수소 에너지_2편_에너지 저장 시스템_ESS

1편에서 수소 에너지가 왜 각광을 받고 있고 왜 중요한지, 그리고 어떤 수소가 있는지에 대해 알아 보았습니다. 혹시 1편을 아직 안보셨으면 아래 링크를 통해 1편을 한번 보시는걸 추천 드립니다. (아래 이미지 클릭)

수소에너지 1편

지금 이렇게 만들어진 수소를 어떻게 저장하고 운송할 것 인지에 대한 내용을 공유 해볼 텐데요. 에너지를 만드는것도 중요하지만 이러한 에너지를 어떻게 효율적으로 저장하고 필요한 곳까지 안전하게운송하는 것 또한 매우 중요하겠죠. 모든게 다 비용과 관련이 있기 때문이죠. 오늘은 ESS 저장 방식에 대해 알아 보겠습니다.




1. ESS (Energy Storage System)

탄소 중립을 위해서는 화석연료의 사용을 줄이고 이에 반해 이산화탄소가 발생하지 않는 신재생 에너지 태양광, 풍력에너지등을 사용한 그린 수소의 생산을 늘려 가야 하는것이죠. 하지만 앞서 말씀드린것 처럼 이 신쟁 에너지의 가장 큰 단점은 초기 구축 비용이죠. 너무나 많은 구축 비용이 들어가다 보니 배보다 배꼽이 더 커지는 경우죠. 또한 신재생 에너지의 경우 해가 있을때도 있고 없을때도 있고, 바람이 불때도 있고 안불때도 있고, 화석연료야 아무때는 필요할때 태워서 생산하면 되니 화석연료에 비해 아주 큰 단점이라고 할수 있겠죠. 이에 현재 사용하고 있는 에너지 방식 대비 일정한 전력 생산량을 유지할 수 없는 신재생 에너지는 ESS(Energy Storage System) 전력 저장 시스템이 매주 중요하다고 볼수 있습니다.

ESS 시스템

특히 미국과 같이 땅이 넓고 전력 인프라가 거미줄 처럼 구축되어 있지 않는 나라에서는 이 ESS가 더욱더 중요 할 수 있습니다. (지인에 의하면 미국은 허리케인이나, 눈보라, 홍수등이 발생 하면 제일 먼저 안되는게 전력이라고 합니다. 복구 시간도 오래 걸리구요) 대한민국 같이 국토 면적이 좁고 전력망 구축이 잘 되어 있어 중앙에서 공급하기 쉽겠지만 미국, 호주, 캐나다등은 중앙공급이 쉽지 않고 지역별로 해결해야 하기 때문에 저장 시스템은 아주 민감한 문제일수 있습니다. 그래서 현재 미국에선 주택용 ESS 상용화가 빠르게 이뤄지고 있습니다. 주택단위로 전력을 확보하면 필요할때 마다 전력을 사용할 수 있고 심지어 이웃과도 전력을 공유 할 수 있겠죠.

1) 배터리 저장 시스템 (Battery Energy Storage System, BESS)

배터리는 현재 가장 잘 알려진 에너지 저장 시스템으로, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장하는 방식입니다. 리튬이온 배터리, 납-산화물 배터리, 플로우 배터리 등이 이에 해당됩니다. 우리가 흔히 알고 있는 배터리 전기차들이 사용 하는 방식입니다. 저장된 배터리를 별도 분리과정 없이 사용 할수 있다는 장점이 있지만 무게가 무겁다는 단점이 있습니다.

2) 연료전지 저장 시스템 (Fuel Cell Energy Storage System)

연료전지는 수소와 산소를 전기 에너지로 변환하는 기술로, 에너지 저장 용도로도 활용될 수 있습니다. 현재 여기서 설명하고 있는 수소에너지 방식중 하나입니다.

3) 열 저장 시스템 (Thermal Energy Storage System)

열 저장 시스템은 열 에너지를 저장하여 나중에 전기나 다른 형태의 에너지로 변환하는 방식입니다. 높은 열용량을 갖는 물, 염수, 암모니아 등을 활용하여 저장하는 방식이 있습니다.

4) 압축 공기 저장 시스템 (Compressed Air Energy Storage, CAES)

압축 공기 저장 시스템은 전기 에너지를 사용하여 공기를 압축하여 저장하고, 필요한 시점에 확장하여 전기를 생성하는 방식입니다.

5) 그래비티 저장 시스템 (Gravity Energy Storage System)

높은 지점과 낮은 지점 사이의 위치 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식으로, 물을 이용하는 펌프 저장 방식이 대표적입니다.

1) 양수 저장 수력발전

하지만 현재 가장 많이 쓰이는 에너지 저장 방식은 양수 저장 수력발전(Pumped Storage Hydropower) 방식입니다. 수력발전의 경우 댐에 물을 가둬놓고 가둬진 물만큼 전기를 생산 할 수 있는것이죠. 필요한 전력에 따라 상부댐과 하부댐간의 물을 이동시키면서 전력랑을 조절 하는 방식입니다. 실제 여러 나라에서 이와 같은 댐 방식으로 수력발전을 하고 있죠. 위에 있는 물을 아래로 흘러내려 보내면서 터빈을 돌려 에너지를 생산하는 방식입니다. 다시 말하면 댐에 있는 물만큼 에너지를 생산 할수 있는 것입니다.




