1. 개요
영문위키 - Energy Storage (에너지 저장)영문위키 - Power to X (전력 변환 저장)
에너지 저장 체계(ESS, Energy Storage System)는 에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있는 체계를 지칭한다.
주로 '전력'을 저장하는 것이 논의되고, 2014년경부터 유럽에서 이를 P2X라고도 부른다. 열저장(P2H), 가스화저장(P2G) 등.
2. 연혁
2020년 12월, 미국 에너지부가 ESS 기술별 비교를 진행했다. 10MW 이하의 에너지 저장은 LFP(리튬인산철), NMC(리튬니켈망간코발트), 납축전지 순으로 저렴했고, 10MW 이상의 에너지 저장은 CAES(압축공기), PSH(양수발전), 수소 순으로 저렴했다. PDF [1]2021년 9월 28일, 2050 탄소중립녹색성장위원회가 극단적으로 ESS로만 대한민국의 에너지를 100% 저장하려 하는 경우 1248조원이 들어간다고 추산했다. #
2023년 10월 31일, 산업부가 "에너지스토리지(ESS) 산업 발전 전략"을 발표했다. "2036년 세계 ESS 시장 점유율 35%를 목표로 미국·중국과 함께 세계 3대 ESS산업 강국으로 도약을 추진"한다. #
3. 필요성
발전기와 전력망 운용은 변수가 많다. 가령 전력 수요에 따라서 발전기의 발전량을 조절해야 에너지 효율이 높아진다. 그러나 이는 간단하게 이루어지지 않는다.발전소는 무작정 켜고 끌 수가 없다. 발전소 가동에도 많은 에너지가 들어간다. 또한 이 거대한 시설은 발전량을 줄인다고 소모 에너지가 크게 줄지도 않는다. 가령 발전량을 1/4로 줄여도 소모 에너지는 일반 가동시와 크게 차이가 없다. 내연기관 승용차는 저속에서 연비가 나쁘고, 고속에서 연비가 높은데 이런 현상이 발전소에서도 일어난다. 특히나 재래식 발전과 다르게 원자로의 경우 가동을 정지하는 것 자체가 대규모 유지보수공사를 뜻한다. [2]
이렇듯 전기가 많이 필요할 때 발전소를 무작정 돌릴 수 없으며, 거꾸로 전기가 적게 필요할 때도 발전기를 무작정 가동중지할 수 없기에 에너지 낭비가 발생하게 된다.
송배전망 문제도 있다. 이들은 무작정 많은 전기를 보낼 수 없다. 물탱크에 비유해보자. 탱크에 아무리 물이 많아도 수도꼭지와 호스의 직경이 작으면 빨리 배출할 수 없다. 수압을 무작정 높이면 호스든 수도꼭지든 어딘가가 터져버릴 것이다. 송배전망에도 이와 비슷한 일이 생길 수 있다. 발전 용량에 맞는 적절한 송배전망이 조화되어야 한다.
여기에서 "잉여 전기를 미리 저장해놨다가 전기 많이 쓸 때 풀면 되지 않을까?"라는 발상을 하게 된다. 그렇게 등장한 분야가 ESS다. 이 전기 저장 시설을 전기를 많이 쓰는 도시 근처에 설치한다고 해보자. 전기를 덜 쓰는 시간에 발전소는 효율적으로 움직이고, 송배전망의 부담도 덜어진다. 전기를 많이 쓸 때 ESS를 가동하면 발전소, 송배전망의 부담이 덜어짐과 동시에 에너지 효율이 높아진다.
ESS는 탄소 중립 이슈와 관련해서 그 중요성이 높아지고 있다. 화력발전소가 주류라고 해도 에너지 효율을 높이면 화석 에너지 소모가 줄고 탄소 배출은 적어진다. 그게 아니더라도 ESS가 효율적으로 구성된다면 발전소와 송배전망 확충을 덜 해도 된다. 결과적으로 전력 인프라 전체의 비용을 낮추어 그 자원을 다른 곳에 투입할 수 있게 된다. 이외에도 송배전망 건립을 반대하는 님비현상도 한 몫 했다.
