[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ③] 납축전지의 기술 동향

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[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ③] 납축전지의 기술 동향

2015년 12월 1일 (화) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2015년 12월호 - 전체 보기 )

[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ③]
납축전지의 기술 동향

납축전지는 오랜 역사를 바탕으로 한 뛰어난 경제성, 신뢰성, 안전성 및 리사이클성을 자랑하며 자원순환사회 구축에 공헌하고 있다. 향후 더욱 우수한 특성의 전지가 실용화될 전망이며, 납축전지가 미래 축전시스템 보급의 견인차 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 본고에서는 납축전지 중 「사이클용 제어밸브식 납축전지(VRLA 축전지)」의 원리 및 특징, 기술동향에 대해 소개한다.

정리 편집부

최근 지구 온난화 방지 및 전력부족 대책의 일환으로 전력을 효율적이고 유효하게 이용할 수 있는 축전시스템의 도입 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 축전시스템의 주요 용도로는 이하의 4가지를 들 수 있다.

(1) 심야의 잉여전력을 축전지에 저장하여 주간의 피크시에 사용하는 전력 부하평준화(피크컷) 시스템

(2) 낙도·오지 등 미전화(未電化) 지역에서 디젤발전기, 신에너지(태양광발전, 풍력발전 등)와의 조합을 통해 전력을 공급하는 독립전원시스템

(3) 기후변화의 영향으로부터 발전출력을 안정화시키는 신에너지 발전사업자를 위한 변동완화시스템

(4) 스마트 시티 등 제한된 지역의 전력수급의 일부를 조정하는 에너지관리시스템

이러한 시스템들에는 이전부터 비교적 비용이 저렴하고 수명이 길며 유지보수성 및 리사이클성에 있어서도 성능이 우수한 「사이클용 제어밸브식 납축전지」가 사용되어 왔다.

제어밸브식 납축전지의 원리와 특징
제어밸브식 납축전지의 원리

제어밸브식 납축전지는 양극에 이산화납, 음극에 해면상납, 세퍼레이터에 유리 단섬유의 부직포를 사용해 각 부재에 전해액인 희황산을 함침·유지시켜 전해액량을 필요 최소한으로 제한하고 있다.([그림 1] 참조)

개방형인 액식(液式) 납축전지에서는 충전 말기에 물의 전기분해에 의해 전해액이 감소하지만, 제어밸브식 납축전지는 「음극흡수반응」 기능에 의해 전해액 감소가 억제된다. 음극흡수반응의 원리를 이하에 설명한다.([그림 2] 참조)

충전 말기에 축전지 전압이 상승하면 양극판에서 산소가스, 음극판에서 수소가스가 발생한다. 이 산소가스는 음극판에서 활물질을 산화시키고 흡수되어 일산화납을 생성하게 된다.

이 일산화납은 희황산과 즉시 반응하여 황산납과 물을 생성한다. 충전을 계속하면 이 황산납은 해면상납으로 환원되지만, 다시 산소에 의해 부분방전 상태가 된다. 이처럼 음극판에서는 충전과 동시에 방전의 작용도 일어나기 때문에 늘 수소가스 발생 이전의 상태로 평형을 이루어 수소가스 발생이 억제된다. 이러한 반응에 의해 전해액 중의 수분은 거의 감소하지 않고, 이에 따라 액식 납축전지에서의 수분보충(water refilling, 물의 재충전)이 불필요하게 되어 제어밸브식 납축전지의 밀폐구조를 실현하고 있다.

제어밸브식 납축전지의 특장점

제어밸브식 납축전지의 특징으로는 ①운전의 용이성(상온가동, 순시가동 가능, 보조기기 불필요) ②간편한 유지보수성 ③수용액계의 전해액으로 연소성이 없다 ④폭넓은 용량대의 제품 보유 ⑤시장에서의 사용실적이 많다 ⑥리사이클 체제가 확립되어 있다(일본 국내) ⑦다른 축전지와 비교해 저렴하다는 장점 등이 있다.

앞으로 축전지 시장의 확대와 더불어 비용 및 안전성, 리사이클성 면에서 도입이 유망한 축전지로 평가되고 있다.

사이클용 제어밸브식 거치형 납축전지의 개발 경위

전력저장용 사이클 장수명 납축전지

기존의 UPS(무정전 전원장치) 등 스탠바이 용도와 충방전을 반복하는 사이클 용도는 사용조건이 다르기 때문에 축전지의 열화요인도 달라진다. [표 1]에 스탠바이 용도와 사이클 용도에 따른 제어밸브식 납축전지의 사양 비교를 나타냈다.

