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 전력망에 다양한 신재생에너지 활용 발전소를 통합하는 것은 수요와 공급의 균형을 맞춘다는 것을 의미한다. Tildy Bayar는 대형 전지 에너지 저장 용액 개발을 자세히 살펴보고 있다.
전력 수요량과 공급량의 균형은 맞추는 것은 항상 복잡한 과정이다. 태양광발전, 풍력발전, 조력발전 - 기후조건에 따라 급속하게 변화될 수 있음 - 과 같은 대용량의 재생에너지 활용 발전소가 전력망에 통합이 될 때, 이러한 균형화 과정은 더욱 어려워진다.
발전소 관련 이슈는 유연하다. “많은 양의 풍력에너지는 신뢰할만하고 비용효과적인 통합 발전시스템으로 각광을 받고 있다. 에너지 저장은 이러한 자원의 효율적인 사용을 극대화하는 데 있어 발전시스템을 위한 가치있는 자원일 것이며, 전력 공공서비스 기관들을 위한 유연성을 가지고 있다.”라고 미풍력에너지협회의 Denise Bode 회장은 말하였다.
텍사스 전기 신뢰성 위원회(ERCOT: Electric Reliability Council of Texas Inc.)는 2008년 2월 신재생에너지 발전산업의 가장 비평적인 주제에 직면하였다. 텍사스 주 내 엄청난 풍력발전 관련 포트폴리오(portfolio)를 가지고 있는 풍력발전분야가 잠잠해졌다. 그리고 텍사스 전기 신뢰상 위원회는 1200MW 규모의 생산이 떨어진 이후 위기상황을 주장하였다. 전체적인 전력부하량 증가에 의해 발생되는 3-4시간 정도의 부족분은 정전을 유발하게 될 것이다. 뉴저지 소재의 NRG Energy Inc.사의 회장이자 최고경영자인 David Crane 회장은 휴스턴 비즈니스 저널에 “만일 하나의 시스템이 겨울에 불안정적일 수 있다면, 그리고 그 이유가 1500MW 규모의 예상되어지는 풍력발전이 400MW 규모의 풍력발전으로 바뀌어졌고 그리고 나서 화석연료가 성장을 위해 경쟁을 하고 있기 때문이라면 - 몇몇 발전소들은 이러한 차이를 채우기 위해 경쟁을 하여야만 했다 - , 이는 정말 큰 문제이며, 큰 논쟁을 가져다줄 문제이다.” 라고 말하였다.
효과적인 에너지 저장은 초 당 정확한 전체 부하량에 전체 발전량을 조화할 수 있다. 이는 부하추종을 할 수 있다. 그로 인해, 단기 또는 장기 기간 동안 내 풍력 및 태양에너지 투입량의 변화를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 장기적인 변화를 보완할 수 있다. 화석연료 활용 발전소들이 실제 가동되는 데 10분 또는 그 이상 소요되고 심지어 “순동예비력”에서 연료를 소비할 것이다. 그 결과, 온실가스 배출 없이 효과적으로 생산을 위해 신재생에너지를 저장할 수 있게 된다.
“전력망 규모의 저장은 현재 여기에 존재한다.”라고 전체 전력망에 직접적으로 연결되는 대형 전력 저장장치를 개발하고 운영하는 MegaWatt Storage Farms社의 Ed Cazalet은 말하였다. 그는 다음과 같은 말을 덧붙였다. “저장은 현재 GW 규모로 개발되고 설치가 되고 있다. 발전능력, 부속적인 서비스, 그리고 에너지 타임쉬프팅(time-shifting)이 명확하게 필요하게 될 것이다.” 하지만, 각각의 발전소들은 서로 다른 어려움에 직면하고 있다. 그리고 각각의 발전소들은 그들에 맞는 에너지 저장 해결책을 필요로 한다.
몇몇 잘 만들어진 기술들은 엄청난 에너지 저장용량을 제안해주고 있다. 하지만, 특별한 지질학적 특성과 고려할만한 인프라를 필요로 한다. 또 다른 기술들은 그들을 필요로 하는 어디에서나 빠르게 설치가 가능하다. 하지만, 현재 제한된 용량, 그리고 가끔이지만 높은 비용을 요구하고 있다. 현재 많은 관심을 끌고 있는 하나의 기술이 바로 대형 배터리 저장장치 관련 기술이다.
대형 에너지 저장을 위한 배터리(전지)
몇몇 형태의 배터리들이 대형 에너지 저장을 위해 사용되어진다. 비록 단결정 형태의 전지가 아니지만 전기화학적 전지들로 구서된 모든 배터리들은 어디에서나 적용이 가능하다.
