[sg협회]_(ess)_sg_기술동향보고서_2001209_최종

스마트그리드

ESS

기술동향

보고서

2012. 9

2012

9

스마트그리드 ESS

기술동향보고서

SMART GRIDESS(Electric Energy Storage System)

i

목 차

Ⅰ. 개요 ··················································································································1

1. 연구의 목적 및 범위················································································2

2. 스마트그리드 ESS 핫이슈······································································4

Ⅱ. 스마트그리드 ESS 정책 ·········································································9

1. 국내 현황··································································································10

2. 국외 현황··································································································12

3. 국내외 시장동향······················································································17

Ⅲ. 스마트그리드 ESS 기술 ·······································································23

1. ESS 종류에 따른 특성··········································································24

2. 국내 현황·································································································35

3. 국외 현황·································································································76

4. ESS 계통 운영 방안·············································································88

5. ESS 적용분야별 연계운용 방안·························································96

Ⅳ. 스마트그리드 ESS 표준 ·····································································102

1. 표준화의 필요성···················································································103

ii

2. 국내 현황·······························································································104

3. 국외 현황·······························································································105

4. ESS 표준화 파급효과··········································································110

Ⅴ. 결론 ·············································································································114

iii

그림목차

그림 [Ⅰ- 1] 에너지 저장 시스템 전력계통 적용···············································2

그림 [Ⅰ- 2] 부하 평준화(Load leveling) ···························································3

그림 [Ⅰ- 3] 신재생에너지의 전력품질 및 효율향상·········································3

그림 [Ⅰ- 4] ESS 전력계통 적용시 기대효과·····················································4

그림 [Ⅰ- 5] 다양하게 연계될 전력저장장치의 위치들·····································7

그림 [Ⅱ- 1] Application별 ESS시장 규모 전망(‘11년~’20년)·················12

그림 [Ⅱ- 2] 세계 에너지저장 실증 현황··························································15

그림 [Ⅱ- 3] 전력용량/저장시간별 최적 전력저장장치····································16

그림 [Ⅱ- 4] ESS의 글로벌 시장규모($B) ························································20

그림 [Ⅱ- 5] ESS 시장규모··················································································21

그림 [Ⅲ- 1] 리튬이온 전지구조··········································································25

그림 [Ⅲ- 2] Redox - Flow 전지의 원리·························································27

그림 [Ⅲ- 3] NaS 전지구조·················································································28

그림 [Ⅲ- 4] SC 구조···························································································29

그림 [Ⅲ- 5] 에너지저장장치의 용량별 응용분야·············································34

그림 [Ⅲ- 6] Smart Place···················································································36

그림 [Ⅲ- 7] Smart Renewable·········································································36

그림 [Ⅲ- 8] Smart Transportation···································································37

그림 [Ⅲ- 9] HKMC : 현대기아차 HEV : 2009년 양산시작 (左) GM: 제너럴

모터스 P-HEV : 2010년 양산시작(右)······································40

그림 [Ⅲ- 10] 메가베스 배터리의 적용 범위·····················································41

그림 [Ⅲ- 11] 대용량화 흐름················································································43

그림 [Ⅲ- 12] ESS에 요구되는 성능 및 적용 전지[Source : 일본자원에너지성]·········46

iv

그림 [Ⅲ- 13] RIST/POSCO 개발 NaS 단전지 구조와 제작 단전지············48

그림 [Ⅲ- 14] KIER의 RFB 개발 실적 및 계획················································52

그림 [Ⅲ- 15] 3세대 500kWh container type system··································53

그림 [Ⅲ- 16] 1MW/100kWh급 SFES 모듈 구성도··········································55

그림 [Ⅲ- 17] 초전도 플라이 휠 구조································································56

그림 [Ⅲ- 18] 슈퍼캐패시터의 UPS 적용 형태·················································58

그림 [Ⅲ- 19] KIGAM pilot plant의 조감도 및 전경·······································61

그림 [Ⅲ-20] KIGAM pilot plant의 계측시스템··············································62

그림 [Ⅲ- 21] 대형실증 플랜트 후보지······························································63

그림 [Ⅲ-22] CAES 실증 플랜트 핵심 개발 구성품······································65

그림 [Ⅲ-23] CAES 실증 필요 부지면적 분석 및 실증 플랜트 평면도(안)·············· 68

그림 [Ⅲ-24] 변압저장 및 정압 발전 방식의 한국형 CAES(KCAES)의 시스

템 구성···························································································72

그림 [Ⅲ- 25] Zn-Br Flow Battery 시스템······················································73

그림 [Ⅲ- 26] 호남석유화학-ZBB에너지사 Zn-Br Flow Battery 공동 기술 개

발 진행 상황···············································································75

그림 [Ⅲ- 27] 6MW급 (3×2MW) NaS 전지 시스템(IRRE, Japan) ···············78

그림 [Ⅲ- 28] AEP(American Electric Power)의 변전소용 1MW급 Na/S 전

지 시스템······················································································78

그림 [Ⅲ- 29] 51MW급 풍력발전시스템에 사용되는 34MW급 Na/S 전지···79

그림 [Ⅲ- 30] 풍력연계 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy) ···············80

그림 [Ⅲ- 31] 빌딩용 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy) ····················81

그림 [Ⅲ- 32] Sumitomo사 45kW*2hr VRB 스택 및 전해액탱크·················81

그림 [Ⅲ- 33] VRB 6MWh 에너지 저장 시스템(일본 SUBARU 프로젝트)···82

그림 [Ⅲ- 34] 2MWh VRB 에너지 시스템 전해액탱크 및 스택(미국 Castle

Rock, Utah) ················································································82

그림 [Ⅲ- 35] GmbH사(독일) 200kW 모듈 및 PV 연계 적용······················83

v

그림 [Ⅲ- 36] GEFC사(중국) 50kW, 4hr VRB 스택 및 전해액저장탱크····83

그림 [Ⅲ- 37] CAES 프로젝트 현황···································································87

그림 [Ⅲ- 38] 에너지저장장치 시스템 개요······················································88

그림 [Ⅲ- 39] 전력저장장치를 이용한 풍력발전기 출력제어 예···················90

그림 [Ⅲ-40] 풍력발전에 대한 전력저장장치 제어효과 예 (τ : 전력저장장

치 용량)························································································91

그림 [Ⅲ- 41] 에너지저장장치의 속응성 비교결과···········································93

그림 [Ⅲ-42] ESS 운영전략에 따른 주파수조정서비스의 지속제공 능력비교·····95

그림 [Ⅲ- 43] 전력저장장치 적용형태······························································101

그림 [Ⅲ- 44] 저장장치 연계기술분석용 배전계통내 적용위치····················101

그림 [Ⅳ- 1] 에너지 형태에 따른 ESS 시스템들의 분류······························109

그림 [Ⅴ- 1] 부하 평준화 운영 예시·································································116

vi

표 목 차

표 [Ⅰ- 1] 에너지저장 시스템 주요업체별 기술수준··········································5

표 [Ⅰ- 2] 각국의 전력저장장치 정책 비교························································6

표 [Ⅰ- 3] 분산전원 연계기준(전력품질)·····························································6

표 [Ⅰ- 4] 스마트그리드기반 배전계통의 안정도상의 문제점에 대한 해결방안····8

표 [Ⅱ- 1] ESS 시장 규모····················································································17

표 [Ⅱ- 2] ESS 적용 분야 및 세계 시장 현황·················································18

표 [Ⅱ- 3] 에너지 저장 분야의 시장 규모························································19

표 [Ⅲ- 1] 에너지저장장치별 원리 및 특징·······················································31

표 [Ⅲ- 2] 에너지저장시스템 종류별 가격 및 장점과 단점····························33

표 [Ⅲ- 3] 에너지저장장치 종류에 따른 특징 비교·········································33

표 [Ⅲ- 4] 전력저장시스템 특성 비교·······························································46

표 [Ⅲ- 5] 세계최고기관 vs. KIER 성능수준 비교··········································52

표 [Ⅲ- 6] 플라이휠 분야 국내 기술 수준························································57

표 [Ⅲ- 7] 슈퍼캐패시터 기술 수준(LS 엠트론)···············································59

표 [Ⅲ- 8] CAES 실증 플랜트 대상 부지 지층 현황······································64

표 [Ⅲ- 9] CAES 실증 플랜트 제원···································································64

표 [Ⅲ- 10] CAES 실증 플랜트 운전 모드별 특성 분석 결과·······················64

표 [Ⅲ- 11] 주요 구조물 크기··············································································65

표 [Ⅲ- 12] CAES 실증 플랜트 건설 항목························································66

표 [Ⅲ- 13] 압축공기 저장 시설별 주요 특징··················································69

표 [Ⅲ- 14] 압축공기 기밀방식별 특징······························································70

표 [Ⅲ- 15] 기존 변압식 CAES 플랜트의 운전압력 변동폭···························70

표 [Ⅲ- 16] CAES 시스템 요구조건에 따른 시스템 설계································71

표 [Ⅲ- 17] ZBB Energy 社의 실증사업···························································84

vii

표 [Ⅲ- 18] Prudent Energy 社 실증사업························································84

표 [Ⅲ- 19] 전력산업 적용분야별 에너지저장장치 요구조건··························88

표 [Ⅲ-20] 전력산업 적용분야별 에너지저장장치 요구조건··························91

표 [Ⅲ- 21] 에너지저장장치별 전력/에너지 장단점·········································92

표 [Ⅳ- 1] ISO/IEC 신재생에너지 분야 TC현황·············································107

표 [Ⅳ- 2] 전력저장 기술의 비교(수치는 개략적인 값)·································114

표 [Ⅴ- 1] 전력저장장치 설치 및 표준화 제정 효과······································116

Ⅰ 개요

Ⅰ. 개 요

－ 3 －

Ⅰ. 개요

1 연구의 목적 및 범위

◦ 에너지저장시스템(Energy Storage System, 이하 약칭으로 ESS라 함)은

생산된 전력을 전력계통(Grid)에 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기

에 공급하여 에너지 효율을 높이는 시스템으로 발전, 송배전, 수용가

단계별로 저장이 가능함

그림 [Ⅰ- 1] 에너지 저장 시스템 전력계통 적용[14]

◦ 스마트그리드 ESS는 기존의 전력망에 정보기술(IT)를 접목하여 전력

공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하고 전력저장장치

를 이용하여 가장 필요한 시기에 전기에너지를 공급하여 에너지 효율

을 향상시키고 경부하시(야간)에 유휴전력을 저장, 피부하시(주간)에

사용하는 부하평준화(Load leveling)를 통해 전력운영의 최적화에 기여

할 수 있는 시스템이다.

스마트그리드 ESS 기술동향 보고서

－ 4 －

그림 [Ⅰ- 2] 부하평준화(Load leveling)[14]

◦ 특히 출력변동성이 심한 태양광에 풍력 등과 같은 신재생에너지 전원

출력을 고품질 전력으로 전환하여 전력망에 연계하여 전력망의 안정성

과 신뢰도를 향상시킨다.

그림 [Ⅰ- 3] 신재생에너지의 전력품질 및

효율 향상[14]

◦ 이러한 스마트그리드 ESS 기술을 전력계통에 적용하였을 때 연료측면

Ⅰ. 개 요

－ 5 －

에서는 위험을 방지할 수 있고 발전측면에서는 기저부하를 중재하는

효과가 있으며 송배전 측면에서는 안정화를 도모할 수 있으며 판매 측

면에서는 전력품질을 향상 시킬 수 있다.

그림 [Ⅰ- 4] ESS의 전력계통 적용시 기대효과

2 스마트그리드 ESS 핫이슈

◦ 기존의 전력 시스템인 전력수요 예측에 따라 발전소에서 일괄적으로

전기를 생산하여 각 소비자에게 직접 제공하는 중앙 집중형 방식은 전

력 수요를 미리 예측하여 전체 공급량을 조절하면서 발생하는 수요와

공급의 불일치 가능성으로 시간대별 Peak 수요 대비 예비전력을 보유

하여 손실되는 전력자원이 많고 화력발전소 등의 운용으로 CO₂를 배

출하게 되어 환경오염 문제를 발생시키는 문제가 있음

◦ 이러한 문제점들을 해결하기 위해 기존의 중앙 집중형 송배전 시스템

에 정보통신기술을 접목하여 전력손실을 최소화하고 전력수급의 신뢰


－ 6 －

도를 제고하는 스마트그리드(Smart Grid)와 경부하시(야간)에 유휴전

력을 저장, 피부하시(주간)에 사용하는 부하평준화(Load leveling)를 통

해 전력운영의 최적화에 기여하는 전력저장장치(ESS)가 필요

◦ 스마트그리드 ESS의 효과로는 정보통신기술을 이용한 양방향 전력공

급 체계의 구축과 송배전 전력계통의 유연성을 제고, 정전사태 등을

미연에 방지하여 신뢰성을 제고, 그리고 경제적 측면에서의 전력관리

의 효율성 제고 등이 있음

◦ 전력저장장치의 종류에 따른 세계최고 기술 업체와 국내 주요 업체,

기술수준을 살펴보면 표 Ⅰ-1과 같다.

◦ 또한 우리나라와 주요 선진국의 전력저장장치 정책을 비교하면 표 Ⅰ

-2와 같다.

