브리드 차량을 위한 더 높은 전력 밀도를 갖

는 첨단 버전과, 부하 평준화와 산업 용도의 재생 에너지 저장을 위한 고에너지 버전의

ZEBRA 전지를 개발 중에 있다.

2.3.2 플로우 전지

기존의 2차 전지의 에너지는 전극의 활성 물질에서 충전되고 방전된다. 플로우 전지도

재충전이 가능한 전지이지만, 기존의 2차 전지와 달리 액체 전해질에 용해되어 있는 하

나 이상의 전기 활성종(electroactive species)에 에너지가 저장된다. 전해물질은 외부 탱크

에 저장되고 화학 에너지를 직접 전기로 또는 반대로 직접 화학에너지로 전환 시킬 수 있

다. 출력은 전기화학 셀의 크기와 설계로 정의되는 반면, 에너지 양은 탱크의 크기에 따

른다. 이러한 특성의 플로우 전지는 광범위한 고정식 용도에 적합할 수 있다. 장기 우주

비행을 위한 EES로서 70년대 초에 NASA가 원래 개발한 플로우 전지는 현재 몇 MW에

이르는 전력으로 몇 시간 또는 며칠 동안 에너지를 저장하기 위한 용도로 관심을 받고 있

다. 플로우 전지는 레독스 플로우 전지와 하이브리드 플로우 전지로 분류된다.

레독스 플로우 전지(RFB)

용해된 금속 이온(활성 물질)이 함유된 두 가지의 액체 전해질은 전기화학 셀에서 서로

반대방향으로 보내어 진다. 음극과 양극에 있는 전해질은 각각 음극액(anolyte)과 양극액

(catholyte)으로 부른다. 충전과 방전 시 금속 이온은 전해액에 용해된 상태에 있는다. 이

활성물질의 상 변화가 발생한다. 양극액과 음극액은 다공성의 전극을 통해 흐르고 막에

의해 물리적으로 분리되어 있는데, 전기가 외부회로를 통해 흐르면서 양성자는 이 막을

통과한다. 하전(charge) 교환이 이루어지는 동안, 전극을 통해 전류가 흐르는데 전선에 연

결된 동력장치가 이를 이용할 수 있다. 방전하는 동안, 전극에는 탱크에 용해되어 있던

활성 물질이 지속적으로 공급된다. 일단, 활성물질이 다른 상태로 전환되면, 전환된 활성


물질(생성물)은 탱크에서 제거된다.

이론적으로 방전된 전해물질을 올려 보내고 재충전된 전해물질로 교체하여 RFB를 몇

분 이내에 “재충전”할 수 있다. 이것은 레독스 플로우 전지가 모바일 분야에 대한 활용 가

능기술로 논의되고 있는 이유이다. 그러나, 현재까지, 전해물질의 에너지 밀도는 전기 차

량용으로는 매우 부족한 실정이다.

오늘날, 다양한 레독스 커플이 조사되고 Fe-Ti 시스템, Fe-Cr 시스템, polyS-Br 시스

템(시운전되지 않았지만 5 MW과 120 MWh의 Regenesys 설비)과 같은 RFB에서 시험을 거쳤다.

바나듐 레독스 플로우 전지(VRFB, 그림 2-7)은 가장 멀리까지 개발되었다. Prudent Energy

(CN)과 Cellstrom (AU)과 같은 회사가 대략 2000년 이후부터 이끌었다. VRFB는 산화제로

V2+/V3+레독스 커플을, 환원제로서 약한 황산 용액에 녹인 V5+/V4+레독스 커플을 사용한

다. 이 전지의 주요 장점은 양 측에서 동일한 금속 이온을 사용하는 것이다. 물리적으로

양극과 음극을 분리하는 막을 통해 통과하지 말아야 할 금속 이온이 통과되더라도(모든

레독스 플로우 전지의 경우와 같이) VRFB에서는 에너지 손실만이 있을 뿐이다. 여러 다른 금

속 이온을 사용하는 다른 RFB에서 금속이온 교차는 전해물질이 완전히 사용불가하게 되

버리고(전해액 폐기), 용량이 손실되는 원인이 된다. 1980년 초기에 호주 뉴사우스웨일스

대학교에서 VRFB 기술을 선도적으로 연구하였다. 500 kW과 10시간에 이르는 VRFB 저

장 시스템이 SEI에 의해 일본에 설치되었다.

SEI는 전력 품질을 위해 VRFB를 사용하였다 (예: 3 MW, 1.5 sec.).


하이브리드 플로우 전지 (HFB)

하이브리드 플로우 전지(HFB)에서 활성 물질 중 하나는 전기화학 셀 내에 저장되고, 나

머지는 액체 전해물질에 녹아있고 외부 탱크에 저장된다. 따라서, 하이브리드 플로우 셀

은 기존의 2차 전지 및 레독스 플로우 전지 특성이 복합되어 있다. 전지 용량은 전기화

학 셀의 크기에 따른다. HFB의 일반적 예는 Zn-Ce와 Zn-Br 시스템이다. 이 두 가지 경

우, 양극액은 Zn2+이온의 산 용액으로 이루어져 있다. 충전하는 동안 아연은 전극에 침

전되고 방전 시, Zn2+는 용액으로 돌아간다. 막으로 다공성의 폴리올레핀 물질이 사용된

다. 대부분의 전극은 탄소-플라스틱 합성물이다. 1970년 초기에 Exxon에 의해 개발되

었던 Zn-Br 하이브리드 플로우 전지의 상용화 작업을 여러 기업이 하고 있다. 미국에서

는 ZBB Energy와 Premium Power가 공익 시설용으로 1 MW / 3 MWh에 이르는 단위 용

량의 트레일러로 운송 가능한 Zn-Br 시스템을 판매한다. 지역 에너지 저장용 5 kW / 20

kWh 시스템도 개발 중이다.

⋮그림2-7⋮ 베나듐 레독스 플로우 전지 개략도 (Fraunhofer ISE)

Sink/Source

Pump

Elec

trode

Charge

V5V3 V4V2

DischargeIons

e e

Tank

V2/V3

Tank

V2/V4

Discharge

ChargeMem

bran

e

Elec

trode

Pump


｜ 2.4 화학 에너지 저장 ｜

대량의 (전기)에너지 저장 분야에 상당한 영향을 끼칠 수 있으므로, 이 보고서에는 이차

에너지 운반체로서 수소 및 합성 천연 가스(SNG)를 기반으로 하는 화학 에너지 저장에 대

해 설명한다. 이 화학 에너지 저장 시스템의 주요 목적은 물 전기분해를 통해 수소를 생

성하기 위해 초과 전기를 사용하는데 있다. 일단 수소가 한번 만들어지면, 순 수소로 사

용하거나 또는 SNG의 형태로 전환된 에너지 운반체로 사용되는 등 여러 방식이 가능하

다. 수소와 SNG의 전체 효율성이 PHS와 Li-ion과 같은 저장 기술에 비해 낮지만, 화학

에너지 형태의 저장은 계절 단위 이상의 훨씬 긴 시간 동안 TWh 범위에 이르는 대량 에

너지 저장을 가능하게 하는 개념이다. 수소와 SNG의 또 다른 장점은 이 범용 에너지 운

반체를 운송, 이동성, 가열, 화학 산업과 같은 여러 부문에서 사용할 수 있다.

2.4.1 수소 (H2)

일반 수소 저장 시스템은 전해조, 수소 저장 탱크, 연료 전지로 구성된다. 전해조는 물

을 전기를 이용하여 수소와 산소로 분해하는 전기화학 컨버터이다. 이것은 흡열성 과정

즉, 반응하는 동안 열이 필요하다. 수소는 가스 병 또는 탱크 내 압력 하에 저장되고 이것

은 무제한 시간 동안 가능하다. 전기를 발생시키기 위해 연료 전지로 가스가 흐르고 여기

서, 물 분리의 반대가 되는 전기화학 반응이 발생한다. 수소와 산소가 반응하고 물이 생

성되고, 열이 방출되고 전기가 생성된다. 경제적이고 실용적인 이유로, 산소가 저장되지

않고 전기분해 시 공기로 배출되고, 발전을 위해 공기에서 산소가 유입된다.

연료 전지 이외에도, 가스 모터, 가스 터빈, 복합된 가스 및 증기 터빈 주기가 발전에 대

해서 논의된다. 연료 전지(1 MW 이하)가 있는 수소 시스템을 분산 설비 내 열병합전력을 위

해 채택할 수 있다. 몇 백 MW에 이르는 가스 및 증기 터빈을 피크 발전소로 사용할 수 있


다. 전체 AC-AC 효율성은 약 40%이다.

수소는 메탈 하이드라이드에 흡수되거나 복합 하이드라이드 내에 화학적으로 결합된

매우 낮은 온도에서의 액체, 고압 상태의 가스로서 저장하는 등 여러 방식이 있다. 그러

나, 고압 상태에서의 고정식 가스 저장이 가장 대중적이다. 900 bar에 이르는 압력 하에

서 지상 탱크 또는 병에 소량의 수소를 저장할 수 있다. 대량의 수소의 경우, 지하 배관

시스템 또는 심지어 200 bar에 이르는 압력 하의 100,000m³ 체적의 암염 공동을 사용

할 수 있다.

현재까지, 재생 에너지에 사용되는 상업용 수소 저장 시스템이 없었다. 그러나, 노르웨

이의 Utsira의 섬에서의 프로젝트와 같이 지난 25년간 다양한 R&D 프로젝트에서 수소

에 대한 실현 가능성은 성공적으로 입증되고 있다. 다른 예로는 현재 건설 중인 독일의

Enertrag의 하이브리드 발전소가 있다 ene11. 전력이 그리드 내로 직접 공급되지 않으면,

전기분해를 통해 수소를 생성하는데 이때 풍력 에너지가 이용된다. 필요시, 저장된 수소

는 바이오가스와 혼합되어 가스 모터를 가동하게 된다. 또한, 베를린 국제 공항에 있는

수소 충전소에 앞서 생성된 수소가 사용될 것이다.

산업에서 대규모(160 MW에 이르는)의 물 전기분해 플랜트가 1990년대 말에 노르웨이, 이

집트, 페루 등 여러 장소에 건설되었다.

2.4.2 합성 천연 가스(SNG)

메탄 합성(합성 천연 가스 SNG라고도 불리는)은 화학 에너지로서 전기를 저장하기 위한 두

번째 옵션이다. 여기서, 전해조 내 물 분리 과정을 넘어 두 번째 단계가 필요하다. 이 단계

에서 수소와 이산화탄소가 메탄화 반응기 내에서 메탄으로 반응한다. 수소와 마찬가지로,


생성된 SNG는 압력 탱크, 지하에 저장되거나 직접 가스 그리드 내에 공급될 수 있다. 메

탄화 과정을 위해 화석 연료를 쓰는 발전소, 산업 설비 또는 바이오가스 플랜트와 같은

여러 이산화탄소 자원을 생각할 수 있다. 에너지 손실을 최소화하기 위해 가스 이산화탄

소(이산화탄소 자원에서)와 수소(전기분해 플랜트에서)를 메탄화 플랜트에 운송하는 것은 피해

야 한다.

SNG 생산은 이산화탄소와 전기가 남는 지역에서의 적용이 바람직하다. 특히, 바이오

가스 생산 과정에서 얻는 이산화탄소가 널리 사용될 수 있는 유망한 기술이다. 그러나,

메탄화 공정은 연속적이기 때문에 메탄 가스를 저장할 수 있는 부지 및 저장소가 필요하

다. 최근에 이 개념 “메탄으로 전환된 전력(power to methane)”은 독일에서 실증설비 규모

정도(pilot-scale)의 생산 플랜트 등이 건설중에 있다 kuh11.

이 방식의 주요 이점은 기존의 가스 그리드 인프라(예: 유럽 내) 사용이 가능하다는 점이

⋮그림2-8⋮ 에너지 운반체인 수소 및 SNG 사용에 대한 전체 컨셉 wai11

Power Generation

Photovoltaic

Wind Power

Gas pipefine

MethanationCO2 utilization

(S-abatior-process)

H2 storage

CH4

CH4

H2H2

H2O

CO2

H2H2

OZ

H2

(njection)

Conventional(e.q.fossil)

Drectulilization(no storage step)

Mobility(H2-refueling)

PEM-Electrolyzer

Grid

Energy(Re-Electntication)

CC-TurbineInter-

mittentgeneration

Steadygeneration

Industry

Fuel Cell Car

Industry(Rusage of H2)

Conversion In / Out Uililzation


다. 사양 범위 내(예: 열량 값)의 가스 혼합 비율을 유지하기 위해 특정 농도까지만 순 수소

를 가스 그리드 내에 공급할 수도 있다. 또한, 메탄은 에너지 밀도가 더 높고, 배관 내 운

송시 에너지가 덜 필요하다 (높은 가스 밀도 때문). SNG의 주요 단점은 전기분해, 메탄화, 저

장, 운송 및 그 이후 다시 전력생산 되는 과정에서 전환 손실로 인해 효율이 비교적 낮다

는 것이다. 35 % 이하의 전체 AC-AC 효율성은 수소보다도 더 낮다. 화학 에너지 저장장

치로 수소와 SNG를 복합적으로 사용하는 것에 대한 종합적 개요는 그림 2-8에 나타나

있다 wai11.

｜ 2.5 전기저장장치 ｜

2.5.1 이중층 커패시터(DLC)

슈퍼커패시터로도 알려진 전기화학 이중층 커패시터(DLC)는 60년 동안 알려진 기술이

다. 거의 무제한의 충방전 주기 안정성과 매우 높은 전력 용량, 기존의 커패시터에 비해

매우 높은 등급의 에너지 저장 기능 때문에 전자장치와 일반 전지에 사용되는 기존의 커

패시터들의 격차를 줄인다. 이 기술은 기존의 커패시터 보다 훨씬 더 높은 커패시턴스와

에너지 밀도를 가질 수 있어서 소형 설계 가능성이 크다.

두 가지 주요 특징은 기존 배터리에는 없는 매우 낮은 내부 저항에 의한 매우 빠른 충전

및 방전 가능성과 수 천 패럿의 매우 높은 커패시턴스 값이다.

나머지 장점으로는 내구성, 높은 신뢰성, 유지보수가 필요 없음, 긴 수명, 다양한 환경

(추위, 더위 및 습함)과 넓은 온도 범위에 걸친 작동이 있다. 커패시터에 용액을 사용하면 주

기 횟수와 관계없이 5 내지 6년 내에 저하된다는 점을 제외하고 기능 저하 없이 수명이


백만 회 주기(또는 10년 작동)에 이른다. 환경 친화적이고 쉽게 재생이 가능하거나 중화된

다. 일반적으로 약 90%의 효율성이고, 방전 시간이 초에서 시간 범위에 있다.

기존 전지 보다 약 10배 높은 출력 밀도에 도달할 수 있지만 (매우 높은 출력의 리튬 전지만

이 거의 동일한 출력 밀도에 도달할 수 있음) 특정 에너지(저장량) 밀도는 약 10배 더 낮다.

상기와 같은 특성으로, DLC는 짧은 충전/방전 주기가 많은 용도에 특히 적합하다. DLC

는 높은 자기 방전율, 낮은 에너지 밀도, 높은 투자 비용 때문에 장시간에 걸친 에너지 저

장에는 적합하지 않다.

약 1980년대 이후, 소비자 전자제품과 전력 전자기기에 널리 적용되어왔다. DLC는 또

한 단시간 전압 고장시 작동하는 UPS로서 이상적으로 적합하다. 새로운 응용분야로 전

기차 분야가 가능할 수 있는데 가속 프로세스와 회생 제동의 버퍼 시스템으로 사용될 수

있다.

