전력저장기술의 현상과 전망

서론 산업과 도시활동은 물론 현대인들의 생활은 전기와 가스, 가솔린 등의 에너지 대량소비에 의해 지탱된다. 에너지를 사용하는 건 계절, 요일, 시간에 따라서 끊임없이 변동된다. 에너지의 공급부족에 처하지 않기 위해서는 수요에 맞는 에너지와 공급시설 정비가 필요하다. 특히 본래의 상태로 저장할 수 없는 전기는 정전되었을 때 사회에 미치는 영향이 크기 때문에 전력회사는 전력수요의 최대 부하에 맞춘 공급설비를 확보하지 않으면 안된다. 변동하는 전력부하에 대해 안정된 공급서비스를 실시하기 위해서는 주야간의 전기요금에 격차를 둔 전기메뉴, 고효율 전기이용기기, 그리고 전력저장기술이라는 대책이 필요하다. 이 가운데 전력저장기술은 전력부하를 평준화하며 가장 큰 효과를 얻을 수 있는 대책으로 활발한 도입이 기대된다. 전력저장기술의 역할과 종류 1. 전력저장기술의 역할 발전설비를 경제적으로 운용하기 위해서는 운전비와 연료비가 싼 수력발전, 원자력발전, 석탄화력발전을 이동률이 높은 기본 전원으로 이용하고, 석유화학발전과 가스터빈발전같은 건설비는 싸지만 연료비가 비싼 발전설비를 이동률이 낮은 피크용 전원으로 이용해야 한다. 전력저장은 야간 등 오프 피크 시에 기본 전원의 전기로 에너지를 저장하고, 주간의 피크 부하 시에 그것을 전기로 변환시켜 부하의 이동에 따라서 평준화를 행하는 것이다. 연료비가 저렴한 기본 부하전원의 수요를 높이고, 반대로 석유 등 연료비가 비싼 피크 부하용 발전설비를 줄이는 역할도 있다. 이와 같은 경제적인 장점을 일반적으로 전력저장의 부하평준화효과라고 말한다. 석유는 가격 변동폭이 큰 연료로 최근 몇 년 간 배럴 당 30~70달러의 고가행진이 계속되고 있기 때문에 전력저장도입에 따른 경제효과가 크다. 또 앞으로 원자력개발이 진전되어 원자력발전의 전력이 야간 등 오프피크 시에 전력저장용으로 이용될 수 있도록 하기 위해서는 원자력발전의 부하추종운전이 불필요하게 되어 그에 따른 원자력발전 신뢰성은 향상된다. 전력저장기술 도입에 따라서 주간의 화석연료, 특히 석유와 LNG가 절약되며 자원이 궁핍한 일본의 에너지 안전도가 높아질 것이며, CO2 배출량도 삭감할 수 있게 된다. <표 1>은 전력저장을 도입함으로써 얻을 수 있는 다양한 효과를 부하평준화와 함께 표시한 것이다. 표에 표시된 것처럼 전력저장에는 전압·주파수 조정 또는 정전 시의 비상용 전원, 예비력으로서 전력계통의 신뢰성을 향상시켜 나가야 하는 역할이 있다. 또한 부하평준화와 신뢰성 향상을 위한 여분에 드는 비용, 기동정지 시와 부하추종에 따른 효율저하에 따른 연료비, 전압·주파수조정설비비를 줄이는 경제적인 효과도 있다. 최근 들어 환경문제, 특히 지구온난화대책의 하나로 전력저장에 대한 기대가 커지고 있다. 전력저장기술은 온실효과가스의 하나인 이산화탄소의 배출을 직접적으로 억제할 수는 없지만 간접적으로는 억제할 수 있다. 그러기 위해서는 두가지 방법이 있다. 하나는 부하 이동인 부하평준화에 의해 기본전원의 전기를 피크 전원으로 전환하는 방법이다. 즉 오프피크 시의 LNG화력과 원자력발전이라는 이산화탄소의 배출량이 적거나, 아예 배출하지 않는 전원을 이용해서 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 주간의 피크 시 발전으로 사용하면, 석유화력 연료삭감에 의한 이산화탄소 배출량이 줄어들게 된다. 다른 방법은 태양광와 풍력 등 재생가능한 에너지를 사용한 발전기술을 보급하고 촉진시켜 생기는 효과다. 