3.1. 세부 내용
기존 전력망(또는 정속 발전기)은 발전소(발전기)와 송배전망(전선)과 수용가(부하)가 있다. 수용가의 부하는 다양하며(발전기에 연결되는 기기는 다양하며) 수용가의 부하량은 시시각각 변할 수 있다. (발전기에 연결되는 기기의 부하 총산은 증감한다.) 이 때, 구형의 전력망이나 발전시스템은 증감하는 부하에 대응하기 위해 항상 일정량의 여유분을 가지고 있어야 한다. 발전소에 설비 여유율이라는 것이 바로 그 수치인데, 부하의 변동에 대응하기 위해 단계적으로 발전소를 끄고 켜게 되는 것이 바로 이것이다. 그리고 설비 여유율, 즉 가동중인 발전소의 용량 총 합과 현재 송배전망의 부하의 차이만큼 발생하는 설비 여유율은 발전소의 손실로 오게 된다. 발전소를 운영하는 데 있어서 기본적으로 들어가는 동력이 있기 때문. 정속발전기가 전부하 상황에서 6시간을 간다면 4분의 1부하에서는 8시간 운전이 가능한 경우가 대부분인데 동일한 개념으로 이해할 수 있다. 발전에 소요되는 에너지는 기기의 정격 최대 용량이든 각 발전소별 최대 설비용량이든, 아니면 4분의 1이라는 부분부하이든(최고효율점 이하의 저부하이든) 크게 차이가 나지 않는다.이에 따라 부하에 따른 순시성을 확보하고자 하면, 높은 설비용량으로 인해 큰 손실이 발생하며 반대로 첨두부하의 빠른 증감에 대응하는 체계가 없을 경우 전체적인 에너지 생산비용은 절감되나 순시부하에 대응하지 못해 전체 시스템이 불안정해지는 문제가 발생한다. 그래서 전체 시스템의 안정성을 올리면서도 에너지 생산 비용을 줄이기 위해선 기저부하 상황에서 여유있는 발전설비의 용량을 사용해 에너지를 저장하고 첨두부하 상황에서 에너지를 방출해 설비용량 이상의 부하 상황에서 추가적인 설비 기동없이 낮은 비용으로 에너지를 공급할 수 있는 시스템이 필요한 것이다. 덕분에 ESS 라는 분야가 발전하기 시작했다.
첨두부하를 처리하기 위한 방법은 두 가지가 있다.
- 첨두부하의 발생 전 첨두부하가 소비하는 에너지원을 저장하였다가 첨두부하 발생 시 방출해 부하 변동을 경감
- 첨두부하의 결과물을 미리 기저부하 시기에 돌려 저장해두었다가 부하 소스 발생 시 공급해 부하 변동을 경감
후자의 경우 흔히 주변에서 볼 수 있는것이 심야전기 보일러[3]이며, 건물이나 빌딩 단위로 볼 경우 야간시간대의 저렴한 전력 요금을 활용해 빌딩 내 지하 기계실 기저에 초 대규모로 설비된 냉동 탱크를 칠러로 초저온 냉각, 상변화 결빙시킨 뒤 대낮에 높은 냉방부하가 요구될 경우 EHP 나 GHP 등 높은 부하율을 가지는 냉동기를 따로 구동하지 않고 이미 결빙된 냉동탱크를 통해 냉방을 제공하는 시스템이라든가 공기압을 주로 사용하는 공장에선 초 대규모 탱크를 구성해 공기압을 미리 채워두는 방법 등 제한적인 기법이 광범위하게 효율적으로 이용되고 있다. 그리고 전자의 경우에는 종류가 매우 많다.
4. 종류
4.1. 역학
물질의 상은 그대로면서, 퍼텐셜 에너지( 위치 에너지), 운동 에너지 등을 이용하는 경우를 일컫는다.4.1.1. 양수발전
물을 높은 곳으로 끌어올려 저장해두었다가 필요한 경우 하류로 방출하며 발전하는 방법이다. 국가적인 규모로 하는 설비다. around(travel) eff 수치가 낮은 것이 단점이나 대규모로 시공이 가능하며, 저장용량이 높아 다양한 용도로 쓸 수 있는 것이 장점이다. 농업용수 공급, 수재 예방 등 수력발전소가 갖추고 있는 장점도 갖추고 있다. 출처 한국의 경우 7개의 양수발전식 에너지 저장체계를 사용하며 각 이름과 부가 정보는 다음과 같다.| 명칭 | 계통명 | 주소 | 용량 |
| 청평 양수발전소 | CheongPyoung #1 #2 | 경기도 가평군 가평읍 복장리 649-2 | 20,000kW x2 |
| 삼랑진 양수발전소 | SamRyangJin #1 #2 | 경상남도 밀양시 삼랑진읍 안태리 286 | 30,000kW x2 |
| 무주 양수발전소 | MuJu #1 #2 | 전라북도 무주군 적상면 북창리 150 | 30,000kW x2 |
| 산청 양수발전소 | SanCheong #1 #2 | 경상남도 산청군 시천면 신천리 528 | 350,000kW x2 |
| 양양 양수발전소 | YangYang #1 #2 #3 #4 | 강원도 양양군 서면 영덕리 213 | 250,000kW x4 |
| 청송 양수발전소 | CheongSong #1 #2 | 경상북도 청송군 파천면 양수상부길 186 | 300,000kW x2 |
| 예천 양수발전소 | YeCheon #1 #2 | 경상북도 예천군 은풍면 도효자로 1210 | 400,000kW x2 |
2031년까지 충청북도 영동군, 강원도 홍천군, 경기도 포천시에 신규 양수발전소를 건설할 예정이다. 기사
2022년부터 유럽에선 양수발전/댐을 "물 배터리"라고 네이밍하기도 한다. #
밀도가 약 1g/cm3으로 낮은 일반적인 물 대신 물보다 밀도가 2.5배 높은 용액을 사용해 에너지 저장 효율을 높이려는 시도도 있다. 일반 양수발전보다 더 적은 공간을 차지하며, 저수조간의 높이차가 낮아도 되므로 부지 선정의 제약이 적다. 또한 이 용액은 광물질과 물을 혼합해 만드므로 가격도 저렴하다.