2.5.2 초전도 자기 에너지 저장 (SMES)

초전도 자기 에너지 저장(SMES) 시스템은 전기 역학 원리에 따라 작동한다. 에너지는

초전도 임계 온도 미만에서 유지되는 초전도 코일 내 직류 흐름에 의해 형성된 자기장 내

에 저장된다. 초전도성이 발견된 100년 전에 약 4 K의 온도가 필요하였다. 많은 연구를

거치고 다행하게도 임계 온도가 더 높은 초전도 물질이 만들어졌다. 오늘날에 약 100 K

에서 기능할 수 있는 물질이 있다. 이 저장 시스템의 주요 구성요소는 초전도 물질로 제

조된 코일이다. 추가 구성요소에는 전력변환장비(power conditioning equipment)와 극저온

으로 냉각되는 냉동 장치가 있다.


SMES의 주요 장점은 매우 빠른 반응 시간이다. 요구되는 전력이 거의 즉각적으로 가

능하다. 또한, 높은 전체 왕복 효율성(85 % - 90 %)과 단시간에 가능한 매우 높은 전력 출

력이 특징이다. SMES 주요 부분에 이동 부품이 없지만 전체 신뢰성은 냉동 장치에 주요

하게 의존한다. 냉각 시스템이 작동하는 한, 에너지가 무한정 저장될 수 있지만 긴 저장

시간은 냉동 장치의 에너지 수요에 의해 제한된다.

10 MW 전력 이상의 대형 SMES 시스템은 핵 융합과 고에너지 물리 실험용 입자 검출

기에 주로 쓰인다. 현재까지, 소형의 몇몇 SMES 제품이 시판되고 있고, 마이크로칩 제조

시설과 같은 제조 공장에서 전력 품질 제어에 주로 사용된다 iea09.

｜ 2.6 열저장장치 ｜

열(에너지) 저장 시스템은 난방 또는 냉각, 고온의 물 생성 또는 전기 생성과 같은 여러

산업 및 가정용에 사용하기 위한 절연처리된 저장소에서 여러 수단에 의해 열을 저장한

다. 열 저장 시스템은 열 에너지 수요와 공급간의 불일치를 극복하기 위해 배치되었는데

이에 따라, 재생 에너지 자원 통합을 위해 중요하다.

열 저장은 여러 기술(감열 저장, 잠열 저장, 열화학 흡착 및 흡수 저장)로 세분화될 수 있다

sch08. 가장 잘 알려진 것 중에 하나인 감열 저장은 가장 널리 퍼진 기술이고, 한 예로서 가

정용 온수 탱크가 있다. 저장 매체는 콘크리트 또는 토양과 같은 고체 또는 물 또는 서

모-오일과 같은 액체가 될 수 있다. 열 에너지는 저장 매체의 온도 변화를 통해서만 저장

된다. 저장 시스템의 용량은 특정 열 용량과 매체 질량에 의해 결정된다.


잠열 저장은 저장 매체인 상변화 물질(PCM)을 사용하여 가능하다. 이러한 저장 시스템

에는 유기(파라핀) 및 비유기 PCM(염수화물)이 있다. 잠열은 얼음이 녹는 것과 같은 상변화

가 있는 동안 교환되는 에너지이다. 또한, 에너지 이동 시 온도 변화가 없으므로 “숨은”

열이라고 불리기도 한다. 가장 잘 알려진 잠열 또는 냉 저장 방법은 아이스 쿨러로서 매

우 더운 날에 식품을 차게 유지하는 절연 상자 또는 실내에서 얼음을 사용한다. 현재 대

부분의 PCM은 집광형태양열(CSP) 발전소의 열 저장 매체인 용융 염과 같이 고체-액체

상 변화를 이용한다 iee08. 잠열 저장의 장점은 최소 온도 변화와 작은 부피로 대량의 에너

지를 저장하는 용량이어서 효율적인 열 전달이 가능하다. 수착(흡착, 흡수) 저장 시스템은

진공 상태에서 열화학 열 펌프로서 기능을 하고 보다 복잡한 설계를 갖는다. 고온 소스의

열은 흡수제(예: 실리카 겔 또는 제올라이트)를 가열하고, 수증기(물과 같은 작동 유체)는 흡수제

에 의해 제거되고 저온에서 컨덴서에서 응결된다. 응축열은 시스템에서 빠져 나간다. 건

조된 흡수제와 분리된 작동 유체는 오랫동안 저장할 수 있다. 방전 과정에서 작동 유체는

증발기 내 저온의 열을 사용한다. 그 다음에, 작동 유체의 수증기는 흡수제에서 흡수되고

흡수열은 고온에서 방출된다 jäh06. 흡수제/작동 유체에 따라 방출된 열의 온도는 200 °C

에 이를 수 있고 sch08 에너지 밀도는 물이 있는 감열 저장 보다 3배 더 높다. 그러나, 수착

저장 시스템은 복잡성 때문에 더 비싸다.

EES의 목적에서 중요한 감열/잠열 저장 시스템이 주로 있다. CSP 플랜트는 주로 열을

생산하고, 전기 전환이 있기 전에 쉽게 저장하고 따라서, 보낼 수 있는 전기 에너지를 제

공한다. 최첨단 기술은 열 전달 유체와 저장 매체로서 하나의 용융 염이 있는 태양열 타

워 발전소의 투-탱크 시스템이다 tam06. 용융 염은 태양 복사에 의해 가열된 후, 고온 염

저장 탱크로 운송된다. 전기를 생산하기 위해 고온 염은 증기 터빈을 구동하는 증기 발전

기를 통해 통과된다. 그 다음에, 저온 염(여전히 용융 상태)은 태양열 타워로 다시 보내지기

전에 제2 탱크에 저장된다. 주요 단점은 저온에서 액체 염이 냉동되는 위험과 고온에서


염 분해 위험이 있다는 것이다. 태양열 트로프 발전소(solar trough plant)는 중간 오일/염

열 교환기가 바람직한 이중-매체 저장 시스템이다 tam06. Na-K-NO3와 같은 일반적인 염

혼합물은 냉각 온도 > 200 °C를 갖고, 저장 물질과 밀폐에는 태양열 타워 발전소의 저장

시스템 보다 높은 부피가 요구된다. 투-탱크 인디렉트 시스템은 남부 스페인에 있는 세

개의 50 MW parabolic trough 발전소인 “Andasol 1-3”에 배치되고 있고, 아리조나 주

에 있는 Abengoa Solar’s 280 MW Solana 발전소에서 계획되어 있다. CSP의 감열 저장

시스템을 제외하고 잠열 저장은 스페인 카보네라에 있는 Endesa’s Litoral 발전소에 있

는 DLP와 Endeas를 포함하여 독일-스페인 컨소시엄에 의해 개발 중이다. 시험 시설에

있는 질산나트륨을 기반으로 하는 저장 시스템은 700 kWh의 용량을 갖고, 305 °C의 온

도에서 작동한다 csp11.

단열 CAES에서 공기 압축 시 방출되는 열은 대형 고체 또는 액체 감열 저장 시스템에

저장할 수 있다. 다양한 R&D 프로젝트에서 이 기술을 탐구하고 있지만 rwe11, bul04 지금까

지 가동 중인 단열 CAES 발전소는 없는 상태이다. 고체 물질로서 콘크리트, 주철 또는 암

반을 사용할 수 있다. 액체 시스템의 경우, 질산염의 염과 오일 결합에 대한 여러 개념이

논의 중이다. 왕복 효율성이 70% 이상으로 예상된다 rad08.

특히, 여압 탱크는 열 저장에 필요하거나 또는 비여압 컴파트먼트를 사용할 수 있는 경

우 관련된다. 액체 시스템에서 열 교환기는 액체용 대형 여압 탱크 필요하지 않을 때 사

용할 수 있지만 열 교환기는 추가 비용을 발생시키고 복잡성을 높인다. 이중-매체 방식

(소금과 오일)을 50 °C - 650 °C의 온도 범위를 위해 사용해야 한다 bul04. 고체 열 저장 시스

템 내 가압 공기와 저장 매체의 직접 접촉은 열 전달을 위한 높은 표면적을 만들어내는

장점이 된다. 저장 물질은 일반적으로 저렴하지만 여압 컨테이너 비용은 더 높다.


｜ 2.7 EES 표준 ｜

PHS, LA, NiCd, NiMH, Li-ion와 같은 EES 시스템은 다양한 IEC 표준이 있다. 이 표준은

기술적 특징, 시험, 시스템 통합을 포함한다. 다른 기술의 경우, 특별한 주제를 포함하는

극소수의 표준이 있다. 현재까지, 유틸리티 또는 독립형 그리드로의 EES 통합에 대한 일

반적이고 기술 독립적인 표준이 개발되지 않았다. 화학으로 재충전이 가능한 전지에 대

한 표준이 계획되어 있다.

EES에 대한 표준화 주제는 다음과 같다.

｜ 2.8 EES 기술에 대한 기술적 비교 ｜

이전의 절에서는 전기 에너지를 저장하기 위한 광범위한 여러 기술을 제시하였다. 요

구사항이 다른 여러 용도에 따라 여러 다른 EES 기능이 요구된다. 저장 기술에 대한 종합

● 전문 용어

● EES 구성요소와 시스템의 기본 특성 특히, 비교 및 기술 평가 측정 방법과 정의

- 용량, 전력, 방전 시간, 수명, 표준 EES 유닛 크기

● 구성요소간의 통신

- 프로토콜, 보안

● 상호연결 요건

- 전력 품질, 전압 허용오차, 주파수, 동기화, 미터링

● 안전성(전기, 기계 등)

● 시험

● 구현 가이드


적 비교와 평가가 방대하지만 그림 2-9에 EES에 대한 일반 개요를 나타내었다. 이중 대

수 도표에 정격 전력(W)이 EES 시스템의 에너지 함량(Wh)에 대해 표시되었다. 정격 전력

에서 초에서 월 범위에 이르는 공칭 방전 시간 또한 볼 수 있다. 그림 2-9는 현재의 EES

시스템 적용 영역과 미래의 적용 범위를 포함한다.

모든 EES 시스템이 현재 적용된 범위 내에서 출시되지 않았지만 대부분 중요해질

것으로 예상된다. 모든 시스템이 모듈 설계이고 또는 최소한 두 배가 될 수 있으므로

(H2,SNG,CAES의 지하 저장에 대한 몇 몇 제한과 PHS를 제외하고) 대부분의 기술은 더 큰 전력

출력과 에너지 용량으로 구현될 수 있다. 더 큰 전력 범위 또는 더 높은 에너지 용량이 실

현되지 않는 경우, 주로 경제적인 이유 때문일 것이다 (kW 당 비용, kWh 당 비용).

⦁ 짧은 방전 시간 (초 - 분): 이중층 커패시터(DLC), 초전도 자기 에너지 저장(SMES), 플

라이휠(FES). 에너지 대 전력 비율은 1 미만이다 (예: 1 kW의 전력을 갖는 시스템의 1 kWh

이하의 용량)

⦁ 중간 방전 시간 (분 – 시간): 우세한 기술(납 산(LA), 리튬 이온(Li-ion), 소듐 설퍼(NaS)

전지)인 전기화학 EES와 더 큰 용량을 위한 플라이휠 에너지 저장(FES). 여러 전기

화학 기법의 기술적 특징은 비교적 유사하다. 다른 기술과 비교할 때, kW – MW와

kWh – MWh 범위의 장점이 있다. 일반 방전 시간은 몇 시간에 이르고, 에너지 대 전

력 비율은 1과 10 사이이다 (예: 1 kW 시스템에 대한 1 kWh와 10 kWh 사이). 전지를 용도에

따라 제작할 수 있다. 높은 에너지 또는 높은 전력 밀도, 빠른 충전 또는 긴 수명 등

을 절충할 수 있다.

⦁ 긴 방전 시간 (일 – 월): 수소(H2)와 합성 천연 가스(SNG). EES 시스템의 에너지 대 전

력 비율은 10 이상이다.


양수 저장(PHS), 압축 공기 에너지 저장(CAES), 레독스 플로우 전지(Redox Flow Battery)

는 중간과 긴 방전 시간의 저장 시스템 사이에 위치한다. 수소(H2)와 SNG 시스템과 같이,

이 EES 기술은 외부 저장 탱크가 포함된다. 그러나, 에너지 밀도는 낮아서 대략 5와 30

사이의 값으로 출력 대 에너지 용량 비율이 한정된다.

그림 2-10에서는 여러 EES 기술의 출력 밀도(power density, 중량이 아닌 단위 체적 당)와

에너지 밀도(energy density)에 대하여 표시되었다. 출력 및 에너지 밀도가 클수록 저장 시

스템에 필요한 체적은 낮아진다. 모바일 용도에 적합한 초소형 EES 기술은 우측 상단에

서 볼 수 있으며, 큰 면적과 부피를 차지하는 저장 시스템은 좌측 하단에 위치한다. PHS,

CAES, 플로우 전지는 다른 저장 기술에 비해 낮은 에너지 밀도를 갖는다는 사실을 다시

한번 알 수 있다. SMES, DLC, FES는 높은 출력 밀도를 갖지만 에너지 밀도는 낮다. Li-

ion은 높은 에너지 밀도와 높은 출력 밀도를 보인다. 이것은 현재 광범위한 용도에서 사

⋮그림2-9⋮ 여러 EES 기술의 정격 전력, 에너지 함량, 방전 시간 비교 (Fraunhofer ISE)

1 GW

100 MW

100 KW

10 KW

1 KW

0.1 kWh 1 kWh

1 sec 1 min 1 hour 1 day

1 month

PHS

CAFS

BEV Battery Electric Vehicle(NiMH and Li Ion)

CAES Compressed Air ESDLC Double Layer CapacitorFES Flywheel Engrgy StorageH2 Hydrogen StorageLA Lead Acid BetteryLi-lon Li-lon BetteryNaS Sodlum Sulphur BatteryPHS pumped Hydro StorageRF B Redox Flow BatterySMES Superconduct magnetic ESSNG Synthetic Natural Gas

Li-lon

SNG

H2

FESDLC

SMES

BEV

LA

RFB

NaS & (NaNiCl)

10 kWh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh100 kWh

10 MW

1 MW

Energy

Rat

ed P

ow

er


⋮그림2-10⋮ EES 기술의 전력 밀도와 에너지 밀도 비교(부피에 대한) (Fraunhofer ISE)

0

1 10 100 1’000 10’000

100

1’000

SNG

H2

HFB

NaNiCl

NaS

SMES

FES

LA

Me-air

CAESPHS RFB

10’000

100’000P

ow

er d

ensl

y W

/

Energt density Wh/l

decre

asing

volum

e

Increa

sing v

olume

NiCdvented

NiMH

Li-ion

DLC

NiCd portable LA

NiMH mobile

HT batteries (NaS, NaNiCl)

SuperCap

Flywheel

NiMH portable

Li-ion portable

Li-ion stationary

Field test

Market launch

H2, stationery

CAESdiabatic

CAESadiabatic

PHS

SNGSMESMe-air

1 W 1 kW 1 MW 1 GW

Nominal Power

stat

e of

art

in d

evel

opm

ent

dev

eloped

mat

ure

Li-ion mobile

Flow batteries

H2, mobile

⋮그림2-11⋮ 전기 에너지용 저장 시스템의 발전과 최첨단 상태 (Fraunhofer ISE)


용되고 있음을 말해준다.

LA와 NiCd와 같은 기존의 전지 타입에 비해 NaS와 NaNiCl는 에너지 밀도가 더 높다.

그러나, 이에 비해 출력 밀도가 더 낮다. 메탈 에어 셀(Metal air cell)은 에너지 밀도 측면에

서 잠재성이 가장 높다. 플로우 전지는 대형 전지 시스템(MW/MWh) 가능성이 높지만 에너

지 밀도는 보통이다. 수소와 SNG의 주요 장점은 다른 저장 시스템 보다 우세하게 에너지

밀도가 높다.

그림 2-11은 앞서 설명한 저장 기술의 개발 및 발전 상황을 요약한 것이다. EES 기술별

로 전력 범위에 대해 표시되어 있으며, 가능한 기술 관련 여러 용도의 적합성을 비교할

수 있다.

