클린에너지_2018.10 (Vol. 27 No.10) (p1~6)

TECHNICAL REPORT
재생가능 에너지 최대 활용 위한 축전지 시스템 개발
니시마쓰(西松)건설

■ 서론: 개발 배경

COP21(2015년 유엔 기후 변화 회의)의 CO₂ 절감 목표에 따라 세계는 기존의 화석연료 중심의 발전(發電)에서 벗어나 재생가능에너지 발전의 적극적인 도입 및 촉진이 가속화되고 있다.

전력회사 측은 낮에 만들어진 대규모 태양광 전력이 전력 계통에 인가되면 부하에 따라 발전소의 출력을 낮추고, 저녁으로 갈수록 태양광 발전이 감소되면 출력을 서서히 늘린다. 야간에 태양광 발전이 완전히 정지되면 수요에 맞게 발전소 내 발전기를 가동시킨다. 전력회사의 1일 동안의 시간 별 전력 공급량의 곡선이 오리모양과 닮아있기 때문에 덕 커브(Duck Curve) 현상이라고 부르고 있다.

발전소는 덕 커브 현상이 뚜렷할수록 수요에 맞는 발전기 출력 제어를 단시간에 실시해야 하기 때문에 발전 전력 조절이 용이한 화력발전기를 가동할 수 밖에 없다. 이것은 친환경에너지인 태양광 등의 재생에너지 도입이 증가할수록 CO₂를 많이 발생하는 발전기를 많이 가동하게 되는 아이러니한 상황이 발생한 미국 캘리포니아 주의 덕 커브 현상이 세계적으로도 문제가 될 것으로 전망되고 있다.

이를 위한 대책으로 태양광 발전에 축전지를 추가. 파워컨디셔너(PCS)로 수요에 맞게 태양광 발전으로부터의 전원 공급을 제어해 여분 전력은 축전지에 저장하는 방법이 있다. 태양광 발전이 정지되었을 때에는 축전지에서 PCS를 경유해 전력 계통으로 전력 공급이 가능하기 때문에 캘리포니아 주에서는 재생에너지 도입에 전력 축전지 설치가 법적으로 의무화되어 있다.

이와 같이 자연 현상에 좌우되는 재생에너지 발전량이 증가하면 전력 계통에 제공하는 출력 변동이 커지게 되기 때문에 변동 흡수 대책으로서도 축전지 도입은 필수적이다.

현재, 일본은 전력 소매의 완전 자유화로 인해 소규모 발전업자(10kW 이상~50kW 미만)가 증가. 전력회사와의 FIT를 통한 매전(賣電) 계약을 맺어 발전사업을 전개하고 있지만, 태양광 발전은 날씨에 좌우되기 때문에 흐린 날에도 되도록 계약된 발전량에 근접한 매전이 가능할 수 있도록 계약 전력보다 많은 발전 능력이 있는 태양광 패널을 설치하고 있다. 따라서 날씨가 좋은 날에 발전된 계약 발전량 이상의 태양광 전력은 잉여 전력이 되어 낭비되고 있다. 이를 위한 대책으로 축전지를 구비해 잉여 전력을 충전. 태양광 발전이 정지된 야간에 축전지에 저장된 전력을 매전함으로써 태양광 발전 전력을 최대한 이용할 수 있는 시스템이 될 수 있다.

FIT 계약에서 저압연계의 기존 태양광 발전소(10kW 이상~50kW 미만)는 20년 간의 고정 매입 계약으로 2030년경에 계약이 종료된다. 정부는 2030년까지 총 발전 전력의 22~24%를 재생가능에너지로 충당한다는 목표(2017년 실적은 6%)를 내걸고 있어, 기존에 설치되어 초기 투자 회수가 완료된 태양광 발전소를 효율적으로 이용할 수 있을 것으로 전망된다. 앞으로는 축전지를 설치해 전력회사 등과의 전력 소매 개별 계약에서 보다 필요로 할 때 요구량을 매전할 수 있는 비즈니스로 전환될 것으로 보인다.

이와 같은 상황에서 당사는 재생가능에너지를 최대한 활용하기 위한 축전지 시스템 개발을 결정했다. 전국에 있는 50kW 미만의 기존 태양광 발전소는 수 십만 개 이상으로, 그 대부분이 축전지가 구비되어 있지 않다. 당사는 리튬전지 및 아연전지 등에는 없는 특징을 활용한 레독스플로우(RF)전지에 착안해 LE시스템 사의 개발 협력을 바탕으로 기존의 태양광 시스템을 개조하지 않고 나중에 RF전지를 추가할 수 있는 시스템을 개발하기로 했다.

■ 시스템의 개요

당사는 50kW 미만의 축전지가 없는 기존 태양광 발전소 시스템에 FIT 계약(기존 PCS정격용량) 이상의 잉여 전력을 RF전지에 축전해 야간에 매전함으로써 태양광 발전 출력을 최대한 이용할 수 있는 RF전지시스템을 개발한다.

