NAS 전지 시스템의 개발과 금후의 전망

-21세기의 사회 인프라로서의 NAS 시스템 - 동경전력주식회사 田中 晃司 나트륨-유황전지(NAS 전지)는 에너지 밀도가 높고, 콤팩트하게 설치할 수 있는 등의 특징이 있어 주야간의 전력수요 격차를 평준화하는 새로운 전력저장기술로서 실용화가 진행되고 있다. 현재, 다양한 개발이 진행되고 있으며 그 용도도 종래의 부하평준화뿐 아니라 전력 품질 향상을 목적으로 한 것과 환경 개선에 기여하는 것까지 큰 진보를 보이고 있다. 본고에서는 최신의 NAS 전지 시스템의 개발 상황에 대해서 소개한다. NAS 전지 시스템의 필요성 지금까지 전기는 저장하는 것이 불가능한 것으로서 발전소가 만든 전기는 송전선이나 발전소 등의 전력 유통설비를 통해 수용지에 보내져 순시에 소비되고 있었다. 한편, 전력 수요는 주간와 야간, 또 계절에 따라서도 큰 차가 있으므로 전력회사에서는 항상 가장 무더운 여름의 주간에 발생하는 최대 전력에 대비하여 발전소와 유통설비를 증강할 필요가 있었다. 전력저장설비가 있다면 야간에 여유있는 전력을 저장하여 주간에 그것을 방출하여 사용할 수 있으며 전력설비의 효율적인 운용이 가능하게 되어 새로운 전력설비에 대한 투자를 삭감할 수 있다(그림 1). 전력회사에서는 이 목적을 위해 양수발전소를 건설하여 대응하고 있지만, 수요지 부근에 설치 가능한 전력저장설비가 있다면 보다 효과적인 대책이 될 것이다. NAS 전지는 이 요구에서 개발된 설비이며, 콤팩트하기 때문에 도시 근교에 분산설치가 가능하다. 전력저장설비의 이러한 사용 형태는 부하평준화(로드레벨링)라고 하는데 그 효과는 설비투자의 억제뿐 아니라 수요지 근방에 설치함으로써 송전 로스의 저감과 화석연료 비율이 낮은 야간전력의 사용에 따른 CO2의 삭감도 기대되어, 사회 전체에 공헌할 수 있다는 점이 큰 매력이다. NAS 전지의 구조와 원리 (1) NAS 전지의 구조 NAS 전지는 아연 배터리와 리튬이온전지와 같이 2차전지의 일종으로 몇 회고 반복하여 전기를 저장할 수 있는 전지이다. 주로 3개의 부분으로 구성되며, 음극 활물질에 “나트륨”, 양극 활물질에 “유황”, 그 사이에 고체 전해질인 “베타알루미나”라는 파인세라믹스를 사용한 전지이다. 베타알루미나는 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 세라믹스이며 이 베타알루미나를 통해 음극과 양극 사이를 나트륨 이온이 이동함으로써 충방전이 된다(그림 2). 단전지의 구조는 원통형을 하고 있으며 중심부터 나트륨, 금속관, 베타알루미나, 유황, 전조의 순으로 배치된다. 단전지는 1개 1개가 금속 용기에서 밀폐되어 있으며 내부의 활물질이 단전지 이외에 누설되지 않는 구조로 되어 있다(그림 3). 금속관은 안전기구로서 배치되어 있는데 단전지 내부에서 만일 이상이 있던 경우의 자동억제기구로서 동작하는 역할이다. 현재 주로 사용되고 있는 대형 단전지의 사양은 표 1과 같다. 단전지는 기전력이 약 2V이며 대전력 저장용으로 이용하기 때문에 최적인 직병렬 접속을 하여 집합화하여 모듈을 구성한다. NAS 전지는 고온동작형 전지로 운전 온도는 약 300℃∼350℃로 되어 있다. 