1859년 개발된, 납축전지들은 액체 전해질을 사용하고 있으며, 아직은 일반적으로 사용을 하고 있다. 그것들은 소량의 에너지를 저장할 수 있다. 하지만, 안정적이며 무엇보다 저렴하다. 재생에너지 발전시스템에서 다양한 DCLA 전지들 - 오랜기간 동안 안정적인 전류를 제공해줄 수 있는 - 은 배터리 뱅크(battery bank)를 만들기 위해 함께 연결이 된다. 사실, 1MW 규모의 납축전지 뱅크들은 이미 풍력발전단지 전력생산을 안정화하기 위해 사용되고 있다. 예를 들어, Trojan Battery Company社 의 최고급 자동충전기 생산라인은 독립형 그리고 전력망에 연결된 태양광발전시스템에서의 최대출력량 및 시간을 조절하고 보충하고 충전하기 위해 설계되었다.
드라이 셀 배터리(dry cell battery)에서 전해질들은 낮은 습도의 풀 속에 포함되어 있다. 특히 리튬-이온 배터리(Lithium-ion (li-ion) batteries)들은 많은 관심의 주체가 되고 있다. 왜냐하면, 그것들은 높은 에너지 농도 및 대량생산성을 가지고 있기 때문이다. 이러한 배터리들이 가지고 있는 특성은 전가자동차가 이 배터리의 비용을 급속하게 떨어지게 만들고 있기 때문에 생긴 것이다.
A123 Systems社는 로스앤젤레스(Los Angeles) 북쪽으로 100마일(160킬로미터) 정도 떨어진 테하차피(Tehchapi) 지역에 있는 풍력터빈들과 통합된 32MW 규모의 리튬-이온 배터리를 볼 수 있는 Southern California Edison社과 함께 실험용 프로젝트를 추진하고 있다.
미쯔비시 중공업(Mitsubishi Heavy Industries)은 40피트 길이의 컨테이너의 검증을 시작하고 있다. 이 컨테이너는 2,000개 이상의 리튬-이온 충전지를 저장할 수 있다. 이 기업에 따르면, 이 시스템은 408kWh의 발전용량을 가지고 있다 - 이는 3시간에서 8시간 동안 100가구에 전력을 공급할 수 있는 양이며, 90%의 시스템 효율성을 가지기 위해 설계되어졌다. 전력망 안정화 뿐만 아니라 발전시스템 안정화는 규칙적인 전력연결이 어려운 지역에서 소형 전력망 사용을 위한 테스트를 받게 될 것이다. 그 결과, 신재생에너지원으로부터 안정된 전력공급을 가능하게 만들 것이다.
플로우 전지(Flow Battery)들은 에너지 배송시스템에서 다양한 목적으로 사용되어질 수 있는 에너지 저장장치로 떠오르고 있다. 그것들은 밀리세컨드(millisecond: 1000분의 1초) 단위로 반응을 할 수 있으며, 많은 양의 전력을 송전할 수 있다. 플로운 전지들은 전통적인 전지처럼 운영이 가능하며, 그로 인해 거의 무제한의 싸이클(cycle)로 가역이 가능한 전기화학적 반응을 통해 에너지를 저장하고 방출할 수 있다. 활성화된 화학물들은 외부 탱크에 저장되며, 사용될 때 이러한 활성화된 화학물들은 반응기와 탱그 사이에 회로에 지속적으로 분출된다. 가장 큰 장점은 전기 저장 용량이 탱크의 용량에 따라 제한된다는 것이다.
바나듐 레독스 배터리(VRBs: Vanadium Redox Batteries)들은 특히 청정에너지 기술로 만들어진 것이다. 이는 높은 활용성과 긴 수명을 가지고 있다. 그들의 에너지 밀도는 다소 낮다 - 1킬로그램 당 약 40Wh - 비록 최근 연구에서 수정된 전해질 용액이 에너지 밀도를 70% 정도 개선시킬 수 있다 하더라도 말이다. 바나듐 레독스 배터리 가격은 다소 휘발성을 가지고 있다. 즉, 변동이 심하다는 것이다. 뿐만 아니라, 공급에 압력을 쉽게 가할 수 있는 배터리 사용을 위한 증가된 수요를 가지고 있다. Prudent Energy社는 1MWh 규모의 바나듐 레독스 배터리 에너지 저장시스템을 설치하였다. 그 크기는 500kW 규모이며, 최고 출력량은 750kW이다. 이는 중국전력과학원을 위해 만들어진 것이다. 프라운 호퍼 연구소(Fraunhofer Institute)는 20MWh 규모의 플로우 전지를 개발하고 있다. 20kW 규모의 설비가 다음 해 운영을 되기 위해 계획되었다; 그리고 연구팀은 5년 이내에 MW 경계를 넘어설 수 있기를 희망하고 있다.