4.1.2. 경사 철도
용도 폐기된 광산용 철도 시스템을 이용한 에너지 저장 시스템으로, 미국 ARES("Advanced Rail Energy Storage; 발전형 철도 에너지 저장"의 약자)라는 회사가 이용하고 있다. 원리는 양수 발전과 같이 위치 에너지를 이용하는 것인데, 물을 퍼올리는 게 아니라 무거운 화물차들을 언덕 위로 끌어올리는 방식이라는 차이가 있을 뿐. 물론 이미 건설된 폐철도와 언덕이 있는 경우에만 경제성이 있는 시스템이라 범용성은 높지 않다. 전철화가 되지 않은 폐선이라면 화물차와 전력을 주고받기 위한 전차선이나 제3궤조[4]를 별도로 설치해야 하는 것은 덤이다.4.1.3. 승강기/크레인
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| 2020년 7월, 에너지볼트 사의 EV1 |
승강기, 타워크레인, 펌프 등을 이용해 무거운 블록을 높이 올려 쌓고, 전력이 필요할 때 내려보내며 에너지를 얻는 방식이다.
2017년, 스위스에 에너지볼트(Energy Vault)가 해당 개념을 선보이며 창업해 2.8억 달러를 투자받았다. 영문위키
2018년, 에너지볼트가 스위스 비아스코 지역에 5MW/35MWh 실증 시스템을 선보였다.
2019년 3월, 대한민국 서울특별시가 신축 아파트단지의 승강기 자가발전 설비를 의무화한다. #
2019년 11월, 미국의 그라비티파워(Gravity Power)는 깊은 갱도에 물을 채우고 800만톤 규모의 피스톤을 만들자는 구상을 내놓고 투자를 모집한다. #
2020년 7월, 에너지볼트가 스위스 티치노 지역에 35톤 블록 수십개를 110m 높이의 6개 크레인타워로 올려 80MWh치 전력을 저장할 수 있는 시스템을 선보였다. #
2021년 4월, 영국의 그라비트리시티(Gravitricity)가 50톤 블록들, 15m 높이의 시스템을 선보였다. 하지만 탑을 짓기보다 깊은 갱도를 이용하려 폐 탄광들을 조사하고 있다고 밝혔다. #
2022년
- 2월, 에너지볼트가 나스닥에 상장되었다.
- 5월, 에너지볼트가 중국 장쑤성에 총사업비 5000만달러(650억원)로 100MWh짜리 ESS를 수주했다. #
- 5월, 오스트리아의 줄리안 헌트 교수는 도시의 마천루 건물들을 블록형 에너지저장체계로 개조하자고 제안했다. 언론기사 논문원문
영문위키(Gravity Battery)
문제는 크레인 방식이 양수발전식의 하위호환이라는 것이다. 건물 내 엘리베이터에 버려지는 에너지를 모으는 부수적인 것이라면 몰라도, 순수히 크레인식 에너지 저장 체계를 만들 이유가 딱히 없다.
우선 크레인은 날씨의 영향을 많이 받는다. 국내법상 타워크레인은 초속 10m 이상의 바람이 불면 작업유의, 15m 이상은 작업 중단이다.