비록 PHS와 CAES의 에너지 밀도는 낮지만, 확실히 PHS, CAES, H2,SNG는 높은 출

력 범위와 에너지 용량에 가능한 유일한 저장 기술이다. 이러한 EES 시스템은 다른 발전

소 설비와 비슷한 터빈과 컴프레셔를 이용하므로 큰 출력 범위의 실행이 가능하다. 그러

나, PHS만이 발전되었고, 이용 가능하다. 장소(지형)과 소요면적에 대한 제한은 낮은 에너

지 밀도 특성 보다 더 가혹한 제한 요소가 된다 (이 두 가지는 일부의 경우 관련될 수 있음). 그

림 2-11은 10 MW에서 수백 MW에 이르는 즉시 배치 가능한 저장 시스템 부족을 보여준

다. 열교환을 통한 CAES는 개발이 충분히 이루어졌지만 아직 검증되지 않았다. 수소와

SNG 저장 시스템은 이용 가능하고, 일부의 경우에 수십 년간 산업계에서 쓰였다. 그러나

이 저장 시스템은 전력계통에서 신재생에너지원의 출력변동성을 완화시키고 분배될 때

에만 실행 가능하고 경제적으로 합리적이다. 최초의 검증 및 파일럿 설비가 현재 유럽 내

에 건설중이다.

기술적으로 비교해 볼 때, 다른 저장 시스템보다 우세한 보편적 저장 기술이 존재하지


않음을 결론 내릴 수 있다. 현재와 미래의 여러 타입의 EES는 1절에 설명된 용도에 전부

적합해야 할 것이다. 그림 2-9, 2-10, 2-11의 결과를 보면서 다음과 같은 결론을 내릴 수

있다.

1) 짧은, 중간 방전 시간의 EES 시스템은 광범위한 정격 출력과 에너지 밀도를 포함한다. 여러

발전된 EES 기술, 특히 FES, DLC, 배터리 시스템을 이 범위에서 사용할 수 있다.

2) PHS는 중간 방전 시간에서 구현 가능한 현재 유일한 대용량 EES이며, CAES에 대한 추가 개

발이 기대된다. 하지만 대형 PHS와 CAES 시스템에 적합한 장소는 지형적으로 제한되며,

중간 기간대에 사용하기 위해서는 EES 시스템의 용량 증가와 분산 EES 시스템의 통합 및

제어(3.3절 참조)가 필요할 것이다.

3) 며칠에서 몇 달에 이르는 장기간 방전 시간과 매우 큰 용량(GWh - TWh)의 경우, 아직까지

실효성이 있는 EES 기술이 없는 상태이다. 수소와 SNG와 같은 새로운 형태의 EES 기술의

개발이 필요하다.


이 장에서는 EES 시장에 대해 기존의 적용 사례를 들면서 제시한다. 재생 에너지 생성

이 조합된 저장에 중점을 두면서 기존의 전기 공익 사업 및 소비자 이용과 가까운 미래의

이용 사례를 제시한다.

｜ 3.1 현재 적용 상태 ｜

이 절에서는 유틸리티 및 소비자에 의해 이미 구현된 사례들에 대해 설명한다. 전자의

경우, 타임 시프트(time shift)와 투자 연기에(investment deferral) 해당하고, 후자는 비상 공

급(emergency supply)과 전력 품질(power quality)에 관한 것이다.

3.1.1 유틸리티업체의 이용(기존의 발전, 그리드 운영 및 서비스)

유틸리티업체의 타임 시프트와 전력 품질을 위한 양수 저장 이용

양수 저장(PHS)은 타임 시프팅을 통하여 총 발전 비용을 줄이고 그리드 주파수를 제어

하기 위해 유틸리티 측면에서 사용되어왔다. 여러 국가에 PHS 시설이 많이 있고 전세계

3장

EES 시장


적으로 총 저장 용량이 가장 크다. 기존의 설비는 양수 기능은 있지만 주파수 제어장치로

서의 기능을 하지 못하지만, 첨단 가변 속도 제어 PHS (그림 3-1)은 모터의 회전 속도를 변

화시키며 조절 가능하다.

유틸리티업체의 타임 시프트와 전력 품질을 위한 압축 공기 에너지 저장 이용

현재, 두 가지의 열교환 압축 공기 에너지 저장(CAES) 발전소가 전세계적으로 가동 중

이다. 1978년에 최초의 CAES 발전소가 독일 Huntorf에 건설되었다 (그림 3-2). 약41%의

1) 비수기에 전기를 저장하고 피크 시간에 전기를 제공하는 타임 시프팅을 위한 양수 발전 전

기를 사용하여 총 발전 비용을 줄인다.

2) 필요할 때마다 EES에서 전력을 흡수하고 EES에 전력을 공급하여 전력 품질, 전압, 주파수

를 유지한다.

3) 피크 시프트를 통해 망의 정체 현상을 완화하여 필요한 투자를 연기한다.

4) 오프-그리드 시스템(분리된 망)의 안정적인 전력을 제공한다.

5) 비상 전력을 공급한다.

⋮그림3-1⋮ TEPCO에서 가동하는 가변 속도 PHS (TEPCO)


효율을 가진 CAES 발전소로 작동하고 있다 rad08. 인터쿨러가 포함된 저압 및 고압의 컴

프레서, 두 개의 암염 공동(2 x 155 000 m³의 사용 가능한 용적, 46 – 72 bar의 압력 범위), 모터-

발전기(60 MW 충전, 321 MW 방전)로 구성되었다. 두 번째 CAES 발전소는 미국 알라바마

에 위치한 Mcintosh에 있고 1991년에 시운전되었다. 110 MW의 순 출력을 갖고 열교환

CAES 프로세스를 기반으로 하지만 가스 터빈의 출구에서 배기로부터 열을 회수하기 위

해 추가로 레큐퍼레이터를 사용한다. 따라서, 54%의 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 두 시

스템 전부 비수기에 공기 압축을 위한 전기를 사용하고 하루동안 피크 레벨링을 위해 가

동된다.

전세계적으로 여러 CAES 발전소가 개발 중이거나 건설 중이다. 예를 들어, 독일에서는

단열 CAES 발전소가 2016년에 시연될 예정이다 (프로젝트 ADELE). 이것은 열교환 CAES

에 비해 효율성이 더 높을 것이다 rwe11.

전력망의 효율적 유틸리티 이용

유틸리티업체의 EES 사용 예 중 하나로, Li-ion 전지는 전력망을 보다 효율적으로 사용

⋮그림3-2⋮ Huntorf 내 CAES 발전소 (Vattenfall, IEC MSB/EES 워크샵 2011)

Kaverne NK1

Kaverne NK2

GT Kraftwerk


할 수 있는 이점이 있다.

2009년에 칠레의 아타카마 사막에 위치한 AES Gener’s Los Andes 변전소에 미국 기

업인 AES Energy Storage와 A123 시스템이 공동으로 12 MW, 3 MWh Li-ion 전지를 설

치하였다 (그림 3-3). 전지는 시스템 운영자가 송전선 업그레이드 보다 비용이 덜 들고 보

다 잘 대응하면서 수요 변동을 관리하고 주파수 조정을 할 수 있게 한다. 또한, 기존 발전

소의 예비력에 대한 비용을 대체하였기 때문에, AES Gener는 전력계통에 직접 판매하

여 출력 용량에 대한 비용을 지급받게 된다.

유틸리티업체의 비상 전력 공급

발전소, 변전소, 통신시설과 같은 중요한 시설은 전력이 중단되지 않도록 높은 전력 품

질과 신뢰성을 가진 전원 공급이 필요하다. 이 용도의 EES 시스템은 대부분 DC 전원이

고 전지에 의해 지원된다. 납축전지는 이 목적으로 사용되어왔다.

유틸리티업체의 오프-그리드 시스템 (독립형 계통)

소형 전력망 예를 들어, 섬에서 유틸리티업체가 전기를 공급하는 경우, 디젤과 신재생

⋮그림3-3⋮ 칠레 내 Los Andes 변전소에 설치된 12 MW 급의 Li-ion 전지 (A123, 2009)


에너지와 같은 소용량의 발전기의 전력 출력은 전력 수요와 일치해야 한다. 8,000명이

거주하는 Hachijo-jima (섬)에 TEPCO는 디젤 발전기와 NaS 전지, 풍력 발전소를 이용하

여 수요변동에 대응하고 있다. 독립형 태양광시스템을 위해 EES용으로 전력범위 (50W-)

1 kW ~ 500 kW 의 납산 축전지가 일반적으로 사용된다.

3.1.2 소비자 이용(소비자용 무정전 전원장치)

예: 소비자의 NaS 전지 이용

그림 3-4는 전력 용량이 각각 포함된 전세계에 설치된 NaS 전지 이용을 나타낸 것

이다. 부하 평준화(LL) 전용 시스템은 거의 전체의 절반을 차지하고, 비상 전원장치

(emergency power supply) 또는 독립형 전원장치(stand-by power supply)의 추가 기능이

포함된 부하 평준화(load leveling)용 설비는 20%를 나타낸다. 그러나, 3.2절에 설명한 재

생 에너지와 관련되는 저장장치 요구가 증가하고 있다.

1) 비수기에 전기를 구입하고 EES에 저장하여 피크 시기에 더 저렴한 전기를 사용하고 최대 수

요를 억제한다. 타임 시프팅을 통해 부하 평준화가 이루어진다.

2) 중요한 공장과 상업 시설을 위해 신뢰성 있고 고품질의 전원장치를 확보한다.


그림 3-5는 TEPCO 서비스 영역 내에 설치된 NaS 전지의 위치를 나타낸 것이다. 장소

별 평균 용량은 약 2 MW이다. 대부분의 전지가 대형 공장에 설치되어 있고 (64%) 상수도/

하수도시스템, 학교/연구기관 (합해서 12%) 뿐만아니라 대형 상업빌딩 (19%) 에 있다.

⋮그림 3-4⋮ NaS 전지 적용과 용량 (NGK, IEC MSB/EES Workshop, 2011)

LL LL+EPS LL+SPS Renewahle R&D Others

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Installatio

n a

mount,

MW

Notes

LL : Load Leveling

EPS : Emergency Power Sipply

SPS : Stand - by Power Supply

⋮그림 3-5⋮ TEPCO 서비스 영역 내 NaS 시스템 위치 (TEPCO)

64%5%

7%

19%

2% 3%

Factory equipment Office buildings

Hospital facilities

Substations

Water supply /sewage systems

Schools & researchinstitutions


3.1.3 전세계에 EES 설치 용량

그림 3-6은 전기 그리드에서 사용되는 EES의 설치 용량을 나타낸 것이다. 127 GW 이

상의 양수 저장(PHS) 발전소는 99%를 차지하고 이것은 전세계 발전 용량의 약 3%이다.

설치 용량이 두 번째로 큰 EES는 CAES이지만 가동 중인 시스템은 2개밖에 없다.

세 번째로 가장 널리 쓰이는 EES는 NaS 전지이다. 2010년 9월 말에 NaS 시스템은 예

를 들어, 일본, 독일, 프랑스, 미국, 아랍에미리트(총: 316 MW) 내 223 곳에 설치되고 가동되

었다. 그라나, 다음 절에 제시되는 여러 다른 용도에 대한 시장 요구가 나타나면서 대량

의 다른 EES가 설치될 것으로 예상된다.

⋮그림 3-6⋮ 전세계에 설치된 전기 에너지 저장 용량 epr10, doe07

127,000 MW~1,500,000 MWh

over 99 % of the total storage

capacity

Compressed Air Energy Storage

440 MW 3,730 MWh

Sodium Sulphur Battery

316 MW 1,900 MWh

Lithium Ion Battery

~70 MW ~17 MWh

Lead Acid Battery

~35 MW ~70 MWh

Nickel Cadmium Battery

27 MW 6,75 MWh

Flywheels

<25 MW <0,4 MWh

Redox Flow Battery

<3 MW <12 MWh

Pumped Hydro


｜ 3.2 새로운 트렌드 ｜

EES 적용에서 보이는 5가지 새로운 트렌드(신재생 에너지, 스마트 그리드, 스마트 마이크로

그리드, 스마트 하우스, 전기차)에 대해 설명한다. 현재 사용 사례에는 실험 장비와 플랜이

있다.

3.2.1 신재생 에너지 생성

전세계 환경 문제를 해결하기 위해 태양 및 풍력과 같은 신재생 에너지가 널리 쓰이고

있다. 이것은 미래의 에너지 공급이 신재생 에너지원의 출력 변동으로부터 영향을 받게

됨을 의미한다. 전력 생산은 기상 조건을 따르게 되고, 에너지 과잉과 부족이 균형을 이

루어야 한다. 에너지 공급과 수요에 맞추기 위한(타임 시프팅) 에너지 저장장치의 주요 기

능 중 하나는 대규모와 소규모 용도에 필수적이다. 아래에, kWh, MWh 등급의 크기로 분

류된 두 가지의 경우가 제시되어 있다. 3 등급인 GWh 등급은 4.2.2절에서 다루어졌다.

에너지 저장과 관련한 타임 시프팅 이외에도 수요와 공급에 맞추기 위한 다른 방법들

이 있다. 전력계통을 보강하면서 초과 생산된 지역에서 일시적으로 덜 생산적인 지역에

에너지를 전달하여 보완될 수 있다. 에너지 저장 규모를 신재생 에너지원의 출력을 초과

설치하여 줄일 수 있다. 이 방식으로 생산이 취약한 기간에도 예상 부하에 적합하다.

추가 옵션은 소위 수요측면에서의 관리(3.2.2절의 스마트 그리드 아래에 설명)이다. 여기서,

사용자는 과잉으로 생산된 신재생 에너지가 이용 가능한 기간으로 전기 소모를 하도록

장려된다.

EES 잠재 시장 예측을 위해, EES가 필요하지 않은 방법을 고려할 필요가 있다.


PV 시스템의 증가된 자가-소비를 위한 분산 저장 시스템(kWh 급)

PV 시스템 설치가 증가하면서 저압 그리드가 그 성능의 한계에 도달하고 있다. 독일의

경우, EEG(신재생 에너지 법)는 20년 동안 생산된 매 kWh에 대해 발전 차액지원제도와

⋮그림3-7⋮ 에너지 자기-소비를 위해 설계된 PV 시스템(Fraunhofer ISE)

PV Generator Inverter Meter GridBidirectional Meter

Storage DC/DC

Changer

Load

⋮그림 3-8⋮ 저장시스템을 갖춘 일반적 가정의 소비: 그리드와 PV 시스템에서 소비된 에너지(Fraunhofer ISE)

0%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Consu

mptio

n

Month of the yearSolar Grid


생산되고 자가-소비된 매 kWh 에 대해 고정 요금을 보장한다. 분산 시스템의 운영자를

독려하기 위해, 자가-소비되는 PV 에너지 가격을 더 높게 한다.

따라서 전력의 자가-소비는, 특히 전기 요금이 증가할 때, PV 시설을 갖춘 가정의 중요

한 옵션이 될 것이다.

그림 3-7은 시스템 설계에 대한 예를 보여준다. 소비되거나 계통으로 공급되는 전력량

을 측정하기 위해 2가지 설비가 필요하다. 하나는 PV 시스템에서 생성되는 에너지를 측

정하고, 다른 하나는 계통으로 공급되는 것을 측정한다. 즉시 소비되지 않는 신에너지는

배터리에 저장된다.

PV에서 얼마나 많은 전기를 공급하는지 조사하는데 있어서 마드리드의 일반적인 가

정에 대한 시뮬레이션 결과가 흥미를 끌 수 있다 sch11. 그 목적은 10.7 kW PV 발전기와

6kWh 리튬이온 저장시스템을 통해 내부에서 가능한 많은 에너지를 사용하는 것이다. 그

림 3-8에서는 1년 동안 이 가정에서 소비한 전기를 보여주며, 저장장치는 PV 발전기에

서 만든 에너지를 전기 장치에 저장한다. 공급 및 수요는 서로 조정할 수 있다. 통합 저장

시스템은 여름 중 PV 시스템으로 100% 수요를 충족할 수 있도록 설계된다. 나머지 계절

은 전력계통으로부터 추가 에너지를 거의 구입하지 않아도 된다.