왜냐하면 이것은 전지를 구성하고 있는 모든 활물질을 용융 상태로 유지할 필요가 있기 때문이다. 모듈은 진공단열용기에 수용되어 고온을 유지하도록 하고 있다. 단열 용기 내부의 온도 컨트롤용으로 전기 히터를 설치하고 있는데 통상 전지가 운전되고 있는 동안(충전시, 방전시)은 전지 내부 저항에서의 발열로 자연과 온도가 유지되도록 설계되어 있어, 전기 히터가 가동하는 일은 없다(그림 4). 현재 모듈 전지의 종류로는 용량별로 50kW, 12.5kW의 2종류가 있다(표 2). NAS 전지에 의한 전력저장 시스템 NAS 전지에 의한 전력저장 시스템의 기본 구성은 그림 5와 같이 전지 유닛과 교류를 연계하기 위한 교직변환장치로 구성된다. NAS 전지가 각종 2차전지 중에서 특히 전력저장용으로 적용되고 있는 특징으로 다음과 같은 것이 있다. (1) 콤팩트성(연전지의 약 3배) (2) 저장 로스가 적다(고충방전 효율, 제로 자기방전) (3) 롱 라이프(2,500사이클 이상) (4) 완전 밀폐형 구조로 클린한 전지 (5) 재료의 나트륨과 유황이 자원으로서 풍부 각종 NAS 전지 시스템의 특징·효과 전력저장설비의 설치 효과는 수요지에 가까우면 가까울수록 효과가 높다. 때문에 NAS 전지 시스템은 콤팩트 전력계통에서는 고객에게 가장 가까운 배전용 변전소에 설치하는 것이 최적이며, 송변전설비의 신증설을 앞당기는 효과를 기대할 수 있다. 또한 고객의 구내에 직접 설치할 수 있다면 이상적이라 하겠다. 고객에게 설치한 경우에는 저렴한 야간전력을 저장하여 주간에 방전함으로써 전기요금의 삭감이 가능하다. 또, 비상용 전원이나 UPS(무정전전원) 등의 기능을 부가함으로써 더욱 경제적인 메리트를 얻을 수 있다. 각종 NAS 전지 시스템의 주요 형태에 대해서 그림 6에 정리했다. 기술 개발의 상황 당사에서는 NAS 전지의 개발을 1983년에 착수하고, 1984년부터는 일본가이시(주)의 협력을 얻어, 베타알루미나, 단전지, 모듈 전지의 개발을 진행해왔다. 1992년에 그때까지의 기술 개발 효과를 기초로 실용원형기로서 50kW급 전지의 실증시험을 개시, 현재는 여러 곳에서 다양한 실증시험을 실시하고 있다(표 3). 단전지는 소형 단전지부터 개발을 시작했는데 각종 기술개량을 거듭하여 현재는 성능, 안전성, 내구성, 코스트 등 모든 면에서 기술적으로 성숙한 대형 단전지(T5형)가 개발되어 있다. NAS 전지는 재료로서 나트륨과 유황을 사용하고 있기 때문에 개발 초기에는 설치에 있어서 몇가지 제약이 있었다. 당사는 안전면에 가장 중점을 두고 개발을 진행했으며, 설계면에서는 다중안전구조 등 다양한 연구를 채용하여 안전성 시험을 반복 실시했다. 특히, 1994년도에 학식경력자와 소방행정에 관한 위원회의 지도하에 전지의 낙하, 화재, 침수라는 화재시의 안전성 확인시험을 실시하여 그 안전성에 대해 확인되었다. 이들 실적이 인정되어 1998년에는 소방청에서 규제완화가 통지되며 설치, 운전면에서의 제약은 거의 없어졌다. 변전소 설치용 시스템의 실증시험 상황 변전소 설치용 시스템은 도시 근교의 수용지에 위치하는 변전용 변전소 등의 구내에 설치하고 부하평준화를 도모하는 시스템이다. 