케이스 웨스턴 리저브 대학교(Case Western Reserve University) 연구진들은 단 하나의 가구 또는 전체 지역사회에 서비스를 할 수 있는 확장 및 축소가 가능한 에너지 저장시스템을 만들기 위해 철을 사용하고 있다. 케이스 웨스턴 리저브 대학교 화학공학부 Robert Savinell 교수는 러스트벨트 전지(rustbelt battery)를 요청하고 있다. 철의 비용이 베나듐의 1% 보다도 적은 금액이기 때문에 철 기반의 전지는 평균 30달러/kWh의 비용이 들어간다. 이는 산디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)에 의해 세워진 100달러/kWh 이하이다. 20MWh 규모의 대형 철 기반의 플로우 전지는 250,000갤런 용량의 두 개의 저장 탱클르 필요로 한다. 그리고 하루에 650 가구에서 필요한 전력을 공급할 수 있다. 미에너지부의 전기배달 및 에너지신뢰국이 600,000달러의 지원금을 이번 연구에 지원하고 있다.
나트륨 이온 전지들은 높은 에너지 밀도와 높은 전력 밀도를 동시에 제안해주고 있다. 하지만, 400-700￢∞C의 운영 온도들은 운영관리 및 안전성 문제를 가지고 있다. 그리고 이 전지 구성성분 관련 엄격한 요구조건을 가지고 있다. 2010년, 이탈리아 Enel社는 5MW 규모의 아치메데스(Archimedes) 태양에너지 발전단지를 기공하였다. 이는 나트륨 이온 전지 기술을 사용한 세계 최초의 태양에너지 발전단지이다.
초고용량 축전기는 전지에 화학적으로 전해질을 저장하기 보다는 오히려 전해질을 양극화함으로써 전기학적으로 에너지를 저장한다. 초고용량 축전기는 낮은 에너지 밀도를 가지고 있다. 하지만, 표준 전지보다는 더 높은 전력 밀도를 가지고 있다: 그것들은 적은 에너지를 저장(비슷한 크기의 이온전지보다 25배 적은 에너지를 저장)하고 있지만, 좀 더 빠르게 충전하고 방전시킬 수 있다.
비록 초고용량 축전기가 1960년 이후로 이곳저곳 적용이 되어왔다 하더라도, 그것들은 상대적으로 값비싸며, 비용경쟁적이 되기 위해 충분한 양이 제조되어지기 시작하였다. 초고용얄 축전기는 에너지를 원활하게 하는 순간적인 부하 설비들, 자동차 에너지 저장 장치, 그리고 가정용 태양에너지 시스템과 같은 작은 규모의 기기들에 적용이 가능하다. 가정용 태양에너지 시스템은 정말 빠르게 충전이 될 수 있는 가치있는 특성을 가지고 있다.
미국 에너지 첨단연구프로젝트 사무국은 현재 연구개발 단계에 있는 수많은 관심을 받고 있는 에너지 저장 프로젝트에 후원을 하고 있다. 여기에는 금속 이온 액체 배터리, 평면 나트륨 베타 전지, 고에너지밀도 리튬 전지, 징크-마그네슘 산화 배터리, 액체 금속 배터리, 그리고 초임계 유동체를 가지고 있는 열에너지저장장치 개발 프로젝트 등이 포함되어 있다. 이러한 연구 프로젝트 각각은 신재생에너지 발전설비를 위한 저비용의 지속가능하고 고에너지 저장 밀도를 달성할 수 있는 것을 목표로 하고 있다.
비교 그리고 예측
미전력연구소는 전력에너지저장기술 옵션이라는 이름을 가진 연구보고서를 통해 황산나트륨 전지(다양한 나트륨 이온 전지 중 하나)는 현재 전세계 316MW정도 설치가 된 세 번째 광범위하게 사용되는 에너지 저장 용액이다. 전력저장협회는 고전력과 고에너지 기기를 위한 에너지 저장 기술들을 비교하였다. 각각의 기술은 제한된 범위의 기기에만 실용적이고 경제적이라는 태생적 한계점을 가지고 있다.
유럽 공공서비스 기관 규모의 전지 시장에 관한 Frost & Sullivan社의 분석은 2010년 1억2천4백6십만 덜러의 수익을 벌어들일 수 있다는 것을 발견하였으며, 이 기업은 2015년 5억6천4백9십만 달러를 벌 수 있을 것이라고 전망하고 있다.
그러는 동안 럭스 연구소(Lux Research)의 연구보고서 - 에너지 저장장치 개발업체들이 갈망하는 최적의 거래라는 연구보고서 - 에서는 리튬-이온 기술들은 다양한 시장에서 작지만 안정된 성장을 할 것이라고 기대된다는 것을 주장하고 있다.
리튬-이온 전지들은 2011년 7억9천5백만 달러의 수익에서 2016년 22억 달러로 성장할 것이다라고 이 보고서는 말하고 있다. 물론 그 이유는 개선된 수명 주기와 에너지 밀도 때문이다. 만일 리튬-이온 전기 개발업체들이 400달러/kWh에서 33% 정도 비용을 삼각하고 개선된 수명주기를 가능하게 할 수 있다면, 이 기술은 추가적인 시장점유율을 쟁취할 수 있을 것이다.
출처 : http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2011/08/batteries-for-... |