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[연재] 신재생에너지 기술 현황과 전망 ⑩ - 자연에너지 발전을 위한 전력 저장 기술
2009-05-15

[신재생에너지 기술 현황과 전망 ⑩]

자연에너지 발전을 위한 전력 저장 기술
- 일본편 -


개요

도쿄의정서 발효에 따라 우리가 소비하는 에너지원을 재생 가능한 자연에너지로 전환하는 노력이 전세계적으로 진행되고 있다. 특히 전력 분야에서는 풍력발전기 및 태양광발전 시스템 등의 성능이 향상되거나 가격이 저하되면서 최근 이런 자연에너지 발전 도입량이 기하급수적으로 증가하고 있다. 그러나 자연에너지는 발전 출력을 능동적으로 제어할 수 없고 출력 예측도 어렵기 때문에 전력 계통에 혼란을 초래하고 전압 변동 및 주파수 변동 등의 문제를 일으킬 가능성이 있다.
이와 맞물려 전력 저장 기술은 축전지와 전기 이중층 콘덴서(커패시터), 플라이휠 등이 상용화되면서 그 실용성이 점차 늘어나고 있는 추세다.
이번 연재에서는 자연에너지 발전과 전력 저장 기술을융합한최근일본의기술동향에대해설명한다.

자연에너지 발전 보급과 과제

1. 지구온난화와자연에너지발전
‘지구온난화’와 관련된 화제가 최근 매스미디어에서 빈번하게 보도되고 있다. 사람이 쾌적한 생활을 영위하기 위해 꼭 필요한 화석연료의 사용으로 말미암아 대량으로 배출되는 이산화탄소(CO₂)와 같은 온실가스는 매년 증가하여 서서히 지구의 평균 기온을 높이고 있다. 이에 대응한 가장 효과적인 온난화 대책은 화석연료를 줄이는 것이다. 그러나 도시가스 및 LP가스는 물론 우리들 생활에 빠져서는 안 될 전기의 60% 이상은 화석연료를 태우는 화력발전에 의해 공급되고 있으며, 수도 시설과 관련해서도 상하수와 정수 처리의 과정에서 전력이 대량 소비되는 형편이다.
전기 사용량을 반감시키기 위해서는 CO₂를 대폭 줄여야 하지만, 우리 생활을 생각하면 현 상태로는 이를 실행하기가 어렵다. 이에 따라 몇 년 전부터는 전 세계적으로 CO₂를 거의 발생시키지 않는 자연에너지 발전 도입이 가속화되고 있다.

2. 자연에너지발전의종류
현재까지 자연에너지 발전으로 가장 주목 받는 것은 태양광발전과 풍력발전이다. 이 외 자연에너지 발전에는 지열발전 및 수력발전(해류발전, 파랑발전도 광의의 의미에서 수력발전이라고 할 수 있다)이 있으며, 최근에는 바이오매스 발전을 포함하여 ‘재생 가능 에너지’와 같은 의미로 사용되기도 한다. 또 자연에너지 발전은 코제너레이션 등도 포함하여 ‘신에너지’와 같은 광범위한 개념으로도 사용되며, 태양광발전과 풍력발전은 신에너지의 일부로 자리매김하고 있다. 일본에서 이런 에너지 활용은 2002년에 제정된 ‘신에너지 등의 이용에 관한 특별 처리법(RPS : Renewable Portfolio Standard)’에 의해 보급이 가속화되고 있는 실정이다.

3. 전력계통에의영향
풍력발전 · 태양광발전은 출력 제어가 거의 불가능한 발전이다. 엄밀하게 말하면, 출력 제어가 약간 가능하기도 하지만 풍력발전에서는 날개의 속도 제어 및 해렬(解列) 때문에, 태양광발전에서는 파워컨디셔너(직류-교류 변환기)에서의 조정 제어 때문에 역방향은 조정할 수 없다.
자연에너지 발전은 기본적으로 기후에 맡기며 발전 출력이 분 단위로 변화하기 때문에 전력 계통에서는 다음과 같은 두 가지 문제가 발생한다.(<그림 1> 참조)

