이차전지의 세계(2)-NAS 전지의 현황과 향후 전망

이차전지에 의한 전력저장은 콤팩트하고 여러 가지 용도로 이용할 수 있는 가능성이 있다. 또한 기술적으로도 높은 레벨이므로 큰 관심을 받으며 대규모 연구개발이 진행되고 있다. 이번 호부터 환경대책, 부하평준화, 모바일용 최신 기술로 각광받고 있는 이차전지에 대해 몇 회에 걸쳐 개관한다. - 편집자 주 개요 나트륨-유황전지(NAS 전지)는 야간의 전력을 저장하여 낮 시간에 이용하는 것으로, 부하평준화를 실시하고 전력설비의 합리적 이용을 촉진하기 위해 개발·도입한 전지이다. 이 전지는 전기요금을 줄임과 동시에 순시전압 저하대책 등 부가가치를 갖춘 상품으로 소비자에게 도입되고 있다. 이번 장에서는 도쿄전력(주)에서 개발한 NAS 전지의 현황과 향후 전망에 대해 설명한다. NAS 전지의 개발 배경 전력수요는 주간과 야간, 그리고 계절에 의해서 큰 차이가 난다. 이때까지 전기는 저장할 수 없는 것으로써 발전(發電)할 때만 사용할 수 있었다. 그 때문에 전력회사에서는 한여름의 낮 시간에 발생하는 최대전력에 대비하여 발전소나 유통설비를 증강해야만 했다. 다소 여유가 있는 야간에 전력을 저장하여 주간에 그것을 방출해 사용할 수 있으면, 전력설비의 효율적 운용이 가능해져 발전·유통설비로의 투자억제가 가능해진다. 전력회사에서는 피크 시간대를 대비하여 양수발전소를 건설하여 대응해왔는데, 수요지 주변에 설치 가능한 전력저장설비가 있으면 보다 효과적인 대책이 될 수 있다. 나트륨-유황전지(이하 NAS 전지)는 콤팩트하기 때문에 수요지 주변에 분산설치가 가능하고, 부하평준화 효과로 인해 설비투자를 억제할 수 있으며, 송전손실의 저감 뿐 아니라 화석연료비율이 낮은 야간 전력의 사용에 의한 CO2의 삭감도 기대할 수 있다는 이점이 있다. 또한 최근에는 전기사업법의 개정에 의한 전력의 자유화로, 소비자는 자기가 원하는 가격이나 서비스를 제공하는 전력공급자를 선택할 수 있는 등 전기사업을 둘러싼 상황은 계속 변화하고 있다. 이런 상황에서 전력저장기술은 부하평준화 뿐만 아니라 무정전 전원기능, 자연 에너지 등 변동하는 전원의 출력 보상이라고 하는 점에서 크게 부각되고 있다. 도쿄전력(주)에서는 1983년에 NAS 전지의 개발을 착수하였고, 1984년부터는 일본 가이시(주)와 협력하여 베타 알루미나, 단전지, 모듈 전지의 개발을 진행해왔다. 1992년에는 이제까지의 기술개발성과를 기본 삼아 실용원형기 50kW급 전지의 실증시험을 실시, 각 소(所)에서 여러 가지 실증시험을 거쳐 상품화하였으며, 2002년부터 소비자에게 본격적으로 판매를 시작하였다. 단전지는 소형 단전지부터 개발을 시작, 각종 기술개량을 거쳐 현재는 성능, 안전성, 내구성, 코스트의 모든 면에서 기술적으로 성숙한 대형 단전지(T5형)를 개발 중이다. NAS 전지는 재료로 나트륨과 유황을 사용하고 있기 때문에, 개발 당초 설치하는데 있어 소방법의 규제에 어느 정도 제약이 있었다. 도쿄전력(주)는 개발에 안전에 가장 중점을 두었으므로 설계면에서 다중 안전구조 등 여러 가지 방법을 채용, 연구를 계속하며 안전성 실험을 계속 반복하여 실시해 왔다. 특히 1994년에는 전문가와 소방행정에 관련된 사람들로 구성된 위원회의 지도 아래, 전지의 낙하·화재·침수와 같은 재해시 안전성 확인시험을 실시하여 안정성을 확인받았다. 