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[삼성SDI와 함께하는 배터리 이야기] 저장할 수 없는 전력의 한계 해결해 주는 ESS

한스경제 | 2023.11.17 | 신고 신고
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[삼성SDI와 함께하는 배터리 이야기] 저장할 수 없는 전력의 한계 해결해 주는 ESS
삼성SDI 배터리 / 삼성SDI

배터리는 한 번 사용하고 버리는 1차전지와 충전을 통해 여러 번 사용이 가능한 2차전지로 구분된다. 가볍고 재충전이 가능한 리튬이온 배터리는 2차전지의 대명사로 우리 생활 곳곳에서 사용되고 있다. 1991년 노트북과 핸드폰 등에 리튬이온 배터리가 적용된 이후 리튬이온 배터리 수요는 폭발적으로 증가했다. 현재는 전기차 시장확대 란 시대적 흐름을 타고 수요가 늘어나고 있다. SNE리서치에 따르면, 2차전지 시장규모는 올해 160조원에서 2030년 531조원, 2035년엔 815조원으로 성장할 전망이다. 우리 삶 곳곳에 녹아든 2차전지를 비롯한 배터리는 현재 어떤 트렌드며 특징은 무엇일까. 한스경제가 삼성SDI와 함께 배터리의 역사부터 실제 적용 사례까지 담아 '배터리 이야기'를 연재한다. <편집자 주>


[한스경제=권선형 기자]2003년 8월 14일 뉴욕의 밤이 온통 어둠에 휩싸였다. 불빛만 사라진 것이 아니라 도시 전체가 정전으로 마비가 되는 초유의 사태가 벌어진 것이다. 대중교통은 물론 항공기까지 운항이 중단되고 상업시설도 제 기능을 할 수 없었다. 당시 전력이 복구되는 데는 3일이나 걸렸다. 피해액은 60억 달러로 한화로 계산하면 약 6조8,000억원에 달한다.


정전으로 인한 사건 사고는 사실 먼 나라 이야기만은 아니다. 우리나라도 이상기후로 늦더위가 기승이던 2011년 9월 15일 정전이 발생해 큰 피해를 봤다. 당시는 냉방수요가 급증해 예비 전력이 안정 기준인 400만킬로와트 이하로 떨어진 것이 문제였다. 전력거래소와 한전은 대정전을 막고자 순환단전을 했지만 4시간 45분간 정전이 되면서 620억원의 피해가 발생했다. 시민들은 피해보상을 호소하며 재발방지를 촉구했다. 전력 안정화를 위한 실질적인 대응책을 마련하라는 목소리도 높았다.

[삼성SDI와 함께하는 배터리 이야기] 저장할 수 없는 전력의 한계 해결해 주는 ESS
2003년 8월 14일 뉴욕의 블랙아웃 위성사진 / 삼성SDI

왜 이런 일이 벌어지는 것일까? 전력 수요를 공급이 따라 가지 못하고, 전력 송수신에 문제가 생기고, 변전소에 사고가 생기는 등 여러 이유를 이야기하지만, 가장 근본적인 이유는 바로 '전력의 특성' 때문이다.


전력은 저장할 수 없다. 그래서 전력산업은 비효율이 발생하는 대표적인 산업으로 꼽힌다. 그래서 각종 사건 사고가 끊이지 않는다. 한번 생산된 전력은 쓰일 곳을 찾아 전선을 타고 흐르는데 일정 시간 동안 사용되지 않으면 사라져 버린다. 그래서 전력기관은 수요와 공급을 맞추기 위해 그때그때 발전량을 조절할 수밖에 없다. 전력 생산량의 한계와 각종 이유로 안성맞춤은 쉽지 않다. 모자라면 정전이 발생하고 넘치면 낭비가 발생하는 것이다.


에너지저장시스템(ESS)은 이러한 전력의 근본적 한계를 해결하기 위해 등장했다. 생산된 전기가 무용지물이 되는 것을 최소화하고 적재적소에 사용될 수 있도록 지원하는 역할을 한다.


일례로 에너지저장시스템(ESS)을 활용해 과잉 생산된 전력을 저장한 뒤 전력피크 시 송전할 수 있고, 중간의 변전소에 문제가 생겨도 저장된 전력을 송전해 정전을 예방할 수 있다. 또한 각 가정에 에너지저장시스템(ESS)을 설치하면 발전소에 문제가 생겨도 저장된 전기를 사용할 수 있으므로 일상생활에 어려움이 없다.

[삼성SDI와 함께하는 배터리 이야기] 저장할 수 없는 전력의 한계 해결해 주는 ESS
ESS 응용 분야 / 삼성SDI

이 밖에도 에너지저장시스템(ESS)의 응용 분야는 다양하다. 구체적으로 전력 단계에서 발전단, 송전단, 변전소, 배전단, 수용가에 이르기까지 해야 할 역할이 다양하다. 에너지저장시스템(ESS)을 활용하면 전력 관련 사고 대비, 공급 안정화, 품질 향상, 비용 절감 등 다양한 효과를 기대할 수 있다. 에너지저장시스템(ESS) 설치가 활성화되면 전력의 비효율 문제를 해소할 수 있을 것으로 보인다.


◆ 종합시스템 ESS


모든 에너지저장시스템(ESS)이 배터리를 이용하는 것은 아니다. 에너지저장시스템(ESS)은 크게 물리적 저장과 화학적 저장으로 구분할 수 있다. 물리적 저장은 양수발전(pumped hydro)과 플라이휠(flywheel)이 있다. 화학적 저장은 납축 배터리와 리튬이온 배터리가 사용된다. 다만 현재까지 개발된 에너지저장시스템(ESS) 중 리튬이온 배터리를 활용한 방식이 가장 효율적인 방법으로 꼽힌다.