태양광과 풍력에너지는 자연적이라 그 발전기술의 전기출력은 기상현상에 따라 크게 변한다. 또 전기의 전압과 주파수도 변동하기 쉽기 때문에 대량으로 보급되면 전력계통의 운용에 지장을 주게 될 것이다. 이 공급의 신뢰성 문제를 개선하기 위해서는 축전지 등의 전력저장기술을 도입해야 한다. 전력저장에는 전기의 질이 낮은 재생가능한 에너지 발전기술을 보급시키는 효과가 있으며, 그에 따른 이산화탄소의 배출량을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 2. 전력저장기술의 종류 에너지를 저장하는 형태에는 역학, 열, 화학, 전자기가 있다. 이 가운데 석유 등의 화학물질은 에너지 밀도가 가장 높은 에너지다. 에너지 밀도는 전기화학, 고온열, 운동에너지, 전자기, 압축공기, 위치에너지의 순으로 낮게 된다. 고밀도 에너지일수록 저장특성이 뛰어나다. 전력저장기술에는 이미 상용화되어 있는 양수발전과 축전지 외에 압축공기, 플라이호일, 초전도 등이 있다(<표 2>). 전력저장밀도는 저장된 에너지 종류에 따라 다르며, 물에 의한 위치에너지와 열의 저장밀도는 운동, 화학, 자기에 비해 낮다. 저장설비를 완벽하게 하기 위해서는 에너지 밀도와 저장효율이 뛰어난 저장기술이 필요하게 된다. 축전지와 플라이호일은 에너지가 화학, 운동에너지에 의해 축적될 수 있기 때문에 저장밀도는 높게 되며, 장치가 소형이 된다. 또 기동정지와 부하응답성이라는 시스템 운용에도 우수하다. 그러나 문제는 장치의 수명과 경제성이다. 저장밀도와 운용특성을 높이기 위해서는 장치를 정밀하게 해야 하기 때문에 그만큼 수명이 짧아지며 저장의 단위 에너지 당 설비비도 높아지게 된다. 그에 비해 저장밀도는 낮지만 토목공사로 설비를 만들 수 있는 양수발전과 압축공기는 비교적 저렴하게 저장설비를 건설할 수 있다. 즉 토목적인 기술에 의한 저장법은 저장용량이 클수록 경제적으로 유리하다. 다른 전력저장기술을 운용성과 경제성으로 비교하며, 화학과 운동에너지로 저장하는 축전지와 플라이호일은 소형 저장설비로 우수하며, 압력과 위치에너지로 저장할 수 있는 압축공기와 양수발전은 대형에 유리하고 초전도는 그 중간에 위치한다. 3. 전력저장기술의 발전동향 (1) 양수발전 양수발전은 대규모 발전저장으로 실용화되고 있는 유일한 기술이다. 일본에서는 전국에 40지점 이상의 양수발전소가 있는데 그 총출력은 약 2,000만kW에 달하며, 총설비용량의 약 10%를 차지한다. 양수발전소는 ‘상지(上池)’와 ‘하지(下池)’라는 두 개의 저수지를 만들어 야간과 휴일 오프피크 시에 대형화력발전과 원자력발전을 이용해 하지에서 상지로 물을 끌어올려 야간의 전력수요가 피크일 때 이 물을 이용해서 발전하는 시스템이다. 상지와 하지와의 격차를 크게 하면 할수록 발전출력도 크게 되기 때문에 고낙차·대용량화를 위한 기술개발이 진행되고 있다. 양수발전소의 규모는 1960년대까지는 그 최대 낙차가 200m였는데 그 후 기술이 개발되어 낙차는 점점 더 커지게 되었다. 현재 규슈전력(주)의 텐잔(天山)발전소는 603m이며, 가장 낙차가 큰 발전소로는 778m의 도쿄전력(주) 카도노(葛野)발전소 건설이 계획되어 있다. 양수발전은 앞으로도 큰 낙차와 대용화를 위해 개발이 계속될 것이다. 양수발전은 종래의 하천을 대상으로 건설지점이 선택되었지만 사방이 바다로 둘려 쌓인 산이 많은 일본의 지형을 이용한 해양수력발전도 도입되고 있다. 