일반 축전지를 신설하는 경우에는 PCS도 포함해 대폭적인 개조가 필요하겠지만, 이번에 개발한 시스템은 기존 PCS를 개조하는 것이 아닌, 추가적으로 RF전지가 간단히 설치될 수 있는 제어시스템이다. RF전지의 특징을 이용해 축전 시간을 늘릴 경우, 전해액을 추가하는 것만으로 축전 시간을 늘릴 수 있다.

RF전지시스템의 개요는 이하와 같다. 태양광 발전의 매전 전력이 계약 전력 이하의 경우, DC/DC 컨버터는 OFF 상태로, RF전지에 충전하지 않고 계약 전력에 도달했을 때 계약 전력 이상의 전력은 DC/DC 컨버터를 ON으로 하여 RF전지를 충전한다. 날씨의 영향으로 태양과 발전이 계약 전력 이하가 되면 DC/DC 컨버터를 다시 OFF로 해 충전을 정지하는 등, 발전 전력에 따라 이러한 동작이 반복된다.

야간이 되어 태양광 발전이 정지했을 때에는 RF전지에 저장된 전력을 기존 태양광용 PCS를 통해 매전한다. 매전이 진행되어 RF전지에 저장된 전력이 규정 값(RF전지의 방전 종료 전압)에 도달할 경우, RF전지로부터의 방전을 정지한다. 다음 날 태양광 발전이 개시되면 다시 태양광으로부터 매전을 개시해 같은 동작을 반복한다.

이와 같은 축전지시스템 추가를 통해 FIT계약에 관계 없이 지금까지 버려졌던 FIT계약 전력(기존 PCS 정격용량) 이상의 전력을 야간에 매전할 수 있는 시스템을 실현할 수 있다.

■ 시스템의 특징

RF전지는 모니터 셀에 흐르는 전해액의 개방 회로 전압(OCV 값)을 계측하면 실시간으로 충전 양을 파악할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 반면, 다른 축전지(예: 리튬, 아연 등)의 충전 양을 파악하기 위해서는 축전지를 가득 채운 후 충∙방전 양을 계산해 파악해야 하기 때문에 장시간 운전할 경우 계산 값에 오차가 발생해 정확한 충전 양을 파악하기가 어렵다.

OCV와 충전 심도는 이론적인 계산식에 따라 OCV를 계측하면 RF전지의 충전 심도를 파악할 수 있기 때문에 축전지의 과(過)충∙방전이 가능한 RF전지시스템을 실현할 수 있다.

태양광 발전의 잉여 전력을 RF전지에 충전하는 제어 장치에는 한 방향의 DC/DC 컨버터를 채택하고, 야간에 RF전지로부터 기존 PCS를 통해 매전하는데 필요한 ON/OFF 스위치로는 반도체 스위치를 이용한다. 이를 통해 RF전지에 저장된 전력은 기존 PCS를 개조하지 않아도 충전이 가능한 시스템을 실현할 수 있다.

반면, DC/DC 컨버터를 쌍 방향으로 할 경우, RF전지로부터의 전력을 ON/OFF 하는 스위치가 필요 없다. 쌍방향 DC/DC컨버터에서 수전(受電)모드로 할 경우에는 정전류(定電流)제어 또는 정전압(定電壓)제어를 실시. DC/DC 컨버터를 역방향의 스위치로써 사용하는 경우에는 RF전지의 전압을 기존 PCS의 입력 전압 범위 안에 맞춰 태양광의 주요 회로에 접속한다.

이번 ‘재생가능에너지를 최대한 활용하기 위한 축전 시스템 개발’ 전에 당사는 레독스플로우전지(RF)의 우수한 기능과 각종 운전 모드를 통한 제어 방식, 태양광 등의 발전 전력의 변동 흡수 및 각종 효율성 등의 조사를 목적으로, 컨테이너 탑재의 레독스플로우전지 시스템을 개발해 아이가와(愛川)기술연구소에서 실증 실험을 지속하고 있다.

이번에 개발한 기술 내용은 이하의 2가지 점이다.

(1) 보정 OCV값 계측 방법 개발
RF전지의 충∙방전 제어는 모니터 셀을 통과하는 전해액의 OCV값을 계측해 제어하지만, 전해액의 전하 가수(價數)의 불규칙성 또는 전해액 안에 함유된 기포 등으로 인해 OCV 계측 값이 달라져 다른 값이 나오는 경우도 있다.

한편, OCV와 축전 양의 관계를 나타낸 그림6과 같이 OCV와 충전 심도는 비례 관계에 가까운 강한 상관 관계에 있지만, 충전 심도 10~90%의 범위에서 OCV값의 차이는 겨우 약 0.25V밖에 되지 않기 때문에 OCV 계측 값의 불규칙성으로 인해 OCV값이 정확한 충전 심도를 나타내지 않는 케이스가 발생하고 있다. 따라서 전해액의 충전 양을 정확하게 파악할 수 있는 노이즈 등이 제거된 OCV값을 구할 필요가 있다.

