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[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ①] 레독스 플로우 전지의 기술 동향

2015-12-01

[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ①] 레독스 플로우 전지의 기술 동향 태양광발전, 풍력발전 등 신재생에너지의 도입 확대가 추진되고 있는 한편, 신재생에너지 대량 도입 시의 전력품질 저하가 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이에 대한 하나의 대책으로 계통용 대형 축전지의 실용화가 기대되고 있는 실정이다. 본고에서는 대형 축전지에 적합한 레독스 플로우 전지의 원리와 특징, 그리고 실증시험 결과를 소개한다. 정리 편집부 레독스 플로우 전지의 동작원리 레독스 플로우 전지는 바나듐 등의 금속이온을 이용한 전해액을 순환시켜서 충방전을 실시하는 축전지이며, [그림 1]에 보이는 바와 같이 △입출력부의 셀스택 △금속이온 전해액을 저장할 수 있는 전해액 탱크 △그 전해액을 순환시키기 위한 펌프로 구성된다. [그림 2]에 활물질(活物質, Active material)로 바나듐을 이용한 레독스 플로우 전지의 원리를 나타냈다. 셀스택에 전류를 흘리면 [그림 2]에서처럼 양극, 음극으로 바나듐의 가수(價數) 변화를 수반한 전지반응이 일어나며, 격막을 통해 프로톤(양성자)이 이동한다. 이것이 레독스 플로우 전지의 충방전 원리이다. 레독스 플로우 전지의 특징 레독스 플로우 전지는 이하의 특징을 가진다. (1) 긴 사이클 수명 전지반응은 수용액 중 이온의 가수 변화만을 말하며, 고체 활물질을 이용한 전지에서 볼 수 있는 활물질의 상변화·형상변화(탈락 및 전석(電析, electrodeposition))를 수반하지 않고 원리상 활물질의 열화는 없어 충방전 사이클에 따른 열화가 없다. (2) 설계 자유도 축전지의 출력(kW)은 셀의 대수(臺數)로, 용량(kWh)은 전해액량(탱크 사이즈)으로 결정되기 때문에 출력과 용량을 독립시킨 설계가 가능하다. (3) 높은 안전성 전해액은 불연성이어서 셀 내의 음·양극간 단락 및 충전된 음·양극의 전해액 혼합이 일어나도 화재 발생의 우려가 없다. 또 셀스택 및 전해액 배관 등 주요부품의 재료는 염화비닐로 되어 있으며, 대기 중 산소농도에서 계속해서 탈 수 없는 자기소화성을 가진다. 이처럼 레독스 플로우 전지는 안전성이 높은 축전지로 각종 규제에 있어 설치 시 절차가 간단하다. (4) 대용량 축전지로서의 적합성 대용량 축전지 시스템을 구성할 시에는 필수적으로 대량의 축전지를 직렬·병렬접속해야 하는데 이때 각 전지의 충전상태를 균등하게 하는 것이 중요하다. 레독스 플로우 전지에서는 1쌍(음양)의 탱크에서 복수의 다른 셀로 전해액을 순환시키기 때문에 이 셀들의 충전상태는 동일해진다. 원리상 운용 중에도 충전잔량을 정확하게 파악할 수 있기 때문에 충전상태 관리 측면에서도 대용량화에 적합한 축전지이다. 또한, 레독스 플로우 전지 시스템은 [그림 1]에서 보이는 것처럼 플랜트적인 요소가 많아 스케일 메리트가 있는 설비이므로 대용량, 대형전지에 적합하다고 할 수 있다. 한편, 이론 에너지 밀도는 비교적 낮으며, 시스템 크기는 커진다. 적용사례 및 실증사례 적용사례 대형 축전지의 적용사례는 크게 [그림 3]과 같이 분류할 수 있다. 