지난 50년간 전 세계 전력 소비량은 지속적으로 증가해 왔으며, 2021년에는 약 25,300 테라와트시(TWh)에 달할 것으로 추정됩니다. 산업 4.0으로의 전환과 함께 전 세계적으로 에너지 수요가 증가하고 있으며, 산업 및 기타 경제 부문의 전력 수요는 포함하지 않더라도 이러한 수치는 매년 증가하고 있습니다. 이러한 산업 구조 변화와 높은 전력 소비는 온실가스 과다 배출로 인한 기후 변화라는 더욱 심각한 문제로 대두되고 있습니다. 현재 대부분의 발전소와 발전 시설은 이러한 수요를 충족하기 위해 화석 연료(석유 및 가스)에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 기후 문제는 기존 방식을 이용한 추가적인 에너지 생산을 저해하고 있습니다. 따라서 재생 에너지원의 지속적이고 안정적인 공급을 보장하기 위해서는 효율적이고 신뢰할 수 있는 에너지 저장 시스템 개발이 점점 더 중요해지고 있습니다.
에너지 부문은 재생 에너지 또는 "친환경" 솔루션으로의 전환을 통해 이에 대응해 왔습니다. 이러한 전환은 제조 기술의 발전에 힘입어 가속화되었으며, 예를 들어 풍력 터빈 블레이드의 제조 효율이 향상되었습니다. 또한 연구원들은 태양광 전지의 효율을 개선하여 단위 면적당 에너지 생산량을 늘릴 수 있었습니다. 2021년 태양광 발전량은 179TWh라는 기록적인 수치를 달성하며 2020년 대비 22% 증가했습니다. 현재 태양광 발전은 전 세계 전력 생산량의 3.6%를 차지하며 수력과 풍력에 이어 세 번째로 큰 재생 에너지원입니다.
하지만 이러한 기술 발전에도 불구하고 재생 에너지 시스템의 고질적인 단점, 특히 가용성 문제는 해결되지 않고 있습니다. 대부분의 재생 에너지 방식은 석탄이나 석유 발전소처럼 필요할 때 언제든 에너지를 생산할 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어 태양 에너지는 일조 각도와 태양광 패널 위치에 따라 생산량이 변동되기는 하지만 하루 종일 이용 가능합니다. 밤에는 에너지를 생산할 수 없으며, 겨울철이나 흐린 날에는 생산량이 크게 감소합니다. 풍력 발전 역시 풍속에 따라 생산량 변동이 심합니다. 따라서 이러한 에너지 솔루션은 생산량이 적은 시간대에도 에너지 공급을 유지하기 위해 에너지 저장 시스템과 결합되어야 합니다.
에너지 저장 시스템이란 무엇인가요?
에너지 저장 시스템은 나중에 사용할 에너지를 저장할 수 있습니다. 경우에 따라 저장된 에너지와 공급되는 에너지 사이에 에너지 변환이 발생하기도 합니다. 가장 일반적인 예로는 리튬 이온 배터리나 납축전지와 같은 전기 배터리가 있습니다. 이러한 배터리는 전극과 전해질 사이의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 공급합니다.
배터리 또는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 일상생활에서 가장 흔하게 사용되는 에너지 저장 방식입니다. 이 외에도 댐에 저장된 물의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수력 발전소와 같은 다른 에너지 저장 시스템도 있습니다. 댐에서 떨어지는 물의 낙차가 터빈의 회전축을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 압축 가스 또한 예로, 방출 시 발생하는 가스의 회전력이 터빈의 회전축을 돌려 전력을 생산합니다.
배터리가 다른 에너지 저장 방식과 차별화되는 점은 활용 범위가 넓다는 것입니다. 소형 기기 및 자동차 전원 공급부터 가정용 기기, 대규모 태양광 발전소에 이르기까지 배터리는 모든 독립형 에너지 저장 시스템에 원활하게 통합될 수 있습니다. 반면 수력 발전이나 압축 공기 방식은 매우 크고 복잡한 저장 인프라를 필요로 합니다. 이로 인해 비용이 매우 높아 경제성을 확보하려면 대규모 시스템에만 적용해야 합니다.