구분세계 최고 기술

업체

주요

국내업체R&D단계

기술 수준(세계최고 :

100)

원천 부품소재 제조

LiB

(리튬이온전지)

미쯔비시중공업,

GS유아사(일)

삼성 SDI,

LG 화학

응용제품

개발55 70 95

NaS

(나트륨-황전지)NGK(일) 포스코 초기개발 35 35 30

RFB

(레독스흐름전지)

Prudent

Energy(중)

LS 산전,

호남석유화학초기개발 40 40 45

수퍼 커패시터파나소닉(일)

MAXELL(미)

네스캡,

LS 엠트론

응용제품

개발50 55 80

플라이휠 보잉(미) 전력연구원 제품개발 70 60 70

CAES

(압축공기저장)PG&E(미) 삼성테크윈 초기개발 50 70 55

표 [Ⅰ- 1] 에너지저장 시스템 주요업체별 기술수준

Ⅰ. 개 요

－ 7 －

한국 일본 미국 유럽

정부 ◦ 지식경제부, 중대형

ESS 기술개발 및 산업화

정책 추진(K-ESS 2020 전

략)[14]

◦ RPS(신재생에너지 공

급의무화) 또는 EERS(에

너지공급자 효율향상 의

무화제도)의 일부로 ESS

설치 의무화 추진

◦250kW이상 ESS의

초기 설치비 1/3수준

의 보조금을 지원

◦ 가정용, 신재생에

너지 발전용 등 다양

한 분야에서 기술

개발 추진 중

◦ 미국 캘리포니아,

ESS 설치의무화 법안

승인(‘10.9월)

◦ 공공기관(ARPA-E,

EPRI 등), 벤처기업 및

대형 전력회사 중심으

로 기술개발 및 실증

적극 추진

◦ 프 랑 스

Saft 社, 독

일 Conergy

社 등이 참

여하여 국책

과 제 인

Solion 프로

젝트 추진

중기업 － 최근 삼성 SDI는 미

국 AES사에 20MW급

ESS를 공급계약(’10.9),

LG화학은 미국 SCE 사

에 10kWh급 가정용 ESS

공급계약 발표(’10.10)

－ 4MW/8MWh급 리튬

이차전지시스템 및 운용

기술 개발 중

－ Smart Renewable 운

영시스템 구축 및 실증

개발 중

- (LiB) SHARP 사는

태양전지용 LiB 사업

을 위해 DNP, 다이

와 House와 합작법

인 Elly Power 설립

- (NaS) NGK 社의

시장점유율이 ’08년

기준 51%로 과점 상

태, 프랑스 EDF와

150MW, UAE와

300MW 공급계약 체

결

- ARPA-E에서 총 92

백만 달러를 전력저장

기술에 투자(’09～’10)

- SCE 社가 DOE에 제

안하여 Tehachapi 사

막 지역에 스마트그리

드 및 풍력발전을 위

한 실증사업 진행

- 뉴욕 Westover 발전

소내 44MW 화력발전

설비에 20MW급 LiB

설치

- 태양광 주

택의 에너지

자급을 위한

LiB 도입 타

당성을 평가

하기 위한

과제로 ’08.8

월부터 약

75개 시스템

에 대한 실

증 사업 추

진

표 [Ⅰ- 2] 각국의 전력저장장치 정책 비교

◦ 전체 ESS 시장은 2020년 기준 약 43.8B USD 규모로, End User 및

Renewable 관련 수요가 전체의 70%이상을 차지할 것으로 예상되고

2~10시간 용량의 ESS 시장이 주류가 될 것

◦ 국내 일부 대기업에서 NaS, RFB 등을 기술개발 중이나, 초기 단계이

고 실증이 활발한 선진국에 비해 핵심소재 및 원천 기술 등 기술수준

이 미흡하므로 정부의 경제적 사업지원과 적극적인 실증이 필요

◦ 스마트그리드기반 배전계통의 전력저장장치의 연계 문제점으로는 역률

문제, 위치에 따른 아키텍처 보완 문제, 보호협조 문제 등이 대표적이

며 이를 해결하기 위해 분산전원 연계기준을 참고(표 Ⅰ-3)


－ 8 －

그림 [Ⅰ- 5] 다양하게 연계될 력 장장치의 치들

구분 내용

직류 유입

제한

분산형전원 및 그 연계 시스템은 분산형전원 연결점에서 최대 정격 출력전

류의 0.5[%]를 초과하는 직류 전류를 계통에 유입시켜서는 안 된다.

역률

분산형전원의 역률은 90[%]이상으로 유지함을 원칙

다만, 역송병렬로 연계하는 경우로서 연계하는 경우로서 연계계통의 전압상

승을 방지하기 위하여 기술적으로 불가피하다고 한전이 인정한 경우에는 연

계계통의 전압을 적절하게 유지할 수 있도록 분산형전원 역률의 하한값을

최하 80[%]까지 범위 내에서 분산형전원 설치자와 전력회사와 협의하여 정

할 수 있다. 분산형전원의 역률은 계통 측에서 볼 때 진상역률(분산형전원

측에서 볼 때 지상역률)이 되지 않도록 함을 원칙으로 한다.

플리커

분산형전원은 빈번한 기동 탈락 또는 출력변동 등에 의하여 전력계통에 연

결된 다른 전기사용자에게 시각적인 자극을 줄만한 플리커나 설비의 오동작

을 초래하는 전압변동을 발생시켜서는 안 된다.

고조파

특고압 한전계통에 연계되는 분산형전원은 연계용량에 관계없이 전력회사가

계통에 적용하고 있는 배전계통 고조파 관리기준에 준하는 허용기준을 초과

하는 고조파 전류를 발생시켜서는 안 된다.

표 [Ⅰ- 3] 분산전원 연계기준(전력품질)

Ⅰ. 개 요

－ 9 －

문 제 점 해 결 방 안

마이크로그리드내의 부하불평형 전력저장장치+APR

Cold Load Pickup 전력저장장치+APR

마이크로그리드내의 무효전력 수요 변화 전력저장장치+AQR

마이크로그리드의 전동기 기동돌입전류 수용능력 소프트스타터

마이크로그리드의 임피던스변화로 인한 불안정운전 전력저장장치+APR+AQR

마이크로그리드의 운전전환시 수은등 또는 고전압방전등의

소등전력저장장치+APR+AQR

전력변환장치의 고조파 발생 및 간섭현상 전력저장장치+고조파보상

스텝(불연속) 부하 및 펄스성 부하로 인한 고조파 발생과

간섭현상전력저장장치+고조파보상

마이크로그리드, 분산전원, 변압기, 연계계통간의 접지 호환성 전력저장장치+DVR

선로전압조정장치, ULTC, 마이크로그리드간의 전압조정협조 전력저장장치 APR+AQR

마이크로그리드의 주파수 및 전압 전력저장장치 APR+AQR

인버터-동기기-유도기로 구성되는 안정도 전력저장장치 APR+AQR

표 [Ⅰ- 4] 스마트그리드기반 배전계통의 안정도상의 문제점에 대한 해결방안

Ⅱ 스마트그리드 ESS 정책

Ⅱ. 정 책

－ 13 －

Ⅱ. 스마트그리드 ESS 정책

1 국내 현황

◦ 지식경제부, 중대형 ESS 기술개발 및 산업화 정책 추진(K-ESS 2020 전

략)[14]

－ 에너지저장 R&D 투자를 확대하여 원천기술 확보 및 글로벌 시장 선도가

가능한 기술에 집중투자

－ 시장주도형 기술개발, 미래 신기술 개발, 국제 공동 기술개발 등 기술개발

의 전략성을 강화하여 미래 에너지저장 시장 선점

－ 2020년까지 6.4조원 규모의 기술개발 및 설비투자 추진 및 ESS 설치의

무화 방안 검토

－ ESS 보급 목표 : ‘20년 1,700MW(Global Market Share 30%)

－ 전략과제 1. 에너지 저장 R&D 투자확대 및 전략성 강화

2. 에너지 저장 실증을 통한 산업화 촉진

3. 에너지저장 산업 인프라 구축

4. 국내 시장활성화를 위한 제도적 기반 조성

◦ RPS(Renewable Portfolio Standard, 신재생에너지 공급의무화) 또는

EERS(Energy Efficiency Resource Standard, 에너지공급자 효율향상

의무화제도)의 일부로 ESS 설치 의무화 추진

◦ 기업


－ 14 －

－ 최근 삼성 SDI는 미국 AES사에 20MW급 ESS를 공급계약(’10.9), LG화

학은 미국 SCE 사에 10kWh급 가정용 ESS 공급계약 발표(’10.10)

－ 일부 대기업에서 NaS, RFB 등을 기술개발 중이나, 초기 단계이고 실증

이 활발한 선진국에 비해 핵심소재 및 원천 기술 등 기술수준 미흡

◦ 국내 실증 현황

－ 4MW/8MWh급 리튬이차전지시스템 및 운용기술 개발 중

－ Smart Renewable 운영시스템 구축 및 실증 개발 중

Ⅱ. 정 책

－ 15 －

2 국외 현황

◦ 전체 ESS 시장은 2020년 기준 약 43.8B USD 규모로, End User 및

Renewable 관련 수요가 전체의 70%이상을 차지할 것으로 예상되고

2~10시간 용량의 ESS 시장이 주류가 될 것

그림 [Ⅱ- 1] Application 별 ESS 시장 규모 전망(‘11년~’20년)

◦ 일본, 미국 등 선진국 위주로 기술개발 및 실증을 활발히 추진 중이며

일부 상용화에 성공하는 등 사업화단계에 진입

□ 일본

◦ 일본, 250kW이상 ESS의 초기 설치비 1/3수준의 보조금을 지원(선도적

부하 평준화 모델 사업)

◦ 가정용, 신재생에너지 발전용 등 다양한 분야에서 기술 개발 추진 중

으로 특히 LiB, NaS 등에서 앞선 기술력 보유


－ 16 －

- (LiB) SHARP 사는 태양전지용 LiB 사업을 위해 DNP, 다이와 House와 합

작법인 Elly Power 설립(’08.11)

- (NaS) NGK 社의 시장점유율이 ’08년 기준 51%로 과점 상태(누적 실적

270MW), 프랑스 EDF와 150MW, UAE와 300MW 공급계약 체결

□ 미국

◦ 미국 캘리포니아, ESS 설치의무화 법안 승인(‘10.9월)

- 최근 5년간 평균 공급전력의 2.25% 이상을 ESS 이용하여 ‘14년부터 공급

(’20년 5% 이상으로 조정)

◦ 공공기관(ARPA-E, EPRI 등), 벤처기업 및 대형 전력회사(AES 社,

AEP 社) 중심으로 기술개발 및 실증 적극 추진

- ARPA-E(DOE 산하 연구기관)에서 총 92백만 달러를 LiB, Capacitor,

Flow Battery, CAES, Flywheel, SMES 등의 전력저장 기술에 투자

(’09～’10)

- SCE 社가 DOE에 제안하여 Tehachapi 사막 지역에 스마트그리드 및

풍력발전을 위한 실증사업 진행(250억/년, 5년간, 1:1 Matching

Fund, ’10년～)

- 뉴욕 Westover 발전소내 44MW 화력발전 설비에 20MW급 LiB 설치

(’10.6, AES 社)

□ 유럽

◦ 프랑스 Saft 社, 독일 Conergy 社 등이 참여하여 국책과제인 Solion

프로젝트 추진 중(프랑스 경제성․독일 환경부 공동지원)

- 태양광 주택의 에너지 자급을 위한 LiB 도입 타당성을 평가하기 위한

Ⅱ. 정 책

－ 17 －

과제로 ’08.8월부터 약 75개 시스템에 대한 실증 사업 추진(’12년 사

업화 목표)

□ 향후 전망

◦ 경제성 검증, 운영기술 확보 등의 목적으로 ESS 실증 사업 확대

- 전세계적 실증 사업 규모 : ‘09년 240MW (20건)⟶’10년 869MW(44건)

- 미국 : 공공기관(APRA-E, EPRI 등), 대형 전력회사(AES, AEP) 중심 기술

개발 및 실증 적극 추진, 스마트그리드 사업의 일환으로 PG&E(300MW)

및 NYSEG(150MW) CAES 구축 사업에 정부 보조금을 지원하고 있으며,

ES&P 사에서 개발 중인 2세대 방식 CAES 기술을 적용, Dresser-Rand사

사는 “Smart CAES“라는 브랜드로 CAES 상부설비 부분의 total solution

을 제공하기 위해 1세대 방식의 개량형인 고효율 압축 및 터빈 시스템을

개발 중

- 유럽 : 프랑스 saft社, 독일 Conergy社 등 참여하여 태양광 분산발전 ESS

실증과제 추진 : Solion Project, 독일 Huntorf 290MW CAES 발전소(1978)

와 미국 Alabama 110MW(1991)(현재 348MW 확장 운용 중)이 상업용 플

랜트로 운전 중, 현재 독일은 EnBw(600MW) 및 ADELE(200MW) CAES

프로젝트를 추진 중에 있음. 특히, ADELE 프로젝트는 연방정부와 RWE

및 GE 등의 기업이 주축인 컨소시엄과의 계약 완료 단계

- 미국 PIKE리서치사와 일본 후지경제에 따르면 ESS 시장 규모는 2010년 17

억달러(2조500억원)에서 2020년 412억달러(47조 9000억원) 성장 예상


－ 18 －

그림 [Ⅱ- 2] 세계 에너지저장 실증 현황

◦ 전력망(Grid) 등 대규모 전력공급 안정화를 위한 에너지 저장 수요가

확대되어 대용량화되는 방향으로 기술개발이 진행될 것으로 예상

- 전력망(Grid)용 저장 수요 : ’11년 584MW → ’20년 10,783MW(약 18배 성

장)

- 50MW 이하는 LiB, NaS, RFB 등의 전지 방식이, 50MW 이상은 CAES 등

의 대형 발전 방식이 대세를 이룰 전망

◦ 용도별로 전력용량․저장시간 등의 기술적 특성이 적합한 특정 저장장

치가 집중 개발될 전망

Ⅱ. 정 책

－ 19 －

그림 [Ⅱ- 3] 전력용량/저장시간별 최적 전력저장장치[4]

- 전력품질 개선 및 신뢰성 향상 : LiB, FW 등

- 송배전 설비용 : NaS, SC 등

- 상업용 저장 : CAES, RFB 등

- 신재생에너지 관리용 : 거의 모든 전력저장장치 활용 가능

◦ 일본은 1998년부터 기존 탄광을 활용한 2MW 급 CAES Pilot 플랜트

를 구축하여 실증 실험을 완료

◦ 중국은 미국 ES&P 사에 EPC역할을 부여하고 자국 내 CAES 건설 추

진 중


－ 20 －

3 국내외 시장 동향

3-1. 시장규모

◦ ESS 한국시장 규모는 세계시장의 1%를 기준으로 하여 성장하고 있음

년도 2010년 2015년 2020년

세계시장 20,500억원 240,000억원 479,000억원

한국시장 200억원 2,400억원 4,790억원

표 [Ⅱ- 1] ESS 시장규모[1]

3-2. 시장현황

◦ ’10년 850MW의 에너지저장장치가 보급, 그중 전력계통용(장기저장)이

80%, Ancillary 서비스용(단기저장)이 20% 가량의 시장 형성(Pike

Research)

◦ 전력계통용 시장은 미국이 78% 가량으로 최대시장 형성

- 현재 보급된 ESS는 80% 가량이 장주기용으로 발전량과 부하간의 균형

을 맞추기 위한 Grid support용과 고전적 발전 시스템의 전력 신뢰도 향

상이나 신재생 에너지 시스템과의 연계를 위한 on-grid stationary용으로

주로 적용

- 향후에는 전력 수요 증가가 가속할 될 경우, 첨두부하 대응용 발전 시스

템을 대체할 수 있는 Load shifting 분야와 on-grid stationary 분야에 대

한 성장세가 두드러질 것으로 판단

Ⅱ. 정 책

－ 21 －

응용분야 내용

시장 규모2010

(USD

billion)

2020

(USD

billion)

성장률

(%)

Utility

Grid

support

전력 계통상에서 발전량과 부하간의

균형을 통해 신뢰성을 유지, 효율성을

증대.

