이제 전력도 저장할 수 있다

2003년 8월 14일 뉴욕의 밤이 온통 어둠에 휩싸였습니다. 도시 전체가 정전으로 마비되는 초유의 사태가 벌어진 것입니다. 대중교통은 물론 항공기까지 운항이 중단되었고 상업시설도 제 기능을 할 수 없었습니다. 당시 전력이 복구되는 데는 3일이나 걸렸으며, 당시 피해액은 60억 달러에 달했습니다. 이는 현재 가치로 환산했을 때 약 8조 2,000억 원에 이르는 금액입니다.

정전으로 인한 사건사고는 사실 먼 나라 이야기만은 아닙니다. 이상 기후로 늦더위가 기승을 부리던 2011년 9월 15일, 우리나라도 정전으로 큰 피해가 발생한 적이 있습니다. 냉방 수요가 급증해 예비 전력이 안정 기준인 400만 킬로와트 이하로 떨어진 것이 문제였습니다. 전력거래소와 한국전력은 대정전을 막고자 순환 단전을 실시했지만, 4시간 45분간 정전이 되면서 약 620억 원의 피해가 발생했습니다. 시민들은 피해보상을 호소하며 재발 방지를 촉구했고, 전력 안정화를 위한 실질적인 대응책을 마련하라는 목소리도 높았습니다.

수요를 따라가지 못하는 공급, 전력 송수신에 발생하는 문제, 변전소의 사고 등 갑작스러운 정전에 대해서는 다양한 이유를 들 수 있습니다. 하지만 가장 근본적인 이유는 저장이 불가능하다는 전력의 특성 때문입니다. 한 번 생산된 전력은 쓰일 곳을 찾아 전선을 타고 흐르는데, 일정 시간 동안 사용되지 않으면 사라져 버립니다. 따라서 전력 기관은 수요와 공급을 맞추기 위해 그때그때 발전량을 조절할 수밖에 없습니다. 하지만 이를 정확하게 맞추는 것이 쉽지가 않습니다. 이 때 전력이 모자라면 정전이, 넘치면 낭비가 발생하는 것입니다.

에너지 저장 시스템(ESS)은 이러한 전력의 근본적 한계를 해결하기 위해 등장했습니다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 생산된 전기가 무용지물이 되는 것을 최소화하고 적재적소에 사용될 수 있도록 지원합니다. 예를 들어 과잉 생산된 전력을 저장한 뒤 전력 피크 시 송전할 수 있고, 변전소에 문제가 생겨도 저장된 전력을 송전해 정전을 예방할 수 있습니다. 또한 각 가정에 에너지 저장 시스템(ESS)을 설치하면 발전소에 문제가 생겨도 저장된 전기를 사용할 수 있으므로 일상생활에서의 어려움을 덜어줄 수 있습니다.

[ESS 응용 분야]

이밖에도 에너지 저장 시스템(ESS)의 응용 분야는 무궁무진합니다. 구체적으로 전력 단계에서 발전단, 송전단, 변전소, 배전단, 수용가에 이르기까지 맡을 수 있는 역할이 다양합니다. 에너지 저장 시스템(ESS)을 활용하면 전력 관련 사고 대비, 공급 안정화, 품질 향상, 비용 절감 등 다양한 효과를 기대할 수 있으며, 특히 전력의 비효율 문제를 해소할 수 있을 것입니다.

ESS는 종합 시스템이다

모든 에너지 저장 시스템(ESS)이 배터리를 이용하는 것은 아닙니다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 크게 물리적 저장과 화학적 저장으로 구분할 수 있습니다. 물리적 저장에는 양수발전(pumped hydro)과 플라이휠(flywheel)이 있으며, 화학적 저장에 납축 배터리와 리튬이온 배터리가 사용되는 것입니다. 현재까지 개발된 에너지 저장 시스템(ESS) 중 가장 많이 설치되고 있는 것은 화학적 저장 방식입니다. 특히 오늘날에는 리튬이온 배터리를 활용한 에너지 저장 시스템(ESS)이 많이 설치되고 있습니다. 뛰어난 기술력으로 에너지 변환 효율이 가장 높고 친환경적으로도 매우 우수하기 때문입니다.

리튬이온 배터리를 활용한 에너지 저장 시스템(ESS)은 크게 네 가지 요소로 구성됩니다. 배터리, 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Man­agement System), 전력 변환 시스템(PCS, Power Conversion System), 에너지 관리 시스템(EMS, Energy Management System)입니다. 안전하고 효율적인 시스템을 갖추기 위해 배터리와 다양한 전자 시스템이 하나로 묶인 종합 시스템으로 볼 수 있습니다.

에너지 저장 시스템(ESS)에서 가장 중요한 요소는 배터리입니다. 대규모 전력을 필요로 하기 때문에 IT 제품에 비해 들어가는 셀의 개수와 용량이 월등히 많으며, 이를 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 ‘모듈’(Module)과 ‘랙(Rack)’의 형태로 장착됩니다. 셀을 여러 개 묶은 것이 모듈, 모듈을 여러 개 연결한 것이 랙입니다. 모듈은 외부 충격으로부터 셀을 보호하는 프레임을 제공하며, 각종 제어장치와 보호회로를 포함합니다. 랙은 이러한 모듈 단위를 묶어 셀의 온도나 전압 등의 상태를 체크하고 관리하는 역할을 합니다.

[ESS용 배터리의 모듈・랙 형태]

다음으로 배터리 관리 시스템(BMS)입니다. 앞서 전기자동차용 배터리를 소개할 때 설명했던 바와 같이, 배터리 관리 시스템(BMS)은 셀의 전압, 전류, 온도 이상 등을 감지해 이상이 있을 때 충전과 방전을 중단합니다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 전기자동차보다 훨씬 많은 배터리를 장착하기 때문에, 배터리 관리 시스템의 역할이 매우 중요합니다. 수천, 수만 개의 셀을 하나처럼 움직이도록 관리해야 하기 때문입니다.

전기의 형태를 변환하는 전력 변환 시스템(PCS)도 있습니다. 전기의 형태로는 교류와 직류가 있고, 전력 시스템은 크게 전기를 생산하는 발전, 발전된 전기를 전달하는 송배전, 전기를 사용하는 공장이나 가정 같은 수용가로 구분됩니다. 그리고 이들 시스템에 따라 전기의 형태가 다른데, 예를 들어 가정에서 받게 되는 전기는 교류인 반면 우리는 전기를 직류로 저장합니다. 이처럼 충전 시에는 송배전을 통해 흐르는 전기를 배터리에 맞게 변환하고, 방전 시에는 사용자에 맞게 변환해야 합니다. 전력 변환 시스템은 전기의 형태를 변환해 안전하고 효율적으로 전기가 흐르게 합니다.

마지막은 에너지 관리 시스템(EMS)으로, 에너지 저장 시스템(ESS) 전체의 전기량을 모니터링하는 시스템입니다. 전반적인 운영 소프트웨어 역할을 한다고 보면 됩니다. 배터리 관리 시스템(BMS)이 배터리를 관리하는 장치라면, 에너지 관리 시스템(EMS)은 랙 전체를 관리하는 장치라고 할 수 있습니다. 에너지 관리 시스템(EMS)은 전력 변환 시스템(PCS)의 상태를 모니터링하고 배터리 관리 시스템(BMS)을 제어합니다. 또한 발전량, 충전량, 방전량, 운행 이력 등 전반적인 데이터를 관리합니다. 한마디로 에너지 저장 시스템(ESS)을 감시하고 제어하는 최상위 운영 시스템인 것입니다.

[ESS 구조와 산업 효과]