이를 위한 대책으로 당사는 모니터 셀의 OCV 계측 값과 충∙방전 시간의 상관 관계에 착안해 새롭게 OCV 계측 값의 보정 처리법을 개발했다. 이 보정 처리법으로 구한 OCV값(이하 보정 OCV값)은 그림5와 같이 OCV 계측 값의 불규칙성 등이 보정된 OCV값(보정 OCV값)을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.

앞으로 당사는 RF전지의 충∙방전 제어 및 전해액 유속 제어 등에 새로 개발한 보정 처리법을 이용한 보정 OCV값(0.0001V이하의 정밀도로 보정)을 도입해 RF전지시스템을 제어해나갈 예정이다.

(2) 풍력발전 등 변동 흡수 제어 방법 개발
풍력발전 등 출력 변동이 큰 전력이 전력 계통에 인가될 경우, 전력 계통 운용에 악영향을 미치기 때문에 그 대책으로서 축전지를 도입해 출력 변동을 평활화 하는 실증 실험이 업계에서 실시되고 있다.

이번에 당사는 풍력발전 등 변동이 심한 출력 용량(kW)을, 개발한 ‘보정 OCV값 계측 방법’을 발전시킨 ‘보정 출력 용량 계측 방법’으로 구한 출력 용량(이하 보정 출력 용량)을 통해 단(短)주기(예: 초(秒) 오더)~장(長)주기(예: 수 분(分) 오더 이상)까지의 보정 출력 용량을 구해보았다. 이 보정 출력 용량의 경향을 분석해 이후에 인하되는 단주기 및 장주기의 출력 변동 예측이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 전해액의 보정 OCV값의 처리 조건과 보정 출력 용량의 처리 조건을 비교한 결과, 예를 들어 단주기의 보정 출력 용량을 구한 시점에서 RF전지의 보정 OCV값(충전 양)을 파악할 수 있다는 것을 확인했다. 따라서 지금까지의 풍력발전 출력의 변동 경향을 통해 이후의 단주기 또는 장주기의 변동을 예측. RF전지의 과충전 및 과방전을 방지하면서 충방전 제어를 실시해 설치된 RF전지 용량에 맞게 재생가능에너지의 출력 변동 흡수가 가능하게 된다(RF전지 용량을 최대한 활용한 변동 흡수 제어가 가능).

■ 결론: 앞으로의 전망

당사는 소규모 태양광(50kW 미만)용 RF전지시스템 개발에 있어 장래의 FIT계약 이후의 소규모 태양광용 시장을 상정한 RF전지시스템을 개발한다. 우선은 앞으로의 설계를 고려해 소형 RF전지를 제작, 나중에 추가 설치할 수 있는 소규모 태양광용 RF전지제어시스템을 완성한다.

한편, 대용량에 적합한 기존형 RF전지 스택을 낮은 가격에 소형, 경량의 소형 RF전지 기준 스택(1kW 20셀)으로 개발한다. RF전지에 사용하는 주요 전지 부재(이온 교환막, 전극, 쌍극판 등)의 대폭적인 가격 인하와 성능 향상을 목표로 부재 제조사와의 공동 개발을 통해 새로운 전지 부재를 개발한다.

RF전지 스택의 조립은 현재의 수작업 중심에서 생산기기를 이용한 자동 생산을 도모하고 있기 때문에 기계화를 위한 스택 구조 및 기계설비를 기계 제조사와 공동으로 개발해, 수 년 후에는 새롭게 개발된 소형 RF전지 기중 스택을 사용한 RF전지시스템의 샘플 출하를 예정하고 있다. 가까운 시일 내에 이루어지는 실증 실험 내용은 이하와 같다.

①기존 소형 태양광 발전소에 기존 PCS 등을 개조하지 않고 태양광 전용으로 추가 설치 가능한 RF전지시스템을 그림3을 베이스로 정교하게 개발해 현장에서의 검증 실험을 실시한다.
② 소형 풍력발전소와 RF전지시스템과의 조합을 통해 당사가 개발한 보정 OCV값과 보정 출력 용량으로 제어시스템을 구축해 현장에서 풍력발전의 변동 흡수 실험을 실시한다.

FIT 계약 이후에 대한 정부 방침이 아직 확립되지 않았지만, 당사는 전국 약 수 십만 곳에 설치되어 있는 소형 태양광 발전소 설비를 통해 현재의 PCS 정격을 넘는 태양광 전력을 충전지에 저장하고 야간에 매전(방전)하는 방식으로 태양광 전력을 낭비 없이 이용할 수 있도록 하는 새로운 비즈니스모델을 확립할 계획이다.

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