⑴전압변동
전압 변동은 특히 배전계통에서 문제시된다. 일본에서 배전계통은 22/23㎸ 이하의 전압 계급에 해당되는데, 주체는 6.6㎸의 고압 계통과 100/200V의 저압 계통이며 그 이상은 송전계통이 취급한다. 배전계통에 제한 없이 교류의 전력계통에서도 직류회로에서의 옴 법칙(전압 = 저항 × 전류)처럼, 흐르는 전류와 선로 저항에 비례하여 전압이 변동한다.
특히 배전선에서는 코스트를 고려하여 얇은 선을 사용하기 때문에 선로 저항이 크다. 그 결과 계통에 흐르는 전력의 변동이 전압 변동으로 나타난다.
⑵ 주파수 변동
주파수 변동은 특히 송전계통에서 문제시된다. 계통 전체의 수요 밸런스가 한순간이라도 흐트러지면 그대로 계통 주파수의 변동으로 이어진다. 예를 들어 공급 과다가 되면 발전기에서의 부담이 줄어들기 때문에 발전기 구동력 제어 지체에 의해 회전 속도가 일시적으로 상승하게 된다. 보통은 전력회사가 조정용 전원(화력 및 수력)으로 공급 언밸런스를 흡수하지만, 조정 능력이 낮아지는 야간에는 풍력발전이 많은 일본 도호쿠(東겗) 및 홋카이도(겗海道) 경우 한계에 달한다. 또 외딴 섬 등 전력계통 규모의 작은 공간에서는 수요 조정용에 많은 조정용 전원을 대기시켜야 하므로, 자연에너지 발전을 도입해도 역으로 환경성 및 경제성을 악화시키는 요인이 되기도 한다.

4. 전력가치향상
풍력 · 태양광발전만으로는 화력발전과 같은 안정출력이 불가능하다. 그 때문에 전력으로서의 편리성은 낮고 매전 단가도 낮다. 전날에 발전 계획을 세워 거래 시장에 내 놓으면 10엔/㎾h 정도의 매매 가치가 있지만, ‘경과 발전’의 전력 가치는 3, 4엔/㎾h정도밖에 안된다.
일반적으로 일본의 2008년 기준 풍력발전의 발전단가는 8~14엔/㎾h(규모 및 조성금 유무에 의해 다르다), 태양광발전의 발전 단가는 30~60엔/㎾h인데, RPS 증서(RPS법에 기초한 신에너지 발전의 환경 가치) 단가 5~7엔/㎾h를 가미하여 대규모 풍력발전으로 아슬아슬하게 이익을 추렴할 수 있을 정도다.
2010년 일본 정부의 보급 목표치는 풍력발전 300만㎾, 태양광발전 482만㎾이지만, 2005년 3월 시점에서는 풍력 93만㎾, 태양광 113만㎾에 머물고 있을 뿐이다. 앞으로는 민간 기업을 대상으로 한 발전사업에의 전개 시나리오가 필요하다.

5. ‘ 제어불가능’에서 ‘ 제어가능’으로
계통에의 영향 완화와 사업성 측면에서 풍력 · 태양광발전은 기존 경과 운전에서 출력 제어 가능한 전원으로의 변천기를 맞고 있다. 일본 도호쿠(東겗)전력㈜에서는 2006년부터 축전지 병설형 풍력발전의 일환으로, 출력 일정 제어형 운전(전날 발전 계획을 통지하는 계획 운전 + 단기 출력 변동 제어) 개요를 시험적으로 설정 · 모집하고 있다. 이 모집 개요로 운전 개시 후 1년간 실증 시험으로 계획 운용하여 계획 운전과 변동 제어의 마무리를 평가하게 됐으며, 향후 이런 시도가 증가할 것으로 예측된다.

전력 저장 기술

1. 전력저장기술의과제와현황
신에너지는 단열성을 높이는 저장조 등으로 쉽게 저장할 수 있다. 이에 비해 전기에너지 저장은 <표>과 같이 화학에너지 등 다른 형태로 변환해 저장하는 방식이 주체가 되므로 에너지 변환 효율 및 시간경과에 의한 방출 손실이 크다.
수십 년 파급된 기술 개발에 의해 저코스화, 장수명화, 에너지 변환 효율 향상 및 방전 손실 저감이 이루어져 최근 10년 동안 겨우 전력 사업에 응용 가능한 저장 장치가 시장에 투입되기 시작했다.