거기다가 크레인이 들어 올릴 물체는 저렴하고, 쌓기 쉽고, 많이 찍어낼 수 있는 물건이여야 하는데, 이것에 가장 적합한건 블럭 모양의 콘크리트다. 하지만 콘크리트 블록은 당연히 마모되니깐 주기적으로 교체를 해줘야되고, 콘크리트 생산이 전세계 이산화탄소 배출량의 4%~8%를 차지한다는 예측이 있는만큼 친환경적인 물질도 아니다. 콘크리트 대신 다른 물건을 쓸 수 있지만, 여전히 주기적으로 교체를 해줘야 한다는 문제는 남는다.
그럼 이 문제를 해결해보기 위해 우선 크레인이 날씨의 영향을 받지 않는 지하로 옳기자. 땅을 파서 지하에 크레인을 건설하는거다. 그리고 콘크리트 대신, 조건을 충족하는데다가 무한으로 쓸 수 있는 물건은 물이다. 사막같은 일부 환경을 제외하곤 빗물을 쓸 수도 있고, 빗물이 부족하다면 애초에 수원지 근처에 지어서 파이프로 퍼오면 된다. 다른곳에 이 물을 사용하지 않는이상 증발로 소실되는 물은 적으니 반영구적으로 쓸 수 있다. 이 지하 저수지에서 에너지가 많을땐 물을 퍼올리고, 에너지가 필요하면 물의 낙차로 발전을 한다.하지만 크레인으로 물을 옳기는건 매우 비효율적이니 펌프를 설치하게 되면, 결국 양수발전식이 되어버린다. 이러면 일반 댐처럼 그냥 지상에 만들어도 된다. 댐은 날씨의 영향을 적게 받으니깐.
4.1.4. 플라이휠
플라이휠은 운동에너지를 회전하는 휠의 움직임으로 저장했다가, 필요할 때 이 운동에너지로 발전하는것. 커패시터처럼 짧은 시간만 사용가능하지만 반영구적인 수명에다가, 커패시터보다 저렴하다.2010년 8월, 미국의 비콘파워(Beacon Power)가 자사의 푸른 물통 같이 생긴 플라이휠을 선보였다. #
UPS에서 이런 방식을 사용하고 있다. 전동기와 발전기를 연결하고 그 사이에 플라이휠을 넣어서 전기가 끊어지더라도 일정 시간 전력을 저장할 수 있디. 전력이 차단되면 디젤엔진을 이용하여 다시 플라이휠을 가속한다.
4.1.5. 태엽
태엽은 스프링의 탄성에 에너지를 저장하는 방식으로 오래 전부터 소형 기계에 널리 사용되었으며 현재도 손목시계 등에 사용된다.고무의 탄성을 이용하는 경우는 태엽이 아니라 "고무동력"이라 부른다. 대개 장난감 비행기나 배에 이용되는 방식. 대용량 저장 체계에는 거의 사용되지 않는다.
4.2. 화학
4.2.1. 이차 전지
일차 전지는 재충전이 안 되는 방식이고, 이차 전지가 우리가 흔히 사용하는 리튬, 납, 니켈 전지 등이다. 용량을 크게 하는데 불리하나 에너지 저장 밀도나 에너지 방출 밀도를 올리기엔 대단히 유리하며, 성숙된 기술을 바탕으로 다양한 어플리케이션 적용에 수월하다. UPS도 여기에 해당되는 방법이며. ESS 역시 ESS 에 몇 가지 장치를 더하면 대단위 UPS로 구성이 가능하다. 이 부분은 시제품 일람에서 별도 서술.이 분야에서 주목받는 기업은 전기승용차로 유명한 테슬라사. 자동차뿐 아니라 리튬배터리 기반의 에너지 저장장치에서도 성과를 내고 있는데 호주 사우스오스트렐리아주에 129 MWh / 100 MW 용량의 송전망급 파워팩을 2017년 말까지 가동하기로 계약했다. # 이는 화학적 에너지 저장시설로는 세계 최대의 시설규모이다. 호주의 다급한 전력사정으로 긴급한 건설을 요청하자 테슬라 CEO 일론 머스크는 계약하고 100일 안에 가동하지 못하면 돈 받지 않겠다는 호기를 부리기도 했다. 정확한 계약액은 발표되지 않았으나 일론 머스크가 100MWh+급 시스템 이상은 $250/kWh에 공급할 수 있다고 밝힌 적이 있어서 129 MWh 용량이면 약 3천 235만 달러쯤 된다. 2017년 초에는 미국 캘리포니아에 80 MWh급 전력저장시설을 공급 6개월 만에 성공적으로 완공한 실적이 있어서 호주 전력 저장시설도 낙관적이다. 발전량이 일정하지 않은 대규모 태양전지 발전소나 풍력발전소의 출력을 전기 수요에 맞추는 데 적합한 방식이다.