독립형 에너지 저장 시스템의 활용 사례.
앞서 언급했듯이, 독립형 에너지 저장 시스템은 태양광 및 풍력 발전과 같은 재생 에너지원의 활용과 의존도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 이러한 시스템을 통해 큰 이점을 얻을 수 있는 다른 분야들도 있습니다.
도시 전력망은 각 도시의 수요와 공급에 따라 적절한 양의 전력을 공급하는 것을 목표로 합니다. 필요한 전력량은 하루 종일 변동될 수 있습니다. 독립형 에너지 저장 시스템은 이러한 변동을 완화하고 최대 수요 시점에 더 안정적인 전력 공급을 제공하는 데 사용되어 왔습니다. 다른 관점에서 보면, 독립형 에너지 저장 시스템은 주 전력망의 예상치 못한 기술적 결함이나 계획된 유지 보수 기간 동안 전력 공급을 보완하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 이러한 시스템은 대체 에너지원을 찾을 필요 없이 필요한 전력을 공급할 수 있습니다. 예를 들어, 2023년 2월 초 텍사스를 강타한 폭설로 약 26만 2천 명이 정전 피해를 입었고, 악천후로 인해 복구가 지연된 사례를 들 수 있습니다.
전기 자동차도 또 다른 응용 분야입니다. 연구원들은 배터리의 수명과 전력 밀도를 향상시키기 위해 배터리 제조 및 충방전 전략을 최적화하는 데 많은 노력을 기울여 왔습니다. 리튬 이온 배터리는 이러한 작은 혁명의 선두에 서서 새로운 전기 자동차뿐만 아니라 전기 버스에도 널리 사용되고 있습니다. 적절한 기술을 적용하면 더 나은 배터리를 통해 주행 거리를 늘릴 수 있을 뿐 아니라 충전 시간도 단축할 수 있습니다.
무인 항공기(UAV)와 모바일 로봇과 같은 다른 기술 발전도 배터리 개발의 혜택을 크게 받았습니다. 이러한 기기들의 동작 전략과 제어 전략은 배터리 용량과 전력 공급에 크게 의존합니다.
BESS란 무엇인가요?
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 에너지를 저장하는 시스템입니다. 저장된 에너지는 전력망이나 풍력, 태양 에너지와 같은 재생 에너지원에서 얻을 수 있습니다. BESS는 필요에 따라 다양한 구성(직렬/병렬)으로 배치된 여러 개의 배터리로 구성됩니다. 이 배터리들은 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 인버터에 연결됩니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 상태와 충전/방전 작동을 모니터링합니다.
다른 에너지 저장 시스템과 비교했을 때, 설치/연결이 특히 유연하고 고가의 인프라가 필요하지 않다는 장점이 있지만, 여전히 상당한 비용이 들고 사용량에 따라 더 잦은 유지보수가 필요하다는 단점도 있습니다.
BESS 크기 및 사용 습관
배터리 에너지 저장 시스템을 설치할 때 가장 중요한 고려 사항 중 하나는 용량 산정입니다. 배터리는 몇 개가 필요하며, 어떤 구성으로 설치해야 할까요? 경우에 따라 배터리 종류는 장기적인 비용 절감과 효율성 측면에서 매우 중요한 역할을 할 수 있습니다.
이는 소규모 가정부터 대규모 산업 시설에 이르기까지 적용 범위가 다양하기 때문에 사례별로 검토됩니다.