파이롯트플랜트 건설은 1987년에 시작되어 1999년 3월에 완성되었다. 건설지점은 오키나와본섬 북동부인 츄라사쿠이며 유효낙차 136m, 발전출력은 3만kW이다. 양수발전의 특장은 하지가 필요치 않기 때문에 건설비용을 절감할 수 있으며 대용량화를 꾀할 수 있다는 점이다. 그러나 한편으로 펌프수차와 수로계의 부식, 주변환경으로의 해수침투와 비산 등의 문제점을 해결해야 한다. 최근 들어 양수발전 건설은 점점 더 어려워지고 있다. 가장 큰 이유는 전력수요의 신장세 저하다. 수요의 신장세 저하는 발전설비와 마찬가지로 대형저장설비의 신규건설을 늦추고 있다. 또한 전력자유화에 따른 투자액이 큰 플랜트건설을 앞당기는 경향이 있다. 따라서 부하율에도 변화가 생기고 있다. 과거에는 냉방부하가 많아서 부하율이 악화되는 경향이 있었지만 최근에는 요금제도와 전력이용기기의 효율개선이라는 디멘트사이드매니지먼트에 의한 부하율은 향상되기 시작했다. 또한 양수발전의 입지문제도 있다. 도입규모가 증대함에 따라 입지점이 전력수요지로부터 멀어지게 되므로 또 경제적인 적지가 차츰 더 줄어드는 것이다. 이런 정세변화에 따라서 양수발전을 보완하는 다른 소규모 전력저장기술 도입이 기대되기 시작했다. (2) 초전도 저온이며 전기저항을 없애는 초전도현상은 1911년 네덜란드의 카메린 온네스에 의해 발견되었다. 그 후 많은 연구자들이 그 물질을 탐색했으며 그 탐구범위는 연과 같은 단원소에서부터 합금, 금속간 화합물로까지 확대되었다. 그리고 1986년에 그 후 화이버를 감은 산화물 세라믹스의 초전도물질이 발견되었다. 고온초전도의 발견 당치 각 연구자들의 파이버 연구열풍은 140년 전의 미국 골든 러쉬를 생각나게 할 정도였다. 초전도의 응용에는 마그네트를 이용한 전력, 운송, 의료분야와 기능소자와 센서 등에 이용한 일렉트로닉스분야가 있다. 이 가운데 전력 응용 예로는 발전기, MHD발전, 전력저장 등이 있다. 초전도전력저장은 코일에 흐르는 전류에서 에너지를 저장하는 기술이다. 저장효율은 90% 이상으로 크며, 축전지와 똑같이 부하 변동에 순간적으로 추종할 수 있는 우수한 특성을 갖고 있다. 초전도전력저장의 개념설계에 대해서는 미국의 위스콘신대학과 로스아라모스국립연구소에서 최초로 행해졌다. 그 후 미국에서는 SDI 계획의 일환으로 22MWh 장치의 건설계획이 시작되었다. 그 계획에는 미국전력연구소도 참가했으며 전기사업용 전력저장설비의 실증시험이 행해졌다. 일본에서도 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 전기사업을 중심으로 상세한 개념설계의 의한 검토가 진행되었다. 그 후 초전도에너지저장연구소와 (재)국제초전도산업기술센터에서도 초전도전력저장의 적용 가능성과 경제성을 검토하여 다음과 같은 요소기술개발의 방향을 제시했다. · 대용량 코일을 지지하는 강고한 암반의 적지를 고려할 때, 일본에서는 10MWh 정도의 중규모설비를 전력소비지에 분산배치할 것을 권장한다. · 최초 도입은 초전도 부하변동으로의 즉응성을 살려서 전압과 주파수를 안전화하는 조정설비로 한다. · 실용화에는 냉각건설의 간소화와 경제성을 기대할 수 있는 고온초전도 선재개발이 필요하다. 고온초전도의 박막개발은 계속해서 연구성과가 좋아지고 있지만, 아직 물질의 단계이며 ‘재료’는 아니다. 초전도물질을 실제로 이용하기 위해서는 재료를 선재와 박막으로 가공할 때 외부로부터 자계가 걸린 경우에도 충분한 전류밀도와 강도가 유지되지 않으면 안된다. 