전기차를 폐차하거나 배터리를 교체하면서 나오게 되는 폐배터리의 처리가 문제가 되고 있다. 이 폐배터리를 전기차 충전소에 ESS로 재사용하는 방법이 주목받고 있다. #
폐배터리 ESS의 간략한 원리는 이렇다. 리튬 계열 배터리는 충전 용량과 재충전 횟수가 거의 정확한 반비례 관계를 가진다. 가령 80% 충전했을 때 10번 재사용할 수 있는 리튬 배터리가 있다고 하자. 이는 20% 충전했을 때 대략 40번 재사용할 수 있다.
전기차 배터리의 충전 용량이 60% 정도로 떨어지면 교체 시기에 이르렀다고 봐도 좋다. 이 폐배터리를 수거해서 10~20% 만 충전되게 조정하면 충전 횟수를 크게 늘릴 수 있다. 더불어 이 정도 충전량이면 화학적으로 상당히 안정적인 상태라 장기 운용에도 유리하다.
물론 에너지 밀도는 낮지만 ESS 부지에 고정해서 쓰므로 큰 문제는 아니다.
전기차 자체의 배터리를 에너지 저장장치로 이용하는 방법도 구상되고 있다. 주차된 전기차의 배터리에 전력을 축전했다가 전력 수요가 많을 때 끌어다 쓰는 방식이다.
리튬 이온 배터리를 ESS에서 사용할 경우 시설 면적이 늘어나는 단점이 있다. 배터리 자체의 에너지 밀도는 높지만, 배터리의 발열을 식혀줄 냉각 장치와 화재시 다른 배터리로 번지지 않도록 막아주는 방화벽도 같이 필요하기 때문이다. 화재 및 폭발 위험이 낮은 리튬인산철(LFP) 배터리를 대신 사용하기도 한다. 에너지 밀도가 일반 리튬 이온 배터리보다는 낮다는 단점이 있지만, ESS는 배터리를 고정된 장소에 설치해놓고 쓰므로 문제되지 않는다.
플로우 배터리라는 방식도 있는데 액체로된 염류 전해액을 전기에너지로 분해해서 두 개의 탱크에 분리해서 담아두었다가 전기가 필요하면 분리된 전해액을 다시 반응막 사이에서 전지처럼 반응시켜 전기로 환원시키는 방식이다. 용량 대비 부피는 크지만 전기 저장 용량은 전해액 저장탱크만 크게하면 되므로 저장용량을 확대하기가 쉽다. 독일에서는 천연가스 저장시설로 쓰이던 지하 암염 동굴을 이용해서 100 MW/700 MWh급 플로우배터리 시설의 건설을 추진중이다. 독일 베를린 시에 한 시간 동안 전력을 공급할 수 있을 정도의 용량이다.
대량 생산에 가장 근접한 차세대 배터리로는 나트륨 이온 전지가 있는데, 납/니켈 전지에 비해 에너지 밀도도 높고 리튬 이온 전지에 비해 안전성[5]이 높지만 비용은 납 축전지와 비슷하거나 더 저렴하므로[6] 대중화가 된다면 중금속 문제가 있는 납 축전지와 화재 위험이 있는 리튬 이온 전지를 대체하여 전력 저장 시설에서 널리 사용될 것으로 예상된다. 2024년엔 중국에서 나트륨 이온 전지 기반의 ESS를 준공하였다. 이외에도 2021년에 발표된 바나듐 이온 배터리(Vanadium Ion Battery, VIB), 알루미늄 이온 배터리, 철-공기 배터리 등 새로운 유형의 배터리들이 연구개발되고 있으므로 이들 또한 좋은 대안이 되리라 보인다. 흔히 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리의 경우 에너지 밀도와 안전성이 높으나 가격이 비싸다는 단점이 있어 상용화되어도 ESS에서의 사용은 제한적일 전망이다.
배터리는 직류(DC) 전력만 저장할 수 있으므로 교류 전력망과 연계된 에너지 저장 시설에서는 충전 및 방전을 위해 정류기와 인버터를 이용하여 전력을 변환해야 하므로 손실이 일부 발생한다. 이러한 이유로 데이터 센터와 같은 일부 시설에서는 정류기로 외부 전력을 정류한 뒤 시설 내부의 배터리와 직류 전력망으로 공급하여 인버터를 이용한 변환 과정을 생략하는 경우도 있다.