신코베 전기는 사이클 용도로 사용할 시의 열화요인이 되는 △양극 활물질의 이상화(泥狀化: 진흙 같은 걸쭉한 모양으로 변하는 현상) △집전체(集電體)의 부식 변형 △음극 활물질의 설페이션 △전해액의 감소 및 성층화 등을 억제하는 기술을 개발했다. 이처럼 기존의 스탠바이용 제어밸브식 납축전지에 대해 모든 부위를 사이클용으로 개량하여 야간 전력저장에 의한 부하평준화를 목적으로 한 사이클 장수명 납축전지로서 2001년에 기대수명 3000사이클의 LL형 전지, 2005년에 기대수명 4500사이클의 LL-S형 전지를 개발했다.([표 2] 참조)

이러한 축전지는 부하평준화 용도 이외에도 풍력 및 태양광발전 등의 자연에너지 발전과 조합한 전력공급시스템으로 사용되고 있다.([그림 3], [그림 4] 참조)

풍력발전 출력변동 완화용 사이클 장수명 납축전지

태양광 및 풍력 등 자연에너지를 이용한 발전은 기상변화로 인해 출력(전압 및 주파수)이 변동되기 때문에 대규모 시스템에서는 연계된 전력계통에 악영향을 끼칠 우려가 있다. 특히, 풍력발전시스템은 출력이 수십MW로 영향이 크기 때문에 전력회사에서도 연계요건이 설정되어 있다. 이에 대한 하나의 대책으로 풍력발전시설에 축전지 설비를 병설하여 출력 증가 시에는 축전지에 충전시키고 출력 감소 시에는 축전지에서 방전함으로써 일정범위 내로 변동을 완화시키고 있다.([그림 4] 참조)

일반적으로 납축전지는 사용조건에 따라 열화모드가 달라진다. 전력저장 용도와 변동완화 용도에서의 전지사용방법의 비교를 [표 3]에 나타냈다. 부하평준화용은 전력피크 대응으로서 주간에 깊은 방전을 하고 야간에 만충전을 실시하는 사이클이 1일 단위로 반복되는 것에 비해, 변동완화용은 늘 만충전이 아닌 상태(PSOC: Partial State Of Charge, 부분충전상태)로 대기하며 단시간의 충방전이 연속적으로 이루어진다. 이처럼 사용조건이 바뀌면 기존과는 다른 모드에서 전지가 열화되며 수명이 단축될 수 있다. 축전지설비 병설형 풍력발전의 보급이 전망되는 가운데 전력수급기간과 동등한 내구성을 갖는 출력변동 완화 용도로서 기대수명 17년의 축전지가 요구되었다. 그리하여 실제 사용되었던 LL형 전지의 조사 및 PSOC의 용도를 상정한 각종 벤치테스트 결과로부터 축전지의 최종열화모드를 파악해 내구성을 향상, 2009년에 출력변동 완화용으로서 기대수명 17년의 「사이클 장수명 축전지(LL-W형 전지)」가 개발되어 일본 최초의 출력변동 완화형 풍력발전소인 「시우라 풍력발전소」에 설치되었다.([표 4], [표 5] 참조)이 풍력발전시스템은 2010년 2월에 운전을 개시하였으며, 축전지 병설형의 연계요건을 충족시켜 정기적으로 축전지 열화상태를 확인하는 등 실운용 조건(환경)에서의 데이터를 계속해서 축적하고 있다.

사이클용 제어밸브식 납축전지의 기술동향
앞서 기술한 대로 출력변동완화 용도에서는 단시간의 입출력 특성과 그 반복성능이 요구된다. 납축전지는 리튬이온전지 및 니켈수소전지와 비교하면 출력특성이 낮기 때문에 결과적으로 시스템 용량이 커지는 경향이 있다. 채산성이 중시되는 풍력발전사업에 있어서는 시스템 비용을 다운시키는 것이 중요하다. 그 하나의 방안으로 단시간 출력특성을 향상시키는 방법이 있다.

구체적으로는 양극단자 1개/음극단자 1개에서 양극단자 3개/음극단자 3개로 변경해 단자부의 단면적을 약 25% 증가시킴으로써 내부저항의 저감을 도모하였다.([그림 5] 참조)

이를 통해 LL-W형 전지와 비교해 0.4CA 방전 시에는 방전 시 단자온도의 상승을 약 20℃ 억제하고, 전지용량도 LL-W형 전지 대비 약 25%가 향상되었다. 이와 마찬가지로 0.6CA 방전 시에는 전지용량을 약 250% 향상시키고 있다.([그림 6], [그림 7] 참조)이 LL-WS형 전지를 시우라 풍력발전소에 적용했을 시 축전지 용량이 LL-W형 전지 대비 약 33% 저감되는 결과를 얻었으며, 이를 통해 축전지 용량 저감에 의한 시스템 비용 절감을 실현시켰다.([표 6] 참조)