고온초전도선재의 실현에는 또 그 개발에 상당한 기대와 경제적인 위험부담을 동반한다. 초전도 연구는 약 10년 전에 이상할 정도로 생각되었던 개발열기가 식었으며 착실하게 수수한 연구로 되돌아갔다. 그러나 만약 액체질소이며 이용 가능한 초전도재료가 개발된다면 그 사회적인 효과는 크며 전력, 운송, 일렉트로닉스, 의료 등 폭넓은 영역에서 발전할 수 있다는 가능성은 지금도 변함없다. 앞으로도 실현될 수 있도록 착실하게 연구해 나가야 할 분야다. (3) 축전지 전지의 고성능화는 최근 20~30년 사이에 급속하게 진전되고 있다. 기술개발 방향으로는 고에너지 밀도, 장수화, 경제성, 환경성, 안전성, 리사이클성 등을 들 수 있지만 그 가운데 고에너지밀도는 앞으로 축전지 용도의 확대와 보급을 생각할 때 가장 중요한 과제다. 기존의 축전지의 대표격으로는 연축전지와 니켈·카드뮴전지다. 연축전지는 소형 실형의 도입으로 이용하기 편해졌으며, 산업용과 자동차용을 중심으로 하던 분야로부터 포터블 기기용으로 그 용도가 확대되었다. 니켈·카드뮴전지는 정극제조방법의 개량 등 기술진보에 의해 고용량화에 성공해서 이론적으로 한계에 가까운 수준까지 발전했다. <표 3>은 현재 개발이 진행되고 있는 축전지의 종류와 특징을 보여준다. 민생용 축전지 가운데 가장 널리 보급된 것은 니켈수소축전지와 리튬전지다. 부극에 수소흡장합금을 사용한다는 점을 특징으로 니켈수소축전지는 기전력이 거의 니켈·카드뮴전지와 같다는 점, 용량이 크다는 점, 수소흡장합금이 카드뮴과 달리 환경오염의 위험이 적다는 점 등 때문에 종래의 휴대용 기기에 적용 가능한 전지로 만들어져 보급되고 있다. 니켈수소축전지에 이어 새로운 세대를 이어가고 있는 것이 리튬축전지라고 할 수 있다. 그 가운데 부극에 리튬금속을 대신해 탄소재료를 채용한 리튬이온축전지가 빠르게 전지시장으로 확대되고 있다. 축전지의 용도에는 가전제품 이외에 공장과 사무소의 비상용 전원, 전기자동차의 동력원, 전기사업의 전력저장, 재생가능 에너지의 전력저장 등이 있다. 방법은 다르지만 전력 부하를 평준화해서 전력공급의 신뢰성을 향상시킨다는 점은 어느 것이나 같다. 축전지는 양수발전 등 다른 전력저장기술에 비해 컴팩트하며 입지제약이 적기 때문에 전기사업에서는 수요지근접의 발전소, 변전소, 수요가 등 전력계통 내의 다양한 장소에 설치되고 있다. 또 축전지는 부하응답성과 신뢰성도 뛰어나기 때문에 변·배전소 등에서의 전압·고주파조정용, 또는 피크 커트용 전원으로도 도입되고 있다. 나트륨유황(NAS) 전지는 공장의 부하평준화용 외에 상하수시설과 상업시설에도 도입되고 있다. 또한 부가기능으로 순정대책·비상용 전원 등의 역할을 맡고 있다. 2005년 시점까지 도입된 NAS의 설비용량은 약 100MW에 달한다. 레득스플로전지(RE)도 부하평준화, 비상용 전원, 순저대책 등 다양한 목적으로 설치되었다. 예를 들어 풍력발전 전력품질의 유지를 목적으로 30MW급의 윈드암에 대해 4MW/6MWh의 RE전지를 이용한 연구가 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)에 의해 추진되고 있다. 재생가능 에너지의 출력변동을 전력계통에 원활하게 연계하는 연구로는 주택용 태양광발전시스템에 연축전지를 병설함으로써 배전계통으로의 역조류를 유효하게 이용하는 실증연구도 NEDO의 프로젝트로 행해지고 있다. 축전지의 라이프사이클 CO2배출량 에너지기술의 환경을 검증하기 위해서는 라이프사이클에 대해 다각적으로 평가해야 한다. 