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(특별기고)전기에너지저장에 활용되는 배터리 기술
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최진혁 한전전력연구원 연구원
전기에너지는 현재 우리가 사용하고 있는 에너지의 형태 중 편리하게 사용할 수 있기 때문에 가장 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 생산과 동시에 소비가 이뤄져야 하고 저장이 어려운 특성을 가지고 있다. 계절별 전력수요의 편차가 점차 커지고 있으며, 이에 따라 최대 피크전력 수요에 대응하기 위해서는 대규모 예비전력이 필요하다. 또한 전력 수요예측은 어려워지고 있는 상황이어서 전력설비의 이용률은 계속 저하되고 있다. 그리고 발전량과 발전 시점의 예측이 불가능한 신재생에너지(태양광, 풍력 등)의 설비용량이 증가함에 따라 전력 공급의 안정성이 저하되고 있다.
전 세계 신재생에너지 발전설비는 2010년에서 2020년까지 풍력의 경우 172GW에서 709GW로, 태양광은 22GW에서 160GW로 각각 증가해 발전설비 비중이 2.0%에서 7.8%로 증가할 것으로 전망된다. 또한 안정적인 전력공급을 위해서는 전압 및 주파수를 유지하기 위한 보조서비스가 필요하다. 우리나라의 경우 안정적인 주파수 유지를 위해 1GW이상의 예비력을 확보하고 있으며, 그 중 500MW 용량을 석탄화력 발전소 상시 출력 감발을 통해 확보하고 있기 때문에 그 만큼의 고원가 발전소를 운영하고 있는 실정이다.
에너지저장시스템은 전력수요가 낮은 시기에 전기를 저장한 후, 전력수요가 높은 시기에 활용함으로써 발전설비 투자를 최소화할 수 있으며, 설비 이용률 극대화에 기여할 수 있다. 또한 신재생에너지 발전원의 불안정성을 해소해 전력계통의 안정적 운영 및 신재생에너지 발전원의 계통 수용성 증대에도 기여할 수 있고 주파수조정 서비스에 활용해 전력계통의 안정적 운영에 활용할 수 있다.
전기에너지저장에 활용되는 기술은 전통적인 방식의 양수발전이 있으나, 입지 선정을 위한 지리적 한계 그리고 건설에 따른 환경파괴 등의 이유로 현재는 배터리 방식의 에너지저장장치가 전 세계적으로 가장 많이 설치되고 있다. 전기에너지를 저장하기 위해서는 충전과 방전이 가능한 ‘이차전지’를 활용하며, 지금까지 납축배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리 등 충방전이 가능한 다양한 배터리가 실생활에 적용, 사용돼 왔다. 이 중 리튬이온배터리는 1990년대 기존 음극 소재로 리튬메탈을 사용함에 따라 안전성 위험이 상존하는 리튬메탈배터리의 음극 소재를 흑연으로 대체함으로써 안전성을 획기적으로 확보해, 모바일 기기에서 전기자동차, 에너지저장시스템에 이르기까지 다양한 적용분야에 활용되고 있다. 리튬이온배터리는 사용 전압이 높아 에너지밀도가 높고, 충방전 출력 특성과 충방전 효율이 우수한 특성을 보인다. 리튬이온배터리와 마찬가지로 리튬을 산화 환원 반응에 활용하는 전고체배터리, 리튬-황 배터리, 리튬-공기 배터리 또한 차세대 배터리로 주목받고 있다.
이와는 다른 배터리 종류로, 전해액에 녹아 있는 두 종류의 산화 환원 쌍(redox couple)을 배터리 셀 내부로 주입해 비활성 전극에서 반응을 통해 에너지를 저장 및 활용할 수 있는 레독스플로우 배터리 또한 에너지저장장치에 적용하기 위한 연구개발이 진행되고 있다. 레독스플로우 배터리의 실제 전기화학 반응은 스택에서 일어나고 전해액을 펌프를 이용해 스택 내부에 지속적으로 순화시킴으로써 작동한다. 산화 환원 쌍은 V/V, Zn/Br, Fe/Cr 등 다양하게 사용 가능하며, 이 중 V/V, Zn/Br 산화 환원 쌍이 가장 널리 이용된다. 배터리 출력과 저장되는 에너지를 독립적으로 설계할 수 있고 설비수명 특성이 좋은 장점이 있으나, 출력특성과 충방전 효율이 낮은 단점이 있다.
배터리 기술은 시장 확대를 위해, 다양한 요구 특성을 개선하기 위한 연구개발 및 실증이 진행되고 있다. 주로 무게당, 부피당 에너지밀도를 향상시키는 방향으로 연구가 진행되고 있으나, 이 특성은 주로 모바일 기기 또는 전기자동차에 적용되는 배터리에서 특히 중요하다. 반면에 전기에너지저장에 활용하기 위한 배터리는 설비 수명이 매우 길고 사용 빈도가 높기 때문에 매우 긴 수명 특성을 요구하고, 설치되는 시스템의 단위 용량이 매우 크므로 투자비를 절감하기 위한 저가 특성이 매우 중요하다. 또한 셀 단위에서의 안전성 확보가 가능하다면, 근본적으로 화재 및 폭발 위험을 제거할 수 있고, 안전성 확보를 위한 추가적인 보호기능을 담당하는 시스템을 제거함으로써 비용 절감에 기여할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 배터리기술은 다양한 산업분야에서 사용되고 있으며, 더 나은 성능을 구현하고 시장을 확대하기 위한 차세대 기술이 개발되고 있다. 우리나라 새 정부의 신재생에너지 확대 정책에 따라 에너지저장시스템이 향후 더욱 증가할 것으로 예상되는 현 시점에, 전기에너지저장에 활용하기 위해 요구되는 장수명, 저가 특성에 적합한 차세대 배터리기술이 개발돼야 한다.

작성 : 2017년 08월 15일(화) 08:28
게시 : 2017년 08월 16일(수) 09:48


한전전력연구원 최진혁 연구원

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