싼 가격으로 고객-친화적 시스템을 제공하기 위해 특히 유지보수 비용을 낮출 필요가

있으며, 여전히 배터리들에 대한 가장 중요한 요소는 kWh 당 가격이다. 현재는 투자 비

용이 낮기 때문에 납축전지가 이를 위한 가장 일반적인 기술로 사용된다. 리튬 이온 배터

리는 효율 및 사이클 수가 더 효율적이지만 투자비용이 훨씬 더 크다. NaNiCl 배터리들

도 이 같은 애플리케이션에 대한 다른 옵션이지만, 발열을 피하기 위해 매일 사이클링을

해줄 필요가 있다.


풍력(및 PV) 에너지(MWh 급) 안정화(Smoothing)

Japan Wind Development Co. Ltd (일본 풍력개발사) 는 일본 아오모리(그림 3-9 및 3-10

의 Futamata 풍력발전소)에 배터리 설비를 갖춘 풍력 발전 설비를 건설했다. 이 시설은 풍력

터빈 51 MW(1500 kW x 34 units)와 34 MW (2000 kW x 17 units) NaS 배터리들을 갖추고 있다.

이 NaS 배터리를 사용해서 발전설비의 출력용량을 안정화하고 최대 출력이 40 MW가

넘지 않도록 제어한다. 운전은 2008년 6월에 시작되었다. 그림 3-11은 발전설비의 출력

예를 보여준다. 전력 판매계획은 하루 전에 결정되었다. 이 계획을 수립하기 위해, NaS

⋮그림3-9⋮ Futamata 풍력발전소 전경(Japan Wind Development Co. Ltd (일본 풍력개발사))

Wind turbines

PCS buildingNaS battery units

Interconnected power transformation unit

Administration/control building

⋮그림3-10⋮ NaS 배터리 유닛 - 34 MW (Japan Wind Development Co. Ltd (일본 풍력개발사))


배터리 시스템은 풍력 발전의 출력에 따라 충전 또는 방전을 조절한다. 이 시설은 전력계

통에 연계하기 위한 지역 유틸리티업체의 기술 요건을 충족한다.

3.2.2 스마트 그리드

오늘날 그리드는 일반적으로 고압 송전 시스템에 연결된 대규모 중앙 발전소를 기반으

로 하며, 이 송전 시스템은 전력을 중간 및 저압 배전 시스템에 제공한다. 전력 흐름은 변

전소에서 송전 및 배전 계통을 통해 최종 소비자에게 이어지는 한 방향으로만 일어난다.

전력 및 네트워크 제어는 일반적으로 중앙 집중 시설들에서 수행하기 때문에 소비자가

참여할 가능성은 거의 또는 전혀 없다.

향후 배전시스템을 위해, 전력계통은 보다 능동적이 되고 양방향 전력 흐름과 정보의

전송을 향상시켜야 할 필요가 있다. 전통적인 대규모 발전소들에서 생산한 전력들의 일

부는 신재생 에너지원에 의해 대체될 것이다. 그 수가 증가하고 있는 PV, 바이오메스 및

⋮그림3-11⋮ 8시간 동안 일정 출력을 유지한 운전 예시 결과(NGK)

17:00

-30,000

(23-Oct)

-20,000

-20,000

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Pow

er (kW

)

Data Interval: 1 sec

Wind Power

NAS Power

Total Power


해상 풍력 발전기들이 중간 및 저압 그리드에 공급될 예정이다. 전통적인 전력 시스템은

시장의 힘에 따라 발전이 이뤄지며 계통 제어 센터가 전체적인 감독 역할을 맡는 시장 모

델의 프레임워크 내에 맞게 변환되어야 한다.

스마트 그리드 개념(그림 3-12)은 이 같은 시스템 내 문제를 해결하기 위한 수단들 중 하

나로 제안된다. 스마트 그리드는 수요 측과 발전 측을 모두 제어할 수 있어서 전체적인

전력 시스템이 보다 효율적이고 합리적으로 작동할 수 있도록 해줄 수 있다. 스마트 그리

드는 IT와 통신, 제어 기술 및 EES 같은 여러 기술들을 포함한다. 스마트 그리드의 EES-

관련 애플리케이션에는 다음이 포함된다.

⋮그림3-12⋮ 스마트 그리드(Fraunhofer ISE)

Energy

Information & Communication

1) EES는 네트워크 운영자의 충전 및 방출 제어를 통해 신재생 에너지의 도입에 보다 많은 전

력 시스템 내 제어 역할을 하게 되며, 전력 소비와 발전 간의 불균형을 완화하게 된다.

2) 경우에 따라, EES는 최대 수요 시 특정 구역에 대한 부하 유지를 통해 변압기, 송전선 및 배

전선 같은 전력 시스템 인프라에 대한 투자를 줄일 수 있다. 이를 위한 EES는 주파수 제어 능

력을 개선하는데도 사용될 수 있다.


3.2.3 스마트 마이크로그리드

EES를 갖춘 스마트 공장, 스마트 건물, 스마트 병원, 스마트 상점 또는 기타 중간-규모

그리드를 “스마트 마이크로그리드8”로 취급할 수 있다. 재난에 의한 정전에 유연하게 대

비하기 위해, 스마크 그리드를 구성하는 하나의 요소로서 분산된 스마트 전원인 스마트

마이크로그리드를 채택하는 것이 매우 중요하다.

EES는 스마트 마이크로그리드의 핵심 요소이며, 확장이 가능하고, 자율적이며, 다른

그리드들과 협력할 준비가 되어야 한다.

스마트 마이크로그리드의 구조는 단일 컨트롤러를 갖추고 EES와 관련해서 확장이 가

능해야 한다. 즉, 공장, 건물, 병원 또는 상점 등에서 사용 애플리케이션에 따라 EES(배터

리) 용량의 확장 및 축소를 통해 매끄럽게 조정이 가능해야 한다. 마이크로그리드 및 EES

는 일반적으로 네트워크에 연결되며, 고립된 섬과 같이 특수 스마트 마이크로그리드가

그리드에 연결되지 않는 경우에도 고립된 스마트 마이크로그리드도 확장 또는 축소가

가능할 수 있기 때문에 여전히 지능형 조정 가능성이 있어야 한다. 그림 3-13은 확장식

구조 계통도를 보여준다.

3) 작은 규모의 계통과 주거 사용자들을 포함한 수요-측 관리로 불리는 추가 옵션이 존재한다.

지능형 소비 관리와 경제적 인센티브를 통해 소비자들은 그 에너지 구매를 잉여 전력이 존

재하는 시기로 변경할 수 있다. 사용자들은 전기가 필요한 때를 바꾸거나, 필요하지 않을 때

전기를 구매 및 저장하거나 혹은 이 두 가지를 병행해서 이를 실천에 옮길 수 있다. 스마트

그리드에 사용된 전기 화학적인 저장 방식은 기본적으로 납축전지와 NaS 배터리를 사용하

며 경우에 따라 Li-ion 배터리도 사용한다. 이 경우, 출력 대 용량 비의 독립성으로 인해 레독

스 플로우 배터리도 가능할 수 있으며, 이는 비용-효율적인 저장 솔루션을 제공한다.

8. “마이크로그리드”라는 용어는 다양한 특정 정의의 주제였으나, 여기에서는 어떤 것도 가정하지 않는다.


부록 B에서는 공장 및 상점의 두 가지 예시를 제공하는데, 이 둘은 배터리 크기가 아주

다르지만, 같은 컨트롤러를 사용한다. 마이크로그리드는 이러한 방식으로 메인 그리드에

연결하고 조정하며 배터리의 입력 및 출력 상태를 보여주며, 비상 시 전력을 매끄럽게 통

제(필요 시 마이크로그리드를 메인 그리드에서 차단하는 것 포함)한다. 이들은 EES 규모나 애플

리케이션과 상관없이 스마트 마이크로그리드에 필요한 특성이다.

3.2.4 스마트 하우스

주거지에서 에너지를 보다 효율적이고, 경제적이며 신뢰할 수 있는 방법으로 사용하기

위해 스마트 하우스의 개념이 제안된다. 여기서 EES 기술은 중요한 역할을 할 것으로 기

대된다.

1) 소비자 비용은 수요 전력 요금(kW)과 충전요금(kWh)으로 구성된다. EES에 의한 부하

조절은 피크 수요를 억제할 수 있다; 하지만, 충전/방전 손실이 소비된 전기의 양도

증가시킨다. 소비자들은 EES 운영 최적화를 통해 전기 비용을 줄일 수 있다.

2) 일부 고객들은 자체 보유한 신재생 에너지원을 사용하는 것을 선호한다. EES는 그

전력 수요와 자체 발전 간의 불일치를 줄여줄 수 있다.

⋮그림3-13⋮스마트 마이크로그리드 내 EES 적용을 위한 확장형 구조

Off-Grid

Sollar Parking Lot Residential (EMS)

Shop(SEMS)

Building(BEMS)

Factory(FEMS)

Solor / Wind FarmGeneration

Battery Safety Network

Battery Management Unit

Battery

PCS PCS PCS

Peak-cut / Peak-shift / Energy-shift

Grid stabilization

1 MWh100k Wh30k Wh3k Wh1.6k Wh


3) 전력 공급 차단 같은 특정 상황에서, 대부분 현장의 신재생 발전기는 고립된 운전 시

통제할 수 없는 발전 출력으로 인한 문제를 갖고 있다. EES는 이에 대한 솔루션이 될

수 있다.

⋮그림3-15⋮미래의 스마트하우스 내 가정 에너지 네트워크 (IEC White Paper 2010)

Power station Transformer

Photovoltaic

FC

Heat pump

Bath

Kitchen

Wash basin

Wireless charger

LED lighting

Hybrid

Control

Secondary

CellLVDC

24~48 VFax

PC

TV DVD/BD Audio set

Printer Game machine

Induction heater

Microwawe oven

Heat pump

Air conditioner Refrigerator Washing machine

Sensor Ventilation

Electric shaver

Waste heated water

DC PLC

AC 100 - 200 VAC 50/60 Hz

Electric toothbrushHydrogen

⋮그림3-14⋮스마트 하우스(Fraunhofer ISE)

Grid Management /Demand Response

Multi-utilityMetering Inhouse

Communication

SmartAppliances

MonitoringDistributed CHP

BidirectionalCommunication Customer

InformationSystems

Smart Grids Smart Metering Smart Homes


그림 3-14는 스마트 하우스를 체계적으로 나타내며, 그림 3-15는 그에 대한 가능한 에

너지 구조를 보여준다. 스마트 하우스에서는 주로 납축전지가 사용되지만, 향후 특히 고

사이클 수명 및 높은 피크 전력을 전달할 수 있는 능력으로 인해 Li-ion이나 NaNiCl 배터

리가 사용될 수 있다.

3.2.5 전기 자동차

전기자동차(EVs)는 19세기에 처음 개발되었지만 전통적인 연소 엔진을 갖고 있는 차량

들이 훨씬 싸고 주행 범위가 약 500km로 여러 장점을 갖고 있어서 전기 차량들이 시장

에 많이 도입되지는 못하고 있다. 전기구동 차량을 제작하는데 있어서 가장 큰 장애물은

에너지의 배터리 저장용량이다. 이 배터리의 용량이 작기 때문에 전기 자동차는 소비자

들이 인정할 수 있는 만큼 먼 거리를 주행할 수 없었다. 그러나, 최근 배터리 기술의 발전

으로 인해 에너지 밀도가 증가된 배터리를 사용하는 새로운 가능성이 제시된다.

과도기로서 향후 수 년 동안 주로 하이브리드 차량이 시장에 도입될 것이다. 이들은 내

연기관과 전기 모터가 결합된 형태로 각각의 단점을 보완할 수 있다. 예를 들어, 내연기

관은 일부 상태에서 효율이 낮은데, 이는 전기 모터로 보상할 수 있다. 전기-구동방식은

특히 정밀한 응답 거동, 높은 효율 그리고 상대적으로 단순한 에너지 저장소 취급으로 인

해 도로 차량에 적합하다. 전기 모터의 장점에도 불구하고, 전기-구동방식과 내연 기관

엔진의 조합은 합리적이다. 이는 전통적인 구동방식(및 휘발유탱크)에 의해 이루어지고 있

는 최대 500km의 주행 거리를 만족하기에는 전기 저장만으로는 오늘날 실현할 수 없기

때문이다

하이브리드 등급 및 차량 배터리

일반적으로 다양한 하이브리드 차량들은 그림 3-16에서와 같이 그 기능으로 분류한


다. 배터리에 대한 전력 수요는 추가된 통합 기능에 따라 증가한다. 기능들이 차량에 많

이 포함될수록 연료 절감 가능성이 커지고 그에 따라 이산화탄소 배출 감소도 커진다. 많

은 수준의 차량들이 하이브리드로 시장에 나와 있지만, 플러그-인 하이브리드 및 순수

전기 차량은 아직 많은 양을 차지하지 않고 있다.

차량의 에너지 저장소와 관련해서, 오늘날 납축전지가 마이크로-하이브리드에 일반적

으로 사용된다. 이중 커패시터와의 조합을 통해, 중간 또는 완전 하이브리드에 사용하기

위한 옵션이 존재할 수 있지만, 기술적으로 더 낫고, 경제적으로 타당성이 있는 솔루션들

을 이용할 수 있기 때문에, 이들은 향후 중요한 역할을 하지 않을 것이다.

NiMH 배터리들은 일반적으로 하이브리드 차량에 사용되는데, 공학적으로 우수하고

Li-ion 배터리와 비교할 때 실제로 안전 문제에서 보다 긍정적이기 때문이다. 하이브리

⋮그림 3-16⋮ 개발 단계가 아닌 전력 및 기능 범위로 분류한 하이브리드 등급

Increasing electrification of the drive train

Incr

easing

elec

tric p

ow

er &

electric

driv

ing

range Pure electric driving

Charging at sockets

Integrated motor assist

Recuperation of braking energy

Limited electric driving

Acceleration assistance (boost)

Start-Stop System

Electric vehicle

Plug-In Hybrid

Full Hybrid

Mild Hybrid

Micro Hybrid

improvement of the conventional combustion engine


드 차량에서 자주 발생하는 저 충전 상태에서 우수한 사이클 안정성이 이들 배터리의 특

징이다. 모든 도요타 하이브리드 차량들이 1.3 kWh와 40 kW의 NiMH 배터리를 사용한다.

도요타는 이 배터리를 장착한 하이브리드 차량을 약 300만대 판매했다. 이는 판매된 총

배터리의 양이 약 4GWh 및 120GW임을 의미한다.

이 기술의 주요 문제는 향후 기술 또는 경제적 개선 가능성이 제한된다는 것이다. 리튬

이온 배터리가 기술적으로 보다 우수하고 비용 절감 가능성이 커짐에 따라 NiMH 배터리

에 대한 중기적 전망은 밝지 않을 것으로 보인다.