축전지에 대한 라이프사이클 평가(LCA)는 지금까지의 전기자동차에 대해 행해졌으며, 축전지 각각의 라이프사이클에 있어서 에너지·환경부하는 명확히 밝혀지지 않았다. 지금까지는 <표 4>에 표시된 것처럼 이미 상품으로 이용되고 있는 연축전지 (PbA)·니켈카드뮴 이차전지(NiCd)·니켈수소이차전지(NiMH)·리튬이온 이차전지(Li-ion)을 대상으로 라이프사이클 CO2배출원단위를 시산한 결과를 소개한다. 검토범위는 축전지의 소재제조단계, 부품제조·조립단계, 사용단계라는 3단계를 상정해서 충전한 전력에 대해서도 라이프사이클에 미치는 영향을 고려했다. 사용단계의 영향은 충방전손실만으로 LCA를 행하며 기준이 된 기능단위는 80% 방전심도에서 30kWh/day 방전을 10년간 매일 행한 것으로 상정했다. <그림 1>은 축전지의 충전전력으로 계통전원의 사용단에 평균라이프사이클 CO2 배출원 단위(483g-CO2/kWh)를 이용한 경우 각종 축전지의 CO2 배출원 단위 결과다. 니켈수소축전지 CO2 배출원 단위가 가장 높으며, 다음으로 연축전지와 니켈·카드뮴축전지가 거의 비슷하고, 리튬이온축전지가 가장 낮았다. 축전지를 이용해서 전력을 사용함에 따라 그 라이프사이클 CO2 배출원 단위가 계통전력평균치의 1.4 - 1.7배까지 증가하는 것을 알 수 있다. 리튬이온 축전지가 가장 큰 값이 된 이유는 에너지효율과 제조단계에 필요한 에너지가 4개의 축전지 가운데 가장 작기 때문이다.

다음으로 축전지의 전력부하평준화이용의 입장에서 CO2 배출원 단위를 산출했다. <그림 2>는 축전지의 충전전력에 야간전력의 평균 라이프사이클 CO2 배출원 단위(23시~7시 : 391g-CO2/kWh)를 밑돈다. 또, 주간의 평균전력원단위(514g-CO2/kWh)와 비교해서 보면 연, 니켈·카드뮴, 니켈수소에서는 그 값을 상회하는 리튬이온 CO2 배출원 단위는 하회하게 된다. 앞으로 축전지 에너지 밀도향상 및 제조프로세스의 개선, 야간전력의 축전이용에 따른 부하율 개선과 함께 환경부하의 개선이 요구된다. 맺음말 전력저장기술의 개발은 전력수요의 신장과 사회정세에 따라 크게 영향을 받는다. 전력수요의 신장률이 크고 부하율이 좋지 않았던 1960년부터 1990년에는 양수발전이 계통전체 부하평준화를 담당하는 기술로 개발되어 쓰여져 왔다. 20세기 후반부터 시작된 전력자유화의 흐름에 따라 전력공급의 신뢰성은 수요가 스스로 책임지고 확보해 나가야 한다. 또 한편으로는 전력수요의 신장이 둔화되기 시작하고 대형 저장기술 보다 축전지와 캐패시터로 일컬어지는 소용량이며 투자액이 적은 분산형 기술이 주목받게 되었다. 문제는 시장 경제 속에서 얼마나 기술을 보급할 수 있느냐다. 지금까지 해왔던 것처럼 공익사업 성격의 공급책임 입장이 아니라 다른 상품과 같이 경제적으로 보급하지 않으면 안되는 상황이 된 것이다. 그러기 위해서는 수요측에서 사회 요구에 맞는 부가가치를 얼마나 높일 수 있느냐가 열쇠다. 전력저장의 부가가치는 부하 평준화와 비상용 전원과 전압·주파수 조정에 따른 신뢰성향상이 기본이 되지만 최근에는 이에 덧붙여 CO2 배출량의 삭감과 태양광발전과 풍력발전 등 재생가능에너지의 보급확대라는 역할도 추가되었다. 또, 운송용의 새 동력원으로 하이브리드자동차, 플러그인·하이브리드자동차, 전기자동차, LRT(light rail transit)의 기동정지용 전원으로도 보급될 것을 기대하고 있다.