2.0~3.0 3~6 3~7

T&D

deferral*

Utility는 일반적으로 T&D를

업그레이드해야 Peak load를 충족.0.1 0.5~0.8

17

~22

Load

shifting

Extra capacity의 구축 필요성을

최소화하기 위해 전력 수요가 높을

때(Peak period)를 대비하여

상대적으로 수요 낮은

시간대(Offpeak period)에 발전된

전력을 저장하여 사용.

0.3 23~3072

~77

Stationary

On-grid

stationary

power

Backup power: 데이터 센터, 통신사,

병원 등 중요한 곳에서 전력의 높은

신뢰도를 확보

Low-voltage power: 재생 에너지,

CHP, Micro grid등 계통상에서

Low-voltage 발전에 적용

4~5 7~19 7~15

Off-grid

stationary

power

Off-grid 재생 에너지의 발전 및

저장, 외딴 지역의 산업 시설을 위한

대기 전력을 제공하거나, 외딴 지역

혹은 저개발국가에서 주발전원으로

사용함

0.5~0.8 1~510

~20

표 [Ⅱ- 2] ESS 적용 분야 및 세계 시장 현황

* Transmission and Distribution capital deferral.

◦ 국내의 경우 도서지역에 독립발전형 신재생에너지발전과 연계하여 납

축전지 및 니켈-수소전지를 중심으로 수십억 규모의 시장 추정되며,

RPS제도에 의한 신재생에너지 확대, 정부의 에너지저장의무화 계획

등으로 급격한 시장 확대가 예상됨


－ 22 －

연도 2010년 2015년 2017년 2020년

국내

(억원)1,500 1,800 13,000 50,000

국외

(억원)18,000 500,000 1,500,000 4,720,000

산출

근거

PIKE리서치(미), KESS-2020자료, BCG 시장 예측자료

* 세계 발전시장의 1%가 Storage 도입 가정

* 향후 ESS 시장의 성장을 평균 45%로 가정

표 [Ⅱ- 3] 에너지 저장 분야의 예상 시장 규모

◦ 국외의 경우 미국 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2010년 기준 2조원

규모의 초기시장 형성, 약 850MW의 저장용량이 보급되었고, 그 중 전

력계통용이 80%, Ancillary 서비스용이 20%가량 점유하고 있으며, 전

력계통용 시장은 미국이 약 78% 정도 차지하며 최대 시장을 형성하고

있음. 특히 최근 중국 Prudent사 라인 가동률이 매우 높으며 대부분

미국으로 수출하고 있음

◦ 파이크리서치는 빌딩용 전력저장장치 시장이 5년 안에 50억달러 이상

의 시장을 형성할 것으로 전망했으며, 향후 레독스 흐름전지와 리튬이

온 기반의 배터리가 건물 전력저장장치 시장을 선도할 것으로 예측함

◦ 신재생에너지와 같은 부가적인 가치를 포함해 2020년 최대 1,500억 달

러의 시장형성이 가능할 것으로 예상

◦ 호남석유화학 및 BCG는 신재생에너지 보급증가, Micro-grid 및 분산

형 발전소 확산, 전기요금 상승 및 변동요금제 실시, 정부 보조금 지

급, 발전단가 및 설비투자 비용 상승 등으로 CES용 전력 저장장치 시

장이 2020년 200억 달러 규모로 예측

Ⅱ. 정 책

－ 23 －

그림 [Ⅱ- 4] ESS의 글로벌 시장규모($B)

3-3. 시장전망

◦ Global 전력 수요의 증가 및 신재생 에너지 보급 확대에 따라, 중대형

에너지저장 수요가 급속도로 확대될 전망

- 세계 전력수요는 ’10년 21.0조 kWh에서 ’20년 27.5조 kWh로 연 2.7% 증가

예상

- ’10년부터 ’20년까지 세계 풍력은 172GW에서 709GW, 태양광은 22GW에서

160GW로 증가 예상(신재생 에너지 발전량 비중 : ’10년 2.0% → ’20년

7.8%)

◦ 향후 10년간 시장이 급팽창하여 ’20년에는 47.9조원에 달할 전망이며,

저장수요는 약 16배 성장 예상(’11년 1,206MW → '20년 20,105MW)

- 2010년도에는 ESS의 전체 보급량은 850MW이고 시장규모는 $6~8B이며,

10년 이후인 2020년도에는 관련 시장이 $34~60B 규모로 폭발적으로 증가

될 것으로 예상

- 국내는 현재 관련 시장 형성전의 실증단계이지만, 향후 전력 소비량 증가


－ 24 －

및 신재생에너지 확대에 따라 중장기적으로는 ESS에 대한 수요가 급팽창

할 것으로 전망

- 예를 들어 전력소비량의 경우, 5차 전력수급기본계획에 의하면 ’10～’24년

기간에 연평균 1.9% 증가될 것으로 예상되며, 신재생에너지의 경우, 제3차

신재생에너지기본계획에 따르면 보급목표가 ’08년에는 2.58%인 반면, ’30

년에는 11%를 목표로 하고 있음

- 이에 지경부의 ESS 수요 예측 결과(에너지저장 기술개발 및 산업화 전략,

K-ESS 2020)에 따르면 ’15년까지 960MW, ’20년까지 1680MW규모의 에너

지저장 시스템이 필요할 것으로 예측[14]

- 그러나 국내 전력 계통망은 안정성이 높아 일정 규모의 신재생에너지를 통

해 생산된 전력을 계통에 직접 연계가 가능한 상태이므로, 국내 ESS 시장

은 단기적으로 전력 사용자적 측면에서의 효율성 향상을 위한

‘Transmission and Distribution capital deferral’용이나 공급자적 측면에서

의 ’Load shifting'용에 대한 수요가 우선 증가된 후에, 중장기적으로 신재

생 에너지 시스템의 보급 확대에 따라 ‘on-grid support‘용에 대한 수요가

증가될 것으로 판단

그림 [Ⅱ- 5] ESS 시장규모

Ⅱ. 정 책

－ 25 －

◦ 풍력 연계형 CAES의 경우 ‘20년까지 풍력발전량의 8%를 CAES와 연

계 전망되며(대규모 풍력단지의 경우 10% 수준), ’30년까지 풍력발전

량의 16%를 CAES와 연계 전망(대규모 풍력단지의 경우 20% 수준)

◦ 태양광 연계형 CAES의 경우 ‘20년까지 태양광 발전량의 3%를 CAES

와 연계 전망되며(대규모 태양광단지의 경우 4% 수준), ’30년까지 태

양광 발전량의 7%를 CAES와 연계 전망(대규모 태양광단지의 경우

10% 수준)

◦ 차익거래용으로 CAES의 비즈모델을 설정할 경우, ‘20년까지 전체 발

전설비의 1.5%, ’30년까지 3%에 해당하는 시장이 형성될 것으로 전망

(풍력/태양광 제외)

◦ 2011~2020 대용량 저장 누적 세계시장규모는 총 70조(2020년 연간 시

장규모 20.6조)로 예상(신재생에너지 관련 저장시장규모는 신재생에너

지의 30% 예상)

◦ 신재생에너지 발전원 및 기저부하용 발전설비가 계획대로 진행되고,

개발과 실증 후 KCAES가 성공적으로 대용량 전력저장시장에 진입해

서 market share 30%의 목표 달성할 경우, 2020년에는 한국형 KCAES

예상매출을 총 18조에 이를 것으로 예상

◦ 전 세계적인 경기침제 및 금융위기로 인해 계획된 신재생에너지원 증

설 및 신설 목표를 달성하기 어려운 상황과 발전원 투자의 보류 등으

로 인해 잠재 예상 시장 규모를 50% 축소할 때 2020년에는 약 10조의

시장이 형성될 것으로 예상

Ⅲ 스마트그리드 ESS 기술

Ⅲ. 기 술

－ 29 －

Ⅲ. 스마트그리드 ESS 기술

1 ESS 종류에 따른 특성

□ 리튬이온전지

◦ 전세계 ESS용 리튬이온 배터리 시장은 현재 6천억원 수준에서 2020년

약 12조원 수준으로 연평균 35%이상의 폭발적인 성장세를 이어갈 것

으로 예상

◦ 리튬 이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전

지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동

하는 전지이다. 충전시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동

하여 제자리를 찾게 되는 충전 및 재사용이 가능

◦ 리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눔, 다양

한 종류의 물질들이 이용가능

◦ 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연, 양극에는 층상의

리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬

(lithium iron phosphate, LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화

물, 스피넬 등이 이용, 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐

에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀜, 최근에는

나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있음

◦ 시중의 휴대용 전자 기기, 방산산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산

업 분야에서도 사용 빈도가 증가하는 추세

◦ 전지의 용량은 mAh또는 Ah로 표시하는데, 휴대폰에 사용하는 전지는

800~1000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1100~1950mAh도 사


－ 30 －

용, 노트북에 사용되는 전지는 2400~5500mAh가 가장 많이 사용되며

대용량 전지의 용량은 최소한 수십 kWh 이상

그림 [Ⅲ-1] 리튬이온 지 구조

◦ 리튬이온 전지 특성

- 에너지밀도가 높다.

- 하드카본을 부극으로 사는 전지는 흑연을 사용한 것에 비해 우수하고 수천

사이클 이상을 달성하고 있다.

- 자기방전율이 3~5%/월 이하로 작고 니켈카드뮴이나 니켈수소전지의 ½ 이

하이다.

- 사용온도 범위가 넓고 방전에서는 -20℃에서 +60℃의 범위를 커버한다.

- 충전방식은 정전압, 정전류 충전으로 행하고 충전회로가 간단하다.

- 동일한 체적 및 무게일 경우 타 전지에 비해 용량이 3배이다.(에너지밀도

높다)

- 폭발의 염려

Ⅲ. 기 술

－ 31 －

□ 레독스흐름전지

◦ 레독스플로(redoxflow) 전지란 reduction(환원), oxdaition (산화), flow

(흐름)의 단어를 합성한 것으로, 가수(假數)가 변화하는 금속 이온을

가진 수용성 전해액을 탱크에 저장하고 그 전해액을 펌프로 셀이라고

불리는 부분에 송액하여 충전/방전하는 전지를 의미

◦ 양극과 음극의 전해액으로서 바나듐 등 금속 이온을 용해시킨 산성수

용액을 이용하여 양극과 음극의 전해액은 각각의 탱크에 저장되어 전

지 셀로 송액 순환

◦ 전지 셀 내에서 충전/방전시에 생기는 반응(전해액에 바나듐을 사용한

경우)

- 양극 :

충전방전

- 음극 : 충전

방전


－ 32 －

그림 [Ⅲ- 2] Redox – Flow 지의 원리

◦ Redox – Flow 전지 특성

- 전지반응이 바나듐 이온의 원자가 변화에 의존하기 때문에 수명이 김

(12,000회 충방전 가능)

- 셀과 탱크부를 분리할 수가 있어 설치장소에 적합하게 제작 가능

- 펌프, 냉각장치 등의 가동부분이 필요하기 때문에 보수, 유지가 필요

- 바나듐 이온 멤브레인의 교환이 필요

Ⅲ. 기 술

－ 33 －

□ NAS(나스-황전지)

◦ NAS전지는 음극으로서 나트륨, 양극으로서 유황을 사용하고 전해질로

서 베타알루미나 세라믹스(나트륨이온 전도성을 가진 고체전해질)를

사용하고 있다. 전지의 충방전은 300℃ 부근에서 가능한 고온형 전지

그림 [Ⅲ-3] NaS 지 구조

◦ NaS 전지 특성

- 모듈의 출력과 용량이 크기 때문에 비교적 대규모 전력저장 시스템에 적합

- 높은 에너지밀도(>=3배, 연축전지밀도)

- 긴 사이클 수명(5,000회 충방전 가능)

- 동작을 위해 작동 온도를 유지 필요

- 고충방전 효율이며 자기 방전이 없기 때문에 효율적으로 전기를 저장가능


－ 34 －

□ SC(Supper Capacitor)

◦ 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계

면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이

용

◦ 캐패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조, 여기에 직류전

압을 걸면, 각 전극에 전하가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류

가 흐르고, 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않음

그림 [Ⅲ-4] SC 구조

◦ 교류의 경우에는 +, -가 계속해서 바뀜에 따라, 앞서 언급한 테스터의

측정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류

가 흐르게 됨

◦ 캐패시터는 두 극판의 전극간에 절연체를 넣어 만드는데, 이 재질에

따라 여러 종류의 캐패시터가 있음, 아무것도 삽입하지 않고 공기를

유전체로 하는 캐패시터도 있음

◦ 캐패시터의 용량을 나타내는 단위는 패럿(약호:F), 일반적으로 캐패시

Ⅲ. 기 술

－ 35 －

터에 축적되는 전하용량은 매우 작기 때문에, μF이나 ρF의 단위가 사

용되지만 최근에는 슈퍼캐패시터로 인해 F단위로 용량을 표기하는 경

우도 생겨남

◦ SC 특성

- 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율

- 거의 무한대에 가까운 충방전 사이클

- 낮은 임피던스(급격한 충방전 가능)

- 간단한 충전방법(센서 및 기타 부가적인 회로 간단)

- 낮은 에너지 밀도(일반적인 배터리의 1/10)

- 셀 전압이 낮기 때문에 직렬연결 필요

- 3개 이상 직렬시 전압 발란싱 필요

- 높은 자가 방전율(약 50%/월)

□ 압축공기 저장 발전 시스템(CAES, Compressed Air Energy

Storage)