리튬 배터리는 전기 및 하이브리드 전기 차량용 모두에 대해 이상적이다. 하이브리드

차량의 경우 높은 사이클 안정성과 출력 밀도로 인해 리튬-티탄염 배터리가 좋은 선택이

될 수 있다. 보다 진보된 하이브리드 방식을 위해 증가된 배터리 용량이 필요함에 따라,

리튬-티탄염 배터리의 상대적으로 낮은 에너지 밀도는 전체적인 차량 중량에 큰 영향을

Specifi cations Micro Hybrid Mild Hybrid Full HybridPlug-InHybrid

Electricvehicle

Electricvehicle

2 – 8 kW 10 – 20 kW 20 – 100 kW 20 – 100 kW < 100 kW

Capacity Batteries

< 1 kWh < 2 kWh < 5 kWh 5 – 15 kWh 15 – 40 kWh

DC voltage 12 V 36 – 150 V 150 – 200 V 150 – 200 V 150 – 400 V

Potentialin saving fuel

- 8 % - 15 % - 20 % - 20 % --

Range forelectrical driving

-- < 3 km 20 – 60 km < 100 km 100 – 250 km

EES typeLead Acid,

NiMH, Li-IonNiMH, Li-Ion NiMH, Li-Ion Li-Ion Li-Ion, NaNiCl

⋮표 3-1⋮ 하이브리드 및 전기 자동차의 동력전달장치 차이 smo09


미치며, 이는 보다 큰 에너지 수요를 초래한다. 따라서, 리튬-이온-인산염 및 특별히 높

은 에너지 밀도의 리튬-NMC 배터리가 플러그-인-하이브리드와 순수 전기자동차에 대

해 선호되며, 후자의 경우 주행 범위는 가장 중요한 기준이다.

순수 전기차에 대한 대체 배터리는 고온 나트륨-염화-니켈 배터리(ZEBRA 배터리로도

불림)이다. 이는 배터리를 고온에서 유지해야 하는 대기 상태에서 자체 방전율이 하루에

10%로 크다. 따라서, 배터리들이 영구적으로 작동하고 일반적으로 추가 배터리 가열이

필요하지 않은 버스 같은 수송 차량들에 대해서는 NaNiCl 배터리가 선호된다.

｜ 3.3 저장 시스템의 관리 및 제어 계층구조 ｜

본 절에서 저장 시스템의 관리 및 제어 개념에 대해 소개한다. 저장 설비의 안전하고 신

뢰할 수 있는 운영이 필수적이지만, 그리드 전체적인 적용이 바람직할 경우, 그리드 내

다른 요소들과의 조화도 이에 못지않게 중요하다. 본 절의 목적은 독자들이 본 논문에서

설명하는 일부 적용 애플리케이션들에 대한 요소들과 그 상호작용들을 그려볼 수 있도

록 도움을 주는 것이다.

많은 저장 시스템들이, 전류의 파형과 전압을 그리드에 직접 공급하거나 받을 수 있을

수준으로 조절하는 컨버터를 포함해서, 전력 전자 요소들을 통해 그리드에 연결된다. 경

우에 따라, 컨버터는 그리드 연결 전에 변압기에 연결해서 필요한 전압을 제공한다. 컨버

터는 저장 시스템의 설정점을 정의하는 컨트롤러로 관리한다. 이들 설정점들은 유효 및

무효 전력 즉, P 및 Q의 크기로 표현할 수 있다. 이 같은 컨트롤러는 컨트롤 전자장치로도

불리는데, 이 같은 맥락에서 컨트롤러는 지능형 의사 결정을 위한 장소를 나타낸다.


3.3.1 배터리 저장 시스템의 내부 구조

배터리들로 이뤄진 복합 저장 시스템은 배터리 셀 또는 모듈의 충전 및 방전 프로세스

를 감시 및 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 갖춘다. 이는 배터리의 수명과 그 작동

을 안전하게 보장하기 위해 필수적이다. 그림 3-17은 배터리 저장 시스템에 대한 내부 제

어 구조의 실현 가능성을 보여준다. 벌크 에너지 저장소의 경우 BMS를 위한 보다 개선된

계층구조가 존재할 수 있음에 주목해야 하며, 여기엔 슬레이브 컨트롤 모듈의 충전 및 방

전을 조절하는 마스터 컨트롤 모듈이 사용된다. 서로 제조사가 다른 배터리 및 컨버터를

사용할 수 있으며, 따라서 통신과 전기 연결 장치들간에 호환성과 상호운용성이 매우 중

요하다.

3.3.2 EES 시스템의 외부 연결

특정 애플리케이션에서 EES에 대한 P 및 Q 설정점은 이행된 제어 체제에 따라 로컬 또

는 원격으로 설정할 수 있다. 제어 체제는 다시 애플리케이션에 따라 결정해야 한다. 보

다 자세히 말하면, 애플리케이션이 EES 시스템에 대한 알고리즘 및 입력/출력 요건을 결

정한다. 예를 들어, 로컬 요건만을 사용하는 단순 로직을 필요로 하는 애플리케이션에서

는 저장 컨트롤러를 통해 로컬로 설정점들을 결정할 수 있다. 이 같은 애플리케이션으로

는 부하 균형유지를 들 수 있는데, 이 때는 EES가 설치되는 옆 로컬 장비(예, 라인, 변압기

등)의 부하 조건만을 알면 된다. 이는 운전 중에 변경되지 않고 사전에 결정한 설정점들

만을 갖는 애플리케이션에도 적용한다. 그러나, 네트워크 운전 환경에 대한 동적 적용과

많은 원격 데이터 또는 측정값을 필요로 하는 애플리케이션에 대한 설정점들은 원격 컨

트롤러로 결정하는 것이 더 나을 수 있는데, 이들 원격 입력들을 보다 효과적으로 수집할

수 있기 때문이다. 이 같은 애플리케이션으로는 풍력 단지의 출력 예측을 풍력 출력, 그

리고 측정치들을 입력으로 사용하는 풍력 안정화를 들 수 있다. 또 다른 예시로는 동적

시장 가격을 사용하는 에너지 시간-이동이 해당된다. 그림 3-18은 원격 결정 설정점으


로 일반적인 설정을 하는 것을 보여준다. 배터리 및 BMS는 “에너지 저장 매체”로 대체되

어 필요한 에너지 변환 서브시스템을 포함하는 모든 저장 기술들을 나타낸다.

3.3.3 EES 시스템 및 분산 발전(가상 발전소) 집합

제어 계층은 더 일반화해서 그림 3-19에 나타난 것과 같이 그리드에 연결된 저장 시

스템이나 장치들을 포함시킬 수 있다. 이 다이어그램은 EES 시스템과 DGs(분산 발전기

들)이 하나인 것 같이 거동하는 통합된 상태를 나타내며, “EES를 갖춘 VPP”로 불린다.

VPP(Virtual Power Plant)는 가상 발전소로 정의에 따르면 네트워크 제어 센터나 주요 변전

소들에 설치할 수 있는 집중식 컨트롤러를 통해 스마트 그리드 기술을 사용해서 하나의

그리드-연결 발생원들 집합에서 발전량을 모으기 위한 기술이다. 그리드의 다양한 위치

에 있는 분산된 에너지 저장 시스템을 통합하는 것이 VPP의 용량을 더욱 개선하고 전기

인프라는 크게 단순화된다. 통신 및 전기 인프라 그림은 대략적인 개념을 보여주기 위해

단순화시킨 것임에 유의한다.

배터리를 사용하는 집합적 에너지 저장 시스템에 대한 구체적인 예시는 “배터리

SCADA”에 대한 다음 절에 나타난다.

⋮그림3-17⋮배터리 저장 시스템(ABB)의 내부 제어 구조를 실현한 모습

Storage Controller

Communication Connection

Electrical Connection

Battery Energy Storage System

Converter

BMS Batteries


3.3.4 “배터리 SCADA” - 여러 분산 배터리들의 집합

배터리 용량 및 비용과 관련해서 발전이 이뤄지고 있어서, 많은 배터리들이 소비자들

과 그리드에 설치될 예정이며, 그에 따라 누적 용량이 커지고 상당한 영향을 미치게 된

다. 이들 대부분은 소형 배터리 저장 시스템을 갖추고, 분산방식으로 로컬에서 사용된다.

그러나, 이들을 가상 어셈블리에 통합하고 집중식으로 제어한다면, 이들은 부하 빈도 제

어, 하중 균형유지 및 송전 흐름 제어 등 많은 유틸리티 애플리케이션을 위해서도 사용할

수 있다. 이 같은 애플리케이션을 실현하기 위해, 일단의 일본 내 배터리 제조사와 발전

회사들이 “배터리 SCADA”라는 분산 배터리들의 중앙 제어 기술을 개발하고 있다.

배터리 SCADA를 사용하면, 분산된 배터리들을 조합하고 가상의 대용량 배터리 같이

관리할 수 있으며, 다양한 제조사들의 서로 다른 사양을 갖는 배터리들을 통합 방식으로

그리드 운영자들이 제어 및 사용할 수 있다. 그림 3-20은 배터리 SCADA를 체계적으로

보여준다. 그리드 측과 소비자 측 모두에서의 배터리 정보는 배터리 SCADA에서 수집,

처리하고 제어 센터로 전송한다. 이 정보 와 네트워크 상황에 대한 정보를 토대로, 제어

⋮그림3-18⋮원격 데이터/측정과 관련한 제어 계층(ABB)

Remote Data/Measurements

Control Center/Substation

Storage Status

to grid

EES System

Storage Controller

Energy Storage Medium

P, Q

Set-points




센터는 각 배터리 시스템에 해당 명령을 배분하는 배터리 SCADA에 명령을 전달한다.

이 기술에 대한 시연은 2012년 일본 요코하마 시에서 시작될 예정이며, 이때 그리드 측

과 소유자 부지 내에 다양한 리튬-이온 배터리를 설치하고 배터리 SCADA에서 제어하게

된다.



⋮그림3-19⋮일반화된 EES 시스템 및 DGs의 통합 개념도(ABB)

Remote Data/Measurements

Control Center/Substationto grid

VPP with EES

EES System DGEES System DG

EES System DGEES System DG

Advantages of virtual large capacity battery Easier utilization Easier location Step by step introduction of batteries

⋮그림3-20⋮배터리 SCADA 개통도(TEPCO)

Advantages of comprehensivebattery control Optimum operation for grid control Flexible assignment of

batteries' capability to various applications

Packageddevelopmenl ofBattery and ControlSystem

Customer sideInformationcollection andCommanddistrbution

Control center(Grid control)

Interface

Interface

BatterySCADA

Utility-side

Utility-side


제3장에서 언급한 바와 같이, EES에는 많은 애플리케이션들이 존재하며, 이미 일부

EES 애플리케이션들은 상업적으로 사용되고 있고 향후에도 지속적으로 증가할 전망이

다. 또한, 신재생에너지 발전과 스마트그리드의 확장을 지원하는 용도 등 새로운 EES 애

플리케이션들도 확대되고 있다. 앞으로 EES의 중요성은 폭넓게 인식되고 있고 이미 미

래의 EES 시장에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구들은 각각 목표로 하는 시간,

영역 등 다양한 차이가 있지만, 크게 두 그룹으로 분류할 수 있다. 첫째는 모든 EES 애플

리케이션을 다루는 향후 시장 예측, 둘째는 새로운 분야의 EES 애플리케이션에 대한 시

장 예측이며, 본 장에서는 이들 두 그룹에 대한 일부 연구 결과들을 설명할 것이다.

｜ 4.1 전체 애플리케이션에 대한 EES 시장 가능성 ｜

본 절에서는 미국 내 거의 모든 EES 애플리케이션의 혜택과 최대 시장 가능성을 평가

하는 Sandia 국립연구소 (USA)의 연구와, EES 기술 비용의 절감과 EES 애플리케이션에

따른 투자 수익을 예측하는 보스턴 컨설팅 그룹의 연구를 통하여 시장 가능성을 예측할

4장

2030년까지 EES 시장 예측


것이다. 또한 Panasonic의 향후 리튬-이온 EES 시장의 시뮬레이션에 대하여 설명할 것

이다.

4.1.1 Sandia 국립연구소 (USA)의 EES 시장 예측

그림 4-1은 Sandia 국립 연구소의 미국 내 애플리케이션에 의한 EES 시장 가능성을 보

여주고 있으며, kW 당 손익분기점에 해당하는 시장 규모 및 혜택을 각 애플리케이션에서

개별적으로 평가한다. 이 연구에서는 시장 가능성만을 다루고 하나의 시장(대규모)만을

고려하지만, 향후 EES 시장을 고려하는데 있어서 유용한 제안을 제시한다. 그 결과에서

는 현재 모든 애플리케이션에 적합한 높은 수익을 낼 수 있는 큰 시장이 존재하지 않음을

보여준다. 예를 들어, 변전소에 설치되는 비상 전원을 의미하는 “Substation On-site”

애플리케이션의 경우, 매우 높은 가치를 갖는 반면 시장이 작다. 반대로, 수용가의 전력

수요 분산을 의미하는 “Time-of-use Energy” 애플리케이션의 경우 시장의 규모는 크

지만 그 가치는 높지 않은 것으로 예상된다.

이 연구에서는 각 EES의 애플리케이션에 대한 가치와 시장 규모가 향후 상황에 따라

바뀔 수 있고, 하나의 EES 설비를 다목적 애플리케이션에 동시에 사용될 수 있음을 나타

내는데, 이는 혜택을 증가시킬 수 있다. 또한 향후 EES 시장에 영향을 주는 중요한 요소

중 하나는 새롭게 설치되는 신재생 에너지의 설비 규모이다.

4.1.2 보스턴 컨설팅 그룹(BCG)에 의한 EES 시장 예측

이 연구에서는 2030년까지 EES의 가격 하락과 EES 애플리케이션에 의한 투자 수익률

을 평가할 것이며, 활용 가능한 8개의 EES 애플리케이션을 정의할 것이다.


⋮그림4-2⋮2030년까지 애플리케이션에 따른 EES 시장 예측 bcg11

Attractive(IRR~30%)

Medium(IRR~10%)

Not attractive(Negative IRR) Difficult EasyFeasiblity of

implementation

Calculations based on estimated storage prices for 2015-2020;price decreases would improve profitability in all cases

Centralized

Conventional stabilization

T&D deferral

Industrialpeak shaving

Island/off-gridstorage

Black-startservicesBalancing

energy

PricearbitrageResidentialstorage

Profitability ofthe business case

Decentralized

Mixed

Market size to 2030

>C50 billion

C25 C50 billion

<C25 billion

⋮그림4-1⋮미국 내 애플리케이션에 따른 EES 혜택(손익분기점 비용) 및 시장 규모 eye11

0 0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

Ben

eflt(

Skw

, 10 Y

ears

)

Max, M

arket Poten

tial (MW

, 10 T

ears)

Ener

gy T

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Reliability

T&

D D

efer

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0th P

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Power

Quality

Substation O

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Wind,

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shift

Tim

e-of-use

Ener

gy

Wind,

Gen

, Integr

ation, L

ong

Benefit

Maximum Market Potential


향후 애플리케이션에 따른 EES 시장 가능성 결정을 돕기 위해 이 연구에서는 이행 타

당성, 전통적인 기술의 존재, EES의 기술적인 문제, 기존 관련 사업 및 사회적 상황과의

연관성도 평가할 것이며, 그림 4-2에서 그 결과를 확인할 수 있다.

큰 시장 규모와 높은 수익을 기대할 수 있는 가장 유망한 시장은 양수 발전 및 CAES를

적용할 수 있는 “Conventional Stabilization”이다. Conventional stabilization 에는 time

shift, 출력 변동의 smoothing 및 기존 발전기의 효율 개선 등이 포함되는데, 특히 이 애플

리케이션이 유망한 이유는 향후 신재생에너지 발전출력이 증가함에 따라 time shift와 출

력변동 smoothing의 요구도 상당히 증가되기 때문이다.

또 하나의 유망한 시장은 “Balancing Energy” 애플리케이션으로서 이것은 단기적

인 수요 변동을 충족시키기 위해 전력 공급을 조정하는 기능이다. 경제적인 이유로 인

하여 PHS 및 CAES 같은 대규모 에너지 저장 기술들이 이 애플리케이션에 적합하며, 향

후 다른 EES 기술도 확대적용이 가능할 전망이다. 신재생 에너지 발전출력이 증가함에

따라 Balancing Energy의 필요성도 함께 증가할 것이며, 점점 더 많은 전력 시장에서

Balancing Energy 애플리케이션을 적용하기 위한 복잡한 시장 메커니즘을 도입하게 될

것이다. 이 연구에서는 8개 애플리케이션 그룹에 대한 전체 시장 용량을 330 GW로 추정

하고 있다.