이것으로 1999년에 소방청이 규제를 완화하여 설치·운전에 있어 제약이 거의 없어졌다. 단전지 및 모듈 전지의 개발 (1) NAS 전지의 원리 NAS 전지는 부극활물질에 ‘나트륨’, 정극활물질에 ‘유황’, 고체 전해질로 ‘베타 알루미나’라는 세라믹을 이용하는 전지이다. 베타 알루미나는 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 세라믹으로, 이 베타 알루미늄을 사이에 두고 부극과 정극 사이를 나트륨 이온이 이동하는 것으로 충·방전이 이루어진다. (<그림 1> 참조)

(2) 단전지의 구조 단전지의 구조는 원통형으로 되어 있으며, 중심에서부터 ‘나트륨’, ‘금속관’, ‘베타 알루미나’, ‘유황’, ‘전조(電槽)’의 순서로 배치된다. 단전지는 하나하나가 금속용기에서 밀폐되어 있어 내부의 활물질이 단전지 외부로 새지 않는다. (<그림 2> 참조) 금속관은 안전 기구로 배치되어 있으므로, 만에 하나 단전지 내부에 이상이 있을 경우 자동억제기구로 동작한다. 단전지의 사양을 <표 1>로 나타내었다. 단전지는 기전력이 약 2V로 낮기 때문에 다수의 단전지를 최적 직병렬 접속하여 집합시켜 모듈을 구성한다. (3) 모듈 전지의 구조 NAS 전지는 고온 작동형 전지로 운전온도가 약 300~350℃이다. 이것은 전기를 구성하고 있는 모든 활물질을 용융상태로 유지해야 하므로, 모듈은 진공단열용기에 넣어 고온을 유지하도록 한다. (<그림 3> 참조) 단열용기 내부에 온도 컨트롤러용 전기 히터를 설치하고 있으며, 전지의 정격 충·방전 중에는 전지 내부 저항에서의 발열로 운전온도를 유지할 수 있도록 설계하여 히터 전력을 최소한으로 한다. (4) 안전설계 전지가 고장나도 안전성을 확보할 수 있는 설계를 고려하여 다중방어 방식을 채용했다. 단전지는 베타 알루미나관의 내측에 안전관을 설치하고 베타 알루미나관 파손 시 반응하는 나트륨의 양을 제한하여 온도상승을 억제하고 있다. 또 상부파손의 경우, 나트륨이 정극으로 승하하는 것을 방지하기 위해 정극압력을 부극압력보다 높게 설계하였다. 모듈은 과전류에서 전지를 보호하기 위해, 전류 퓨즈를 설치하고 단전지 사이에 모래를 충전하여 활물질의 흡수기능을 부여하였으며, 또한 질식(窒息)상태로 하여 만일의 경우 연소를 방지할 수 있도록 하였다. 다중제어에는 주로 다음과 같은 세가지가 있다. · 단전지가 고장나지 않도록 한다. · 고장나도 단전지 내부에서 해결하도록 한다. · 단전지에서 해결되지 않아도 모듈 내부에서 해결되도록 한다. 이렇게 설계된 NAS 전지는 1994년에 전문가와 소방행정에 관련된 멤버로 구성된 ‘NAS 전지에 관한 안전성 조사검토 위원회’에서 외부단락시험, 외부과열시험, 침수시험, 강제파괴시험, 낙하시험과 같은 각종 안전성 시험을 실시, 그 안전성을 크게 평가받았다. 이에 따라 1999년에 소방청이 ‘NAS 전지 설치에 관한 규제완화의 통지(소방위 53호)’를 발표하였고, 2000년에는 위험물 보안협회(KHK)의 인정을 취득했다. NAS 전지 시스템의 설치 예 NAS 전지에 의한 전력저장 시스템의 설치에는 두 종류의 시스템이 있다. ① 전력회사 측 변전소에 대규모 시스템을 설치하고 부하평준화를 실시한다. NAS 전지 시스템의 콤팩트와 고효율성을 살려 전력계통측에 설치하는 경우에는 가장 수요측에 가까운 배전용 변전소에 설치하는 것이 베타이다. 