2020년 초 시점에서 다른 저장 체계에 비해 공간 활용성이 높고 에너지 밀도도 높은 축에 속하는 방법이지만 높은 비용과 짧은 수명으로 인한 경제성 문제가 꾸준히 단점으로 지적되고 있다. 또, 원인미상의 화재가 다발하고 있어 안전성 문제가 걸림돌이 되고 있다. #
전기차에서 사용이 끝난 배터리에는 에너지를 충분히 저장할 수 있는 용량이 남아 있어 최소 3~10년까지 활용이 가능하며, 이를 에너지 저장장치로 재활용하는 시스템이 UBESS이다.
4.2.2. 수소 및 화합물
수소 및 수소경제 문서에 정리되어 있다.- 물을 전기 분해해서 수소로 만들어두었다가, 전기가 필요할 때 연료전지로 전기로 만드는 방식
- 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)에 수소를 저장했다가 꺼내 쓰는 방식
- 암모니아를 만들고, 전기가 필요할 때 수소로 분해해 쓰거나 암모니아 자체를 사용하는 방식
4.2.3. e-Fuel
전기화학 반응을 통해 이산화탄소와 물을 알코올이나 휘발유와 같은 연료로 변환하여 저장한다. 수소보다 저장과 취급이 쉬우며, 기존 내연기관 차량을 친환경적으로 운용할 수 있다는 장점이 있다. 단점으로는 전기화학 반응과 내연기관에서의 에너지 손실로 인해 에너지 효율이 10% 내외로 크게 줄어드는 점이 있다. 따라서 모든 차량을 전기차로 교체하는 한 편, 합성 연료가 내연기관과 제트기관의 탄소중립적 동력확보를 위해 연구 및 개발되고 있다. 또한 군용차 등 유사시에도 운용될 필요가 있어 전기화가 어려운 차량들에도 적용 가능하다.4.3. 전기
4.3.1. 슈퍼 커패시터
전기 이중층 커패시터나 pseudocapacitor[7] 등의 슈퍼 커패시터를 사용하여 저장하는 방법이다. 전기 에너지 그 자체를 슈퍼 커패시터에 담았다가 순간적인 첨두부하 시 대규모로 공급하게 된다. 에너지 저장 밀도는 상당히 낮으나 에너지 방출 밀도가 매우 높아 순간적으로 엄청난 부하가 걸리는 경우 (ex 스폿 용접기. 스폿 용접기에 슈퍼 커패시터를 쓰는 경우) 전원부의 규모가 크게 경감된다. 또는 장시간이 아닌 단시간의 정전 (ex. Sag보호설비)에 이러한 시스템이 쓰인다. 주로 볼 수 있는 것은 FANUC 사의 ai series 시스템인데, Series 31i-MODEL B 등의 CNC 컨트롤러와 더불어 서보앰프에 물려지는 공용 DC 링크단에 백업 캐퍼시터를 물려 단시간의 정전에 대응[8] 하며 LS머트리얼즈에서 나오는 SAG 보상기 등 슈퍼 커패시터와 인버터를 결합해 단시간 정전 시 인버터를 통해 초 대규모 전력을 전력망으로 역송출하여 주변 기기를 백업하는 기기도 있다.4.3.2. 탄소나노튜브
2022년 2월, 탄소나노튜브에 전기를 저장해두는 방식도 개발되었다. 다만 전력저장밀도가 수소나 배터리에 비해 20배 적다. 전선을 대체하는 차체로 만들거나, 슈퍼 커패시터처럼 일시적인 전력저장 용도로 쓸 것이 기대된다. #4.3.3. 초전도체
SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)라고 한다. 폐회로에 전류를 계속 흐르게 하여 보관할 수 있는 점을 이용하는 것. 축전기와 유사하게 화학 에너지가 아닌 전자기장의 형태로 에너지를 보관한다. Tixador, Pascal. "Superconducting magnetic energy storage: Status and perspective." In IEEE/CSC & ESAS European superconductivity news forum, vol. 3. 2008.4.4. 물리
화학적 변화가 아닌, 동일한 물질의 온도, 압력, 상 등을 변경하는 경우를 일컫는다. 장점은 대용량, 장기간 보관이 가능하다.- 관련 영문 위키백과
4.4.1. 100℃ 이하 열 저장 (축열조)
- 1985년, 야간축열/심야전력 개념이 생겨났다.[9] 대한민국은 전기요금 중 야간에 히트펌프, 심야전기보일러/온수기 등을 이용해 축열조/빙축열조에 축열/축냉하는 경우 "심야전력"이라는 별도의 낮은 요금을 받기로 한다. #
- 1990년대, 제주도에서 600㎥ 규모의 계간축열(계절 단위로 열을 장기 보관) 축열조를 만들었으나 연구단계에 그쳤다. 계간축열의 방식으로는 TTES(콘크리트 탱크에 축열), PTES(피트축열, 웅덩이에 축열재 보관), BTES(토양 자체에 지열히트펌프-보어홀로 열 보관), ATES(갇혀있는 대수층에 열 보관) 등이 있다.