4.1.3 Panasonic 그룹의 리튬-이온 배터리에 대한 EES 시장 예측

Panasonic 그룹(Sanyo)에서 리튬-이온 배터리의 EES 시장 가능성을 평가하였으며, 이

평가에서는 아래와 같은 가정 하에 시뮬레이션을 진행하였다.


시뮬레이션 결과는 그림 4-3에서 확인할 수 있으며, 리튬-이온 배터리 시장이 지속적으

로 성장하고, 특히 주택 시장이 2017년부터 급격하게 증가할 것으로 예상된다. 따라서 소

형에서 대형에 이르는 다양한 크기의 리튬 이온 배터리 시장이 형성될 것으로 전망된다.

｜ 4.2 신재생 에너지의 보급 확대를 위한 EES 시장 가능성 예측 ｜

신재생 에너지를 전력 그리드에 연계하는 것은 출력 변동과 불확정성 등의 문제를 야

기할 수 있다.

그리드에 연결된 신재생에너지의 출력이 일정 수준을 넘으면 이 같은 문제가 나타날

수 있고, 이러한 문제를 해결하기 위한 시정 조치가 필요하다. 특정 시장에 신재생 에너

지를 도입하기 위해 상당한 인센티브를 제공하는 다양한 방안이 존재(주로 EU에서)하며,

EES가 이 같은 목표 달성에 핵심 요인이 될 것이다. 이러한 이유로 인하여 일부 연구들에

서는 신재생 에너지의 계획된 도입을 위해 필요한 EES의 양을 결정하였다.

1) 향후 리튬 이온 배터리 가격과 비교한 배터리 구매 가격 추이가 계속해서 시장 조사에서 결

정한 바와 같이 움직인다고 가정한다.

2) 전력회사의 경우, 커뮤니티 에너지 저장소가 송전 및 배전 투자의 부분적으로 대체한다.

3) UPS의 경우, 공간 절약, 정비의 편의성 그리고 비용 차이를 고려하기 위한 리튬 이온 배터리

의 납축전지 대체 가능성

4) EV 변전소의 성장이 EVs 자체의 성장과 비교할 수 있을 수준이다.

5) 리튬 부족은 없다.


4.2.1 Fraunhofer의 독일 EES 시장 가능성 예측

독일은 신재생 에너지의 도입에 있어서 잘 알려진 선도 국가로 커다란 EES 시장이 예

상된다. 그림 4-4에 나타난 바와 같이, 독일은 2030년까지 신재생에너지의 비중을 현재

⋮그림4-3⋮리튬-이온 배터리에 대한 글로벌 시장(Sanyo, 2011)

20,000

18,000

16,000

14,000

12,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

02010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

UPS

EV Charger

Industrial

Residential

Utility

⋮그림4-4⋮독일 내 재생 에너지의 예상 도입 규모

900

800

700

600

500

400

300

200

100

2000 2010 2020 2030

Germany: Renewables have grown very rapidlyand are being extended strongly

BMU Lead Study, 2010 - Scenario for 100%Source: Nitech, Sterner, Wenzel et al, 2010

Increased demand from 2030 ondue to transport(electromobility, wind and solar fuels)

and heat(heat pumps, air conditioning)

2040 2050

0

today

Lignite

Coal

Natural gas/oil

Electric

ity g

ener

ation in

TW

h /Y

Nuclear

Geothermal electricity

Photovoltaic

Wind

Blomass

Hydroalectric

Imported electricity(wind/solar)


20% 이하에서 60~80%로 증가하려는 목표를 수립하였다.

독일이 이러한 목표를 달성하기 위해서는 보다 많은 EES 용량이 필요하다.

그림 4-5는 현재에 비해 4배 이상인 2030년의 Vattenfall 그리드 내 풍력 생산 시나리오

를 보여주고 있다. 회색 곡선은 풍력을 나타내며 충전 및 방전할 필요가 있는 에너지 변

동을 보여주고, 검정 곡선은 실제 부하를 나타낸다. 검정 면적안의 오른쪽 밝은 청색 필

드는 독일 내 양수 발전의 저장 용량(40 GWh, 7GW)을 나타내는데, 현재 총 에너지 저장량

의 90%에 해당하며 보관할 에너지의 양(검정 면적) 으로는 매우 부적절하다.

그림 4-6은 신재생 에너지의 계통 연계를 위해 과거 및 현재의 시간대별로 필요한 EES

용량 예측을 보여준다 ste11.

단기 및 장기적으로 필요로 하는 최대 전력을 공급하기 위해서는 상당량의 EES가 필요

하다. 2030년에 필요한 용량은 다음과 같이 추정된다.(최대 전력에 시간을 곱하여 산출)

현재 설치된 40 GWh PHS의 용량은 시간단위 수요와 일일 수요의 일부만을 처리할 수

있다. 이러한 시간 및 일일 수요를 추가적으로 처리하기 위해서는 배터리 같은 전기화학

EES를 사용할 수 있다. 이보다 긴 주간 및 월간 수요의 경우에는 CAES, H2 및 SNG 저장

기술의 적용이 예상된다.

● 시간: 16 GWh

● 일간: 170 GWh

● 주간: 3.2 TWh

● 월간: 5 TWh

● 총: ~8.4 TWh


⋮그림4-6⋮시간에 따른 재생 에너지원 통합을 위해 필요한 최대 출력 분포

0

2007 2020 2040 20502030Year

5

10

15

20

25

30

hour

day

month

week

Distrbution of requirde peak power from residual load

Req

ure

d P

eak Lo

ad P

ow

er In

GW

Short term

storage:

Pumped Hydro,

Stationary and

Mobile

Batteries,

CAES, Flywheels

Long term

storage:

Large PHS?

H2 + ???

→ Store H2

somehow

⋮그림4-5⋮Vattenfall 그리드(독일 북-동부) 내 부하 곡선(검정색) 및 풍력(회색):

2030년까지 충전 및 방전 규모를 양수 보관 용량과 비교 alb10

0

5,000

23Jan 24Jan 25Jan 26Jan 27Jan 28Jan 29Jan30Jan 31Jan01Fed 02Fed

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

Load curve and wind power in the Vattenfail grid

Charge

CAES Huntorf 0.66 GWh

Discharge

Potential charge and discharge periods

estimated wind power 2030(4×2008) load 2008

[MW]Data source: 50hertzGraph: LBST

Pumped Hydro Goldisthal 8.48 GWh

∑ Pumped Hydro Germany 40 GWh


4.2.2 가스 그리드 내 상당량의 에너지 저장

상당히 큰 에너지 저장을 위해, 전기화학 EES는 비싸고 너무 많은 공간이 필요할 수

있다.

이에 대한 대안은 전기를 기존 천연 가스 그리드에 보관 및 배분하기 위해 수소나 합

성 메탄 가스로 변환하는 것이다(2.4.1 및 2.4.2 절 참조). 전기를 수소로 변환하는 전체-사이

클 효율은 약 55% - 75%이고 SNG로 변환하는 것은 50% - 70% 수준이다. 독일에서 기

존 천연가스 그리드의 보관 용량은 매우 커서 약 200 TWh(배분 그리드 포함 약 400 TWh)이

다. 기술적인 관점에서, 가스 품질에 악영향을 주지 않고 10%의 질소를 천연가스에 주입

하는 것이 가능하다. 질소가 천연 가스 에너지의 1/3이기 때문에, 7TWh의 에너지를 포함

하는 질소를 천연 가스 그리드에 주입하는 것이 가능하며, 가스 그리드의 어느 지점에서

든 가스를 고-효율 가스 발전 설비(~60%)를 통해 다시 전기로 환원하는 것이 가능하다.

2030년에 독일에서 주간 및 월간 EES 수요는 약 8.2TWh(4.2.1 절 참조)가 될 것으로 전망

되며, 이는 가스 그리드에 수소를 주입해서 거의 처리할 수 있을 것으로 예상된다. 이러

한 솔루션은 가스 그리드가 존재하는 국가에만 해당되는데, 그렇지 않은 경우 수소나 합

성 메탄을 추가적인 고압 용기(일반적으로 어려움은 없다)나 동굴에 저장해야 한다.

4.2.3 Siemens의 유럽 EES 시장 예측

신재생 에너지의 발전량이 큰 경우에 발생하는 문제들을 해결할 수 있는 EES 시장의

가능성에 대한 또 다른 연구를 Siemens에서 수행하였다 wol11, hof10. 이 연구는 전체 유럽

을 대상으로 하며 모든 전기를 신재생 에너지로 공급(풍력 65%, 태양광 35%) 한다는 극단적

인 가정을 전제로 수행하였다.

신재생 에너지는 에너지원의 특성상 인위적으로 통제하기 힘들기 때문에, 지리적 및

시간적인 부분에서 수요와 공급 사이에 차이가 발생할 수 있다. 이들 사이에 불일치가 발


생할 경우 공급 부족은 화석연료를 사용하는 화력 발전기와 같은 신뢰할 수 있는 전력 공

급을 통해 보완된다. 이 같은 상황을 피하기 위해 인접 구역들 간의 상호 협력 강화를 통

해 특정 구역 내 지리적 불일치를 줄일 수 있으며, 시간 영역 불일치는 EES time shift 기능

을 통해 해결할 수 있다. 여분의 용량을 줄이기 위해 EES를 단독으로 사용할 경우 얼마나

많은 EES가 필요할 지에 대해서 외부 연결을 통한 보강이 없는 조건을 가정하여 시뮬레

이션을 실행하였다.(그림 4-7 참고) 유럽은 83개 구역들로 분할되어있으며, 각각은 다양한

신재생 에너지를 혼용하고 있고, 그림에서 “EMix 1% PV”는 1% PV와 99% 풍력을 의미한

다. 유럽 전체의 경우, 65%가 풍력에 의해 35%가 PV에 의해 공급된다. 이 결과는 EES가

없을 경우 30% - 50%의 부하가 화석연료 발전기를 통해 공급될 필요가 있음을 보여준

다(그림 4-7의 “0h”). 필요한 용량은 1주일의 부하에 해당하는 EES를 이용할 수 있는 경우

수요가 10 - 20%로 줄어(그림 4-7의 “7d”)드는데, 이는 60 TWh 의 EES나 연간 수요의 약

2%(3200 TWh)에 해당한다.

실제로 100% 신재생 에너지를 사용하는 경우, 송전선로의 보강과 연간 총 수요의 2 -

8%의 EES 용량이 필요하다. 그 값은 계통 연결부의 보강 정도와 얼마나 큰 신재생자원

의 초과 공급이 발생하는지에 달려있다. 시간 및 일일 저장의 경우, 연구에서는 PHS및 전

기화학 EES(NaS, Li-ion, LA 또는 RFB) 사용을 제안하고 있으며, 주간 및 월간 수요의 경우

CAES 및 H2를 권장하고 있다. 주간 및 월간 수요에 대한 대안으로, 스칸디나비아 국가들

(스웨덴, 노르웨이)에서 TWh 범위와 관련해서 크고 새로운 PHS에 대해 논의를 진행하였으

나, 이들을 연결하기 위해서는 장거리 송전선이 필요할 수 있으며, 이 같은 송전선 건설

을 위한 자금 문제는 오늘날의 관점에서 어려울 수 있다.

4.2.4 IEA에서 예측한 EES 시장 가능성

IEA(국제 에너지 기구)는 전세계적으로 방대한 양의 신재생 에너지의 도입에 대응하기 위


하여 EES 시장 가능성에 대한 또 다른 연구를 수행하였다 iea09. 이 연구에서 필요한 EES

의 양은 신재생 에너지의 출력 변화와 관련해서 계산하였다.

그림 4-8에 나타난 바와 같이, 필요한 EES양은 신재생 에너지 도입과 가정으로 산출

한 신재생 에너지의 출력 변화에 따라 증가한다. 예를 들어, 순수한 풍력의 변화가 그 정

격 출력의 30%라고 가정하는 경우, 서유럽에서 필요한 EES의 양은 풍력 발전의 예상되

는 증가에 보조를 맞추기 위해 2010년 3GW에서 2050년에 90GW로 증가한다. 2050년

에 필요한 EES의 양은 15% - 30%의 가정한 풍력의 순수 출력 변화율에 따라 50 GW에

서 90GW까지 변할 수 있다.

그림 4-9에서, 지역별로 필요한 EES의 양은 신재생 에너지 도입 예측을 토대로 한다.

서유럽과 중국에서 높은 신재생 에너지의 도입이 예상되기 때문에, 두 지역의 EES 잠재

시장은 상대적으로 크다. 2050년에 전세계적으로 필요한 EES의 양은 각각 15%나 30%

bac

kup e

ner

qy [rel. to

load

]

storage capacity [time avg. demand]

⋮그림4-7⋮EES 용량과 관련해서 필요한 백업 에너지 wol11

0h

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1h 4h 12h 1d 7d 30d 90d

EMix 1% PV

EMix 39% PV

EMix 100% PV


의 재생 에너지 변화율에 따라 189 GW 나 305 GW로 예상된다.

지리적으로 완전하게 분포되었을 경우를 가정한다면 현재 총 EES 용량(주로 PHS)은

100 GW, 혹은 그 두 배 또는 세 배의 EES가 필요하게 될 것이며, 그렇지 않은 경우에는

훨씬 증가할 것이다.

｜ 4.3 차량에서 그리드로의 전달 개념 ｜

전기 차량의 발전 가능성 및 확산으로 인해, 차량 배터리에서 그리드로 전력을 공급할

가능성이 상당히 증가하였다. 독일 연방정부는 2020년까지 최대 1백만 EVs로 예측하였

으며 bmw10, 하이브리드 및 순수 EVs 차량을 포함한 평균 용량은 차량 당 약 20 kWh이다.

이들 용량의 약 30%가 사용된다는 가정에 따라, 에너지 저장을 위해 약 6 GWh를 이용할

수 있을 것이다. 2011년에 약 40 GWh였던 독일의 양수 발전 저장과 비교할 때, 약 15% 정

도의 용량을 추가로 공급할 수 있게 된 것이다.

Sto

rage

Cap

acity

(GW

)

120

80

40

0

0 5 10 15 20 25 30 35

Existing 33GW←

Assumed Variation

2050(Wind: 25%)

2015(Wind: 18%)

2010(Wind: 10%)

⋮그림 4-8⋮ 풍력과 가변성에 따른 서유럽의 필요 저장 용량 shi11

Net Variation of Wind Power(%)


IEA는 신재생 에너지 출력 변화 완화를 위한 EV 배터리에 대한 전세계적인 연구를 수

행하였다. EV 배터리가 차량→그리드(V2G) 기술을 통한 time shift와 단기 변동 안정화에

사용되는 경우, 두 시나리오에서 EES를 189 GW에서 122 GW로 혹은 305 GW에서 280

GW로 줄일 수 있다(4.2.4 절 참조). 이들 용량들을 사용하는 경우, 그리드 운영자는 단기 시

간 이동 범위가 보다 넓어지고 더 높은 수준의 신뢰도를 보장할 수 있다.

전기자동차의 전력 공급을 위한 인프라가 아직 준비되지 않아 저압 전력 그리드의 보

강이 필요한 상황이며, 그렇지 못할 경우 선로의 송전 용량을 초과할 수 있다. 또한, 자동

차와 그리드 운영자 간의 통신을 위해 소비자가 수용할 수 있는 지능형 시스템이 필요할

수 있다. 이러한 소비자의 승인은 V2G의 성공에 중요한 역할을 하게 된다. 차량 소유자

Cap

acities

(GW

)

Years

150

100

50

0

2005 2015 2025 2035 2045

WEU

USA

Total 189GW →

← Existing Storage: 100GW

CHI

120

50

0

With High Share Renewables

Comparison of Storage Capacities in 2050

WEU

CHIN

A

USA

CSAJAP

AUS

CANCap

acities

(GW

)

⋮그림 4-9⋮ 지역별 필요 저장 용량(풍력 변화율: 15%) shi11


가 배터리를 소유하지 않고 임대하거나 배터리 비용을 부담하는 요율에 따라 전기 요금

을 지불하는 등 현재 다양한 비즈니스 모델이 논의되고 있다.