양수 저장 수력발전 방식

실제 미국 에너지부 (U.S Department of Energy, DOE) 보고서를 보면, 2021년 미국 에너지 저장량의 92%가 양수발전을 위한 저장방식으로 운용하고 있다고 합니다. 또한 댐을 사용해서 에너지를 저장하는 나라가 미국, 중국, 일본, 유럽연합, 그리고 한국도 여기에 포함이 된다고 합니다. 저희도 우리나라에서 쉽게 댐을 볼수 있죠. 이 모든게 에너지를 저장하는 방식중 하나라고 보시면 될듯합니다. (모든 댐은 아니구요 수력발전 방식이 설비된 댐) 그렇다면 왜 이렇게 양수발전이 가장 많이 사용될까요? 그 이유는 에너지 저장 솔루션 중에 효율성이 가장 높다고 합니다. 하지만 댐을 무작정 아무곳이나 만들수도 없고 가끔 댐으로 인해 침수 피해 지역이 발생 하기에 댐을 아무곳이나 건설 할 수는 없죠. 그리고 대부분의 댐은 외곽에 위치하죠. 그렇다고 하면 이렇게 만들어진 전력을 우리가 필요로 하는 지역까지 이동을 해야 하는데 에너지라는것이 이동수단과 거리에 따라 손실이 발생하게 되는데 그렇다 보니 이러한 에너지를 저장 할 수있는 화학적 에너지 저장 방식인 수소와 배터리 이야기를 더 많이 합니다.

미국 양수 발전 현황

3) 대한민국 신재생 에너지 1등 “제주도”




그럼 대한민국에서 신재생 에너지 발전 비율이 가장 높은 지역은 어디 일까요? 네, 바로 제주도 입니다. 신재생 에너지 발전 설비 용량을 보면 전국의 약 36%에 달하는데요 태양광이 550MW, 풍력이 295MW라고 합니다. 그리고 제주도 내 신재생 에너지 발전량은 전체 전력 생산량의 18.2%라고 합니다. 대한민국 평균이 7.4%라고 하니 약 2.5배에 달하는 것입니다. 제주도는 2030년까지 신재생 에너지 100%로 “탄소제로 섬”으로 만들겠다고 야심찬 계획을 발표 했습니다. 친환경 전기차로 도내 운행차량을 대체하고, 에너지 융ㆍ복합 신산업을 선도해 직간접 일자리 7.4만 개를 창출하겠다는 목표도 함께 내세웠습니다. 하지만 계획 발표 10년 차를 맞은 제주도는 지금 예기치 않은 복병을 만나 고전하고 있습니다. ‘출력제어’라는 문제인데요. 신재생에너지를 생산하고 싶어도, 전력 생산을 중단하라는 명령을 받는 상황이 자주 일어나고 있는 겁니다. 제주도는 총 3가지 방법으로 전력을 충당하고 있습니다. 제주내 화력발전기, 그리고 육지에서 연결된 연계선을 통한 공급 그리고 나머지가 신재생 에너지입니다.

제주 지역 발전량 현황

제주 전력 설비 합계가 2,052MW, 그리고 최대전력 수요가 1,023MW를 감안하면 전력 사용에 있어 상당히 여유가 있어 보입니다. 하지만 위에서 말씀 드린 출력제어라는 것이 발생하고 있다고 했죠?. 이는 최대 전력 수요보다 너무나 많은 양을 발생하고 있기 때문에 발생하는 것입니다. 그렇기 때문에 출력제어가 발생하고 또한 이미 생산된 전력이지만 남는 에너지가 버려지고 있다는 사실입니다. 아래 그래프를 보시면 매년 출력제어가 늘어나고 있는 걸 보실수 있습니다. 그렇다고 하면 여기서 질문이 탄소를 적게 배출하는 것이 중요하고 신재생 에너지가 중요한데 신재생 에너지를 멈추지 말고 화력발전을 줄이면 되지 않냐고 질문을 할수 있습니다. 하지만 앞서 말씀드린 신재생 에너지의 단점중 하나인 항상 해가 뜨고 항상 바람이 불지 안듯이 전력량 공급에 안정적이지 못합니다. 또한 화력발전소를 정지 시키면 이를 다시 가동 시키는데 몇날 몇일이 걸린다고 합니다. 화력발전을 “머스트 런”이라고 부르는 이유중에 하나라고 합니다. 그렇다 보니 신재생 에너지 생산을 멈추는 것이죠.

제주지역 출력제어 현황

2020년부터 제주도에서는 평균 소비전력량 보다 많은 전력이 생산되어 출력제어를 하거나 남는 전력을 버리는 일이 벌어지고 있는데요, 이유는 필요한 전력보다 많은 전력이 생산되면 송배전망에 과부하가 걸려 더 큰 문제가 발생할 수 있다고 합니다.

