ESS
#배터리 #ESS개괄
- ESS는 [출력제어가 불가능한 재생에너지로부터 생산되는 전력을 일시적으로 저장하고 필요시 방전]할 수 있는 유용한 선택지다.
- 재생에너지 비중이 높아질 수록 방전 가능시간이 긴 장주기 ESS(배터리 용량: 4시간 ,8시간 등)의 필요성은 높아진다.
- 배터리 산업 입장에서 ESS 시장은 전기차 시장과 매우 다른 특성을 갖고 있다. 자동차와 달리 ESS는 하루에 최대 2회 이상 충방전이 반복됨에 따라 수명이 빠르게 단축될 가능성이 높은 환경
- ESS는 잦은 충방전 횟수를 버텨낼 수 있는 수명 특성, 그리고 에너지 밀도를 다소 희생 하더라도 저렴한 가격이 요구
- 수명 : 배터리 수명에 가장 큰 영향을 주는 요인 중 하나가 산소다. 양극재 구성 물질들은 산소와 만나 산화물이 될 때 안정화되므로 산소의 결합 강도가 강해야 결정 구조가 안정적으로 유지되는데, 양극재 구성 물질 중 산소와 가장 강한 경합 강도를 보여주는 원소는 ‘인(P)’ 이다. 이로 인해 [인과 철이 결합된 양극재는 삼원계보다 평균 2배 많은 충방전 싸이클을 버틸 수 있으며], 이러한 부분들이 확인되면서 글로벌 신규 ESS 설치량 중 LFP 비중은 2021년 초 25%에서 최근 95%까지 상승했다.
- ESS 시장은 앞으로 주요 선진국과 중국을 중심으로 확대될 전망
- 중국 ESS 설비규모는 2023년 미국을 넘어 세계 1위를 기록
- 재생에너지의 부족함을 채워주는 ESS
- ESS 시장이 배터리에게 요구하는 것은?
- (1) 장수명(충방전 싸이클)
- ESS는 1년 평균 400회 이상의 충방전을 거쳐야 해 [최소 3.0년 최대 7.6년] 정도의 수명밖에 담보할 수 없다. 즉, 전기차와 달리 ESS는 매 일 반복적으로 충방전이 이루어지기 때문에 그로 인해 배터리의 열화가 더 빨리 진행되어 수명이 단축된다. 이에 따라 ESS 배터리에게는 [더 많은 충방전 싸이클을 견딜 수 있는 안 정적인 결정구조]가 요구
- (2) 밀도 보다는 용량 그 자체
- ESS는 고정된 위치에 설치되는 시스템으로, 이동할 필요가 없다. 배터리가 크거나 무거워도 전체 시스템의 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 게다가, ESS는 공장, 전력망, 태양광 발전소 등의 설치 환경에 맞춰 공간을 최대로 활용할 수 있다. 즉, ESS는 [에너지 밀도 보다 총 용량이 중요]한 시스템이다. 배터리의 가격을 결정하는 가장 중요한 원인 변수는 에너지 밀도인데, ESS는 부피가 크고 무거워도 큰 제약이 없으므로, 전기차 보다는 더 저렴 한 배터리를 탑재할 수 있는 환경이다.