｜ 4.4 향후 EES 시장 가능성 ｜

본 절에서는 시장 가능성에 대한 몇 가지 연구에 대하여 언급하였으며, 다음과 같은 결

론을 얻을 수 있었다.

1) 향후 EES에 대한 시장은 기존 시장보다 훨씬 더 큰 규모로 확대될 전망이며, 전기자

동차 같은 새로운 애플리케이션을 포함하여, 주로 신재생 에너지원의 이용 확대와

에너지 부문의 변화에 의해 성장할 것이다. 시장의 규모는 향후 신재생 에너지 비율

과 여러 지역들에 따라 변화할 것이다.

⋮표 4-1⋮ EES는 타당성, 향후 가능성 그리고 향후 연구 및 개발 필요성을 제시한다(Fraunhofer ISE)

Time Shifting

Feasible today

Needs further stringent development&mass production

Needs fundamental research and development of production methods

PHS

CAES

FW LA NiM

HLi-lo

nMe Air

NaS

NaN

iCl

RFB

HFB

H 2 SNG

DLC

SMES

Therm

Utillty

Consu

mer

Ren

ewab

le

Power Quality

Network Efficiency

Off-Grid

Emergency Supply

Time Shifting

Power Quality

Electric Vehicle

Time Shifting

Effective Connection


2) 추가적인 비용 절감과 기술 개발이 진행되는 경우, 수요 이전, 신재생 에너지 출력안

정화 및 기존 발전 효율을 개선하는 등 EES 시스템을 광범위하게 활용할 수 있다.

3) 유럽의 연구에서는 신재생 에너지 출력의 변동을 보상하기 위한 EES 기술에 대한

전망을 확인할 수 있다. 대규모 풍력 터빈 및 PV 설비들은 2시간에서 하루 동안 전

기를 방전할 수 있는 여러 EES 시스템을 필요로 하는데, PHS와 CAES 같은 대규모

EES 설비가 적절한 것으로 예상된다. 하지만, 독일이나 일본 같은 많은 국가들에서

는 적절한 지리적 요건 이나 지질 구조의 어려움으로 인하여 PHS와 CAES를 적용

하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.

4) 수 시간에서 수일까지의 방전 시간에 대해 NaS, Li-ion 및 RFB 같은 MW-MWh 범

위의 전기화학적 EES의 폭넓은 도입이 예상된다.

5) 장주기 에너지 저장은 높은 신재생 에너지 비율을 얻는데 필수적이다. IEA 보고서에

서는 신재생 에너지의 추가적인 설치가 화력 발전기 전력 제어에서 비효율과 단기

출력 변동을 초래한다는 것을 보여주고 있으며, 이러한 시나리오는 신재생 에너지-

도입 목표를 높게 설정한 서유럽과 중국에서 발생할 것으로 전망된다.

6) 수일에서 수개월까지 보다 긴 시간의 방전 시간을 처리하기 위해 수소 및 SNG 기술

의 개발이 필요한 실정이며, 유럽 지역에서는 잘 구축된 천연가스 그리드와 지중 저

장소가 H2 및 SNG 저장소로 (부분적으로)사용될 수 있다.

7) EV 배터리 같은 여러 소규모 분산 배터리를 사용하는 스마트 그리드 기술이 활성화

될 것으로 전망되지만, 모든 EV 배터리들이 이 같은 목적으로 사용된다고 해도 향

후 EES에 대한 수요를 충족하기에는 부족할 것이다.

이들 연구를 고려할 때, 표 4-1은 특정 애플리케이션과 향후 연구 및 개발이 필요한 분

야에 대해 EES 기술이 타당하거나 타당해질 수 있다는 것을 보여준다.


상기 결론에 더해서, 표 4-1은 리튬 -이온이 여러 애플리케이션에 매우 큰 가능성이 있

음을 보여주지만, 비용 효율성을 얻기 위해서는 추가 개발 및 대량 생산이 필요하다. 전

력회사에서는 time shift를 위하여 CAES, RFB 및 H2도 적용할 수 있으며, 이를 위하여 비

용 효율성을 얻기 위해서 기술 개발 및 대량 생산이 필요한 상황이다. 또한, HFB 및 SNG

도 이 애플리케이션에 적용할 수 있으며, 안정적이고 비용 효율적인 제품을 얻기 위해서

추가적인 기초 연구와 개발이 필요하다.


｜ 5.1 운전자, 시장, 기술 ｜

본 논문의 처음 4장에서 실질적, 사실적, 객관적 부분에서부터 현재 절에 이르기까지

일관된 그림을 그리기 위한 결론을 도출하려고 노력하였다. 이를 통해 정책(규제 포함), 연

구 및 개발, 그리고 표준화의 영역에서 권고사항들을 만들 수 있었으며, 이에 대해서 그

림 5-1에서 정리하고자 한다.

전기 시장에서, 전체적이고 지속적인 목표는 CO2 감축과 보다 효율적이고 신뢰할 수

있는 전기를 공급하고 사용할 수 있도록 하는 것이다.

이들 목표에 따라, 향후 EES의 미래를 결정하는 3가지 추진 요인을 파악하였다(3장 참

고). 신재생 에너지 생산의 예측 가능한 증가, 스마트 그리드의 설계 및 시행, 그리고 여기

5장

결론 및 권장사항들

IEC는 전기 에너지 저장이 이들 공공 정책 목표 달성에 필수불가결한 요소가 될 것을 확신하며,

에너지 저장장치의 배치에 정책-결정자와 규제자들의 장기적이고 강력한 지원의 필요성을 강

조하고 있다.


서는 단순히 “마이크로그리드”라고 부르는 전기 에너지의 분산된 발전 및 관리 확산이

그것들이다. 이들 추진 요인들은 서로 간에 일부만 독립적이다. 신재생 자원은 명확하게

마이크로그리드를 촉진 및 필요로 하며 신재생 자원과 분산된 자원 모두 스마트 그리드

를 요구한다. 그러나, 본 논문에서는 3가지 추진 요인들이 일반적으로 전기 에너지 저장

시스템의 미래를 조정하는 서로 다른 측면들을 다루고 있음을 보여주었다.

이들 추진요인들이 EES에 대한 향후 수요에 미치는 결과는 편의상 전체 EES 시장, 전

통적인 대규모 시스템(예, 양수 발전 저장, PHS ), 장기 저장소(예, H2) 그리고 분산 저장소의

⋮그림 5-1⋮ 논리적 발전 형태의 결론

Objectives

•CO2 reduction

•More efficient and reliable electricity

Drivers

•Renewable energies

•Smart Grid

•Dispersed generation/Microgrid

Technological and practical

implications

•Batteries

• H2/SNG (synthetic natural gas)

• Lifetime costs

• Control / interoperabilityRecommendations

a) Policy recommendations

b) R&D recommendations

c) Standards recommendations

Market forecasts

•Total EES market

• Conventional large-scale

• Long-term storage

•Dispersed storage


4개의 시장 구획으로 나눌 수 있다. 어떻게 이들 시장들이 개발될지는 어떤 기술이 가장

필요한지와, 향후 개발할 종류에 어떤 기술이 적합한지, 시행과 시장 도입에 영향을 주는

고려사항들은 무엇인지, 그리고 실행 시 어떤 문제점이 발생할 수 있는지에 달려있다. 이

전 장들에서 이미 다뤘던 것을 넘어서는 일련의 복잡한 요인들은 여기서 제시하지 않는

다. 4가지의 측면들을 나타내는데, 2가지는 기술적 유사성(배터리 및 H2/SNG)이고 두 가

지는 제약(수명 비용 및 제어/상호운용성)으로 향후 시장에서 가장 중요한 부분이 될 것으로

보인다.

끝으로, 이는 행위 자체로 권고사항이 되는데, 이들 권고사항은 다음의 3종류의 다른

대상자들을 다루기 위해 아래와 같이 분류한다: 규제자를 포함한 정책 결정자, 연구 및

제품 개발을 결정하는 회사 및 실험실, 그리고 모든 EES 시장 참여자들이 필요로 하는 표

준을 결정하는 IEC 가 그것이다.

｜ 5.2 신재생 자원 및 향후 그리드와 관련한 결론들 ｜

많은 연구에서 EES가 대규모 신재생 에너지 도입에 필수적임을 보여주었다. 따라서

EES의 양과 시기는 신재생 에너지 개발 속도에 큰 영향을 받는다.

스마트 그리드는 진보된 IT 기술을 사용해서 유틸리티(그리드) 측과 고객 측 모두의 설비

들을 연결한다. 이 같은 연결의 혜택은 저장소를 이용할 수 있을 경우에만 얻을 수 있다.

따라서 EES는 재난으로 인한 정전에 대응하기 위한 기본 요건으로서 스마트 그리드의

핵심으로 간주된다. 또한, 스마트 그리드가 분산된 저장소를 사용하고 필요로 할 가능성

도 있다(예, 로컬 방식으로 설치된 배터리 등). 이는 여러 분산된 소형 저장 설비들의 전체적인


제어가 그리드9에 통합될 수 있음을 의미한다. 이는 자율운영, 쉬운 확장 및 다른 그리드

들과의 조율이 향후 EES의 중요한 특성이 된다는 것을 말한다.

마이크로그리드는 커뮤니티, 공장, 건물 등에서의 “스마트” 에너지 사용에 핵심 요소가

된다. 소규모 EES는 전기 에너지의 공정하고 경제적인 소비를 위해 절대적으로 필요하

다. 비용 효율을 극대화하기 위해, 마이크로그리드도 그 EES를 그리드에 연결하고(그리드

와 마찬가지 - 상기 참고) 소비된 전기 에너지의 양을 매끄럽게 증감하도록 조정하도록 요구

한다.

발전 또는 저장 분산 시설의 경우(예를 들어, 스마트 하우스 또는 전기자동차 내 EES) 일반적

으로 시설 이용 방법을 결정할 권리를 우선적으로 갖는 최종 소유자가 보유한다. 이는 집

중된 시설들에 적용하는 조건이 분산된 것들에 적용하는 것과 차별화되는 정책 및 규제

체제가 필요함을 의미한다.

｜ 5.3 시장과 관련한 결론 ｜

전체 EES 시장은 크게 확장될 것으로 예상되지만, 여전히 비용은 매우 중요하게 고려

하여야 할 요소이다.(5.4 절 참조). 이는 R&D와 정책 목표에 대한 매우 구체적인 의미를 갖

는다. 또한, 관련 표준들(일정한 시장을 형성 또는 확장함으로써 비용 절감)을 즉시 이용할 수 있

어야 한다는 것이 아주 큰 영향을 준다는 것도 나타낸다.

전체 시장 중 일부는 신재생 에너지의 도입을 위한 PHS 같은 전통적인 대규모 EES가

될 것이다. 매우 큰(GWh 및 TWh 규모) 시설들에 대한 필요도 증가하게 되며, 일부 애플리케

이션에서 전통적인 발전기와 같이 작동할 필요가 있다(총 에너지에 대한 제한에도 불구하고).

9. 하나의 실제 에너지 저장소 설치.


매우 큰 신재생 에너지 출력을 얻을 때, 저장 기간이 최대 수개월에 달하는 장기적인 에

너지 저장이 필요한데, 이는 매우 큰 저장 용량을 의미한다. 가능한 솔루션은 수소 및 합

성 천연 가스(2.4 및 4.2.2 절 참조)를 이용한 새로운 EES를 개발하는 것인데, 이들의 개발은

전통적인 IEC의 업무 범위를 넘는 화학적 및 공학적 연구와 관련되며, 특정한 권고사항이

발생할 것이다.

고객의 장소에 저장소를 설치해서 스마트 그리드 및 마이크로 그리드를 이용하는 경

우, 소규모 시장과 분산된 EES도 꽤 클 것으로 예상된다. EES는 다중 분산 저장소들을 통

합하는 방식으로 단일 애플리케이션뿐 아니라 몇 가지 용도에서 동시에 사용될 것이다.

｜ 5.4 기술 및 배치와 관련한 결론 ｜

신재생 에너지(RE) 시장이 성장하면, EES 시스템 시장, 특히 소규모 및 분산된 시스템

에 대한 시장도 함께 확장될 것이며, EES의 그리드 연결과 관련한 기술 사양 및 규제 를

필요로 한다. 신재생 에너지를 포함한 분산된 발전 설비의 상호 연결을 조사하였으나, 주

로 신재생 에너지와 관련된 EES 설비와의 연결 등에서 전력 품질 및 안전과 같은 문제들

은 아직 완전하게 연구되지 않았다. 따라서, EES를 그리드에 원활하게 연결하기 위해서

는 추가적인 기술 요건들과 필요한 규제적 요건들을 조사할 필요가 있다.

비용 민감도를 고려할 때, 비용 절감은 매우 중요하다. 이를 위해, 수명 비용을 고려해

야 하며, 단순 설비 비용뿐 아니라 운영 및 폐기 비용도 고려해야 한다. 전체 설비 비용의

일부로서 낮은 원자재 비용이 EES 기술의 특정 선택 기준이 될 수 있다. 또한, 3.2 및 3.3

절에서 설명한 바와 같이, 전체 그리드의 매우 다른 부분들 간의 상호운용성이 보장되어

야 하며, 복잡한 제어 역량도 가용성과 전체적 효율에서 필수적이다10. 한 국가에 성공적


인 배치는 비용을 조절하고 가용성을 보장하는데 도움을 줄 수 있는 “EES 공급 산업”의

규모와 건전성에도 영향을 받을 수 있다.

연구에서 언급한 3가지 저장 기술들이 가장 중요한 것으로 볼 수 있다. 기술적 성숙도

감소시키기 위해, 양수 발전(PHS), 전기화학적 배터리, 그리고 수소/합성 천연 가스를 사

용한다. 그림 5-1 에서는 PHS 보다 더 개발이 필요하고 이 둘이 서로 다른 방식이기 때문

에 마지막 2가지만이 언급된다. 배터리는 주로 비용을 줄이기 위해 그리고 일부 기술들

의 경우 에너지 밀도를 증가시키기 위해서도 개발이 필요하다.

수소/SNG는 물리적 시설, 기존 가스 사용과의 상호작용, 최적 화학 공정, 안전, 신뢰도

및 효율을 포함해서 추가로 광범위한 연구 및 개발을 해야 한다.

｜ 5.5 정책-결정자 및 규제자에 대한 권장사항 ｜

권장 5.5.1 - 전통적 저장소 개발을 위한 공공 지원

신재생 에너지의 비용을 크게 증가시키기 위한 의도를 고려할 때, IEC는 정책-결정자

들이 부지선정 및 공사의 어려움에도 불구하고 양수 발전 같은 전통적 저장소의 추가 개

발을 심각하게 고려할 것을 권장한다.

권장 5.5.2 - 수 개월 단위의 장기적 저장소

IEC의 연구에서는 많은 정부들이 향후 전기를 어떻게 만들고 관리할 지에 대한 현재의

계획을 보여주었는데, 이러한 계획은 수-TWh 범위의 장기적인 저장소가 없이는 이행할

10. 수행의 이 측면은 관련된 국제 기준의 존재에 특히 의존할 것이다.


수 없다. 따라서, 정책 결정자들은 장기적으로 매우 큰 용량의 저장소를 만들기 위한 조

치가 공적 측면에서 필요하며 민간 부문에서 그 역할을 수행할 수 있도록 인센티브를 주

는 등 다양한 방안을 권장하고 있다.