특히 도시 지역의 소규모 가구에서 가장 흔하게 사용되는 재생 에너지원은 태양광 패널을 이용한 태양열 발전입니다. 엔지니어는 일반적으로 해당 가구의 평균 전력 소비량을 고려하고 특정 지역의 연중 태양 복사량을 평가합니다. 배터리의 개수와 계통 구성은 연중 태양광 발전량이 가장 적은 시간대의 가구 수요를 충족하면서도 배터리가 완전히 방전되지 않도록 선택됩니다. 이는 주 전력망으로부터 완전히 독립적인 전력 시스템을 구축하는 것을 목표로 합니다.
배터리를 비교적 적절한 충전 상태로 유지하거나 완전히 방전시키지 않는 것은 처음에는 직관적이지 않을 수 있습니다. 결국, 배터리의 잠재력을 최대한 활용하지 못한다면 왜 에너지 저장 시스템을 사용하는 것일까요? 이론적으로는 가능하지만, 투자 수익을 극대화하는 전략은 아닐 수 있습니다.
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 주요 단점 중 하나는 배터리 가격이 상대적으로 높다는 점입니다. 따라서 배터리 수명을 극대화할 수 있는 사용 습관이나 충방전 전략을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어, 납축전지는 용량의 50% 이하로 방전시키면 돌이킬 수 없는 손상을 입게 됩니다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 수명이 길며, 더 넓은 범위에서 방전할 수 있지만 가격이 더 높습니다. 배터리 종류에 따라 가격 차이가 큰데, 납축전지는 같은 크기의 리튬 이온 배터리보다 수백 달러에서 수천 달러까지 저렴할 수 있습니다. 이러한 이유로 납축전지는 개발도상국이나 저개발 지역의 태양광 발전 시스템에 가장 많이 사용됩니다.
배터리 성능은 수명 동안 성능 저하에 크게 영향을 받으며, 갑작스러운 고장으로 끝나는 안정적인 성능을 보이는 것이 아닙니다. 오히려 용량과 제공량이 점진적으로 감소합니다. 실제로 배터리는 용량이 초기 용량의 80%에 도달했을 때, 즉 20% 용량 감소가 발생했을 때 수명이 다한 것으로 간주됩니다. 이는 실제로 제공할 수 있는 에너지량이 줄어든다는 것을 의미하며, 완전 자율 주행 시스템의 사용 시간과 전기차의 주행 가능 거리에 영향을 미칠 수 있습니다.
또 하나 고려해야 할 점은 안전성입니다. 제조 및 기술의 발전으로 최근 배터리는 일반적으로 화학적으로 더욱 안정적입니다. 그러나 시간이 지남에 따라 열화되거나 오용된 경우, 배터리 셀이 열폭주를 일으켜 치명적인 결과를 초래할 수 있으며, 심한 경우 소비자의 생명을 위협할 수도 있습니다.
이러한 이유로 기업들은 배터리 사용량을 제어할 뿐만 아니라 배터리 상태를 모니터링하여 적시에 유지보수를 제공하고 악화된 결과를 방지하기 위해 더욱 향상된 배터리 모니터링 소프트웨어(BMS)를 개발해 왔습니다.
결론
전력망 에너지 저장 시스템은 주 전력망으로부터 전력 독립을 달성할 수 있는 좋은 기회를 제공할 뿐만 아니라, 정전이나 피크 부하 기간 동안 백업 전력원을 제공할 수 있습니다. 이러한 시스템의 개발은 더욱 친환경적인 에너지원으로의 전환을 촉진하여 기후 변화에 미치는 에너지 생산의 영향을 줄이는 동시에 지속적으로 증가하는 에너지 소비 수요를 충족할 수 있도록 할 것입니다.
배터리 에너지 저장 시스템은 가장 널리 사용되고 다양한 일상 용도에 맞게 구성하기 가장 쉬운 방식입니다. 높은 유연성은 상대적으로 높은 비용으로 상쇄되며, 이로 인해 배터리 수명을 최대한 연장하기 위한 모니터링 전략 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 현재 산업계와 학계는 다양한 조건에서 배터리 열화 현상을 연구하고 이해하는 데 많은 노력을 기울이고 있습니다.