현재 당사 변전소 3개소(網島, 大仁, 品川)에 설치되어 있는데 일례로서 大仁변전소의 6000kW 시스템의 외관은 그림 7과 같다. 변전소 설치용 시스템은 2000kW를 1유닛으로 구성되었으며, 변전용 변압기의 2차측(6.6kV 모선)으로 접속되어 있다. 大仁변전소의 경우에는 1유닛이 50kW 모듈 전지 40대로 구성되어 있다. 사진은 3유닛을 옥외에 설치한 것으로 6MW 시스템이 1999년 10월부터 운전시험 중이다. 운전은 1일 1사이클(주간 6MW 방전, 야간 7.2MW 충전)로 자동 운전하고 있으며, 방전, 충전의 1일 패턴은 변전소의 부하 특성에 맞춰 최적의 상태로 설정할 수 있다. 또한 어느 일정 전력 이상의 부하에 따라 방전하고 변전소의 수전 전력을 플랫으로 하는 부하추종운전도 선택할 수 있다. 각각의 운전 차트는 그림 8, 9와 같다. 고객 설치용 시스템의 실증시험 상황 고객 설치용 시스템은 공장과 빌딩 내에 설치하여 부하평준화를 도모함으로써 계약전력을 저감하거나 시간대별 전기요금 등을 활용하여 고객에게도 전기 요금적 메리트를 제공할 수 있는 시스템이다. 또한, 비상전원 기능과 무정전 전원 기능을 옵션으로 적용하는 것이 가능하기 때문에 정전시의 시큐리티 향상과 순간 저하에 대한 전력품질 향상에도 기여할 수 있다. 그림 10은 당사의 平塚영업소에 설치한 UPS 겸용의 50kW 시스템의 외관이다. 이 시스템은 소형의 12.5kW 모듈 전지 4대로 구성되어 소규모의 고객도 설치하는 것을 상정한 UPS 겸용 시스템이다. 또 그림 11은 日立엔지니어링 서비스에 설치되어 있는 300kW의 비상전원 겸용 시스템의 외관이다. NAS 전지병설 풍력 전지 시스템의 실증시험 상황 풍력발전과 병설된 NAS 시스템은 현재 TEPCO 신에너지 파크와 八丈島풍력발전소에서 실증시험 중이다. 이 중에서 八丈島에 설치되어 있는 NAS 전지 시스템은 NEDO가 실시하는 “축전지 병설 풍력발전 도입 가능성 조사”를 그 위탁처인 재단법인 에너지총합공학연구소에 의해 당사가 위탁한 것이다. 시험 목적은 풍력발전의 출력 변화를 NAS 전지 시스템이 보유하고 있는 즉응성이 좋은 보상 기능으로 평준화하는 것이다. 그림 12는 八丈島에 설치되어 있는 500kW의 풍력발전기와 병설되어 있는 400kW의 NAS 전지 시스템의 외관이다. 그림 13은 실제로 출력이 안정화되어 있는 시험 데이터이다. 기타 특수 용도 시스템의 개발 상황 이 외에도 각종 NAS 전지 시스템을 개발하고 있다. 그림 14는 NAS 전지를 사용한 이벤트용 이동전원차, 그림 15는 NAS 전지를 사용한 투광기의 외관이다. 모두 NAS 전지를 이동차용 전원으로 적용한 것이다. 운전시에 배출 가스가 전혀 없는 점이나 소음이 적은 점에서 주위환경에 제약이 있는 수요지로의 적용이 기대된다. 금후의 전망 상기와 같이 NAS 전지 시스템의 다양한 사용법을 중심으로 소개했다. 21세기에는 에너지 중에서 전기에 대한 비율이 더욱 증가하고 20세기의 사회구조, 사회 인프라가 재구축되게 되어 현재 NAS 시스템은 개개의 고객의 경제성을 높임과 동시에 그 환경성에서 사회 전체에 공헌하는 시스템이라고 확신한다.