- 전력수요가 낮은 시간대 또는 조절 불가한 전력을 압축기를 사용하여 압축

공기 에너지로 지하에 저장하고, 전력수요가 높은 시간대에 압축공기를

이용하여 전력을 생산하는 시스템

- 중대형 에너지 저장장치 중 CAES 시스템은 대형/장주기 에너지저장장치로

서, 전력 계통 안정화 및 효율적 운영을 위해 적용됨


－ 36 －

종 류 작동 원리 및 특징

원리: Off-peak load 시, 물은 높은 곳에 저장, Peak load 시,

저장된 물을 이용하여 발전

장점: 대용량 저장에 우수, 성숙된 기술로 높은 안정성,

75~80%의 효율

단점: 지리적 제약, 지질에 따른 설계의 어려움, 대규모로 초기

투자 비용이 큼Pumped hydro storage

원리: 초전도 코일에 직류전류를 흘려 자기에너지 형태로 저장

하는 시스템

장점: 높은 변환효율(>95%), 빠른 응답시간, 저에너지 손실

단점: 고비용, 낮은 에너지 밀도Superconducting

Magnetic Energy Storage

원리: 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전위차 발생

장점: 높은 에너지 밀도, 높은 에너지 효율, 폭넓은 적용

단점: 안전성․수명 미검증, 높은 비용

LiB(리튬이온전지)

표 [Ⅲ- 1] 에너지저장장치별 원리 및 특징

□ 플라이휠 에너지 저장 시스템(Flywheel Energy Storage

System, FESS)

- 대용량 회전체를 무접촉 상태로 부양한 후 전기에너지를 회전에너지 형태

로 저장하였다가 필요시 전기로 변환하는 기술

- 자기(초전도 또는 전자석) 베어링, 복합재 회전체, 회전 안정시스템, 냉각시

스템, 전력 입출력 모터 시스템 등으로 구성

□ 에너지저장 전력관리시스템(PMS: Power Management System)

- 전력망의 곳곳에, 많은 수의 전력저장장치를 설치하고 네트워크 기술, 전력

전자기술을 이용해 스마트한 통합관리를 하여 수요 및 분산전원의

randomness를 완충하는 장치 혹은 시스템

- 각 에너지저장장치별 원리 및 장단점

Ⅲ. 기 술

－ 37 －

원리: 300～350℃의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온이

전해질을 이동하면서 전위차 발생

장점: 높은 에너지 밀도, 낮은 비용, 대용량화 용이

단점: 높은 생산비용, 소재부족과 높은 방전율, 300～350℃에서

의 운영/유지/안정성, 낮은 에너지 효율NaS(나트륨 황 전지)

원리: 전해액 내 이온들의 산화·환원 전위차를 이용하여 전기

에너지를 충․방전

장점: 저비용, 대용량화 용이, 장시간 사용 가능, 과부하에 강

하며 전극/전해질 계면반응으로 고출력 가능

단점: 낮은 에너지 밀도, 낮은 에너지 효율

RFB(레독스 흐름 전지)

원리: 전극과 전해이온사이에 형성된 electric double

layer(EDL)로 이루어진 두 직렬 capacitor에 에너지를 저

장

장점: 높은 출력밀도, 긴 수명, 높은 효율, 안정성

단점: 낮은 에너지밀도, 높은 비용, 출력시간이 짧고 용량의 한

계가 있음Super Capacitor

(수퍼 커패시터)

원리: 전기에너지를 회전하는 운동에너지로 저장했다가

다시 전기에너지로 변환

장점: 높은 에너지효율, 긴 수명, 단위용량당 저비용

단점: 초기 구축비용 과다, 낮은 에너지밀도, 베어링이 미치는

영향이 큼, 투자효율성 검증의 어려움Flywheel(플라이휠)

원리: Off-peak load 시, 공기를 동굴이나 지하에 압축, Peak

load 시, 압축된 공기를 가열하여 터빈을 돌리는 방식

장점: 대규모로 장시간 저장 가능, 가스발전에 비해 약 60% 가

스 절감, 정지에서 가동까지 적은 시간 소요, 낮은 발전

단가

단점: 초기 구축 비용 과다, 지리적 제약, 화석연료 사용 불가

피CAES

(압축공기저장시스템)

* 자료 : 지식경제부, 우리투자증권 투자정보센터, 구글, 과학 동아

- 주요 에너지저장시스템 종류별 특징 비교


－ 38 －

표 [Ⅲ-2] 에너지저장시스템 종류별 가격 및 장점과 단점[5]

기술구분단주기 장주기

플라이휠 LIB NaS Flow Battery

$/kW

$/kWh

전력 변환 효율

1,250~2,500

5,000~10,000

90%

1,000

4,000

96%

25,000

347

78%

4,154

692

70%

장점

고출력

장수명

고온 내구성

상용화 쉬움

친환경

높은 변환 효율

NGK社 실증

사례투자비 낮음

단점

이동불가

높은 투자비

폭발위험

실증 사례 없음환경유해

고온 환경 유지

환경유해

낮은 변환 효율

표 [Ⅲ- 3] 에너지저장장치 종류에 따른 특징 비교[36]

Ⅲ. 기 술

－ 39 －

그림 [Ⅲ- 5] 에너지저장치의 용량별 응용분야


－ 40 －

2 국내 현황

□ LIB

◦ 신재생연계형 MW급 리튬이온 운용시스템 개발

- 수행기간 : ‘11. 7 ~ ’14. 6

- 분류 : 신재생발전원(풍력)연계 및 송배전망 연계 실증

- 참여기업 : KEPCO(주관), 삼성SDI, 효성

◦ 10kWh급 리튬이온전지 에너지저장시스템 실증

- 수행기간 : ‘10. 6~’13. 5

- 분류 : 대구 PV연계 가정용 에너지 저장장치 실증

- 참여기업 : 삼성SDI, KT, EnTech

◦ Smart Place(소비자 참여형 스마트그린 플레이스 구축)

- 수행기간 : ‘09. 1~’13. 5

- 분류 : 가정용 및 Community용 에너지 저장장치 실증

- 참여기업 : KT(주관), 삼성SDI, 효성, EnTech

Ⅲ. 기 술

－ 41 －

그림 [Ⅲ-6] Smart Place

◦ Smart Renewable

- 수행기간 : ‘09. 1~’13. 5

- 분류 : 풍력연계형 에너지 저장장치 실증

- 참여기업 : KEPCO(주관), 삼성SDI, 효성

그림 [Ⅲ- 7] Smart Renewable

◦ Smart Transportation

- 수행기간 : ‘09. 1~’13. 5


－ 42 －

- 분류 : EV 급속 충전기 실증

- 참여기업 : KEPCO(주관), 삼성SDI, PNE

그림 [Ⅲ- 8] Smart Transportation

◦ Micro-grid 연계형 실증 사이트 구축

- 수행기간 : ‘10. 6~’13. 5(제품 납품)

- 분류 : 계통연계형 에너지 저장장치 실증

- 참여기업 : KEPRI(주관), LS산전

[삼성SDI]

1) 특성

◦ 출력 : 수 kW ~ 수십 MW

◦ 용량 : 수 kWh ~ 수십 MWh

◦ 출력지속시간 :　수 초 ~ 수 시간

Ⅲ. 기 술

－ 43 －

◦ 적합용도 : 소형(100kWh 이하, 가정용 ~ Community용)

중대형(수백kWh~수십MWh)

◦ 타겟시장 : 가정용 에너지저장 시스템, 전력용/산업용 중대형 시스템

　

2) 기술개발 현황

◦ 삼성 SDI는 단지 수량뿐만이 아니라, ‘08년에는 업계의 공신력 있는

시장조사 기관으로부터 리튬이온 2차 전지 종합 기술력 1위, ‘09년에

는 다른 조사기관으로부터 2차 전지 『세계화&품질&혁신』 부분의

최고상을 수상

◦ 각 분야별 실증사업을 통해 ESS 기술의 안정성을 검증

◦ 검증 셀에 최적화된 ESS를 설계하며, 모듈화를 통환 시스템 구성으로

설계의 Flexibility를 높임

◦ BMS ~ C.I.(Container Integration) 및 모니터링 시스템 개발을 총체적

으로 함으로써 시스템의 완성도에 기여

◦ 단기적으로는 에너지 저장장치의 실증을 토대로 상용화의 발판을 마련

하고 있으며, 중장기적으로 ESS의 확대 보급을 위한 Cost 절감 활동도

수행 중

[LG화학]

1) 특성


－ 44 －

◦ 출력 : 수 kW ~ 1.5 MW

◦ 용량 : 5kWh ~ 500kWh

◦ 출력지속시간 :　수초 ~ 10hr 이상

◦ 적합용도 : 전력 효율화(발전원, 송전망, 수용가), 전력망 안정화(노후

전력 안정화, 신재생 전원 안정화 등)

◦ 타겟시장 : 노후 전력 안정화, 신재생 에너지 안정화, 전력 peak 효율

화를 목표로 초기 시장은 전력이 노후화가 진행되고, 신재생 에너지

비율이 높은 미국, 유럽, 일본 시장을 목표, 개발 결과 및 효율성을 바

탕으로 중국 및 타지역으로 확대가 예상 됨.

◦ 출력응답특성 : 수초~ 10hr 이상


◦ 개발된 중대형 전지, BMS, Module는 국내에 유수의 업체에서 안정성

성능을 검증 받아 양산 혹은 양산 준비 중, 현대 HEV 2가지 모델에

탑-재 양산 판매 중이며, GM Volt P-HEV 모델에 또한 탑재 양산 판

매 중

◦ 전지, BMS, module의 양산 경험, 개발 선행도, 개발 수준에서 세계 최

고 수준의 기반 기술력을 확보

Ⅲ. 기 술

－ 45 －

그림 [Ⅲ-9] HKMC : 현대 기아차 HEV : 2009년 양산 시작(左)

GM : 제너럴 모터스 P-HEV : 2010년 양산 시작(右)

[SK이노베이션]


◦ SK이노베이션 기술개발의 특징은 과제의 운영을 Marketing –

Production - R&D 조직 간에 밀접하게 협력하여 진행하는 MPR 조직

운영과, 기술개발 과제의 발굴에서부터 연구 및 개발의 수행,

Incubation까지 사업화를 전제로 진행하는 R&BD Process(Research

and Business Development Process)를 운영

[메가배스]

1) 특성

◦ 출력 : kW ~ 수MW

◦ 용량 : kWh ~ MWh


－ 46 －

◦ 출력지속시간 : 15분 ~ 수백시간

- 전체용량을 얼마나 빨리 출력을 할 수 있는가가 더욱 중요

◦ 비용(단가/MWh) : 2,500,000$ ~3,000,000$

◦ 적합용도 : 발전원, 신재생에너지, 송전망, 수용가, 마이크로그리드 모

든 분야

◦ 타겟시장 : 1단계 신재생에너지 출력 안정화, 마이크로그리드, 수용가

및 CPS 2단계 발전원 LOAD SHIFTING(대규모 신재생에너지 포함)

◦ 출력응답특성 : 10~20msec

그림 [Ⅲ- 10] 메가베스 배터리의 적용 범위


◦ LiB 방식의 ESS는 크게 두 영역으로 구분

◦ 첫 번째는 남는 전기 또는 싼 시간대의 전기를 저장했다가 필요할 때

사용하는 Load Shifting 개념과 두 번째는 전력품질을 Smoothing 하

게 유지시켜 주는 Load Following의 개념

Ⅲ. 기 술

－ 47 －

◦ 두 영역에서 요구되는 근본적인 능력의 차이는 충방전 능력 즉

C-Rate라고 표현되는 것으로 얼마나 빠른 시간내에 충전과 방전을 할

수 있는 능력이 있느냐 없느냐 차이

◦ (주)메가베스는 보다 많은 기술을 요구하는 Load Following의 영역에

초점을 맞추고 있음

◦ 기본적으로 대용량 에너지저장장치를 구현하고 활용하기 위해서 갖춰

야 하는 기술은 고전압구현, 초정밀 셀발란싱, SOC 및 SOH를 포함한

BMS기술이며, 마지막으로 현장에서 활용하기 위한 PCS를 포함한 알

고리즘 개발을 들 수 있음

◦ 그러나 시장 입장을 고려 할 때 개발자가 절대 간과해서는 안될 또 하

나의 중요한 요소는 바로 경제성

- 현재 전 세계적으로 몇 안 되는 에너지저장장치 개발 경험을 부르짖는

시스템들조차도 기능적으로 어느 정도 합격을 받았는지는 몰라도 가격 때

문에 시장에 진입할 수 없는 Over-Spec.의 개발이 대부분 일 것으로 판단

◦ 에너지저장장치 분야의 기술은 아직까지 오픈된 정보가 많지 않고 많

이 만들어보고, 경험해보면서 노하우를 축적해 가는 단계

◦ 메가배스는 오랜 경험과 축적된 노하우를 바탕으로 1,000V 고전압 실

현 / 용량에 따라 5~20mV 이내의 셀 발란싱 기술 / 자체 개발한

BMS 기술 / 다양한 어플리케이션 경험 / 부품 표준화에 의한 가격

경쟁력 등 차별화된 기술력을 보유


－ 48 －

그림 [Ⅲ- 11] 대용량화 흐름

□ NaS

◦ 포스코

- 포스코에서는 2015년 사업화를 목표로 NaS 전지 개발을 추진하고 있으며

현재 시스템까지의 시제품을 만들기 위한 개발 단계

- 본격적인 실증은 2013년부터 계획하고 있으며 수십 kW급의 시스템을 적용

한 Off Grid 실증을 계획하고 있으며 이 실증은 대용량 NaS 전지를 적용

한 국내 최초의 실증실험이 될 것으로 예상됨

- 수백kW급의 실증이 가능한 2014년부터는 본격적으로 계통에 연계된 On

Grid 실증이 시작될 수 있을 것으로 생각하고 있으며, 2015년 사업화를

위한 기초 실험 및 data 확보의 기회가 될 수 있을 것으로 판단

- 이에 포스코에서는 ESS용 2차 전지인 NaS 개발 및 실증사업에 대한 추진

전략을 이러한 예측된 국내 시장의 진화과정을 기반으로 수립

Ⅲ. 기 술

－ 49 －

- 즉, 건물용 ESS를 대상으로 14년 전까지 개발될 수백kW 용량의 2차 전지

시스템을 이용하여 소규모 건물(일반 사무용 또는 상업용 빌딩)용에 설치

하여 실증사업을 진행할 예정

- 14년 이후부터 데이터 센터, 병원, 통신사 등 전력의 높은 신뢰도가 필요한

시장을 대상으로 하는 중/대형 건물(1MW급 이하)용 ESS 사업을 진행할

예정

- 전기 자동차의 보급 확대 대응용 분산 전력 공급소(1MW급 이상)에 대한

실증화 계획도 마련되어 있음

- 건물용 ESS에 대한 실증을 토대로 2015년 이후, 신재생 에너지, 계통연계

및 발전원을 대상으로 ESS 실증의 규모를 수백MW급으로 확대시켜 나갈

계획

- 최종적으로 발전원과 연계한 실증 사업을 통해 시스템의 안정성, 경제성을

향상시키길 계획

[POSCO(POSCO, POSCO Power, RIST)]

