에너지 저장 체계

한국어 : 에너지 저장 체계
영어 : Energy Storage System (보통 줄여서 ESS라 쓰는 편.)

1 개요

에너지 저장 장치란 여러 종류의 에너지를 저장해 두었다가 필요할 때 사용할 수 있도록 일련의 저장장치로 구성된 시스템을 부르는 명칭이다. 토폴로지도 다양하고 목적도 다양하다보니 온갖 종류의 제품이 있는데 여기서는 주로 전력을 저장하는 시스템에 대해 설명한다.

2 에너지 저장과 사용이 필요한 이유

구 시대의 전력망(또는 정속 발전기)을 떠올려보자. 발전소(발전기)와 송배전망(전선)과 수용가(부하) 가 있다. 수용가의 부하는 다양하며(발전기에 연결되는 기기는 다양하며) 수용가의 부하량은 시시각각 변할 수 있다.(발전기에 연결되는 기기의 부하 총산은 증감한다.) 이 때, 구형의 전력망이나 발전시스템은 증감하는 부하에 대응하기 위해 항상 일정량의 여유분을 가지고 있어야 한다. 발전소에 설비 여유율이라는 것이 바로 그 수치인데, 부하의 변동에 대응하기 위해 단계적으로 발전소를 끄고 켜게 되는것이 바로 이것이다. 그리고 설비 여유율, 즉 가동중인 발전소의 용량 총 합과 현제 송배전망의 부하의 차이만큼 발생하는 설비 여유율은 발전소의 손실로 오게된다. 발전소를 운영하는데 있어서 기본적으로 들어가는 동력이 있기 때문. 정속발전기가 전부하 상황에서 6시간을 간다면 4분의 1부하에서는 8시간 운전이 가능한 경우가 대부분인데 동일한 개념으로 이해할 수 있다. 발전에 소요되는 에너지는 기기의 정격 최대 용량이던(각 발전소별 최대 설비용량이던), 아니면 4분의 1이라는 부분부하이던(최고효율점 이하의 저부하이던) 크게 차이가 나지 않는다.

이에 따라 부하에 따른 순시성을 확보하고자 하면, 높은 설비용량으로 인해 큰 손실이 발생하며 반대로 첨두부하의 빠른 증감에 대응하는 체계가 없을 경우 전체적인 에너지 생산비용을 절감되나 순시부하에 대응하지 못해 전체 시스템이 불안정해지는 문제가 발생한다. 그래서 전체 시스템의 안정성을 올리면서도 에너지 생산 비용을 줄이기 위해선 기저부하 상황에서 여유있는 발전설비의 용량을 사용해 에너지를 저장하고 첨두부하 상황에서 에너지를 방출에 설비용량 이상의 부하 상황에서 추가적인 설비 기동없이 낮은 비용으로 에너지를 공급할 수 있는 시스템이 필요한 것이다. 덕분에 ESS 라는 분야가 발전하기 시작했다.

3 에너지 저장장치의 다양한 종류

첨두부하를 처리하기 위한 방법은 두가지가 있다.

• 첨두부하의 발생 전 첨두부하가 소비하는 에너지원을 저장하였다가 첨두부하 발생시 방출해 부하 변동을 경감
• 첨두부하의 결과물을 미리 기저부하 시기에 돌려 저장해두었다가 부하 소스 발생시 공급해 부하 변동을 경감

후자의 경우 흔이 주변에서 볼 수 있는것이 심야전기 보일러 이며, 건물이나 빌딩 단위로 볼 경우 야간시간대의 저렴한 전력 요금을 활용해 빌딩 내 지하 기계실 기저에 초 대규모로 설비된 냉동 탱크를 칠러로 초저온 냉각, 상변화 결빙시킨 뒤 대낮에 높은 냉방부하가 요구될 경우 EHP 나 GHP 등 높은 부하율을 가지는 냉동기를 따로 구동하지 않고 이미 결빙된 냉동탱크를 통해 냉방을 제공하는 시스템이라던가 공기압을 주로 사용하는 공장에선 초 대규모 탱크를 구성해 공기압을 미리 체워두는 방법 등등 제한적인 기법이 광범위하게 효율적으로 이용되고 있다. 그리고 전자의 경우 종류가 매우 많다.

4 에너지를 저장하는 여러가지 방법

4.1 화학적인 방법으로 저장하기

흔이 사용되는 리튬 2차 전지가 이에 해당한다. 납산 전지나 니켈 전지 역시 마찬가지. 화학적인 방법으로 전기 에너지를 저장하였다가 필요한 경우 꺼내 사용한다. 용량을 크게 하는데는 불리하나 에너지 저장 밀도나 에너지 방출 밀도를 올리기엔 대단히 유리하며, 성숙된 기술을 바탕으로 다양한 어플리케이션에 적용하는데 수월하다. UPS 도 여기에 해당되는 방법이며. ESS 역시 ESS 에 몇 가지 장치를 더하면 대단위 UPS 로의 구성이 가능하다. 이 부분은 시제품 일람에서 별도 서술.