- 2014년, 대한민국의 충북혁신도시에 1,600㎡의 태양열 집열시스템과 4,000㎥의 탱크방식 계간축열조가 설치되었다. 여름철에 열을 저장하여 겨울철에 도시에 온수를 제공( 지역난방)한다. #
- 2023년, 대한민국 과학기술정보통신부가 '탄소중립 기술혁신 전략 로드맵'에 포함되었다. 2030년까지 수십세대 단위 공동주택단지에 P2H(축열)을 실증한다. #
4.4.2. 100℃ 이상 열 저장 (발전)
- 1870년대, 태양열 발전이 등장한다.[10] 태양열로 100℃ 이하의 온수 생산을 넘어서, 100℃ 이상의 열 집열도 가능한 걸 알게 된 것이다. 증기압축탱크(축압기, Staem Accumulator)에 고압의 증기/온수를 저장했다가, 이를 꺼내면서 터빈 발전하는 방식이다. 하지만 "효율"이 경쟁 기술 대비 낮아서 사장되었다.
- 1960년대, 100℃ 이상의 열을 용융염(Molten Salt)[11]에 저장해두었다가, 이를 꺼내서 물을 끓여 터빈 발전이 가능한 솔라타워(Solar Tower) 발전소들이 세계 곳곳에 건설되었다. 하지만 "면적"이 경쟁 기술들 대비 커서 사장되었다.
- 2009년, 첫 펌프열에너지저장(PHES, Pumped Heat Energy Storage) 방식이 프랑스에서 제안되었다. # 새로운 냉매들이 개발되면 히트펌프도 100도 이상이 가능해져, 야간축열 온수생산을 넘어, 100도 이상의 열을 저장했다가 증기 터빈발전이 가능해진 것. 고온은 Brayton 사이클(아르곤, 헬륨 사용)을, 중온은 Rankine 사이클(이산화탄소 사용)을 이용한다. 발전은 터빈 또는 ORC(유기 랭킨 사이클. 팽창기 사용)를 이용한다.
- 2014년, 독일 항공우주센터(DLR)는 슈투트가르트 대학교와 협업하여 고온의 열저장을 연구하기 시작한다. #
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| 2021년 5월, 몰타 사의 열에너지저장시스템 소개 |
- 2017년, 구글X의 프로젝트였다가 스핀오프 창업한 "몰타(Malta)"가 전기를 히트펌프를 통해 열과 차가움으로 나눈 뒤, 열은 용융염에, 차가움은 부동액에 각각 저장하고, 전기가 필요할 경우 이 둘의 온도차이로 발전을 하는 시스템을 내놨다. #
- 2018년
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미국 국립재생에너지연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory)는 몰타 사와 협력하여 4년간(~2022년) 과제를 수행하여 28GWh(당초 목표는 55GWh) 파일럿 플랜트를 만들었다. 플랜트의 이름을 LDES(Long-Duration Energy Storage) 또는 ENDURING이라고 지었다. 해당 과제는
미국 에너지부의 ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy)의 DAYS(Duration Addition to electricitY Storage) 과제로, 총 280만달러(36억원)가 지원되었다.
약자도 많다특징은 기존 용융염 정도를 넘어서 고체 실리카를 써서 1100℃ 가량의 초고온을 저장 가능하다고. # - 독일 하노버 메쎄(산업전시회)에서 독일 항공우주센터(DLR)가 "카르노 배터리"라는 용어를 만들고 분야 기술을 종합한다.
- 2020년, 독일 항공우주센터(DLR)은 칠레 석탄화력발전소에 250MWe 규모 카르노배터리를 실증했다. PDF
- 2022년
- 3월 시점, 미국 신재생에너지연구소(NREL)의 분야 리뷰논문 PDF
- 5월 시점, 영국 버밍엄대학교의 분야 리뷰논문 # - 2009년부터 2022년까지 32개 파일럿 플랜트가 건설되었다. PHES(고효율, 소용량)와 LAES(고출력, 대용량) 두 분야가 많음을 보였다.