제주 지역 초과 발전 현황

2. 대한민국의 ESS




이렇다 보니 여기 남는 전기를 저장할 수 있는 ESS 에 대한 논의가 나오기 시작 했습니다. 현재 풍력과 태양광 발전에서 나오는 전략을 저장하는데 많이 사용하는건 2차 전지 기반의 에너지 저장 시스템입니다. 일명 배터리죠. 지금까지 수소 이야기를 했는데 가장 많이 사용하는 방식이 배터리 ? 그렇다고 하면 여기서 그럼 배터리가 더 좋냐? 수소가 더 좋냐?  라는 의문이 나올수 있는데요. 하지만 누가 더 좋냐 보다는 각각의 특징에 따라 활용할 수 있는 산업에 따라 달라진다고 볼수 있겠습니다. 배터리 같은 경우 배터리에 전기를 저장해서 바로 사용할수 있는 장점이 있는 반면 수소에너지는 물을 전기분해해서 수소로 저장했다가 전기가 필요할때 연료전지를 이용해 전기를 만들거나, 물 대신 암모니아 형태로 뒀다가 필요할때 수소를 추출해서 쓰는 방식도 있습니다. 하지만 형태가 바뀔때마다 손실이라는게 발생하는데요. 배터리는 100이라는 에너지를 저장하면 최대 98%까지 사용할수 있는 반면 수소는 100을 저장하면 최대 45%뿐이 사용할 수 없는것입니다. 즉 에너지 효율성이 굉장히 안좋은 것이죠.

배터리 수소 에너지 효율성

그렇다고 하면 이런 효율성이 안좋은 수소를 왜 사용 해야 하나요? 하실수 있는데 이유는 바로 아래는 보여주는 수소가 가볍다는 것입니다. 같은 공간에 배터리는 200-400Wh/I를 저장할수 있다고 하면 수소는 200 bar 기준 600을 저장 할 수 있으니 배터리에 비해 더 많은 에너지를 저장 할수 있다는 것이죠. 하지만 현재 수소 자동차에 쓰이는 압력은 700 Bar라고 하니 그 효율성은 더 커지 겠죠. 그리고 충전 속도도 한몫 하는데요. 수소차의 경우 충전하는데 5-7분정도 뿐이 안걸린다고 합니다. 배터리차의 경우 짧은게 30-40분인 것에 비하면 시간이 중요한 요소인 트럭같은 차량에는 수소가 아주 메리트가 있겠죠. 현재 수소를 저장하는 방식중에 가장 많이 쓰이는 방식이 고압으로 수소 기체를 압축해서 밀폐된 탱크에 저장하는 기술 이라고 합니다. 가벼운 수소를 초고압으로 압축해서 저장하기 때문에 배터리보다 저장 효율이 높다고 볼수 있겠습니다. 비행기나, 수용용 선박, 트럭등은 짐을 많이 실어서 운송을 해야 하는데 이러한 수소의 장점을 사용하면 적은 무게로 많은 양의 에너지를 저장 할 수 있겠죠. 하지만 이 엄청난 압력을 견딜려면 수소를 저장하는 연료탱크 또한 견고 해야겠죠. 탱크가 무거워지면 안되니 적은 용량으로 높은 압력을 버틸수 있는 튼튼한 연료탱크를 만들어 내는 것 또한 수소에너지의 과제라고 볼수 있겠습니다. 현재 현대자동차 넥소에 들어가는 수료연료탱크가 개당 1000만원~1500만원 정도 들어가고 교체 주기가 15년이라고 하니 차값의 1/3이 연료탱크 값이 될수 있겠네요. 또한 수소 비용도 2021년 기준 kWh당 $33 수준으로 비용이 높지만 이 비용도 kWh당 $8달러를 목표로 낮춰가고 있다고 합니다.

배터리 수소 무게 비교

현재 수소 에너지를 가장 활발하게 사용하고 있는 분야가 수소자동차이죠. 이에 맞게 차량용에 관련된 수소 분야는 빠르게 발전하고 있지만 가정용 에너지 저장에는 아직 갈길이 멀어 보입니다. 수소에너지는 전기분해를 위한 장치가 있어야 하고, 수소를 저장해야 하니 높은 압력을 견딜수 있는 탱크도 필요하고 전기로 쓰려면 수소로 에너지를 발전 할 수 있는 연료 전지 스택도 있어야 합니다. 수소에너지 시스템을 구축하기엔 필요한게 너무 많고 현재는 비용 또한 아주 높은 편입니다.  하지만 산업이 발전 하고 시장의 Demand가 많아 질수록 생산 단가는 내려가다 보면 2차전지에 비해 수소의 저장 효율이 높은 시기가 올것으로 생각되어 집니다.

이상으로 오늘은 발생한 에너지를 저장 할수 있는  ESS 에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 이렇게 만들고 저장된 에너지를 수송하는 방식에 대해 알아 보도록 하겠습니다.

감사합니다.

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