이것으로 상위계통의 전원이나 송변전 설비의 신증설 연장 효과를 기대할 수 있다. 현재 세 군데(합계 5,000kW)의 변전소에서 가동 중이다. ② 소비자 측 중·규모 시스템을 설치하여 부하평준화를 시행한다. 또 옵션기능으로써 비상용 전원, 무정전 전원기능도 추가가능하다. 배전용 변전소 부하측에 NAS 전지를 설치하는 것은 직접적인 부하평준화로 이어진다. 도쿄전력(주)에서는 2002년 4월에 NAS 전지를 소비자에게 본격적으로 판매하기 시작했다. 2005년 10월말까지의 설치 실적은 53개소(합계 86,400kW)의 NAS 전지 시스템이 가동 중이며 향후 늘어날 전망이다. 현재, NAS 전지로 사용되고 있는 시스템은 크게 ‘부하평준화’, ‘순시전압저하보상’, ‘비상용 발전기능’의 세 가지로 나눌 수 있다. 다음으로 이 세 가지의 설치사례와 운용실적을 소개한다. (1) 부하평준화 시스템 부하평준화 시스템은 NAS 전지와 같은 전력저장용 전지의 가장 기본적인 시스템이다. NAS 전지는 ‘직류’이기 때문에 ‘교류’로 사용하려면 교직변환기가 필요하다. 그 교직변환기에는 반도체 소자에 IGBT를 이용한 자려식 전압형 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 이용하고 있다.

앞서 말했듯, 부하평준화 시스템은 NAS 전지와 같은 전력저장용 전지의 가장 기본적인 시스템으로, 운전은 하루에 ‘야간에 충전, 주간에 방전하는 패턴’을 1 사이클로 하여 미리 입력된 스케줄을 자동적으로 반복하는 시스템이다. <그림 4>에 1,000kW 시스템의 예를 나타내었다. 1,000kW 시스템은 소비자의 6.6kW 수전설비에 교직변환장치를 통해 접속하여, 50kW 모듈 전지 20대로 구성된다. 야간에 저장한 전기를 주간에 방전함으로써 피크 전력을 이동시켜 계약전력을 줄이고, 동시에 주야간의 전기요금 격차를 이용하여 전기료를 절약하거나 설비를 효율적으로 운용하도록 하는 등의 효과를 발휘하는 것이 큰 장점이다. 또한 설정한 전력치 이상의 부하로 추종하여 방전하고 소비자의 수전전력을 평평하게 하는 부하추정운전도 선택할 수 있다. 이것은 계약 전력·설비용량 등에서 설정한 역치를 초과하면, NAS 전지에서 자동적으로 방전하여 수전전력을 일정하게 유지시키는 기능이다. 그리고 옵션으로 몇 초의 정전을 검출하면 미리 연계한 중요 부하설비에 자동적으로 변환하여 방전하는 시스템도 있다. 여기에서는 明星(메이세이)대학 日野(히노)캠퍼스에 설치되어 있는 1,000kW NAS 전지 시스템을 예로 들어 소개한다. (<표 2> 참조) 메이세이 대학의 주요 운전 특징은 다음과 같다. · 계절에 따른 부하의 변화가 비교적 적다. (연간 부하율이 높다) · 연간 거의 같은 운전 패턴 · 매일 방전한 분량으로 충전할 수 있다. · 주 6일 운전

2004년 10월에서 2005년 9월까지의 연간 충·방전 전력과 효율을 비교하면(<그림 5> 참조), 연간 방전량 7,200kWh, 충전전력량 8,760kWh로 거의 같은 운전을 반복하여 이상적인 운전을 할 수 있음을 알 수 있다. NAS 전지 시스템은 부하추종운전과 패턴 운전의 선택이 가능하지만, 메이세이 대학에서는 기본적으로 매일 정해진 패턴으로 운전을 하는 것이 효율이 좋으므로 부하추종운전은 채용하지 않으며, 연간 평균 77.6%의 고효율의 운용실적을 보이고 있다. (<그림 6> 참조) (2) 순저대책기능 부착 시스템 전항 (1)의 부하평준화 시스템에 순저대책기능을 부가한 시스템이다. IT화의 진전과 반도체 등의 정밀부품 제조업체에 있어서는 만일의 경우 낙뢰 등에 기인한 순시전압저하(이하 순저)에 의해 생산 라인이 정지되고 제조부품이 영향을 받아 손해액이 커지게 된다. 