리튬 이온 배터리를 활용한 전력 저장 시스템(ESS)

전력저장시스템(ESS)과 그 중요성

전력 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 전력을 일시적으로 저장하고 필요할 때 공급함으로써 전력의 수급 균형을 유지하기 위한 시스템입니다.

최근, 탈탄소화의 흐름으로부터 재생 가능 에너지의 이용이 증가하고 있고, ESS의 중요성이 높아지고 있다. 재생 가능 에너지, 그 중에서도 그 주역인 태양광 발전과 풍력 발전은 날씨와 시간대에 따라 발전량이 변동합니다. 따라서 이러한 변동을 흡수하고 안정적인 전력 공급을 실현하기 위해서는 ESS가 필수적입니다.

한 조사회사의 예측에 따르면 2022년 시점에서 세계 발전출력에서 차지하는 태양광과 풍력발전의 점유율은 20% 이상이었지만 2030년에는 50% 미만으로 증가할 전망이다. 신재생에너지 점유율이 높아짐에 따라 전력저장 수요도 크게 늘어날 것으로 예상되고 있다. (출처: World Energy Outlook 2023 – Analysis – IEA)

ESS 도입이 증가하는 배경

ESS의 도입이 증가하고 있는 배경에 대해서는, 다음의 4점이 주로 지적되고 있습니다.

1. 신재생에너지 도입 증가
   신재생에너지의 도입이 진행되고 있는 가운데, ESS는 전력의 수급 밸런스의 안정화와 전력 시스템의 유연성 향상에 큰 역할을 한다. 특히 태양광 발전소에 ESS 병설이 진행되어 발전 사업용 ESS가 더욱 확대될 것으로 예측되고 있습니다.
   
2. 전력 저장 기술의 진보
   리튬 이온 배터리의 기술 혁신으로 ESS 자체의 다양한 성능이 향상되었습니다. 구체적으로는 에너지 밀도, 충전 속도가 향상되고, 사이클 수명이 개선되고, 또한 안전성도 향상되어 왔습니다. ESS의 성능이 향상됨에 따라 도입이 촉진되고 있습니다.
   
3. 에너지 정책에 의한 도입 지원
   선진국을 중심으로 신재생에너지 도입을 지원하기 위해 정책적인 우대조치를 취하고 있으며, 예를 들어 미국에서는 2022년에 제정된 인플레이션 삭감법(IRA)에 의해 신재생에너지 도입 지원을 강력히 추진하고 있습니다. 계통용 축전지(※)에 관해서는, 과거 1년간에 에너지 저장량이 2배 이상으로 증가해, 2024년은 한층 더 2배로 증가할 전망이라고 말해지고 있습니다.
   ※ 태양광 발전소, 풍력 발전소 등에 직접 연결된 축전지
   (출처 출처: 미국 백악관, 청정 에너지 경제 구축에 대한 노력의 진행과 효과 발표 (미국) | 비즈니스 단신 - Jetro의 해외 뉴스)
   
4. 전력 수요 증가
   향후 전력 수요의 증가에 대해, 날씨나 시간대에 의한 발전량의 변동이 큰 태양광 발전, 풍력 발전의 신설로 대응하기 위해서는, ESS에 의한 수급 밸런스의 조정이 필요합니다.

ESS 도입을 추진하는 사업자

태양광 발전과 풍력 발전은 날씨와 시간대에 따라 발전량이 변동하기 때문에 "변동성 재생 가능 에너지(VRE)"라고 합니다.
한편, 전력 수요도 계절과 시간대에 변동합니다. 예를 들어 일본에서는 냉난방을 이용하는 여름과 겨울에 수요가 증가하고 낮과 야간에도 수요가 변동합니다.
또한 전기는 대량 저장이 어렵습니다. 따라서 발전량과 전기 사용량이 항상 일치하도록 조정되어야 합니다(동시 동량 원칙).
이러한 사실을 근거로, 이하와 같은 사업자나 시설이 ESS를 도입하고 있습니다. ESS를 도입함으로써, 사업자나 시설측은 전력 공급의 안정화, 전력 비용의 삭감, 환경 부하의 경감 등의 메리트를 누릴 수 있고, 동시에 전력의 수급 밸런스도 조정하는 것이 가능해집니다.

