에너지저장장치(Energy Storage System, 이하 ESS)는 남는 전력을 전력계통에 저장하였다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급하여 전력계통의 변동성을 완화하고 에너지 공급의 효율성을 제고하는 장치이다.
저장이 어려운 전기 특성상의 한계를 극복하고 전력공급 및 소비에서 발생하는 여러 가지 비효율성을 개선할 수 있다. ESS는 발전원, 송배전 단계, 수용가, 분산전원 등에 위치하여 전력 이용 효율성 제고에 중요한 역할을 담당할 수 있다. 특히 발전원에 위치할 경우 예비력과 부하추종(Load Following), 발전기 출력제어, 공급용량 확보, 신재생에너지 변동성 개선,
신재생에너지 용량 확보 등의 효과를 기대할 수 있다. 또한, 우리나라의 최종에너지 소비량 증가는 전력과 석탄, 가스를 중심으로 양적 확대가 이루어진 것에 기인한다. 전력의 경우, 석유 다음으로 많이 소비하는 에너지원이며 우리나라 에너지 소비의 약 20%는 전력의 형태로 소비되고 있다.
전력시스템은 수요와 공급을 실시간으로 일치시켜야 하는 단점을 가지고 있으며, 이를 보완하기 위하여 항상 일정량의 예비력을 확보해야 한다. 최근 이러한 문제의 해결방안의 하나로서 ESS가 부각되고 있다. 그리고 전력 이용 효율을 증가시키기 위해 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 관심이 늘고있고, 화석 에너지 비용의 증가와 기후변화협약의 규제에 대한 대응으로 신재생에너지원의 비중이 커지고 있다. 또한, 전력 수급의 불안정으로 발생할수 있는 대규모 블랙아웃(Black-out)과 같은 비상 상황을 대비한 안정적인 전력망에 대한 필요성도 지속적으로 제기되고 있다.
에너지저장장치(ESS) 개념
ESS는 전력계통 상에 버려지는 잉여 전력을 저장 또는 방전하는 기기로 정의할 수 있으며, 전력계통의 변동성을 완화하고 전력공급 시스템의 효율성을 제고하는 역할을 수행할 수 있다. 또한 저장 가능한 에너지의 형태와 크기, 저장매체의 성질 등에 따라 다양한 종류가 존재하며, 과거에는 양수발전 (Pumped Hydro Power System)이 피크부하저감(Peak Shaving) 역할을 수
행하여 전력계통의 운영효율성 제고를 위해 주로 활용되었다. 그러나 전력소비 및 신재생발전 증가에 따른 전력계통 안정성 확보 등을 목적으로 양수발전 외에 다양한 기술을 활용한 ESS가 주목을 받기 시작하였다. 일반적인 의미로는 다양한 형태의 에너지를 저장하는 기술로서 전력저장, 열저장, 물리적 화학적 저장기술을 통칭한다. 또한 생산된 전기를 전력계통의
저장장치에 저장했다가 전력이 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 높이는 시스템 또는 장치를 말하기도 한다. 특히 현재에 우리나라에서 많이 활용하고 있는 리튬이온전지 기반의 배터리형 전기저장시스템은 전기에너지를 화학에너지로 전환하여 저장하고 필요한 시기에 방전하여 공급할 수 있는 시스템 또는 장치인데 이러한 시스템 또는 장치를 총괄하여 일반적으로 전기저장장치(Electricity Storage System) 또는 에너지저장장치(Energy Storage System)로 정의한다. 즉, 전력을 변환(AC/교류 ↔ DC/직류)하여 저장(충전)하였다가, 필요한 시기에 전력을 공급(방전)하여 에너지 효율을 높이는 장치이다. ESS가 대두된 이유는 대규모의 전기를 경제적으로 저장할수 없는 전기의 독특한 특성에 따른다. 전기를 저장할 수 없으므로 항상 전력 수요와 공급을 일치시켜야 하는 시스템이 요구된다. 안정적인 전력수급을 유지하기 위해서는 최대수요를 충족할 수 있는 적정 규모의 발전용량을 보유해야 하는데, 미래 최대수요가 전체 발전용량을 근소하게 초과할 경우 대규모 MW급 신규 발전소 건설이 필요해 상당한 규모의 초기투자비가 발생한다. 또한 전기수요 변동 및 예상하지 못한 발전기 고장에 대비하기 위해 적정 규모의 예비용량도 확보해야 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 ESS를 발전, 송배전, 최종 수용가에 활용함으로써 차익거래와 수요관리를 통한 부하 평준화를 꾀할 수 있고, 보조서비스 참여로써 신규 발전설비의 투자소요 감소와 전력계통 안정화 등에 기여할 수 있다.
특징
ESS를 도입하게 되면 전력망이 첨단화되면서 최대 부하 시의 전력소비가 감소되고, 태양광이나 풍력 등의 신재생에너지와 분산형 전원(Dispersed Generation)의 활용도가 높아지며, 전력소비측면에서 전력소비자의 전력수요조정이 가능하게 된다. 또한 신재생에너지의 전기 품질을 개선하기 위한 필수 장치 등으로 응용되고 있다. 특히, 태양광, 풍력 등 출력 가변성이 높
은 신재생에너지에 ESS를 적용 시 출력 안정화 및 전력품질 향상이 가능하다. 분산형 전원에서 먼 거리를 송전해야 하는 경우나 대규모 정전 회피 등 에도 적용 가능하다. 예비력 확보 등 전기사업자가 전력품질 확보 및 유지에 활용할 수 있는 유용한 수단으로 적용 가능하며 시스템 용량 증가, 예비력 확보 등을 통해 시설투자를 연기할 수 있고, 전력차익 거래 등을 통해
가치창출이 가능하다. 고효율에너지 기자재 기준에서 ESS의 정격 및 적용범위는 정격 출력으로 연속하여 부하에 전력을 공급할 수 있는 시간이 2시간 이상인 경우를 의미한다.