1) 특성

◦ NaS 전지는 MW급 전력저장장치 구성에 용이한 대용량의 2차 전지로

서, 오랜 기간 실증사업을 통하여 성능, 안전성, 경제성 등의 검증을

마치고 최근 들어 빠른 속도로 보급

◦ 전력저장용량이 지금까지 실용화된 2차 전지 중 가장 높으며 자기방전

이 없는 특성을 가지고 있음(이론에너지밀도 = 760 Wh/kg)

◦ 전력저장용 전지의 가장 중요한 특성 가운데 하나인 수명은 정상 작동

시 15년 정도로 매우 길고 단전지의 충방전 효율이 87%에 달함

◦ NaS전지의 구성은 음극에 용융나트륨, 양극에 용융 황 그리고 전해질


－ 50 －

인 β-alumina 튜브로 이루어져 있으며, NaS 전지와 기술 플랫폼이 유

사한 Na base 전지인 Na/NiCl2 전지는 양극물질로 NiNaCl 음극물질

로 Na, 그리고 전해질로 β-alumina 재질의 고체전해질 및 보조 전해

질로 NaAlCl4가 사용

◦ NaS 전지는 Na와 S(황) 등 부존량이 풍부한 물질을 사용하고 있기 때

문에 리튬 등 고가의 재료를 사용하는 타 전지 대비 가격 경쟁력 확보

에 매우 유리한 상황

◦ 대형 전지 제조에 유리한 구조로 제조 공정이 상대적으로 단순함

◦ NaS 및 Na/NiCl2 등 Na-base 전지는 기본적으로 Na 이온을 이동시

키기 위해 고체전해질인 β-alumina가 사용, β-aulmina의 이온전도성

은 최소한 280℃ 이상에서 유지되기 때문에 Na-base 전지는 300～35

0℃의 온도에서 작동되는 고온형 2차전지로 분류

◦ Na-base 전지의 구성부품 중 고체전해질인 β-alumina 튜브는 전지의

용량, 출력 그리고 수명에 결정적인 영향을 미치고 있으며 제조공정상

의 난점으로 인해 핵심부품

◦ 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고 신뢰성을 지닌

β-alumina 고체전해질의 성공적 제조는 Na-base 전지의 상용화와 직

접 연관

Ⅲ. 기 술

－ 51 －

표 [Ⅲ- 4] 전력저장시스템 특성 비교

◦ 각 전력저장시스템 중 NaS 전지는 출력 지속 시간이 6~8시간으로 길

어서 대용량 장주기 저장 시스템에 적합

◦ 타 저장장치 대비 용량당 가격이 저렴한 장점

그림 [Ⅲ- 12] ESS에 요구되는 성능 및 적용 전지 [Source

:일본자원에너지성]


－ 52 －

◦ 적합한 용도로는 발전원에서 수용가까지 전 전력계통에서 적용 가능

◦ 전력 저장용 및 송배전 전압 관리는 물론 부하 평준화에 적합한 특성

을 보이고 있으며, 장기적으로 스마트그리드 시스템에 최적으로 사용

될 수 있는 시스템이라고 볼 수 있음

◦ 대규모의 전력저장이 요구되는 발전소 및 변전소 용도로는 현재 NaS

전지가 비용 및 유일한 양산 제품으로 양산성이 검증되었다는 점으로

볼 때 가장 적합한 전지라고 할 수 있음


◦ 1992년부터 진행된 G7사업 “전기자동차 개발”의 일환으로 Na-base 전

지에 대한 기술개발이 유공, 기아자동차, 자동차부품연구원 등을 중심

으로 시작

◦ 이후 사업의 축소와 ZEV 강제 판매규정이 지연되면서 1995년 사업이

중단

◦ 세계적으로 Na-base 기술개발을 주도하고 있는 일본과 중국과 비교하

여 국내의 경우는 중장기적인 정부지원이 미흡한 상태에서 일부 연구

기관을 중심으로 기반 연구 수준의 기술개발이 진행된 까닭에 상용화

를 위한 기술 경쟁력이 낮은 상태임

◦ 최근 에너지 분야의 신사업을 추진하고 있는 기업들을 중심으로 전력

저장용 Na-base 전지 개발에 대한 관심이 고조되고 있는 상황에서 정

부의 중장기적인 연구 지원이 동반된다면 단기간 내에 상용화 기술 확

보뿐만 아니라 세계의 Na-base 기술개발을 선도할 수 있는 토대를 마

련할 수 있을 것으로 전망

Ⅲ. 기 술

－ 53 －

◦ RIST(POSCO)에서는 대용량 전력저장용 2차전지 제조기술개발을 2010

년 1월부터 본격적으로 시작하여 향후 상업화를 목적으로 기술개발을

추진

그림 [Ⅲ- 13] RIST/POSCO 개발 NaS 단전지 구조와 제작 단전지

◦ 향후, 정부과제를 기반으로 150W급의 대용량이면서 장기성능이 우수

한 단전지 개발과 이를 사용한 초기모듈/시스템 제조 기술개발, 단전

지 대량 생산을 위한 pilot 생산시설 구축, 제품 제조공정 연구를 계획

◦ 정부과제를 통하여 국내 산업화 기반을 구축하고, 향후 실증사업과 사

업화과제를 연계하여 Na-base 전지의 신뢰성 검증과 신재생에너지 사

업의 전력저장 시스템으로 상용화할 계획

◦ 최근 에너지 분야의 신사업을 추진하고 있는 기업들을 중심으로 전력

저장용 Na-base 전지 개발에 대한 관심이 고조되고 있는 상황에서 정

부의 중장기적인 연구 지원이 동반된다면 단기간 내에 상용화 기술 확

보뿐만 아니라 세계의 Na-base 전지 기술개발을 선도할 수 있는 토대

를 마련할 수 있을 것으로 전망


－ 54 －

◦ 국내 기술 수준

- Na-base 전지와 직접 관련된 기술수준은 빈약한 실정

- β-alumina 고체전해질의 경우, 폐열로부터 전기를 생산하는

AMTEC(Alkali Metal Thermoelectric Convertor) 소자의 핵심 부품으로

사용되어 일부 연구가 진행되어 왔으나, 길이 10 cm 정도로 크기가 작기

때문에 50 cm 가량의 대형 튜브형태 제조 기술에 활용되기 어려움

- 세라믹 분체 제조는 α-alumina 위주의 국내 제조업체가 2004년까지 존재

하였으나 이후 자취를 감추고 국외로부터 수입에 전량 의존하는 실정

- 교육인적자원부에 따르면 2004년도 국내의 SCI 논문 게재 실적은 17,785건

으로 세계 13위권이었고, 재료과학 분야의 논문 피인용지수가 세계 5위권

으로 국내 기술 분야 중 최 상위를 차지

- 따라서 국내 산업 기반이 다소 미흡하더라도 탄탄한 소재 분야 인프라를

감안할 때, 세라믹 고체전해질 개발은 어렵지 않을 것으로 판단

- 또한 국내 이차전지 산업은 단시간 동안 비약적인 성장을 거두었으며 특히

전지의 설계 및 제조기술 분야에서는 일본과 동등한 수준의 기술력을 확

보

- 최근 일본의 다케시타보고서(2007, 4Q)에 따르면 리튬이차전지 제조업체에

대한 평가 결과에서 삼성SDI가 일본의 유수한 전지제조업체를 누르고 1위

를 차지해, 그 기술력을 인정

- 따라서 Na-base 전지의 핵심 소재를 학계 및 연구기관과 국내 부품․소재 업

체가 공동으로 개발하여 일본 업체의 기술력과 필적하는 수준으로 개발할

경우 전지의 제조 및 시스템 구축은 큰 어려움이 없을 것으로 판단

Ⅲ. 기 술

－ 55 －

□ RFB

◦ 에너지기술연구원(KIER)

- RFB는 국내에서 현재 제조하는 곳이 없으므로 사업화 및 실증사례는 전무

한 실정임

- KIER에서는 자체사업으로 <신재생에너지 연계 에너지저장 시스템 개발 및

실증연구> 과제를 진행하고 있으며, 40kW급(5kW * 8ea) 스택/시스템을

제작하여 2015년까지 실증시험을 통해 통합운용 기술을 확보할 계획임

- RFB 단독운전 및 신재생에너지-RFB 연계운전 등을 통해 실증을 하고자,

POSCO ICT와 협력연구를 진행하고 있으며, 2012년 3월에 RFB가 설치되

며, 2013년 6월까지 실증을 완료할 계획임

- 신재생에너지원 : 풍력 30kW, 태양광 20kW

- RFB : 100kW * 2hrs(Prudent Energy사에서 구입)

1) 특성

◦ 5kW급 RFB(개발 완료)

- 출력 : 5kW급

- 용량 : 5kWh(전해질탱크 크기에 따라 용량 결정됨)

- 출력지속시간 : 1시간(전해질탱크 크기에 따라 용량 결정됨)

- 적합용도 : 수용가

- 타겟 시장 : 심야 잉여전력 저장용, UPS, 비상전원, 무인기지국 전원

- 출력응답특성 : 순시

◦ 40kW급 RFB(개발 중)


－ 56 －

- 출력 : 40kW급(5kW * 8ea)

- 용량 : 40kWh(5kWh * 8ea, 전해질탱크 크기에 따라 용량 결정됨)

- 출력지속시간 : 1시간(전해질탱크 크기에 따라 용량 결정됨)

- 적합용도 : 수용가

- 타겟 시장 : 신재생에너지(태양광, 풍력 등) 연계 전력저장 및 출력 안

정화용, 심야 잉여전력 저장용, UPS, 비상전원, 무인기지국 전원

- 출력응답특성 : 순시


◦ 레독스 플로우 전지용 전해질 관련으로 국내 대학에서 기초연구를 수

행한 경험이 있으나 전체 전지 시스템에 대한 실질적인 연구는 2007년

KIER에서 처음으로 시도하였음 (V/V 시스템)

◦ 2009년에는 국내 최초로 5kW급 레독스 플로우 전지 개발에 성공하였

고, 이들의 출력 및 효율 등의 특성 시험을 완료하였으며 현재는 수계

및 유기계 핵심소재 및 플로우셀을 개발 중에 있음

◦ KIER의 RFB 개발 실적 및 계획을 그림 72에 나타내었고, 표 31에 세

계 최고기관 대비 KIER의 성능수준 비교를 나타내었음

◦ 5kW급 vanadium redox flow battery를 실험실 수준에서 개발 중

Ⅲ. 기 술

－ 57 －

그림 [Ⅲ- 14] KIER의 RFB 개발 실적 및 계획

항목 단위세계최고기관 /

성능수준KIER 성능수준

출력 kW Sumitomo / 45 5

효율 % Prudnet Energy / 75 70

표 [Ⅲ-5] 세계최고기관 vs. KIER 성능수준 비교

[호남석유화학]

1) 특성

◦ 전지용량: 500kWh Container with PCS

◦ 출력: Normal 250kW, Peak 500kW

◦ 평균 출력지속시간: 2hr


－ 58 －

* 출력에 따라 시간 조정가능

* 예: 250kW, 2hr. / 125kW, 4hr. 등

◦ 비용: 50,000만원/MWh, PCS제외, 순수 전지 예상 판매가격 임

◦ 적합용도 : 발전원 및 송전망

◦ 타겟시장 : 신재생발전원 연계 MicroGrid, 송배전망, 독립형발전(도서)

Smart Building, Substaion and Power plant UPS 등

◦ 출력응답특성(순시가능 그 외, 출력 및 지속시간 참조)

그림 [Ⅲ- 15] 3세대 500kWh container type system


◦ 해외 선진사 대비 동일 기술 확보 및 version up 연구 중

◦ Zn-Br Flow Battery 1위 기업인 미국 ZBB사와 제 3세대 Zn-Br Flow

Battery 공동기술개발 중(2010.01 ~2012.06)

Ⅲ. 기 술

－ 59 －

◦ 공동연구 목표: 실증단계 2세대 제품을 상용단계의 3세대 제품으로

version up

◦ 개발제품

- 50kWh 3세대 Zn-Br Flow Battery module

- 500kWh container type Zn-Br Flow Battery system with PCS

◦ 현황

- 50kWh 3세대 Zn-Br Flow Battery module 시험 중

- Flow Frame, Electrode, Membrane 등 핵심소재 및 제품개발 중(국산화)

* 자동화 공정 개발 중(설비 수정 및 Set up 진행 중)

□ 플라이휠

◦ 지하철 회생전력 저장 활용

◦ 1MW 출력에 저장용량 100kWh급 플라이휠 시스템 실증


－ 60 －

그림 [Ⅱ- 16] 1MW/100kWh급 SFES 모듈 구성도

1) 특성

◦ 단위 유닛 출력 : 350kW

◦ 용량 : 35kWh

◦ 출력지속시간 : 6분

◦ 비용 : 100억


◦ 2005년 20kW/5kWh급 중실축/원통형 휠타입 개발

◦ 2008년 30kW/10kWh급 중공축/디스크형 휠타입 개발

Ⅲ. 기 술

－ 61 －

◦ 2011년 현재 350kW/35kWh급 개발 중

그림 [Ⅲ- 17] 초전도 플라이 휠 구조


－ 62 －

상세핵심기술기술격차

(연)

기술수준

(%)

현 최고 대표 기술

국내 국외

시스템설계 1 80% 전력연구원미국 보잉사, Beacon

Power

플라이휠제작 1 80% 한양대학교미국 보잉사, Beacon

Power

전력입출력 2 80% 전력연구원 미국 Beacon Power

진동제어 3 70%전력연구원

기계연구원미국 Beacon Power

초전도베어링 0 100% 전력연구원 미국 ANL

전자석베어링 0 80%전력연구원

한국원자력연구원미국 Beacon Power

냉각기술 3 70% 덕성, CVE 미국, 일본

모듈화기술 5 30% - 미국 Beacon Power

운전기술 2 80% 전력연구원미국 보잉사, Beacon

Power

표 [Ⅲ- 6] 플라이휠 분야 국내 기술수준

□ 수퍼캐패시터

◦ 국내외 납품 사례

- 삼성전자, LGD 등 반도체 설비용 순시 정전보상

◦ 실증 규모, 적용 기술, 실증 시기, 소요 예산 등

- 수 MW급 2~3초 보상

- 2008년부터 Field 적용 중

◦ UPS 형태로 제작이 되며 아래 그림과 같은 형태로 부하에 연결하여

사용

Ⅲ. 기 술

－ 63 －

그림 [Ⅱ- 18] 슈퍼캐패시터의 UPS 적용 형태

[LS엠트론]

1) 특성

◦ 출력 : 수십 kW ~ 수 MW

◦ 용량 : 수십 Wh ~ 수 kWh

◦ 출력지속시간 : 수초 ~ 수십초

◦ 비용 : 10kW 10초 출력용도 시 약 1백만원

◦ 적합용도 : 순시 정전 보상

◦ 타겟 시장 : 공장 또는 분산전원 출력보상

◦ 출력응답특성 : 순시 ~ 수십초


－ 64 －


◦ 현재 LS엠트론에서는 전극 소재부터 모듈 설계/제조를 자체 및 공동

개발을 진행 중

◦ 일부 소재 및 셀 제조 기술은 선진국 수준의 기술력을 확보하고 있으

나 모듈 및 응용연구 분야에서는 추가적인 기술 개발이 필요함.