1. 전력 회사
   전력 수요에 즉시 대응할 수 있는 안정된 전원이 필요하기 때문에
   
2. 재생 가능 에너지에 의한 발전 사업자(태양광이나 풍력 발전 등)
   사업자로서 발전량의 변동을 흡수하고 안정된 전력을 공급할 의무가 있기 때문에
   
3. 대규모 시설(공장, 상업·의료 시설, 지자체·관청·공공 시설)
   전력 공급 안정화 및 비상시 전원 확보를 위해
   
4. 탈탄소화를 목표로 하는 기업
   잉여 전력을 효과적으로 활용함으로써 CO2 배출을 줄이기 위해 재생 가능 에너지를 도입하기 위해.

리튬 이온 배터리를 활용한 대규모 전력 저장

종래의 대규모 전력 저장은 주로 양수 발전이 이용되어 왔지만, 긴 공기나 설치 환경의 제약 등의 과제가 있었습니다. 한편, 전기 자동차의 보급에 수반하는 배터리 가격 저하와 전력 저장 수요의 증가로, 최근에는 축전지에 의한 전력 저장이 주목 받고 있습니다.

축전지는 「응답성이 높다」 「방전 시간이 길다」 「설치 환경에 제약이 없다」 「설치 공기가 짧다」라는 메리트가 있습니다. 특히, 순시 수급 조정이나 피크 시프트 용도에서는 고에너지 밀도, 장수명, 급속 충전이 가능한 리튬 이온 전지가 일반적으로 사용되고 있다.

주요 전지의 종류로는 리튬 이온 축전지(LiB), 나트륨 유황 전지(NAS 전지), 산화환원 흐름 전지(RF 전지)의 3개가 있으며, 그 중에서도 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 재사용 전지의 활용처로서 기대되고 있습니다.

세계 에너지 저장 시스템의 총 출력은 2022년에 약 223GW이었지만 2030년에는 약 512GW에 이를 것으로 예상됩니다. 그러나 전세계 발전 출력에 비하면 아직 작은 규모입니다. 양수 발전의 출력도 2030년에 240GW 정도로 전망되고 있어, 재생 가능 에너지 확대를 향해서는 추가적인 축전지 등의 도입이 필요 불가결합니다.
(출처: Energy Storage Systems Market Size & Share Report, 2030)

양수 발전은 지형의 제약이나 환경 파괴의 우려가 있어, 축전지에 의한 대규모 전력 저장에의 기대가 높아지고 있습니다. 그러나, 축전지는 충방전에 의한 열화가 있어, 기간 코스트에서는 양수 발전이 유리하다고 되어 있습니다. 따라서, 축전지 및 리플레이스를 포함한 관련 비용의 저감이 보급의 열쇠가 될 것입니다.

2차 보호 퓨즈의 중요성

이전 섹션에서는 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지 시스템에 대해 살펴보았습니다. 이러한 배터리의 안전을 보장하려면 보호 시스템이 중요합니다. 한 가지 해결책은 2차 보호 퓨즈를 사용하는 것입니다. 이 퓨즈는 과전류 또는 단락 발생 시 전류를 자동으로 차단하여 시스템 손상을 방지합니다. 이 보호 기능은 과충전 또는 과방전으로 인해 발생할 수 있는 리튬 이온 배터리의 열 폭주와 같은 위험을 완화하여 전반적인 안전성을 향상시킵니다.

퓨즈 선택에는 최대 연속 전류, 차단 용량 및 작동 온도 범위가 고려되어야 합니다. 이러한 매개변수가 적절히 일치하면 퓨즈는 보호 기능을 최대한 발휘하고 리튬 이온 배터리 시스템의 장기적인 신뢰성과 성능 유지에 기여합니다.

인프라 관련 애플리케이션에서 유지보수 빈도 감소는 비용 절감과 직결됩니다. 따라서 적절한 보조 보호 장치를 설치하면 시스템을 안전하게 종료할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수 비용도 절감할 수 있습니다.

에너지 저장 시스템의 발전과 시장 침투를 위해 퓨즈를 선택하고 설계하는 것은 이러한 시스템의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 앞으로 2차 보호 퓨즈의 효율적인 관리는 에너지 공급에서 점점 더 중요해질 것입니다.