종류
ESS는 전기저장방식에 따라 크게는 물리적 저장과 화학적 저장으로 용도에 따라 구분할 수 있으며 분류에 따른 각각의 특징은 아래와 같다. 배터리 저장방식은 양극과 음극이 분리막에 의해 떨어져 있고 두 전극 사이에 이온을 전달하는 전해질로 구성되며 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 배터리는 전지의 에너지를 모두 사용하면 버리는 1차 전지(Disposal)와 충전해서 반복적으로 사용할 수 있는 2차 전지(Rechargeable)로 구분되는데, 최근 ESS는 2차 전지를 이용한 전기저장방식에 집중하고 있고 특히 에너지밀도가 높고 효율이 좋은 리튬이온 전지가 대세를 이루고 있다. 비배터리 방식은 배터리를 제외한 모든 저장방식을 말하는데 양수발전이 가장 보편적이며 압축공기저장방식, 플라이휠방식, 초전도에너지저장방식 등이 있다.
리튬 이온 배터리 (Lithium-ion Battery): 현재 가장 일반적으로 사용되는 ESS 종류입니다. 고 에너지 밀도, 긴 수명, 높은 충방전 효율성을 가지고 있어 널리 사용되고 있습니다. 가정용 및 상업용 ESS에 많이 적용되며, 대규모 전력 그리드 시스템에도 사용됩니다.
액체 흐름형 배터리 (Flow Battery): 전기를 액체 중에 저장하는 방식으로 동작하는 ESS입니다. 액체 전해액을 이용하여 충방전되며, 큰 규모의 저장 용량과 긴 수명을 가지고 있습니다. 대규모 상업용 ESS 및 전력 그리드 저장 시스템에서 사용됩니다.
나이트로전지 (NaS Battery): 나트륨 화합물을 이용한 고온 배터리로, 고온에서 작동하며 큰 규모의 저장 용량을 가지고 있습니다. 대규모 발전소 및 전력 그리드 저장 용도에 주로 사용됩니다.
페러 사이클 배터리 (Lead-acid Battery): 가장 오래된 배터리 기술 중 하나로, 낮은 비용과 상대적으로 간단한 기술로 제작됩니다. 주로 작은 규모의 가정용 ESS나 휴대용 장치에 사용됩니다.
수소 연료전지 (Hydrogen Fuel Cell): 수소와 산소를 이용하여 전기를 생성하는 방식으로, 장기간 저장 및 대규모 전력 공급에 적합한 기술입니다. 대규모 발전소나 규모가 큰 산업 시설에서 사용될 수 있습니다.
이외에도 플라이휠, 압축 공기 저장 등 다양한 ESS 기술이 개발되고 있으며, 각각의 기술은 장단점과 적용 분야에 따라 선택될 수 있습니다. ESS는 재생 가능 에너지의 효율적인 저장과 그리드 안정화를 위해 점점 중요한 역할을 하고 있으며, 기술의 발전과 함께 더욱 효율적이고 안정적인 ESS 기술이 개발되고 있습니다. 최근에는 인공지능과 데이터 분석을 활용하여 ESS 운영 및 충방전 제어를 최적화하는 기술도 개발되고 있습니다. 이를 통해 에너지 흐름을 예측하고 최적의 충방전 전략을 수립하여 전력 그리드의 안정성을 높이고 에너지 효율을 극대화할 수 있습니다.
또한, 분산형 ESS 시스템도 주목받고 있습니다. 기존의 중앙집중형 ESS 시스템과는 달리, 분산형 ESS는 여러 지점에 작은 규모의 ESS를 설치하여 전력 그리드의 부하를 분산시킵니다. 이를 통해 전력 손실을 최소화하고 지역 전력 수급의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
또한, ESS는 정전 시나 재난 상황에서 비상 전력 공급을 위한 백업 시스템으로도 활용될 수 있습니다. 전력 그리드와 연계하여 피크 시간에 저장된 전기를 사용하여 전력 부족 상황을 완화하거나, 독립된 마이크로그리드 시스템에서 동작하여 재난 상황에서의 전력 안정성을 보장할 수 있습니다.
최근에는 ESS의 설치 및 운영을 지원하는 정책 및 규제도 활성화되고 있습니다. 정부와 기업들은 재생 가능 에너지 보급 및 그리드 안정화를 위해 ESS의 보조금 지원, 탄소 배출 감축 목표 설정 등의 정책을 시행하고 있습니다. 이는 ESS 산업의 성장과 기술 발전을 촉진하며, 지속가능한 에너지 시스템 구축에 기여하고 있습니다.
ESS는 에너지 저장 및 관리의 핵심 기술로서, 재생 가능 에너지의 보급과 전력 그리드의 안정성을 향상시키는 데 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 더 나아가, ESS 기술의 발전과 정책의 지원을 통해 미래의 지속 가능한 에너지 시스템을 구축할 수 있을 것입니다.