양수발전은 가장 많이 활용되는 에너지저장시스템(ESS) 중 하나다. 전기가 남을 때는 밑에 고여 있는 물을 댐 위로 끌어올렸다가 전기가 필요할 때 수문을 열어 양수발전을 일으키는 방식이다. 사용하는 전기 대비 생산되는 전기량이 많지 않고 발전설비를 갖추는데 오랜 시간과 큰 비용이 드는 것이 단점으로 꼽힌다.


플라이휠은 에너지를 회전 운동량으로 저장했다가 일정한 속도로 방출하는 기기다. 힘을 가할 때나 가하지 않을 때나 한결같이 작동해야 하는 기계장치에는 어김없이 플라이휠이 쓰인다. 대표적인 사례가 엔진이다. 전기가 남아돌 때 플라이휠을 돌리고 전기가 부족할 때 플라이휠의 회전 에너지를 이용해 다시 전기를 만들 수 있다. 비교적 공간을 적게 차지하고 배터리에 공간을 할애할 여력이 부족한 곳에서 사용할 수 있다. 하지만 전기 공급 시간이 짧은 단점 등으로 활발히 채용되지는 못하고 있다.


화학적 저장 중 납축 배터리는 리튬이온 배터리 이전에 많이 쓰였다. 문제는 에너지 밀도가 낮고 황산을 지속적으로 보충해야 하는 등 관리의 불편함이 있었다. 또한 중금속인 납을 사용하기 때문에 친환경적이지 않은 요인도 있었다.


오늘날에는 리튬이온 배터리를 활용한 에너지저장시스템(ESS)이 많이 설치되고 있다. 뛰어난 기술력으로 에너지 변환효율이 높고 친환경적인 면이 우수하기 때문이다.

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ESS용 배터리의 셀모듈랙 형태 / 삼성SDI

◆ 다양한 전자시스템이 하나로 묶인 ESS


리튬이온 배터리를 활용한 에너지저장시스템(ESS)은 크게 네 가지 요소로 구성된다. 배터리, 배터리관리시스템(BMS, Battery Man­agement System), 전력변환시스템(PCS, Power Conversion System), 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)이다.


단순히 배터리만으로는 안전하고 효율적인 에너지저장시스템(ESS)을 갖출 수 없다. 배터리를 감시하고 제어할 다양한 시스템이 보강된다. 따라서 에너지저장시스템(ESS)은 배터리와 다양한 전자시스템이 하나로 묶인 종합시스템이다.


가장 중요시되는 것은 배터리다. 에너지저장시스템(ESS)은 대규모 전력을 필요로 하기 때문에 스마트폰이나 노트북 같은 IT 제품 대비 들어가는 셀의 개수와 용량이 월등히 많다.


수많은 셀을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 모듈과 랙(Rack)의 형태로 장착된다. 셀을 여러 개 묶은 것이 모듈이고 모듈을 여러 개 연결한 것이 랙이다. 모듈은 외부 충격으로부터 셀을 보호하는 프레임 역할을 한다. 각종 제어 장치와 보호 회로도 포함된다. 랙은 모듈 단위를 묶어 셀의 온도나 전압 등 상태를 체크하고 관리하는 역할을 한다.


배터리관리시스템(BMS)도 구성요소다. 에너지저장시스템(ESS)은 전기자동차보다 훨씬 많은 배터리를 장착하기 때문에 배터리 관리시스템의 역할이 중요하다. 수천수만개의 셀을 하나처럼 움직이도록 관리해야 한다. 배터리관리시스템(BMS)은 셀의 전압, 전류, 온도이상 등을 감지해 이상이 있을 때는 충전과 방전을 중단한다.

[삼성SDI와 함께하는 배터리 이야기] 저장할 수 없는 전력의 한계 해결해 주는 ESS
ESS 구조와 산업 효과 / 삼성SDI

전력변환시스템(PCS)도 중요한 구성요소다. 전기 형태를 변환하는 역할을 한다. 교류를 직류로, 직류를 교류로 변환한다. 전력시스템은 크게 전기를 생산하는 발전과 발전된 전기를 전달하는 송배전, 전기를 사용하는 공장이나 가정 같은 수용가로 구분된다. 가정에서 받게 되는 전기는 교류인데 우리는 전기를 직류로 저장한다. 충전 시에는 송배전을 통해 흐르는 전기를 배터리에 맞게 변환하고, 방전 시에는 사용자에게 맞게 변환해야 한다. 전력변환시스템은 전기의 형태를 변환해 안전하고 효율적으로 전기가 흐르게 한다.


에너지관리시스템(EMS)도 갖춰져 있다. 에너지저장시스템(ESS) 전체의 전기량을 모니터링하는 시스템이다. 전반적인 운영 소프트웨어 역할을 한다. 배터리관리시스템(BMS)이 배터리를 관리하는 장치라면 에너지관리시스템(EMS)은 랙 전체를 관리하는 장치라 할 수 있다. 에너지관리시스템(EMS)은 전력변환시스템(PCS)의 상태를 모니터링하고 배터리관리시스템(BMS)을 제어한다. 또한 발전량, 충전량, 방전량, 운행이력 등 전반적인 데이터를 관리한다. 한 마디로 에너지저장시스템(ESS)을 감시하고 제어하는 최상위 운영 시스템이다.

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