5 전기적인 방법으로 저장하기

전기 이중층 캐퍼시터나 pseudocapacitor(이쪽은 약간 전기화학적이지만 배터리랑은 관련이 없다.)등의 슈퍼 캐퍼시터를 사용하여 저장하는 방법이다. 전기 에너지 그 자체를 캐퍼시터에 담았다가 순간적인 첨두부하시 대규모로 공급하게 된다. 에너지 저장 밀도는 상당히 낮으나 에너지 방출 밀도가 매우 높아 순간적으로 엄청난 부하가 걸리는 경우 (ex 스폿 용접기. 스폿 용접기에 전기 이중층 캐퍼시터를 쓰는 경우 전원부의 규모가 크게 경감된다.) 또는 장시간이 아닌 단시간의 정전 (ex. Sag보호설비) 에 이러한 시스템이 쓰인다. 주로 볼 수 있는 것은 FANUC 사의 ai series 시스템인데, Series 31i-MODEL B 등의 CNC 컨트롤러와 더불어 서보앰프에 물려지는 공용 DC 링크단에 백업 캐퍼시터를 물려 단시간의 정전에 대응 하며 LS에서 나오는 세그 보상기 등 캐퍼시터와 인버터를 결합해 단시간 정전시 인버터를 통해 초 대규모 전력을 전력망으로 역송출하여 주변 기기를 백업하는 기기도 있다.

6 물리적인 방법으로 저장하기

6.1 양수발전 시스템

물을 높은 곳으로 끌어올려 저장해두었다가 필요한 경우 하류로 방출하며 발전하는 방법이다. 국가적인 규모로 하는 설비이며 주로 양수 발전소로 불린다. around(travel) eff 수치가 낮은것이 단점이나 대규모로 시공이 가능하며, 저장용량이 높아 다양한 용도로 쓸 수 있는 것이 장점이다. 한국의 경우 7개의 양수발전식 에너지 저장체계를 사용하며 각 이름과 부가 정보는 다음과 같다.

• 발전소 이름 /계통명/주소/용량/교환실 연락처/기타 특이사항
• 청평 양수발전소 / CheongPyoung #1 #2 / San(Mountain)194-13 Dogok-ri, Wabu-eup, Namyangju-si, Gyeonggi-do / 20,000kW x2 / 070-4000-7021
• 삼량진 양수발전소 / SamRyangJin #1 #2 / 286 Antae-ri, Samnangjin-eup, Miryang-si, Gyeongsangnam-do / 30,000kW x2 / 055-350-3200, 070-4816-2136, 0502-734-0544(fax) / ramp Up time : 0 sec / Zero to Rate Load : 3min / Capacity : 1Hr @ 60,000kW
• 무주 양수발전소 / MuJu #1 #2 / 150 Bukchang-ri, Jeoksang-myeon, Muju-gun, Jeollabuk-do / 30,000kW x2 / 070-4000-2000 / ramp Up time : 1 min / Zero to Rate Load : 4min / Capacity : 7Hr @ 60,000kW (emergency mode only) by 920,000m^3 volume of upper storage water / Dual alternator system (400kW middle speed francis turbine for system back up. 720rpm and Main system Muju #1 #2. Inverse Propulsion Fransis Turbine. 450rpm. 65M^3/sec @ 30,000kW per turbine at generator mode. 55^3/sec @30,000kW per turbine at pump mode.
• 산청 양수발전소 / SanCheong #1 #2 / 20-18, Jirisan-daero 1088beon-gil, Sicheon-myeon, Sancheong-gun, Gyeongsangnam-do / 350,000kW x2 / Unknown / Capacity : 7Hr 50Min @ 350,000kW by 5,650,000m^3 of upper storage water
• 양양 양수발전소 / YangYang #1 #2 #3 #4 / 213 Yeongdeok-ri, Seo-myeon, Yangyang-gun, Kangwon / 250,000kW x4 / 070-4034-2111 / ramp up time : 0 sec / Zero to Rate Load : 4min / Capacity : Unknown @ 1,000,000kW by 9,220,200m^3 of upper storage water / Emergency Boost Mode allow up to 1.4GW of power output
• 청송 양수발전소 / CheongSong #1 #2 / 186, Yangsusangbu-gil, Pacheon-myeon, Cheongsong-gun, Gyeongsangbuk-do / 300,000kW x2 / Unknown / System Supplier : Ge Energy
• 예천 양수발전소 / YeCheon #1 #2 / 1210, Dohyoja-ro, Eunpung-myeon, Yecheon-gun, Gyeongsangbuk-do / 400,000kW x2 / 070-4832-2110 / system supplier : Alstom / Capacity : 8Hr 34min @ 800,000kW by 6,071,000m^3 of upper storage water. / EL.711.8 (PMP)

6.2 플라이 휠 시스템

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