기존의 대형 축전지는 주로 수용가의 에너지 비용 절감을 목적으로 한 △부하 평준화 용도 △피크컷 용도 △사업계속계획 관점에서의 비상용 축전지 용도가 중심을 이루었다. 이러한 니즈는 현재에도 계속되고 있지만, 최근 신재생에너지의 도입이 확산됨에 따라 태양광발전·풍력발전 시 출력변동의 영향이 문제시되면서 전력계통 및 발전출력의 안정화 대책이 강하게 요구되고 있다. 실증설비 레독스 플로우 전지 시스템의 장기 신뢰성 검증 및 상술의 다양한 적용사례의 제어 실증을 목적으로 설치한 시스템을 소개한다. 이 시스템의 실증시험은 레독스 플로우 전지를 이용한 태양광발전의 출력 평활화와 계획운전의 실증을 목적으로 하고 있다. 또한, 이 시스템과 열병합 발전기(기설)의 최적운용에 의한 공장 동력의 에너지 관리를 검증하는 목적도 있다. 레독스 플로우 전지는 500kW, 250kW, 250kW의 3뱅크 구성이며, 태양광발전설비는 스미토모(住友) 전기공업에서 개발한 집광형 태양광발전설비를 채용한 4스트링100kW 구성이다. 또 병설한 열병합 발전설비가 6대로 구성되어 있으며, 정격출력의 합계는 3.6MW이다. 레독스 플로우 전지설비의 기기구성을 [표 1]에, 실증시스템의 접속 개략도를 [그림 4]에, 실증시스템의 외관을 [그림 5]에 나타냈다. 수용가를 상정한 피크컷 운전 이 시스템을 이용하여 수용가에 있어서 수전전력의 피크컷을 상정한 운전 사례를 아래에 나타냈다. 공장의 실부하에 대해 열병합 발전설비, 태양광발전, 레독스 플로우 전지를 이용하여 여름철 수전전력의 피크컷을 실시한 예를 [그림 6]에 나타냈다. 이 공장에서는 주야로 생산이 이루어지고 있는데 여름철의 주간은 에어컨의 부하가 증가한다. 이에 전력 피크시인 9시부터 17시 사이에 분산전원으로부터 전력을 공급함으로써 공장 전력수요 피크치 대비 40%의 수전전력을 절감했다. 다음으로 EMS(Energy Management System)에 의해 공장부하, 축전지 잔량의 감시 및 제어를 실시하여 운전한 예를 [그림 7]에 나타냈다. 이 운전에서는 공장의 최대 수전전력의 목표치를 설정하여 공장 내 수전전력의 30분간 평균치가 이 목표치를 넘지 않을 것을 조건으로 하여 발전기의 연비, 축전지의 손실 등을 고려해 코스트 미니멈이 되도록 최적화 운전을 실시했다. 전력수요가 낮은 야간에 축전지 충전을 실시하여 주간의 전력 피크 시 방전하고, 축전지 용량이 부족할 시에는 연비가 높은 열병합 발전설비가 가동된다. 레독스 플로우 전지에서는 가동 중인 전지잔량을 정확히 감시할 수 있으므로 이를 제어변수에 도입함으로써 장기간 안정적이고 연속적인 운전이 가능해진다. 신재생에너지 발전사업자를 상정한 운전 최근 태양광발전 및 풍력발전은 고정가격매입제도의 효과를 톡톡히 보면서 그 도입량이 대폭적으로 확대되고 있다. 또한, 부지당 발전소 정격출력도 증대되고 있어 발전소의 출력변동이 전력계통에 큰 영향을 주고 있다. 화력발전 등 기존의 발전설비와 마찬가지로 태양광발전 및 풍력발전의 출력제어를 계획적으로 실시해 운용하는 것이 이상적이지만, 이러한 발전설비는 출력제어를 실시할 수는 있어도 자연에너지가 없는 상태에서는 발전이 불가능하다. 여기서 신재생에너지 발전출력에 대한 계획(스케줄링, Scheduling)을 사전에 실시하여 각 시점에서의 계획 출력치와 순시의 태양광발전출력의 차(差)를 축전지의 충방전으로 보완하는 운전을 ‘계획운전’이라고 칭한다. [그림 8]에 계획 출력치를 △7시부터 10시까지는 50kW △10시부터 15시까지는 100kW △15시부터 18시까지는 50kW로 설정해 태양광발전의 계획운전을 실시한 예를 나타냈다. 