권장 5.5.3 - 에너지 부문들 간의 협력; 일관된 규제들

천연가스에 첨가하는 수소 및 합성 천연 가스는 에너지 저장 기간 및 용량으로 인해 향

후 전기 그리드에 필수적인 요소가 될 것이다. 따라서, IEC는 규제자들이 인프라 이용을

포함해서, 전기 및 가스 에너지 시장 간에 필요한 모든 협력을 위한 조건을 만들 것을 권

장하고 있다.

권장 5.5.4 - 저장소 개발 및 운영을 위한 인센티브

IEC는 정책 결정자들이 공공 정책 목표를 달성하기 위하여 저장소 배치를 장려하도록

권장하고 있다. 신재생 자원을 통하여 발전된 전력의 장기적 잉여 에너지 저장이 경우에

따라서는 기존 화석연료 발전소에서 추가로 생산한 것 보다 더 비싼 경우가 있다. 그러

나, 향후 그리드에 필요한 저장소는 민간 행위자들이 저장소를 확보 및 운영하는 경우에

만 이용이 가능해지며, 재정적 인센티브를 포함해서 관련 규정이 자주 필요해진다. 민간

소비자-보유 저장소와 규제 그리드에 직접 연결된 저장소 간에 차별화를 위해 규제 체계

도 필요할 수 있다.

권장 5.5.5 - 저장소 연구를 위한 공공 정책 및 투자

IEC의 연구에서는 집중적인 연구 및 개발이 필요한 몇 가지 분야들에 대해 설명하고 있

으며, IEC는 정부와 연구를 담당하는 당국이 그 연구 정책을 수정하고 저장소 개발을 위

한 바람직한 목표에 투자를 하도록 권장하고 있다.


권장 5.5.6 - 마이크로 그리드 도입에 대한 잠재적 장벽

기존의 일부 규제 체계가 마이크로그리드 또는 그 저장 요소의 도입을 가로막고 있다.

IEC는 마이크로그리드가 향후 전력 공급에 필수적이기 때문에 이러한 규제를 수정하도

록 권장하고 있다.

권장 5.5.7 - 새 저장소 기술의 안전을 위한 규정

IEC는 과거 다른 영역에서와 같이 새 저장 기술의 안전성에 대해 국제적으로 합의된 표

준에 따를 것을 기대한다. 규제자가 이 안전을 보장하기 위한 요건을 예측하고 조정된 규

정을 토대로 하는 적절한 국제 표준의 형성에 기여하도록 권장한다.

권장 5.5.8 - 새 저장 기술에 대한 환경적 규제

새로운 저장 기술은 자연 및 인간 환경을 보호하는데 대해 재료, 조건 및 토지 이용과

관련한 새로운 도전을 나타낼 수 있다. IEC는 규제자가 표준을 마련하고 국제적으로 합의

된 기술적 기반에 따라 새로운 규정을 수립해서 다른 국가들과 지역과의 불필요한 차이

를 피할 수 있도록 권장한다.

｜ 5.6 R&D 수행 연구 기관 및 회사들에 대한 권장사항 ｜

권장 5.6.1 - 저-비용 재료 및 제조를 목표로 하는 R&D

IEC는 낮은 원료 비용과 저 비용 질량 생산 기술 가능성을 갖는 EES 기술에 대한 표적

연구 및 개발을 권장한다.


권장 5.6.2 - 재생자원과 저장소와의 상호작용에 대한 연구

필요한 저장소의 사양과 크기가 재생 에너지에 큰 영향을 받기 때문에, IEC는 재생 에

너지에서 저장소가 결과적으로 충족해야 하는 전력 시스템과 기능에 미치는 영향을 추

가로 연구할 것을 권장한다.

권장 5.6.3 - EES에 사용된 수소 및 합성 천연가스에 대한 R&D

전기 저장을 위한 수소의 저장 및 사용, 합성 천연 가스의 생성 및 사용은 상대적으로

새로운 기술이다; 특히 그 신뢰도와 비용에 대한 개선이 필요하며, 기존 가스 공급 및 배

전망을 이용하는 과정에서 인프라, 시스템 운영 및 안전과 관련한 기술적 및 조달 문제가

발생할 것으로 예상된다. IEC는 발전 부문, 가스 부문 및 연구 실험실이 이들 영역에 대한

협력 연구 및 개발에 노력할 것을 권장한다.

권장 5.6.4 - 다기능 저장관리 시스템 개발

IEC는 IEC 연구에서 설명한 많은 애플리케이션을 위한 단일 저장 시스템을 사용할 수 있

는 저장소 관리 시스템을 개발하도록 업계에 권장한다. 제어할 배터리의 종류에 상관없이

기능하는 컨트롤러 및 관리 시스템이 필요하다11. 또한, 통제 기술은 애플리케이션에 여러

참여자들 (그리드 운영자, 최종-사용 공급자, 소비자)이 관련되었을 때에도 기능해야 한다.

권장 5.6.5 - 그리드 이용을 위한 로컬 저장소 개발

IEC는 업계 및 발전사에 저장소의 로컬 목적과 계통 목적12 모두에서 효율적이고 합리

적으로 이용할 수 있는 기술개발을 권장하며, 이를 통해 많은 분산 저장 설비를 단일의

11. 여러 기술들을 가지는 배터리에 대한 제어의 표준화를 언급한 권장 5.7.4를 보라.

12. 예, “배터리 SCADA” - 3.3.4 장을 보라.


큰 시설로 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

권장 5.6.6 - 차량->그리드 및 차량 →가정 기술 개발

전기자동차 배터리가 그리드 규제 및 차량 외부 전기 사용을 위한 저장원으로써 사용

될 가능성이 있기 때문에, IEC는 차량→그리드 및 차량→가정 기술의 연구 및 개발을 권

장하고 있다.

권장 5.6.7 - 구조

IEC 연구에서 권장한 많은 표준들의 전제조건은 저장을 위한 우수한 구조와 관리/제어

체계의 존재인데, 현재는 이를 이용할 수 없다. IEC는 실험실 및 업계에 IEC와 함께 표준

에 대한 기준으로서 사용할 수 있는 구조와 관리 체계 개발에 참여할 것을 권장한다.

｜ 5.7 IEC 및 그 위원회에 대한 권장사항 ｜

권장 5.7.1 - 수소 및 SNG 표준에 필요한 협력

MSB는 IEC에 그간 거의 접촉이 없었던 ISO 및 업계와 긴밀한 협력을 통해 수소 그리고

천연가스 및 석유 같은 합성 천연 가스(SNG) 저장 영역에 대한 향후 솔루션 표준화 수행

을 권장한다.

권장 5.7.2 - EES 시스템의 구조

IEC의 연구는 모든 그리드-관련 상황에서 저장소의 역할 및 기능을 현재 이용할 수 없

다는데 대한 완전하고, 공유된 이해를 보여준다. MSB는 따라서, IEC에 EES 구조와 EES

시스템에 대한 기본 표준을 개발하도록 권장하며, 이를 토대로 기타 모든 표준들을 수립


할 수 있다.

권장 5.7.3 - 저장소 계획수립 및 설치에 대한 사용자 지침

저장소 솔루션의 성공적인 시행을 결정하는 요인들 중 하나는 여러 기술의 비용과 기

능에 대한 참여자의 이해도이다. MSB는 IEC에 특정 애플리케이션에 각 특정 기술(제품의

종류)을 계획 및 사용할 때 적용하기 위한 제안된 기준을 포함하는 사용자 지침 개발을 권

장한다. 저장 기술 거동 및 특성에 대한 데이터에 더해서(속도, 출력, 에너지), 전체 사이클

비용, 폐기 비용, 규제 고려사항들 및 환경적 장점 및 단점에 대한 정보를 포함할 필요가

있다.

권장 5.7.4 - 인터페이스, 제어 및 데이터 요소 표준

IEC 연구의 일부 요소들은 EES 설비의 제어 및 상호 연결 필요성이 아주 시급하다는

것을 보여준다: 마이크로그리드와 그 그리드 연결부 내 소규모 저장소, 단일 가상 상점,

여러 조직들(발전소 소유자, 그리드 운영자, 전기 판매자)이 공동으로 사용하는 시스템 및 여러

애플리케이션 등과 다른 기술들과의 저장 시스템 통합. 관련 표준이 존재하지 않는 한,

MSB는 IEC에 저장소 및 기타 그리드 요소, 데이터 교환을 위한 프로토콜과 제어 규정 그

리고 저장 시스템에 공급된 입력, 출력 및 제어 정보를 위한 데이터 요소를 신속하게 표

준화하도록 권장한다.

권장 5.7.5 - 송전 혼잡 완화를 위한 시스템 표준

많은 양의 신재생 에너지 도입은 송전 시스템 혼잡을 초래하게 되며, 이때 저장소가 솔

루션이 될 수 있다. 풍력 단지와 결합된 저장소로 구성된 하이브리드 시스템 등 일부 통

합 시스템의 경우, 적절한 기능을 위해 표준화가 필요하다. MSB는 SMB에 필요한 표준

수립에 착수하도록 권장한다.


권장 5.7.6 - 비용에 영향을 주는 장치 크기 및 기타 인자들에 대한 표준

저장소의 수명 비용 감축에는 무엇보다도 관련 장비의 대량 생산을 가능하게 하는 표

준화된 EES 장치 크기와 기술적 특징들 같은 표준 범위를 필요로 한다. 따라서, MSB는

SMB에 이들 프로젝트를 시작할 것을 권장한다.

권장 5.7.7 - 새 저장 기술의 안전성

가까운 미래에 전기 에너지의 저장과 관련한 새로운 기술의 급격한 발전과 소비자들의

설비 증가로 인해 안전에 대한 규정이 새로 제정될 예정이다. 동시에, 사회 및 정부는 시

스템을 실제 배치하기 전 안전이 보장되는 것을 바랄 것이다. 따라서, MSB는 SMB가 신

속하게 저장소 안전 표준을 개발하도록 권장하고 있다.

권장 5.7.8 - 환경과 EES의 양립성

EES 규모, 영향 및 재료는 새로운 기술이 개발되는 것을 고려한 환경에 미치는 영향과

관련이 있다. 국제 표준이 없을 경우, 규제 요건들은 지역마다 다를 수 있으며, 이는 제조

사 및 소유자에게 불필요한 부담을 가할 수 있다. 따라서, MSB는 환경과 양립할 수 있는

EES 표준 개발을 가능한 빨리 완료하도록 권장한다.


부록 A

전기 에너지 저장 기술에 대한 기술적 개요

BatteryTechnology

Nominal

Voltage [V]

Capacity per

cell [Ah]

Response

Time

Energy

Density

[Wh/kg]

Energy

Density

[Wh/l]

Power

Density W/l

PHS - - min 0.2 – 2 0.2 – 2 0.1 – 0.2

CAES - - min - 2 – 6 0.2 – 0.6

Flywheel - 0.7 – 1.7 MW < sec 5 – 30 20 – 80 5 000

Lead acid 2.0 1 – 4 000 < sec 30 – 45 50 – 80 90 – 700

NiCd Vented

sealed1.2

2 – 1 300

0.05 – 25< sec

15 – 40

30 – 45

15 – 80

80 – 110

75 – 700

(vented)

NiMH sealed 1.2 0.05 – 110 < sec 40 – 80 80 – 200 500 – 3 000

Li-ion 3.7 0.05 – 100 < sec 60 – 200 200 – 400 1 300 –10 000

Zinc air 1.0 1 – 100 < sec 130 – 200 130 – 200 50 – 100

NaS 2.1 4 – 30 < sec 100 – 250 150 – 300 120 – 160

NaNiCl 2.6 38 < sec 100 – 200 150 – 200 250 – 270

VRFB 1.6 - sec 15 – 50 20 – 70 0.5 – 2

HFB 1.8 - sec 75 – 85 65 1 – 25

Hydrogen

central

decentral

- - sec – min 33 330 600 (200 bar)0.2 – 2

2.0 – 20

SNG - - min 10 0001 800 (200

bar)0.2 – 2

DLC 2.5 0.1 – 1 500 F < sec 1 – 15 10 – 20 40 000 –120 000

SMES - - < sec - 6 2 600

⋮표 A-1⋮ EES에 대한 기술 데이터 개요(Fraunhofer)


Typical

Discharge

time

Energy-

Effi ciency

ηWh [%]

Lifetime

[a]

Typ. Cycle

Lifetime

[cycles]

Typical applications

hours 70 – 80 > 50 > 15 000Time shifting, Power quality,

Emergency supply

hours 41 – 75 > 25 > 10 000 Time shifting

seconds 80 – 90 15 – 20 2*104 – 107 Power quality

hours 75 – 90 3 – 15 250 – 1 500Off-Grid, Emergency supply,

Time shifting, Power quality

hours60 – 80

60 – 70

5 – 20

5 – 10

1 500 – 3 000

500 – 800

Off-Grid, Emergency supply,

Time shifting, Power quality

hours 65 – 75 5 – 10 600 – 1 200 Electric vehicle

hours 85 – 98 5 – 15 500 – 104 Power Quality, Network effi ciency,

Off-Grid, Time shifting, Electric vehicle

hours 50 – 70 > 1 > 1 000 Off-Grid, Electric Vehicle

hours 70 – 85 10 – 15 2 500 –4 500 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid

hours 80 – 90 10 – 15 ~ 1 000 Time shifting, Electric vehicles

hours 60 – 75 5 – 20 > 10 000 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid

hours 65 – 75 5 – 10 1 000 –3 650 Time shifting, Network effi ciency, Off-Grid

hours –

weeks34 – 44 10 – 30 103 – 104 Time Shifting

hours –

weeks30 – 38 10 – 30 103 – 104 Time Shifting

seconds 85 – 98 4 – 12 104 – 105 Power Quality, Effective Connection

seconds 75 – 80 *) *) Time Shifting, Power Quality

• *) 애플리케이션에 대한 경험 부족


스마트 마이크로그리드 확장가능한 구조의 두 가지 예시를 제공한다(그림 B-1).

Panasonic 그룹(Sanyo)은 일본 Kasai 공장에서 리튬 이온 배터리를 사용하는 큰-확장식

저장 배터리 시스템을 갖춘 스마트 마이크로그리드를 개발하였는데, 이 시스템은 2010

년 10월에 설치되었다. 이 시스템은 배터리에 심야 전기와 잉여 태양 전기를 충전하고 낮

동안에 사용하였다. EES 시스템은 배터리 박스 1000개 이상이며, 각 박스는 31218650 셀

배터리로 구성된다. 따라서, 시스템은 30000018650 셀 이상으로 구성된다. 전체 EES

는 배터리 관리 시스템과 함께 하나의 배터리처럼 사용하였으며, EES의 용량은 약 1500

KWh, PV 시스템은 174060 kW DC 전력을 공급할 수 있었다. 이 시스템은 컨트롤러로 제

어하는 전체 에너지 관리 시스템을 통해 피크 시간에 15% 이상의 전력을 차단할 수 있다.

다른 예시로는 일본의 차세대 편의점에 대한 스마트 마이크로그리드 시스템(EES 애플

리케이션)을 들 수 있다(그림 B.2). 재난에 의한 정전 시에도, 이 시스템은 재생 에너지를 사

용해서 연중무휴로 POS(point-of-sale) 장치, LED 조명 및 기타 영업에 필수적인 기능들

에 전기를 공급할 수 있다. 이 시스템은 교토에 위치하고 있으며 2010년 12월에 영업을

시작하였으며, 리튬 이온 배터리와 10kW PV를 사용하였다.

부록 B

스마트 마이크로그리드에서의 EES


⋮그림B-2⋮ 차세대 편의점(Sanyo, IEC MSB/EES Workshop, 2011)

PV

Charge Discharge

Lighting

Battery Management System

POS

Outlets

Showcase

• HIT is a registers trademark of SANYO Electric Co., Ltd

⋮그림B-1⋮ 공장의 배터리관리 시스템(Sanyo, IEC MSB/EES Workshop, 2011)

PCS

18650Cell

Batteriesconsist of18650cells


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T +41 22 919 [email protected]

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ISBN 978-2-8322-3967-4IE

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