※ ESS : 신재생에너지 그리고 전력망 안정의 핵심 (Part 1.)
ESS는 신재생에너지에 있어 필수적인 인프라임.
풍력과 태양광 발전은 통제하기 어려운 특성을 가지고 있어 전력망의 공급자와 전력 사용자의 균형을 유지하고 전력망의 안전을 보장하기 위해 ESS를 통해 유연하게 전력을 조절해줘야 함.
ESS는 전통적인 양수 발전외에 전기화학적 저장방식(리튬이온배터리, 바나듐레독스흐름배터리, 나트륨배터리 등), 압축공기 저장(CAES) 등과 같은 새로운 기술들이 등장하고 있음.
현재 글로벌 ESS시장은 중국과 미국을 중심으로 한 대용량(유틸리티용) ESS시장과 유럽을 중심으로 하는 주거용 ESS시장으로 나뉘고 있음.
● 신재쟁에너지 시스템은 반드시 ESS를 통해 전력을 조절해야 함.
신재생에너지 전력시스템은 시스템의 안정성을 보장하기 위해 전력망, 부하, 저장 등과 같은 부분에 있어 ESS를 통해 유연한 상호작용을 해야함.
전기에너지는 발생과 즉시 사용할 수 있는 에너지로 발전측과 부하측의 공급과 수요가 반드시 일치해야 전력망의 안정성을 보장할 수 있음.
전통적인 화력발전은 조절성이 강하지만(부하추종 운용능력이 우수), 태양광과 풍력과 같은 신재생에너지는 낮은 관성(Low Inertia), 낮은 감쇠(Low Damping), 약한 전압지지(Weak Voltage Support)의 특성을 지니고 있음.
즉, 신재생에너지는 큰 변동성을 지니고 있어 발전측과 부하측의 균형을 맞추기 어렵기 때문에 생성된 많은 전력이 전력망에 연결되지 못하고 버려지는 낭비가 발생함.
중국의 경우 2023년 약 30 TWh의 전력을 포기해야 했으며, 이는 약 100억위안(약 14억 달러) 이상의 가치에 상응함.
ESS가 갖춰져 있었다면 이러한 문제는 완벽히 해결할 수 있음.
발전측 전력이 너무 많을 때는 여분의 전력을 저장하고, 전력부하가 많을 때는 저장된 전력을 방출하여 에너지의 실시간 매칭을 실현하고 전력망의 안전과 안정성을 보장할 수 있음.
● ESS의 응용에 따른 분류
ESS는 응용 방법에 따라 1) 발전용 ESS, 2) 전력망용 ESS, 3) 전력용 ESS로 나뉠 수 있음.
발전용 ESS와 전력망용 ESS는 FTM(Front of the Meter) ESS라고 하며, 전력용 ESS는 BTM(Behind the Meter) ESS라고 함.
전력용 ESS는 주체에 따라 산업용, 상업용, 주거용 ESS로 세분화 될 수 있음.
발전용 ESS는 주로 전력피크 조정, 전력망의 동적 안정화 지원, 전력망 주파수(60Hz)유지 및 신재생에너지 계통연계를 위해 사용됨.
전력망용 ESS는 주로 전력망 혼잡 완화, 송배전 용량 확대 및 지연, 전력피크 및 주파수 조정을 위해 사용됨.
전력용 ESS는 주로 개별적 전력사용, 전력 피크 시 차익거래용(Peak-Valley Price Arbitrage), 전력용량 및 전기요금 관리, 전력 공급 신뢰성 향상을 위해 사용됨.
일반적으로 FTM ESS(발전 및 전력망용 ESS)와 대규모 사업용 ESS의 저장전력(용량)은 대개 30MW이상이고, 에너지는 30MWh 이상으로 이를 대용량 저장으로 정의함.
가정용 및 소형 상업용 ESS는 소규모 ESS라고 정의함.