분야 기술항목선진국 대비 기술수준

부족 다소부족 동등 우월 보다우월

전극 소재 기술 ●(100%)

전극 제조 기술 ●(100%)

전해질 기술 ●(100%)

Separator 기술 ●(80%)

셀 설계/제조 기술 ●(100%)

모듈 설계/제조 기술 ●(80%)

표 [Ⅲ- 7] 슈퍼 캐패시터 기술수준(LS 엠트론)

□ CAES

◦ 국내외 납품 사례

- 지질자원연구원, 기계연구원, 전기연구원, 항공우주연구원, 삼성테크윈, 현대

건설, SK건설, 포스코ENG, 중부발전

◦ 압축공기저장용 LRC(lined rock cavern) 파일럿 실증기술

Ⅲ. 기 술

－ 65 －

- 한국지질자원연구원은 2009년 지식경제부 출연사업으로 압축공기 저장용

LRC(lined rock cavern)의 상용화를 위한 실증연구용 파일럿플랜트 구축

사업을 수행하였음

- 파일럿플랜트는 강원도 정선군 신동읍 한덕철광 신예미광업소 내 430ML

(상부 피복층의 두께는 108m)에 위치하고 있으며, 주변 지질은 고생대 조

선누층군 막골층 태백산 광화대에 해당하는 석회암 지대에 해당, 지질 조

사, 초기 지압 측정, 실내 및 원위치 실험에 의한 역학적 설계 정수 결정,

암반 평가 등을 수행하여 기본설계 및 상세설계를 시작하여 압축공기저장

용 파일럿플랜트 구축 중

- 압축공기에너지 지하저장 파일럿플랜트는 단일 철근콘크리트 구조체와 내

기체투과성이 높은 부틸 고무시트로 구성된 Type A와 스틸라이너에 뒷채

움 무근콘크리트 조합의 Type B, C의 라이닝시스템을 적용한 PC1(pilot

cavern 1)과 PC2(pilot cavern 2)로 구성되어 있으며, 2012년부터 설비점검

및 시운전을 시작으로 최대 압력 50bar로 공기의 인입․인출을 반복하는 운

영실증 실험을 수행 예정


－ 66 －

그림 [Ⅲ- 19] KIGAM pilot plant의 조감도 및 전경

- 실증 연구는 고압 기체의 인입·인출로 인해 발생하는 주기 하중(cyclic

loading)에 대한 라이닝시스템 성능 평가와 암반의 거동 예측을 목적으로

함. 이를 위한 계측시스템은 지중변위계, 응력계, 온도센서, 플러그 변위

계, 철근 변형률계, 간극수압계 등으로 구성되어 있으며, 통합 DAQ 시스

템에서 획득된 계측자료는 지하에 매설된 광케이블을 통해 지상으로 전달

되어 외부 모니터링이 가능하도록 구축되었고, 진동형 계측센서의 특징상

static type으로 계측이 이루어질 예정임.

- 한국지질자원연구원 파일럿플랜트 구축 사업은 암반굴착형의 경제성 확보

를 위해 압축공기저장용 내조시스템(inner containment)의 설계핵심기술

및 시공기술개발을 파일럿 스케일에서 수행한 세계 최초 연구란 점에서

Ⅲ. 기 술

－ 67 －

큰 의미가 있으며, 파일럿플랜트 운영 및 계측을 통해 관련 기술들의 실

제적인 효과, 현장 적용성 등을 검증하고, 기술적 개선사항을 파악할 수

있을 것임.

(a) PC1

(b) PC2

그림 [Ⅲ- 20] KIGAM pilot plant의 계측시스템

2) CAES 실증 플랜트 사업

◦ 사업 목적

- 발전원 연계형으로서 양수발전을 대체하는 압축공기저장발전(CAES) 실증

플랜트 구축

◦ 사업 기간 : 2013년~2018년(5년)


－ 68 －

◦ 주요 사업내용

- 100MW급 CAES 실증 플랜트 건설(상부 발전시설 및 압축공기 지하저장소)

- Grid 연계를 위한 송/변전 시스템 구축

- 유휴전력을 이용하여 전력을 저장하고 전력소비 peak시 발전

- 간헐적 발전특성을 가진 신재생에너지의 보완

◦ 실증 플랜트 대상 부지

- 전라북도 군산시 비응도동 일원(중부발전 소유의 10만평 부지중 일부 활용)

군산시

새만금 방조제

상부지

(a) 대상부지 위치

350 m

330 m

700 m

(b) 대상부지 위성사진그림 [Ⅲ- 21] 대형실증 플랜트 후보지

- 지층현황 : 대상부지 인근의 지반조사결과를 참조한 결과 대상부지의 지층

현황은 아래와 같이 추정되며, 지하수위는 G.L. -3m에 존재하는 것으로

나타났다.

Ⅲ. 기 술

－ 69 －

심 도 두 께 지 반~ G.L. -15m 15m 매립층~ G.L. -38m 23m 퇴적층~ G.L. -50m 12m 풍화토G.L. -50m ~ - 풍화암, 연암, 경암

표 [Ⅲ- 8] CAES 실증 플랜트 대상 부지 지층 현황

항 목 규 격 비 고

발전 출력 >100MW

시동 시간 <10분

발전 시간 5~6시간 SMART 발전모드

저장 시간 <9시간

연 료 Dual Fuel LNG 및 디젤

저장공간 크기 100,000~130,000m3

최고 저장 압력 50 bar

최저 저장 압력 20 bar

압축기 >370,000 Nm3/hr

저장효율 >85% EPRI 효율정의

표 [Ⅲ- 9] CAES 실증 플랜트 제원

운전 모드 운전 특성

저장 모드 잉여전력을 압축공기 저장

고압 발전 모드 저장공동 압력이 높은 경우(>25bar) 익스팬더와 터빈 모두 구동

저압 발전 모드 저장공동 압력이 낮은 경우(<25bar) 터빈만 구동, 익스팬더바이패스

시동 모드안정적인 점화를 위해 공기 일부 익스팬더 바이패스, 점화 후

바이패스량 점진적으로 감소

Dual mode 중

SMART 발전

저장된 공압공기 없고 긴급 발전이 필요한 경우

압축기/연소기/터빈 동시 작동으로 발전

표 [Ⅲ- 10] CAES 실증 플랜트 운전 모드별 특성 분석 결과

◦ CAES 실증 플랜트 핵심 개발 구성품

- 압축부(요구수준 : 37만 m3/hr)


－ 70 －

- 발전부 – 냉각터빈, 고압 익스팬더(고온 430℃, 703K, 15MW급), 연소기(F

class, DLE연소기)

- 제어시스템 등

그림 [Ⅲ- 22] CAES 실증 플랜트 핵심 개발 구성품

◦ 압축공기 지하저장 설비

- 지하 저장설비 심도 : G.L. -100m(crown)

- 지하 저장설비 주요 구조물 : 주저장공동(MC, Main Cavern), 진입터널(AT,

Access Tunnel), 연결터널(CT, Connection Tunnel), 통기수갱(Air Shaft),

플러그

- 지하 저장설비 체적 : 130,000m3

- 주요구조물 크기 : 13m(너비) × 15m(높이) × 254m(길이)

구조물 크기

주저장공동(MC) 13m(너비) × 15m(높이) × 254m(길이)

진입터널(AT) 8m(너비) × 7.5m(높이)

연결터널(CT) 7.5m(너비) × 7.5m(높이)

통기수갱(Air Shaft) 소요 통기량에 따라 결정

플러그(Plug) 22m(길이, Cavern Access쪽), 9m(길이, Air Shaft쪽)

표 [Ⅲ- 11] 주요 구조물 크기

- 저장압력 : 최대 50bar

- 기밀성 확보 방법 : steel liner와 콘크리트 뒷채움 방식을 통한 2중 기밀

Ⅲ. 기 술

－ 71 －

표 [Ⅲ-12] CAES 실증 플랜트 건설 항목


－ 72 －

[지질자원연구원, 기계연구원, 전기연구원, 항공우주연구원, 삼성테크윈,

현대건설, SK건설, 포스코ENG]

1) 특성

◦ 시설용량 : 100MW급

◦ 시설부지 면적 : 234m x 119m = 27,846m2(8,500평 규모)

◦ 발전형식 : 압축공기저장 발전

◦ 발전소 목적

- 유휴전력을 이용한 전력저장과 전력수요 peak시 발전

- 간헐적 발전특성을 가진 신재생에너지발전의 보완

◦ 발전설비 배치

- CAES 실증 플랜트의 각 설비의 면적을 기준으로 Plot Plan 작성

- 각 건물 및 계통의 기기간 상호 접근성이 용이하고 운전 및 유지/관리에

유리하도록 설비 배치

Ⅲ. 기 술

－ 73 －

그림 [Ⅲ- 23] CAES 실증 필요 부지면적 분석 및 실증 플랜트 평면도(안)

◦ CAES 실증 플랜트 최적저장시간

- CAES의 경제성은 시장가격이 낮을 때 전력을 소비하여 공기를 압축함으로

써 공급능력을 확보한 후, 이를 시장가격이 높을 때 계통에 공급함으로써

확보된다. 즉, 시간대별 시장가격의 차이를 통한 차익거래(arbitrage)가

CAES 경제성의 실체라 할 수 있다. 따라서, CAES의 적정 저장용량은 이

러한 경제성을 바탕으로 연속적으로 저장 및 발전가능한 시간 및 에너지

량에 의해 결정.

- 전력시장가격은 매 시간마다의 수요와 공급량에 의해 결정되기 때문에 계

절 및 시간에 따라 변동하지만, 전력수요가 계절 및 시간에 따른 패턴을

갖기 때문에 시장가격 또한 이와 유사한 패턴을 보이며, 2010년 계통한계

가격(SMP)의 계절 및 시간대별 패턴 분석에 기초하여 운영 전략을 세움

- SMP 패턴 분석에 의해 저장시간 및 일수, 발전 시간 및 발전일수를 산정하

여 저장발전 비즈니스 모델 및 CAES 운영전략 수립에 반영함


－ 74 －

◦ CAES 실증 플랜트 저장 및 발전 방식

- 지하 저장 방식은 저장 공동내 압력변화 유무에 따라 정압식과 변압식으로

구분할 수 있으며, 저장 시설별 주요 특징 및 기밀성 유지 방식의 특징은

다음 표와 같음

저 장

형 태

암반공동(경암)암염층 대수층

천연갱도,

폐갱무복공식 복공식

기밀성* 수밀방식 Lining 방식 기밀성 양호

장시간 저장시 지구

화학적반응을 통해

산소가 감소할 수 있

음

기밀성 확보에

많은 대책이 요

구됨

입 지

·저장 공기압보

다 큰 지하수압

을 확보할 수

있는 대심도

·심도의 제약이

없음

·천심도 및 도

심, 도서지방

에도 설치가능

·우리나라에는 대

상 암반이 없음

·입지적인 제약이 큼

·완만한 배사구조로

서 넓은 지역이 바

람직함

·간극율 10%, 투수계

수 5x10-4 cm/sec

이상

·채굴이 끝난 광

산의 갱도나

천연동굴을 이

용

·입지조건이 제

한됨

시공성

·기존 에너지 저

장기술과 유사

·고가의 라이닝

공사비

·TBM 등 기계

화 시공이 필

요

·경제적인 시공법

·고압수로 암염을

용해시켜 공동

굴착

·공동 굴착이 불필요 ·공동 굴착이 불

필요

·발전시스템의

규모와 시방이

제한됨

모식도

표 [Ⅲ- 13] 압축공기 저장 시설별 주요 특징

Ⅲ. 기 술

－ 75 －

기밀방식 장점 해결과제

라이닝 방식

․심도 제약이 없음․수밀식보다 신뢰성이 높음․공동 설치 심도를 얕게 할 수 있음․지하수위 등의 자연조건에 영향을

받지 않음

․라이닝 시공 비용 저감․공동 내벽이 전하중을 받기 때문에 암반의 강도변

형특성이 중요함․라이닝 내구성에 유의할 필요가 있음

암반자체의

기밀성을 이

용한 저장

․심도 제약이 없음․라이닝 시공 비용이 불필요

․대상부지의 제약

지하수압을

이용한 저장

․라이닝 시공 비용이 불필요․저 cost

․구조가 단순하므로 시공이 용이하며 유지관리가 거의 필요 없음

․수밀기능의 평가․수밀수압을 확실하게 상시 확보할 필요가 있음․과대용수억제 조치로서의 그라우트의 의존도가 높

고 cost 추정시 불확실성 요소가 많음․공동용수가 많은 경우에는 공기의 용해도가 문제가

됨․공동설치심도를 일정한도 이상 얕게 할 수 없음

표 [Ⅲ- 14] 압축공기 기밀방식별 특징

- 분석 결과, 발전원 연계형 장주기 대용량 전력저장장치로서 CAES는 입지

유연성과 지질조건의 제약을 최소화할 수 있는 LRC(lined rock cavern)