2. 축전지종류
축전지(2차 전지)로는 현재 다양한 종류의 전지가 개발됐다. 대표적으로 납전지, 나트륨 유황 전지(NAS 전지), 레독스 플로 전지, 니켈 수소전지, 리튬이온 전지 등이 있다.
일본에서는 일정 공간 내 복수 전원을 일괄 제어하여 에너지 공급의 자립성을 높이는 마이크로그리드에서 납전지 및 NAS 전지를 사용한 NEDO(일본 신에너지 · 산업 기술 종합 개발 기구) 위탁 사업에 의한 실증 시험이 진행 중이다. <그림 2>는 그 중 하나로, 일본 하치노헤(八戶)시에서 시험 중인 ‘수소의 흐름을 전기로 되돌리는 프로젝트’로 사용하고 있는 납축전지(인버터 출력±100㎾, 축전 용량 1440㎾h)를 나타낸 것이다. 전력용은 옥외 설치를 위해 <그림 2>와 같이 선반에 수납되도록 하여 상당한 설치 공간과 기초 공사가 필요하다.

3. 전력저장장치의평가측면
각종 전력 저장 장치에서 적용 장치를 선택할 때 가장 중요한 요소는 사용 목적에 적용하는 용량(㎾/㎾h)과 코스트라고 할 수 있다. 그러나 전력 저장 장치는 다종다양한 개성을 가지고 있어 다음과 같이 다면적으로 평가할 필요가 있다.
①저장효율
저장 장치 본체의 ‘충방전 효율 + 인버터 효율’로 평가한다. 평균적인 충방전량 및 불균질 등 운용에 의해 효율은 변화한다.
②저장시간
저장 효율과 관련이 있지만, 시간 경과에 의해서도 방전 손실이 발생한다.
③밀도
저장 밀도(단위 체적당 ㎾h 용량)와 출력 밀도(단위 체적당 ㎾ 용량)가 있다. 설치 면적 및 중량에 영향을 준다.
④수명
몇 번의 충방전에 견디는지에 관계된 사이클 수명과 경년 노화에 의한 수명이 있다.
⑤ 환경 · 안전성
LCA(Life Cycle Assessment)에 의한 원료 채취 · 제조에서 폐기에 이르는 환경 영향 평가가 주목 받고 있다. 또 설치상 필요한 안전 관리체제 및 법규제 등에서도 주의해야 할 필요가 있다.
예를 들어 저장 밀도와 비용 대 효율의 차이 때문에 NAS 전지가 최근 주목 받고 있다. NAS 전지는 300~360℃의 운전 밀도를 유지하기 위해 자체의 방전 반응열만으로 열이 부족할 때에는 저장 전력을 히터 가열로 소비한다. 따라서 충방전량이 적은 변동 흡수만 사용하면 종합 효율이 저하되기 때문에 납축전지 및 전기 이중층 콘덴서 등 다른 전력 저장장치와의 병용도 생각해야 한다.

전력 저장 병설형 자연에너지 발전

1. 전력저장병설에의한발전제어
위에서 설명한 자연에너지 발전의 세 가지 과제(전압에의 영향 · 주파수에의 영향 · 전력 가치 향상)를 해결해야 하는 전력 저장 장치의 병설에 의한 대처 방법은 주로 다음의 두 가지로 설명할 수 있다.
①출력변동제어
전력 품질(전압 · 주파수)로의 영향 완화에 한정된 제어다.
②계획발전
사전에 예고된 대로 발전량을 공급함으로써 주로 전력 가치 향상을 목적으로 하는 제어다.

2. 출력변동제어
전력 저장을 이용한 출력 변동 제어 방식으로는 <그림 3>과 같이 1차 지체 등의 평활화 필터로 합성출력 목표를 설정하여 차분(差分)을 전력 저장으로 충방전하는 방식이 주가 된다.

단, 전력 저장에 의한 충방전이 상시 행해지기 때문에 합성 출력은 순조롭지만, 충방전 손실은 증가한다. 따라서 소정의 불감대를 면탈(免脫)한 경우만 면탈 분량을 충방전으로 흡수하는 ‘변동 폭 일정’방식등 여러가지 접근방식을 생각 할 수 있다.
변동 제어 효과는 아래 식의 변동 축소율과 같이 변동 축소 범위 내 시간 체재율이 많이 이용된다.
요구되는 변동 축소율 및 체재율 방식은 계통 규모, 전압 계급 등에 따라 여러 가지다. 전력 저장 용량을 크게 하면 변동 축소율 및 체재율은 향상시킬 수 있지만, 발전 시스템 전체의 코스트 증가로 이어진다. 자연에너지 발전 보급을 위해 연계 계통과 제어 목표의 상관관계를 명확히 하고 필요에 따라 충분한 제어 목표를 설정하는 지침이 요구된다.