- (1) 장수명(충방전 싸이클)
- (3) ESS가 빠르게 성장하고 있는 CAISO와 ERCOT
기본정보
- ESS는 크게 배터리와 PCS(Power Conversion System), BMS(Battery Management System), EMS(Energy Management System) 등 총 4가지로 구성
- [PCS]는 전기의 교류를 직류로, 직류를 교류로 바꿔주는 역할. 배터리는 전기를 직류로 저장하지만 송배전을 통해 흐르는 전기는 교류이기에, 이를 변환해주는 PCS가 필요
- [BMS]는 ESS에 들어가는 배터리 셀을 하나로 움직이게 하는 역할을 하며, 전압과 전류, 온도 이상을 감지할 경우 충전과 방전을 중단시키는 안정장치가 포함된 장치
- [EMS]는 ESS의 전반적인 운영 소프트웨어 역할로 저장된 전기량을 모니터링하는 역할
- 자료: ESS용 배터리의 셀/모듈/랙 형태
- AI 및 데이터센터 성장이 ESS의 구조적 성장을 견인할 것으로 전망
- 데이터센터 투자 확대로 전력수요를 충당하기 위해 발전원이 필요. 신재생에너지(태양광, 풍력 등), 천연가스발전, 원전 /SMR 등이 가능한 발전원이나, 여러 가지 제약 요인 감안 시 신재생에너지 사용이 확대될 전망
- 미국에서 기업이 전력을 공급 받는 방식:
- 빅테크 중심의 RE100으로 신재생에너지 가속화 전망
미국 정부 보조금 및 규제를 통해 ESS 시장 성장 가속화
- 미국 내에서 생산 예정인 배터리 모듈 생산에 대해서 kWh 당 $10의 보조금을 받을 수도 있음
- ESS 원가 구조: 배터리(58%), PCS(20%), EMS(10%), BMS(5%), 기타(7%)
- 리튬 가격 하락으로 EV/ESS용 배터리 가격 하락세 지속. ESS 원재료 가격 하락으로 수요 증가 예상
- BESS 전력단가 하락세 지속으로, 신규 설치량 상승 전망
- 원가 경쟁력과 안정성을 이유로 ESS 내 LFP 비중 확대될 전망
[에너지 저장 체계(ESS, Energy Storage System)]는 에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있는 체계를 지칭한다.
발전소는 무작정 켜고 끌 수가 없다. 발전소 가동에도 많은 에너지가 들어간다. 또한 이 거대한 시설은 발전량을 줄인다고 소모 에너지가 크게 줄지도 않는다. 가령 발전량을 1/4로 줄여도 소모 에너지는 일반 가동시와 크게 차이가 없다. 내연기관 승용차는 저속에서 연비가 나쁘고, 고속에서 연비가 높은데 이런 현상이 발전소에서도 일어난다.
이렇듯 전기가 많이 필요할 때 발전소를 무작정 돌릴 수 없으며, 거꾸로 전기가 적게 필요할 때도 발전기를 무작정 가동중지할 수 없기에 에너지 낭비가 발생하게 된다.
송배전망 문제도 있다. 이들은 무작정 많은 전기를 보낼 수 없다. 물탱크에 비유해보자. 탱크에 아무리 물이 많아도 수도꼭지와 호스의 직경이 작으면 빨리 배출할 수 없다. 수압을 무작정 높이면 호스든 수도꼭지든 어딘가가 터져버릴 것이다. 송배전망에도 이와 비슷한 일이 생길 수 있다. 발전 용량에 맞는 적절한 송배전망이 조화되어야 한다.
친환경으로 꼽히는 태양광, 풍력 운용에는 문제가 많다. 이들은 햇빛이 강하거나 바람이 충분할 때만 발전이 이루어진다. 이 때 전기를 소모하거나 비축하지 않으면 발전된 전기가 사라져버린다. 전력망 부하를 막으려 과생산된 전기를 억지로 소모하는 시설을 가동할 때도 있다.
여기에서 “잉여 전기를 미리 저장해놨다가 전기 많이 쓸 때 풀면 되지 않을까?“라는 발상을 하게 된다. 그렇게 등장한 분야가 ESS다. 이 전기 저장 시설을 전기를 많이 쓰는 도시 근처에 설치한다고 해보자. 전기를 덜 쓰는 시간에 발전소는 효율적으로 움직이고, 송배전망의 부담도 덜어진다. 전기를 많이 쓸 때 ESS를 가동하면 발전소, 송배전망의 부담이 덜어짐과 동시에 에너지 효율이 높아진다.
ESS는 탄소중립 이슈와 관련해서 그 중요성이 높아지고 있다. 화력발전소가 주류라고 해도 에너지 효율을 높이면 화석 에너지 소모가 줄고 탄소 배출은 적어진다. 그게 아니더라도 [ESS가 효율적으로 구성된다면 발전소와 송배전망 확충을 덜 해도 된다]. 결과적으로 전력 인프라 전체의 비용을 낮추어 그 자원을 다른 곳에 투입할 수 있게 된다.
세부정보
- 미국에서는 유틸리티급 대형 ESS 프로젝트가 진행되있지만 설치 비용이 높다는 점과 방전시간이 짧다는 점이 단점이다
- ESS의 설치비용은 계속해서 떨어지고 있지만 아직은 전통발전 대비 비싼 것이 사실이다. 방전시간 역시 길어지고 있는 추세이나 [아직은 4시간 이상 방전이 가능한 ESS 프로젝트는 드물다]