방식의 변압식이 유리한 것으로 분석

- 기존 상용플랜트인 Huntorf 및 Alabama 발전소는 모두 지하 암염돔을 이

용한 변압식 지하저장방식으로 저장 공동 내부의 압력 변화와 에너지 주

손실원인인 압력조정기에 의한 쓰로틀링 손실을 분석하여 한국형 CAES의

설비 시스템 구성에 반영

SiteCapacity

(MW) (bar) (bar)

Energy

Loss ()

(%)

(%)

Huntorf 290 48 66 1.38 5.2 27

McIntosh 110 45 74 1.64 6.6 39

EPRI 15 55 103 1.87 7.9 47

표 [Ⅲ- 15] 기존 변압식 CAES 플랜트의 운전 압력 변동폭


－ 76 －

- 한국형 CAES(KCAES)는 기존 암염공동을 사용하는 기존 선진국의 CAES와

는 달리 암반 굴착 공동형 지하저장시설에 압축공기를 저장하므로 경제성

및 시스템 효율을 고려하여 요구 사항 및 대응방안을 아래와 같이 결정

항 목 요구사항 대응방안

지하 공사 깊이 얕을수록 유리(공사비 절감) 변압식

저장공간 크기 작을수록 유리(공사비 절감) 고압 저장

물 사용 미사용(지상 수조 공사비) 변압식

터빈 팽창비터빈 팽창비 변동폭 제한

(터빈 효율 유지)정압 사용

연소기 개발 Risk 최소화 저압 사용

→ 저장공간: 고압에서 변압식으로 운영

→ 연소기/터빈: 저압/정압으로 운영, 저장공간과 연소기/터빈 사이에 압력조

가능한 VGN Expander 적용

표 [Ⅲ- 16] CAES 시스템 요구조건에 따른 시스템 설계

- CAES 시스템 요구조건을 고려하여 아래 그림과 같은 한국형

CAES(KCAES)는 변압 저장 및 정압 발전 방식의 독창적인 CAES 구성안

을 도출하였으며 이러한 시스템 구성에 대해 특허를 기출원

- 변압 저장 및 정압 발전 방식은 높은 저장 압력을 2단계로 팽창시키는 방

식으로, 기존 CAES와 같이 쓰로틀링 손실이 발생하는 압력조정기로 터빈

공급 압축공기의 압력을 조절하는 것이 아니고 VGN(Variable Geometry

Nozzle) Expander로 팽창비를 조절하여 연소기/터빈 입구 일정 압력을

유지함하면서 팽창동력을 회수하기 때문에 기존 CAES에서 발생하는 쓰로

틀링 에너지 손실을 줄일 수 있으며, 동시에 팽창비를 기존 보다 넓은 범

위로 사용함으로서 압축공기 저장공간의 부피를 최소화하는 것이 가능

- VGN Expander에 공급되는 압축공기는 별도의 연소기를 사용하지 않고 재

생열교환기(Recuperator)에 의해 가열되어 팽창하며, 저압 터빈은 일반적

Ⅲ. 기 술

－ 77 －

인 가스터빈에서 사용하는 고효율 연소기 및 터빈을 적용하였고, 열회수

를 극대화하기 위해 재생열교환기(Recuperator)는 VGN Expander 전후로

나누어 2단으로 배치함. 또한 긴급 전력수요 발생 시 압축/연소/팽창을

동시에 함으로서 비상발전기를 대체할 수 있는 스마트 발전 모드가 가능

하도록 구성

그림 [Ⅲ- 24] 변압 저장 및 정압 발전 방식의 한국형

CAES(KCAES)의 시스템 구성

□ Zn-Br Flow Battery

◦ 호남석유화학

- 실증계획 : 200kWh급 3세대 Zn-Br flow Battery(2012년, 풍력발전 연계 운

전) 한국에너지기술연구원 제주실증기지, 현재 50kW

- 2hr 2세대 제품을 임시 설치하여 운영 준비 중, MWh급 이상(2015년, 에너

지효율향상사업 추진 중), 2013년 이 후, 실증규모 유동적임(실증사업에

따라 대규모 추진예정)

- Zn-Br Flow Battery는 호남석유화학에서 유일하게 개발 진행 중이며, CES


－ 78 －

또는 빌딩용 실증은 전무함.

- 호남석유화학은 실증단계의 미 ZBB사 2세대 Zn-Br Flow battery를 공동기

술개발을 통하여 상용단계의 3세대 Zn-Br Flow battery로 version up하고

있음

그림 [Ⅲ- 25] Zn-Br Flow Battery 시스템

- 3 세대의 특징은 실증단계를 통해서 얻은 보완점을 수정하고, 핵심소재를

개선하며, 공정 자동화 및 양산화하기 위한 공정기술 개선에 중점을 두고

있으며, 보다 가격을 낮추고, 안정된 성능발현이 가능 할 것으로 생각함

- 2 세대까지는 단일 스택 108V 3개를 한 개의 모듈에 사용하였으나, 3 세대

는 108V 스택 수를 2배 이상으로 늘리고, 각 스택을 모두 독립적으로 운

용할 수 있게 함으로 전압 및 전류의 조절이 용이해 지는 장점을 갖고자

함

- Plastic composite material, carbon plastic composite material 등 plastic분

야에서 업계 1위를 차지하는 호남석유화학은 전해액을 제외한 대부분의

소재가 plastic composite 물질인 Zn-Br flow battery의 소재기술을 높이고

국산화 하고자 함

- 향후는, 전지소재, redox couple, module제어, PCS 등 Zn-Br flow battery

Ⅲ. 기 술

－ 79 －

의 모든 부분을 컨소시엄을 통한 기술개발을 진행하여, 모두 국산화 하고

자 함

- 양산 판매는 2015년으로 계획하고 있으나, 실증 등의 사업은 2013년부터 참

여하고, 소량의 판매를 하고자 함

- 2012년 까지 Pilot설비를 갖출 예정임

- 단위 모듈은 50kWh를 생산할 예정이며, 50kWh 단일 모듈을 직·병렬 연결

하여 application에 맞는 용량을 맞추고자 함

- Container 단위는 500kWh급이 될 예정이며, 이를 연결한 제품을 MWh까지

공급하고 자 함

- MWh 이상은 PCS등의 개발과 함께 보다 큰 실증사업을 통하여 field test

후, 공급할 계획

- 현재 ABB에서 오랜 경력을 쌓은 엔지니어에 의해 제작된 PCS를 미국으로

부터 공급 받고 있으며, 향후 국산화

- 2012년 말까지, 3세대 Zn-Br flow battery의 전 system에 대한 자체 검증을

마치고자 함


－ 80 －

그림 [Ⅲ- 26] 호남석유화학-ZBB에너지사 Zn-Br Flow Battery 공동

기술개발 진행 상황

Ⅲ. 기 술

－ 81 －

3 국외현황

□ LIB

◦ Solion Project

- 독일과 프랑스는 양국의 전력회사, 전지 업체, 태양광 발전설비 업체, 연구

소 등을 참여시킨 에너지 저장용 리튬이온 전지 개발을 주도(75개 실증사

업을 거쳐 '12년경 사업화 목표)

◦ SEGIS-ES Project

- 미국의 태양광 발전의 계통연결을 위한 Storage 연계 사업(DOE를 중심으로

에너지 저장 장치의 필요성과 경제적 타당성을 검토)

◦ 일본은 NEDO 주도로 대용량 전지 개발 로드맵을 추진중

(NGK가 NaS 전지를 사업화 하였고, 미쯔비시, 엘리파워, GS-Yuasa

등이 리튬이온전지 개발 진행)

* 미쯔비시 : 14kWh급 Li-ion 가정용 시스템 및 산업용 저장 시스템, 자동

차용 Li-ion 전지 등

* SHARP : 태양전지용 LIB사업을 위해 DNP, 다이와House와 합작법인

(Elly Power) 설립

◦ A123

- 자사의 리듐인산철 셀을 이용한 SGSS(Smart Grid Stabilization System)용

도의 에너지저장장치(500kWh/2MW) 개발

- 상기 개발제품에 대해 중국의 풍력발전기 회사인 DEC에 풍력품질 테스트

용으로 2012년 7월 납품계약


－ 82 －

◦ Sol-ion 프로젝트

- 프랑스와 독일에서 태양광발전과 리듐이온 저장장치(15kWh)를 결합하여 그

능력을 입증한 프로젝트

◦ EnerDel社

- 리듐이온 배터리를 이용한 MW급 개발 완료를 2010년 발표

□ NaS

◦ 대용량 전력저장 장치로 적합한 NaS 전지는 간편하기 때문에 수요지

주변에 분산설치가 가능하고 부하 평준화 효과로 인해 설비투자를 억

제 가능

◦ 송전손실의 저감 뿐 아니라 화석연료비율이 낮은 야간전력의 사용에

의한 CO2 삭감도 기대할 수 있는 등의 이점을 갖는다는 측면에서 크

게 부각

- 현재까지 NaS 전지 시스템은 일본에서 약 90여곳, 13만 kW 정도가 도입되

었으며, 해외에서도 2006년 7월에 AEP(American Electric Power)의 변전

소 용도로 1MW급 NaS 전지 시스템이 운전을 개시

Ⅲ. 기 술

－ 83 －

그림 [Ⅲ-27] 6MW급(3x2MW) NaS 전지 시스템(IRRE, Japan)

프로젝트명 Long Island Bus NAS Battery Storage Project

지원기관 DOE/NYSERDA/EPRI 등 수행기관 New York Power Authotity 등

기간 2002 ~ 예산 $3,850,000/연간

주요 내용

? 기본 사양 : 1.0MW(6.5MWh)의 NAS전지 (일본 NGK사 제품)

? 용도 : Grid Load Leveling 평가

? 설치장소 : Long Island, New York

프로젝트명Energy Storage System Program

(NAS Battery Demonstration at AEP)

지원기관 DOE 수행기관Sandia Nat. Lab

American Electric Power 등

기간 2002 ~ 예산 $11,247,000/연간

주요 내용


? 용도 : Peak Shaving, Load Leveling, Power Quality 평가용

? 설치장소 : 웨스트버지니아 찰스톤

? 2008년 6MW 설치 예정이며 2020년까지 1,000MW 설치 계획

프로젝트명 Long Island Bus NAS Battery Storage Project

지원기관 DOE/NYSERDA/EPRI 등 수행기관 New York Power Authotity 등

기간 2002 ~ 예산 $3,850,000/연간

주요 내용


? 용도 : Grid Load Leveling 평가

? 설치장소 : Long Island, New York

프로젝트명Energy Storage System Program

(NAS Battery Demonstration at AEP)

지원기관 DOE 수행기관Sandia Nat. Lab

American Electric Power 등

기간 2002 ~ 예산 $11,247,000/연간

주요 내용


? 용도 : Peak Shaving, Load Leveling, Power Quality 평가용

? 설치장소 : 웨스트버지니아 찰스톤

? 2008년 6MW 설치 예정이며 2020년까지 1,000MW 설치 계획

그림 [Ⅲ-28] AEP(American Electric Power)의 변전소용 1MW급 Na/S 전지

시스템

◦ 일본의 NGK사는 전력용 애자 등을 제조하는 세라믹회사로서 미국의

포드사 및 독일의 ABB사로부터 기술을 이전 받아 NaS 전지의 개발을

시작

- NGK사는 1984년 동경전력(TEPCO)과 같이 일본 국가프로젝트와는 별도로

NaS프로젝트를 시작하여 1990년 10kW급 모듈을 전기자동차에 탑재하여

테스트하였으며 1992년 load leveling용의 50kW 모듈을 개발

- 1997년 자사의 변전소에 NaS 전지를 설치하여 검증 실험을 개시하였으며

이후 동경전력, 관서전력 등 전력회사와 협력을 통해 실증 운행


－ 84 －

- 2002년부터 본격적인 양산을 시작하였고 2007년에는 라인 확장을 통해 생

산능력을 확장

◦ 일본의 YUASA는 전지회사로서 NEDO 프로젝트에 참여하여 NaS전지

를 개발하였으며 100kW급 이상의 나트륨-유황전지를 제작하여 실증운

행

- 나트륨-유황전지 관련하여 세계 각국에 다수의 특허를 출원

- 일본의 히타치와 미쯔비시중공업 등도 NaS 전지에 대한 기술개발을 진행

하였으며 세계 각국에 특허 출원

◦ 일본에서는 2006년 6월까지 NaS 전지시스템이 전국적으로 90개소에

설치되었으며 축전용량은 130MW에 이르러 실용화되기 시작한 2002년

이후 급격히 증가하고 있는 추세

- 후타마타의 풍력발전소에는 시

스템 한 개당 2MW의 축전능

력이 있는 Na/S 전지 총17대

(34MW)가 도입

- 후타마타에서는 야간에 발전된

전력을 이 Na/S 전지에 저장

- 주간에는 Na/S 전지에 저장된

출력과 풍력발전의 출력을 합

쳐 도호쿠전력의 전력계통에

공급할 계획

그림 [Ⅲ-29] 51MW급 풍력발전시스템에 사용되는 34MW급 Na/S 전지

Ⅲ. 기 술

－ 85 －

□ RFB

◦ Vanadium flow 전지 및 Zn/Br flow 전지는 미국, 유럽, 일본, 중국

등에서 실증에 성공하여 상용화에 낙관적임

- 일본 Sumitomo사의 경우 풍력발전과 연계하여 시장 확대 중

- Kansai electric power사의 경우 450kW의 VRB시스템 prototype을 실증

◦ ZBB사에서 500kWh 풍력 연계 실증 연구를 진행한 바 있으며,

500kWh 빌딩연계 실증 실험을 진행하고 있음

◦ 해외의 경우에도 빌딩용 포함 CES용 ESS 실증 기록은 거의 없으며,

특히 Zn-Br Flow Battery의 실증 기록은 거의 없음

그림 [Ⅲ-30] 풍력 연계 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy)


－ 86 －

그림 [Ⅲ-31] 빌딩용 Zn-Br Flow Battery 실증(ZBB Energy)

그림 [Ⅲ-32] Sumitomo사 45kW*2hr VRB 스택 및 전해액탱크

Ⅲ. 기 술

－ 87 －

그림 [Ⅲ-33] VRB 6MWh 에너지 저장 시스템(일본 SUBARU 프로젝트)

◦ 2007년 EPRI(미국)에서 대용량 전력저장 시스템으로 VRB를 심층 분석

- 2013년 이후 비용이 40% 저감 될 것으로 예측하며, 5~10MW, 8hr 이상의

대용량 시스템에서 유리할 것으로 제시

- 2009년 말부터 스마트그리드용으로 다수의 Flow Battery과제 진행

* California Modesto, 50MW Flow Battery 시스템(Primus power)

* California Sacramento, 4MW Flow Battery 시스템(Premium power)

- ARPA-E 프로젝트에서 100$/kWh 목표로 다수과제 진행

그림 [Ⅲ-34] 2MWh VRB 에너지 시스템 전해액탱크 및 스택 (미국 Castle

Rock, Utah)


－ 88 －

◦ 독일에서는 에너지밀도를 4~5배 향상시키는 연구 진행 중이며, EV에

적용 가능한 RFB 연구 중

- Funktionswerkstoffe Forschungs & EntwicklungsGmbH에서는 200kW, 2hr

적용 가능한 VRB모듈 개발

그림 [Ⅲ-35] GmbH사(독일) 200kW 모듈 및 PV연계적용

◦ 중국 GEFC사는 최근 50kW급 4hr 용량의 VRB 시스템을 개발하여

GEFC 공장 내에서 자체 실증 중에 있음

그림 [Ⅲ-36] GEFC사(중국) 50kW, 4hr VRB 스택 및 전해액 저장탱크

Ⅲ. 기 술

－ 89 －

Project size time input region Remark　

AEST 500kWh 2009.11~

current

PV, Wind Newcashe,

AUS

demo

Detroit

Edison

400kWh 2000~2003 PeakShaving,powerq

uality (grid only)

Detroit,

MI

demo

Nunawa

ding

400kWh 1999~2002 Substation support

(grid only)

Melbourne

, AUS

demo

CEC 1MWh 2004~2008 Peak Shaving (grid

only)

San

Ramone,

CA

demo

Dundalk 500kWh 2009~current Wind turbine to

grid

Ireland Univ.