3. 계획발전
매일 아침부터 다음날 24시간 분량의 발전 계획 통고에 의한 전력 거래를 전제로 한다. 30분 간격으로 매전 전력량(㎾h)을 계약하고 ±3%의 정밀도로 달성한다. 3%를 면탈하면 매전 단가의 약 10배 되는 패널티를 부담해야 하므로 자연에너지 발전에서는 고도의 발전 예측 기술, 계획 발전 기술과 출력 제어 기술 제기술이 요구된다. 또 전력회사에서는 보통 출력 번동 제어도 동시에 요구된다.
<그림 4>는 발전 계획의 예다. 보통 배전 단가가 낮은 야간에는 완전 충전하여 단가가 높아지는 낮시간에 방전한다. 따라서 출력 변동 제어에서 전력 저장 장치는 ㎾ 용량이 장애가 되지만, 계획 발전에서는 ㎾h 용량이 제어상의 장애가 된다.

4. 전력저장병설의적용성
가장 적용 효과가 큰 지역은 외딴 섬이다. 외딴 섬에는 다음과 같은 특징이 있다.
① 화력발전용 연료의 수송비가 높고 화력발전에 의한 발전 단가는 대륙보다 몇 배나 높다.
② 따라서 발전 단가가 높은 풍력발전 및 태양광발전이 사업으로 성립된다.
③ 그러나 외딴 섬에서는 계통 규모가 작기 때문에 적은 수요 언밸런스로도 주파수가 크게 변동한다.
이 때문에 자연에너지 발전에는 전력 저장 장치의 병설이 필수라고 할 수 있지만, 코스트 이점도 기대 할 수 있으며 정글 및 사막 등 미개지역에서 시험적으로 운용되기 시작했다.

5. 전력저장병설의기술과제
전력 저장 장치를 자연에너지 발전의 출력 변동 제어와 계획 발전에 적용할 경우 다음과 같은 기술과제가 있다.
⑴완성품질설정
전력 저장 장치에서 자연에너지 발전의 전 변동을 흡수하려면 이론상 발전 정격과 같은 가격의 전력 저장 ㎾ 용량이 필요하다. 그 일부를 전력 계통에 부담시키려면 필요 충분한 합성 출력의 품질 설정이 필요하다.
⑵전력저장용량선정
전력 저장 장치는 비싸고, 경제성을 생각하면 필요 최저한의 용량으로 끝나지 않는다. ⑴의 완성 품질 설정에 기초하여 시뮬레이션 등에 필요한 ㎾, ㎾h를 산정한다.
⑶ 전력 저장의 종류 선정
전력 저장 장치는 단주기 변도 흡수에 적당한 것, 장기간 축전에 적용한 것 등 다종다양하다. 이 중 운용 코스트 측면도 가미해 가장 적절한 저장 장치를 선정한다. 전력 저장에서 한 종류에 제한할 필요 없이 복수 전력 저장으로 구성되는 하이브리드형을 선택할 수도 있다. 또 인버터의 변환 손실을 억제하기 위해 직류 회로 내에서 자연에너지 발전과 전력 저장을 접속하는 방식도 개발되고 있다.
⑷ 전력 저장의 제어 기술
자연에너지 발전량과 전력 저장 잔량을 실시간으로 계측하고 계통 안전화 및 계획 발전을 행하는 수요 제어 시스템이 필요하다. 전력 저장 장치는 전기에너지를 다른 형태로 변환하기 때문에 정확한 잔량 파악이 어렵다는 등 관리에 깊은 지식과 노하우가 필요하다. 또 충방전 손실을 줄여 장수명화를 이루는 의미에서도 충방전량을 최소화하는 제어가 이상적이다.
⑸ 계통에서의 충전 방지
자연에너지 발전은 RPS 증서라고 하는 부가 가치가 붙는데, 그러기 위해서는 전력 계통 측 전력과 명확한 구별이 필요하다. 따라서 자연에너지 발전의 출력이 급격하게 저하된 경우에도 전력 계통에서의 충전에 의한 혼합을 피해야만 하는 전력 저장 장치의 고속 제어가 필요하다.

마무리

여기에서는 현재 기하급수적으로 증가하는 풍력발전 · 태양광발전과 같은 자연에너지 발전 보급을 위해 전력 저장 장치 병설에 의한 출력 변동 제어 및 계획 발전의 가능성에 대해 설명했다. 일본에서는 현재 NEDO 및 전력회사에서 그 실현에 대한 프로젝트가 다수 진행되고 있으며, 향후 이런 실증을 통한 정량적 평가를 주목해야 한다.

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