이를 방지하기 위해서 개별의 중요 부하마다 무정전 전원장치(UPS)를 설치하는 등 대책을 세웠지만, 순저대책기능부착 시스템을 일괄적으로 설치하면 유지·보수를 좋게 하는 이점도 생긴다. 이 시스템은 보통 부하평준화 운전을 하고 있지만, 순저가 있으면 고속으로 반도체 스위치로 계통에서 분리하여 전지에서 중요부하로 전력에 공급할 수 있다. 순저 시 부하평준화 출력은 ‘3배의 전력을 단시간(최대 13초 정도)에 출력할 수 있는 타입’과 ‘1배의 전력만 출력 가능하지만, 전지용량 마지막 한계까지 출력 할 수 있는 타입’의 두 종류가 있다. 일본 (주)명전사의 누마즈(沼津)사업소에 설치된 순저대책기능 부착 시스템(1배 출력)의 사양 및 개요를 <표 3>, <그림 7>으로 나타내었다. 이 시스템이 지근단에서 단락모의로 순저보상동작을 했을 때의 전압파형은 <그림 8>과 같다. 이 시스템은 고속 SW의 개동작시간이 2ms로 상당히 고속이므로 일반 부하의 교류 퓨즈가 용단하기 전에 고속 SW가 열려 있음을 알 수 있다. 이런 순저대책기능 부착 시스템은 현재 6개소에서 가동 중이며, 2005년 10월말 기준 총 70회 정도 동작하여 순저에 의한 영향을 줄이고 있다. (3) 비상전원기능 부착 시스템 스프링클러 등의 소방용 설비를 비상용 발전기의 대체로 전원을 공급하는 시스템이다. 비상용 발전기로써 필요한 전력량을 항상 남기고 그 이외의 전력을 부하평준화에 사용하는 시스템이 비상용 전원 기능 부착 시스템이다. 이 시스템은, 예를 들어 전용량의 10%(1,000kW : 720kWh) 분량을 만일에 있을 정전 시 스프링클러나 비상용 조명 등의 소방용 전원으로 충전하고, 남은 것은 모두 부하평준화 운전에 사용하고 있다. 이 시스템은 부하평준화 운전에 의해 상시 가동되고 있기 때문에, 기존의 비상용 발전기와 비교하여 기동의 신뢰성이 높고 설치 공간도 작은 것이 큰 장점이다. 또한 화석연료를 사용하지 않는 깨끗한 전원을 사용하고 진동소음도 적기 때문에 환경성과 유지·보수성이 뛰어나다. 기능적으로 출력의 속도(1,000kW/s정도)나 주속기와 비교해도 부하추종성·전압의 안정 등 장점이 있다. 또한, 장기 정전시에는 비상용 발전기 출력의 안정성 확보를 위해 NAS 전지와 연계하려는 요구에 의해 현재 다음과 같은 검토를 진행 중이다. · 발전기와 변환기 제어계의 간섭(안전성 검증) · 축 비틀기 진동현상의 검증 · 부하의 기동특성, 부하제어특성 비상용 발전기와 연계한 경우의 예를 <그림 9>로 나타내었다. 향후 전망 전력저장기술은 이때까지의 ‘전기의 발생 = 소비’라고 하는 전력유통 네트워크의 숙명에, 새롭게 ‘저장’의 기능을 추가한 것이다. 이것은 부하평준화 뿐만 아니라, 자연 에너지 등의 보다 깨끗한 에너지와의 조합과 비상용 전원 등의 활용에서 전력품질향상과 이어지는 것이다. 여기에서 소개한 NAS 전지는 내구성·신뢰성, 안전성 등의 면에서 뛰어나므로 가장 편리하고 보다 깨끗한 계통전력을 효과적으로 활용하기 위한 중요한 도구로 향후 도입이 진행될 전망이다.