● ESS의 종류
ESS는 에너지의 형태에 따라, 양수저장, 전기화학적 저장, 압축공기저장, 기계에너지 저장 등 다양한 기술 유형이 있음.
리튬배터리를 활용한 ESS의 상업화가 현재 가장 앞서 있음.
○ 양수저장
양수저장은 가장 전통적인 ESS 기술방식임.
양수발전소는 일정한 낙차가 있는 상부 저수지, 하부저수지를 연결하여 가역식 터빈장치를 통해 전기를 생성함.
전력 사용이 적은 밤에 과잉생산되는 전력을 이용해 펌프를 구동하여 물을 하부 저수지에서 상부저수지로 끌어올려 저장하고, 낮에 물을 아래로 흘려 전기를 생산함.
양수발전은 저장용량이 크며 시스템 효율이 좋고 운영수명이 긴 장점을 지니고 있음.
하지만 건설기간이 길고, 지리조건이 매우 까다로워(상하 저수지의 고도차가 하부40 – 상부 600m에 도달 해야함.) 발전성에 한계가 있음.
중국 기준 양수발전 건설비용은 GW당 536.7억 위안(74억 달러) 정도임.
○ 전기화학적 저장
리튬배터리로 대표되는 전기화학적 ESS는 현재 가장 높은 비중을 차지하는 저장 기술임.
리튬배터리 ESS는 배터리 팩, BMS, EMS, PCS 및 기타 전기 장비로 구성되어져 있음.
배터리 팩은 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템의 가장 중요한 구성 요소이며, 전체 ESS 원가의 약 60%이상을 차지함.
BMS는 주로 배터리의 모니터링, 평가, 보호 및 균형을 담당하며 전체 원가의 약 10%를 차지함.
EMS는 데이터수집, 네트워크 모니터링 및 에너지 조정을 담당하며 전체 원가의 약 10%를 차지함.
PCS는 교류와 직류를 연결하는 장치로 직류의 양방향 변환을 통해 배터리의 충전 및 방전 과정을 제어함. 전체 원가의 약 10%를 차지.
리튬배터리 ESS는 양극의 재료에 따라 인산철 리튬저장과 삼원계 리튬저장으로 나뉠 수 있음.
인산철은 안전성, 순환성능이 좋고 비용이 저렴하여 ESS의 주요 기술로 자리잡고 있음.
삼원계는 에너지밀도가 높고, 공간 점유율이 낮으며 빠른 발전(충방전)의 장점을 지니고 있음.
리튬배터리는 에너지밀도가 높고, 효율 및 순환성능이 좋으며, 적용 범위가 넓고 또한 이미 전기차용 배터리산업의 성장으로 인해 기술적 성숙도가 높고 대량생산 체계를 갖춰 원가통제가 비교적 잘되어 가장 성숙한 ESS기술임.
2023년 이후 탄산리튬 가격의 하락으로 리튬배터리의 에너지저장 비용은 더욱 감소하였음.
2023년 기준, 리튬배터리 ESS의 건설 비용은 W당 0.8 – 2위안이며, LCOE는 W당 0.5 – 0.8위안임.
탄산리튬가격이 앞으로도 하향 안정화될 것으로 예상됨에 따라 리튬배터리의 시장우위는 장기적으로 유지될 수 있을 것임.
리튬배터리 외에도 전기화학적 ESS에는 바나듐 흐름배터리, 나트륨 배터리, 납축배터리, 나트륨 황 배터리 등이 포함됨.
이 중 바나듐 흐름배터리가 성숙도가 가장 높은 흐름배터리로 서로 다른 바나듐 이온 용액을 양극과 음극에 사용하며, 전해액은 용량을 결정하고 스택은 출력을 결정하는 구조임.
액체 흐름 배터리는 충방전으로 인한 양극재의 결정구조 손상이 없으며 용량감소 문제도 없어 장시간에 걸쳐 에너지를 저장할 수 있음.
단점으로는 원료인 오산화바나듐의 가격이 비싸고 환경오염을 일으킬 수 있음.
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