에너지신산업의 토대, 10대 전력기술 ①

[에너지신문] 한전은 에너지신산업의 상용화와 수출사업화를 적극 추진하고 있다. 이를 위해 한전 산하 연구기관인 전력연구원은 에너지신산업에 적용되는 10대 전력기술 개발에 주력하고 있으며, 그 성과물이 속속 모습을 드러내고 있다. 본지는 한전 전력연구원과 공동으로 10주간 10대 전력기술을 소개하는 코너를 마련했다. /편집자주

①에너지저장기술 ②마이크로그리드기술 ③초전도기술 ④해상풍력기술 ⑤신송전기술(HVDC) ⑥스마트그리드기술 ⑦CO2 회수, 이용, 저장(CCUS)기술 ⑧청정화력기술 ⑨전력신소재기술 ⑩ICT융복합기술

▲ ESS 운영시스템(PMS)의 기능.

전기는 우리가 사용하는 에너지의 형태 중 그 편리함 덕분에 가장 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 생산과 동시에 소비가 이뤄져야 하고 저장이 어려운 특성을 가지고 있다.

시시각각 변화하는 전기수요에 대응하기 위해서는 응답속도는 빠르나 생산단가가 높은 발전소들을 가동해야 하기 때문에 에너지사용의 효율성이 떨어질 수 있다. 또 계절별 전력수요의 편차가 점차 커지고 있어 이에 대응하기 위해서는 대규모 예비전력이 필요하다.

결국 전력수급에 있어 공급부족과 잉여전력의 폭이 점차 커져 신규발전설비 건설 부담과 설비 이용률 저하라는 이중고에 시달릴 것으로 예상된다. 이에 대해 대용량 전력저장시스템(ESS, Energy Storage System)을 구축, 잉여전력을 저장해 두었다가 전력수요가 높은 시기에 전력저장장치의 전원을 활용하여 원활하고 안정적인 전력공급을 하는 시스템이 해결책으로 부상하고 있다.

또한 태양광이나 풍력을 통해 발생된 전기는 일정한 패턴이 보이지 않고 자연조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에, 신재생에너지원으로부터 생산된 전력을 저장해 두었다가, 출력이 불안정한 경우 저장된 전력을 이용하는 전력저장기술의 수요가 계속 확대될 수밖에 없다.

▲전력저장기술의 분류
전력계통에서 요구되는 전력저장장치는 다양한 출력과 저장시간에 따라 적용되는 분야가 크게 장주기와 단주기용 전력저장장치로 분류된다.

장주기용 중대형 전력저장장치는 기저부하의 유효전력을 이용함으로써, 전력계통의 효율적 운영 및 안정성을 증대시키기 위한 전력저장장치로 리튬이온전지, RFB(Redox Flow Battery), NaS 및 CAES(Compressed Air Energy Storage) 시스템 등이 있다.

▲ 주파소 조정용 ESS 개요.

단주기용 중대형 전력저장장치 시장은 수송·기계 분야에서의 제동에너지 회수에 따른 전력 회생 시장과 스마트 그리드의 순간 정전 방지 및 재생에너지원의 단주기 출력 변동 완화를 위한 전력안정화 시장으로 구분되며, 초고용량 커패시터와 FESS(Flywheel Energy Storage System)가 대표적인 장치다.

이 중 리튬이온배터리의 경우 우리나라 제작업체들이 앞선 기술력을 통해 세계시장을 선도하고 있어 이를 이용한 다양한 실증연구와 보급 사업이 활발히 추진되고 있다.

▲대용량 전력저장시스템의 구성
배터리를 이용한 대용량 전력저장시스템은 전력을 저장하는 배터리시스템, DC 시스템인 배터리와 AC 시스템인 전력계통 사이를 연계하는 전력변환시스템(PCS, Power Conditioning System), 그리고 전력저장시스템을 통합 감시, 제어하기 위한 운용시스템(PMS, Power Management System)으로 구성된다.

한전 전력연구원은 피크부하 저감(Peak Shaving), 주파수 제어(Frequency Regulation), 신재생출력 안정화(Renewable Energy Smoothing) 등의 제어 알고리즘과 시스템을 개발하고 실증함으로써 관련 신기술의 전력계통 적용에 앞장서고 있으며 이중 주파수 제어용 ESS 제어시스템을 활용한 관련 사업을 진행 중에 있다.

▲ESS 활용 현황은?
주파수 조정(Frequency Regulation)은 전력계통의 순간적인 수요변동이나 고장 등에 따른 주파수 변동을 막기 위해 운전 중인 발전기의 출력을 조절함으로써 주파수를 조정하는 것이다.

일반적으로 발전소는 전력 공급 시 표준 주파수인 60Hz에 맞추기 위해 정격출력의 약 95%만 발전하며, 나머지 발전량은 주파수 조정을 위한 예비력으로 대기하고 있기 때문에 그 차이만큼 고원가의 타 발전기로 추가 발전하고 있다.

▲ 28MW급 ESS(서안성변전소).

주파수 조정을 위해 최대출력으로 발전하지 못하고 있는 발전기의 효율을 높이고 전력구입비 절감을 위해 전력연구원은 연구과제를 통해 주파수 조정용 ESS 제어 알고리즘과 시스템을 개발했으며 이러한 연구 성과를 바탕으로 2014년부터 관련 사업에 착수했다.

28MW 서안성변전소와 24MW 신용인변전소 구축을 시작으로 현재까지 약 2470억원을 투자해 9개 변전소에 세계 최대 규모인 총 264MW급의 주파수 조정용 ESS를 운영하게 됐으며, 향후 2017년까지 500MW로 설비를 확대할 계획이다.

▲세계시장 선도할 핵심기술
ESS 기술은 향후 전력·에너지 산업분야에서 세계시장을 선도할 중요기술이다. 전 세계적인 신재생에너지 확대 정책과 더불어 수요자원 거래시장 활성화, 제로에너지빌딩 및 마이크로그리드의 확대 보급을 위한 핵심 기술로써 ESS 기술에 대한 관심과 중요성은 더욱더 커질 전망이며, 이를 통해 ESS의 전력계통 적용은 지속적으로 확대될 것으로 보인다.

이와 같은 ESS를 전력계통에 확대, 적용하기 위해서는 배터리 및 전력변환시스템과 같은 하드웨어 기술 발전 및 경제성 확보 등과 더불어 대규모 전력저장장치를 효율적이고 안정적으로 운영하기 위한 운용시스템 전반에서 기술개발이 필수적이다.

향후 한전 전력연구원이 수행 중인 다양한 연구개발과제가 성공적으로 완료된다면 스마트그리드 및 에너지신산업 분야에서 우리나라의 입지를 다시 한 번 공고히 할 수 있는 기회가 될 것으로 기대된다.

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