- 7월, 대한민국 에너지기술평가원에서는 카르노배터리를 "섹터 커플링"의 일종이라고 소개했다. #
- 7월, 핀란드 Polar Night Energy사는 500℃를 축열하는 용융염을 "모래 배터리"라고 이름 붙였다. 재생에너지 중 바로 쓰지 않는 전기는 열로 만들어 두었다가 온수 난방에 사용하는 방식이다. #
- 11월, 독일 항공우주센터(DLR)는 150도 규모의 2입방미터(㎥)의 질산염 플랜트를 선보였다. #
- 2023년
- 3월, 독일 항공우주센터(DLR)와 미국 사우스웨스트연구소(SwRI)는 각각 칠레와 텍사스주의 석탄화력발전소를 대상으로 전기 히터 기반의 250MWe 규모 카르노 배터리 시스템과 히트펌프 기반의 260MW 규모의 카르노 배터리를 실증한다. #
4.4.3. 액화공기
Cryogenic energy storage (CES), Liquid Air Energy Storage (LAES)1977년, LNG(액화천연가스)를 저장소에서 기화시킬 때 팽창 압력으로 터빈을 돌리고, 그 뒤 가스를 태워서 가스 터빈을 돌리고, 그 열로 증기 터빈도 돌리는 시스템이 일본 오사카에서 제안되었다.
2014년, 첫 액화공기에너지저장(LAES, Liquified Air Energy Storage) 플랜트가 영국에서 제안되었다. # 2017년 본 프로젝트의 논문이 나왔으며 #, 2018년 플랜트가 완공되었다.
4.4.4. 압축공기
CAES(Compressed Air Energy Storage).암염광산이나 폐광 등 거대한 지하공동에 전기가 남아돌 때 공기를 고압으로 압축하여 저장하고 전기가 필요할 때 압축된 공기로 터빈을 돌려 발전하는 방식. 이미 발전소급 대형 설비가 건설 중이고 지하에 비교적 소형의 설비로도 건설할 수 있다.
2013년, MIT 연구진들은 '빈 콘크리트 구'를 제안했다. 해상풍력발전의 전기를 지상까지 송배전하며 손실할게 아니라, 현장에서 '빈 콘크리트 구'에 힘을 들여 공기를 압축해 투입했다가, 전기를 꺼내 쓸 때는 바닷물이 들어가게 하면서 공기가 빠져나오며 모터를 돌리게 하자는 것. #
4.4.5. 지열 발전
2024년 1월, CES에서 지열 발전(또는 지열 히트펌프) 즉 지하의 고온에 액체를 투입하고 기화된 증기로 터빈을 돌리는 방식을 '거대 지하 배터리'라고 명명한다. # 기존보다 수압파쇄법으로 더 깊고 넓게 땅을 팔 수 있게 되면서, 주입하는 물의 압력을 높이거나 완화해 수요에 따라 탄력적으로 발전량을 운영할 수 있게 되어, ESS로 보아도 된다는 주장이다.
[1]
이외에도 'Levelized Cost'를 검색하면 기술별 용량, 보관시간, 비용의 비교 연구가 다량 나온다.
[2]
심지어 중수로의 경우 연료봉을 교체할 때에도 가동을 중지하지 않는다.
[3]
이외에 심야전기 온수기, 심야전기 온돌, 심야전기 온풍기
[4]
가공전차선보다 구조가 간단하고 건설비가 저렴하여 철도형 에너지 시스템에서 자주 활용된다.
[5]
나트륨의 반응성이 리튬보다 높기 때문에 더 위험하다고 생각될 수 있으나, 실제로는 그렇지 않다고 한다. 나트륨이 순수한 금속이 아닌 화합물 형태로 들어가기 때문이다.
[6]
상용화 직후인 2023년에는 납 축전지는 물론 리튬 이온 전지보다도 비쌌지만, 추후 규모의 경제가 실현되면 kWh당 40달러까지 비용을 내릴 수 있을 것으로 전망된다.
[7]
이쪽은 약간 전기화학적이지만 배터리랑은 관련이 없다.
[8]
2레벨 대응. 링크 전압 강하에 따라 2단계로 나뉘며 정전 이후 계속 작업(1)하다가 일정 전압 이하에선 안전정지(2)하고 최종적으로 시스템을 종료한다.
[9]
1972년에도 야간축열/심야전력 개념은 있었는데 인기가 없어서 1978년에 없앴다.
[10]
정부도, 언론도, 공인된 전문가들도
태양광 발전과 용어를 헷갈려 하니 주의.
[11]
일반적인 소금(NaCl)과는 다른 물질들이다.