이 시험 당시는 일사량 변동이 커서 태양광발전의 출력 변동도 컸지만, 레독스 플로우 전지가 각 변동을 흡수함으로써 계획치 그대로의 출력이 실현되고 있음을 확인할 수 있다. 이 운전을 실제 설비에서 실현시키기 위해서는 신재생에너지의 발전출력과 같은 정격출력의 축전지 설비를 준비해야 하고, 경제성을 고려한다면 아직 해결해야할 과제가 남아 있지만 기술적으로는 실현 가능하다는 것을 보여주고 있다. 풍력발전, 태양광발전에는 기후변화에 따른 발전출력변동이라는 것이 존재한다. 특히, 수초에서 수십 초의 단주기 출력변동에 관해서는 다음과 같은 과제들이 있다. 단주기 출력변동에 따른 수급조정은 일반적으로 각 전력회사의 중앙급전지령소에서 실시되는 부하 주파수 제어(Load Frequency Control: LFC)에 의해 화력발전 및 수력발전의 출력을 자동제어하고 있다. 신재생에너지 발전에서 단주기 변동이 증가하면 LFC로 조정 가능한 발전출력의 조정량(LFC 조정력)이 부족해짐에 따라 계통 주파수가 허용범위를 일탈해버리는 현상이 우려되지만, 이러한 단주기 변동의 문제는 축전지 설비를 이용한 평활화 대책으로 대응 가능하다. 평활화 제어의 기본 흐름을 [그림 9]에 나타냈다. 이 그림에서 나타난 바와 같이 태양광발전 출력의 1차 지연 연산치를 발전소 출력 목표치(태양광발전 출력과 축전지 출력의 합성출력 목표치)로 하고, 이 목표치와 발전출력의 차(差)를 축전지의 출력으로 보상하는 원리이다. 또한, 레독스 플로우 전지에서는 충전잔량을 정확하게 측정할 수 있으므로 충전잔량을 제어변수에 도입하여 충전잔량에 맞게 매우 큰 시정수에서의 보조적 충방전을 실시하여 적절한 충전잔량을 유지할 수 있게 된다. 이 제어를 이용해 태양광발전출력을 시정수 30분으로 평활화한 예를 [그림 10]에 나타냈다. 장기 성능 앞서 말한 대로 레독스 플로우 전지의 전해액은 원리적으로 열화는 없지만, 장기적으로는 셀 내의 부재 열화에 의해 성능이 떨어지게 된다. 현재의 설계에서는 부재 개체의 가속열화시험에 의해 약 20년의 수명을 상정하고 있으며, 실제로 실증설비를 이용한 장기평가가 진행되고 있다. [그림 11]에 그 예를 나타냈다. 이 그림에서 보이는 바와 같이 격막의 성능열화지표가 되는 전류효율, 전극의 성능열화지표가 되는 셀저항에 있어서 현저한 열화는 없는 것으로 확인되었다. 변전소 설치에 의한 조정력으로서의 축전지 마지막으로 현재 추진 중인 경제산업성 「2012 대형 축전 시스템 긴급 실증사업」에 대해 소개한다. 이 실증사업에서는 홋카이도전력과 스미토모전기공업이 공동으로 기간계통의 변전소에 대형 축전지를 설치하여 풍력발전 및 태양광발전의 출력변동에 대한 새로운 조정력으로서 축전지의 성능실증 및 최적의 제어기술 개발에 착수한다. 축전지의 규모는 정격출력 15MW, 축전용량 60MWh이며, 계획하고 있는 실증 내용의 일례를 [그림 12]에 나타냈다. 풍력발전 및 태양광발전은 풍황 및 기후 등의 기상조건에 따라 발전출력이 변동되기 때문에 주파수 등 전력품질에 미치는 영향이 우려되고 있다. 이에 대응하기 위해 축전지 도입에 따른 주파수 조정 등의 평가를 2013~2018년(건설기간 포함)까지 실시하고, 축전지의 최적운용 방안을 모색할 예정이다. < Energy News >