Enuinig 150kWh 2009~current Solar,PV,generator,of

f-grid residence

Pennsylva

nia, USA

commercial

OSU 50kWh 2010~cyrrebt Research Corvalis,

OR

Univ.

UWM 50kWh 2010~curent Research Milwauke

e, USA

Univ.

Likusasa 50kWh 2009~now Telecommunication South

Africa

commercial

Oshkosh 500kWh 2010~now Off-grid military Oshkosh,

WI

commercial

Pulani 150kwh 2011~now Building UPS Hawaii commercial

BC

hydro

200kWh 2011~now Hydro/grid BC,

Canada

commercial

표 [Ⅲ- 17] ZBB Energy社의 실증 사업

Project size time input region Remark　PacifiCorp

(USA)

250kW

(2MWh)2004~

peak-shaving

application

Utah,

USAdemo

J-Power

(Japan)

4MW

(6MWh)2005~ wind, PV & UPS

Hokkaido

Japan demo

Riso Lab.

(Denmark)

15kW

(120kWh)2004~

Wind turbine to

grid

Risp,

Denmarkdemo

Gills

Onions

600kW

(3.6MWh)2011~

Emergency backup

power

Oxnard,

Californiacommercial

CEPRI500kW

(1MWh)2011~ PV, Wind

Zhangbei,

Chinademo

표 [Ⅲ- 18] Prudent Energy社 실증사업

○ ZBB Energy社(미국)

○ Prudent Energy社(중국)


－ 90 －

□ 플라이휠

◦ New York State Energy Research and Development

Authority(NYSERDA)와 DOE의 MOU로 진행되는 계통주파수 조정

실증 프로젝트

- 계통주파수 조정 가능성을 타진하기 위하여 beacon power사 주도로 단위

유닛의 출력 250kW이고 저장용량이 25kWh인 전자석 플라이휠 10기를

병렬연결

- 스마트에너지매트릭스라는 상업용 버전인 1M/250kWh를 개발하고 소규모

주파수조정 실증을 수행

◦ 2010년에는 DOE의 스마트그리드 실증 사업의 일환으로 beacon

power사 주관으로 MA의 Tyngsboro시와 IL의 Chicago시에 20MW급

주파수 조정용 플라이휠 시스템을 건설하고 실증하는 프로젝트가 시작

□ 수퍼캐패시터

◦ 전력안정화 시스템

- Meidan(日): 고전압 Super capacitor의 전압별 전력품질안정화 시스템을 구

축하여 사업화 진행 중에 있으며, 6.6 kV~500 kV급으로 구분하여 시장에

제품을 공급하고 있으며, 2010년 출하실적은 50,000 kVA임

- 또한, NEDO 과제 지원 하에 5 MW급 태양전지에 NaS 전지와 초고용량

커패시터를 연결하여 전력청에서 33 kV급의 전력 공급 장치 개발 운전

중에 있음

- Maxwell(美): 450 kW 시스템 개발을 통하여 풍력, 수소, 천연가스로 마이크

로그리드를 구성하였으며 이에 대한 실증 평가를 진행 중.

Ⅲ. 기 술

－ 91 －

- FDK(日): 태양광 계통 안정화 장치로 LIC를 2010년부터 NEDO 지원 아래

실증 평가 중

- Nippon Chemi-con(日): 납축전지와 SC hybrid type으로 100 kVA class용

UPS 적용

◦ 전력 회생용 에너지 저장

- Mitsubishi 전기(日:) SC를 처음 채용한 Elevator용 Regenerating

System(Ele-Charge)을 11년 10월부터 발매 예정.(소비전력량을 약 25% 절

감 가능) 교환주기는 10년 이상으로 예상

- Nichicon(日): 태양광 발전 panel부와 LIB와 SC를 이용한 hybrid 축 전부를

2010년 3월에 동경 소재 공원과 공공 기관에 설치 납품함

□ CAES

◦ 현재 운용 중인 해외 CAES 발전소

- 1978년 독일 Huntorf 290MW CAES 발전소: 세계 최초

- 1991년 미국의 Alabama 110MW(현재 348MW 확장 운용 중)

◦ 미국은 스마트그리드 사업의 일환으로 PG&E(300MW) 및

NYSEG(150MW) CAES 구축 사업에 정부 보조금을 지원하고 있으며,

ES&P 사에서 개발 중인 2세대 방식 CAES 기술을 적용

◦ 미국의 Dresser-Rand 사는 “Smart CAES“라는 브랜드로 CAES 상부설

비 부분의 total solution을 제공하기 위해 1세대 방식의 개량형인 고

효율 압축 및 터빈 시스템을 개발 중

○ 현재 독일은 EnBW(600MW) 및 ADELE(200MW) CAES 프로젝트를


－ 92 －

추진 중에 있음. 특히, ADELE 프로젝트는 연방정부와 RWE 및 GE

등의 기업이 주축인 컨소시엄과의 계약 완료 단계

◦ 일본은 1998년부터 기존 탄광을 활용한 2MW 급 CAES Pilot 플랜트

를 구축하여 실증 실험을 완료함. Pilot 플랜트는 일일 10시간 충전/4

시간 발전하여 다양한 공학적 실증 연구가 수행

◦ 중국은 미국 ES&P 사에 EPC(Engineering Procurement Construction)

역할을 부여하고 자국 내 CAES 건설 추진 중

그림 [Ⅲ-37] CAES 프로젝트 현황

Ⅲ. 기 술

－ 93 －

4 ESS 계통 운영 방안

◦ 전력저장 장치는, 출력 변동성이 심한 저품질 전력을 고품질 전력으로

변환 후 계통 연계하는 시스템으로 다음과 같은 요소로 구성되어 있음

- 풍력 및 태양광 등 발전 부문

- 전력저장 시스템 : Battery, BMS(Battery Management System), PCS(Power

Conditioning System)

- 출력제어 및 운영 시스템

그림 [Ⅲ- 38] 에너지저장장치 시스템 개요

◦ 에너지저장시스템에 요구되어지는 조건이 소재 및 cell 개발에도 반영

되어, 소재 개발은 실제 cell 제조에서 검증되어야 하고 BMS 및 PCS

개발도 배터리의 최적 사용 환경을 구현할 수 있도록 설계되어야 함

부하평준화 첨두부하 저감 UPS 전력품질 보상 신재생 출력안정

운전시간 ～수 시간 수 십분 수초～수십분 ～수초 수분～수시간

출력범위수MW～수

백MW수십kW～수MW 수kW～수MW 수백kW～수MW 수십kW～수십MW

표 [Ⅲ- 19] 전력산업 적용분야별 에너지저장장치 요구조건


－ 94 －

□ 신재생발전원 출력보상을 위한 에너지저장장치 적용

◦ 전력계통 연계 측면에서 신재생발전원들의 특징

- 에너지원의 특성상 발전출력이 간헐적임에 따라 설비 이용률을 나타내는

용량계수(Capacity Factor)가 기존 발전원보다 낮음

- 기상조건의 불확실성에 따라 신재생발전원의 출력예측이 기존 발전기에 비

해 어려움

- 실시간 전력수급을 기본으로 하는 전력계통 운영에서 발전출력을 전력수요

에 따라 조정할 수 없음

- 전력계통의 운영조건에 따라서는 전력계통의 수용한계 용량에 따라 신재생

발전원의 생산전력을 제한할 수밖에 없는 경우가 발생함

- 신재생에너지원은 전력전자소자를 통해 전력계통에 연계되어 기존 발전기

와 같은 관성응답 특성을 전력계통에 제공하지 못하는 등 기존 발전기만

큼 전력계통의 전력공급성능을 지원하지 못함

◦ 최근에는 다음과 같은 대응기술을 적용하여 신재생발전원의 전력공급

을 늘리고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있음

- 기상예측 정확도 향상을 통한 신재생발전기 발전출력 예측기술 향상

- 신재생발전기의 제어능력 강화 및 자체예비력 확보

- 신재생발전 단지의 통합제어를 통한 신뢰성 및 제어성 향상

- 신재생발전기 실시간 감시 및 예방정비 등을 통한 고장율 경감

- 대용량 에너지저장장치를 통한 신재생발전출력 보상

Ⅲ. 기 술

－ 95 －

◦ 변동이 심한 신재생에너지원의 출력을 보상하기 위해 전력저장장치 적

용

◦ 전력망에는 복수개의 신재생에너지원이 연계되는 것이 일반적이고 이

러한 다수의 신재생에너지원의 발전출력이 공동으로 전력망의 발전력

에 영향을 주게 되므로 대용량 전력저장장치는 개별 신재생에너지원의

발전출력을 대상으로 운영되는 것 보다 송전망 수준에서 신재생에너지

원들의 전체적인 출력변동을 기준으로 제어되는 것이 더욱 효율적임

◦ 전력망 운영에서 전력계통 주파수는 전력망 전체의 전력수급(발전과

수요의 균형)을 실시간으로 나타내는 파라미터이므로 이를 모니터링하

고 전력망에서 이미 수행하고 있는 주파수제어 알고리즘과 협조하여

전력저장장치의 출력을 제어하기 위한 알고리즘을 개발할 수 있음

그림 [Ⅲ- 39] 전력저장장치를 이용한 풍력발전기 출력제어 예


－ 96 －

그림 [Ⅲ- 40] 풍력발전에 대한 전력저장장치 제어효과 예 (τ:

전력저장장치 용량)

구 분 적용 분야요구 사항

비고방전지속시간 출력특성

발 전 주파수 조정(Freq. Regulation) 15분 속응성 단기

운전대기력(Spinning Reserve) 15∼120분 수MW급 장기

송․배전 전력품질 보상 수분 속응성 단기

전력계통 안정화 15∼60분 kW~MW급 장기

신재생E 출력보정(Peak Smoothing) 15분 수MW급 단기

출력변동보상(Peak Shifting) 2∼3시간 kW~MW급 장기

표 [Ⅲ- 20] 전력산업 적용 분야별 에너지저장장치 요구 기술 특성

Ⅲ. 기 술

－ 97 －

□ 신재생 에너지저장장치로의 활용가능 ESS종류 및 특징

◦ 다음은 에너지저장장치별 동작특성의 장단점을 요약한 것으로써 최근

Li-Ion 배터리의 경제성이 상당히 개선됨에 따라 대용량으로의 적용가

능성에 대해서도 활발한 검토가 이루어지고 있음

Storage technology Main advantageDisadvantage

(Relative)

Power

application

Energy

applicationHigh-speed flywheels High Power Low Energy Density ● ◯

Electrochemical

capacitors(EC)Long Cycle Life

Very Low Energy

Density● ◯

Traditional Lead

Acid(TLA)Long Capital Cost Limited Cycle Life ● ◎

Advanced La With

carbon Enhanced

Electrodes

(ALA-CEE)

Long Capital Cost Low Energy Density ● ●

Sodium Sulfur (NaS)High Power and

Energy Density

Cost and Requirement

to Run at High

Temperatures

● ●

Lithium-Ion (Li-ion)High Power and

Energy Density

Cost and Increased

Control Circuit Needs● ◗

ZINC-Bromine(ZnBr)Independent Power

and Energy

Medium Energy

Density◗ ●

Vanadium

Redox(VRB)

Independent Power

and Energy

Medium Energy

Density◗ ●

Compressed Air

Energy

Storage(CAES)

High Energy,

Low Cost

Special Site

Requirement◯ ●

Pumped Hydto(PH)High Energy,

Low Cost

Special Site

Requirement◯ ●

표 [Ⅲ- 21] 에너지저장장치별 전력/에너지 장단점

● Fully Capable and Reasonable

◎ Feasible but not quite Practical or economical

◗ Reasonable for this application

◯ not feasible or economical


－ 98 －

◦ Li-Ion 배터리는 최근 전기자동차에도 적용됨에 따라 시장의 활성화가

예상되어 기술개발에 대한 투자가 크게 예상됨으로 성능 및 경제성이

크게 향상될 것으로 기대

□ 전력계통의 에너지저장장치의 주파수조정서비스

- 주파수조정 서비스는 전기의 공급/수요 균형을 분 단위 이하의 시간에서

유지함으로써 신뢰도기준에 따라 전력계통주파수를 유지하는 서비스로써

전력저장장치의 주파수조정서비스 제공은 기존발전기에 의한 제공과는 다

른 성능과 운전특성을 가짐

- 즉, 4초 이내에 정격만큼 출력변경 제공할 수 있고 전력망에서 전력을 공급

/소비할 수 있는 양방향 특성이 있기 때문에 전력저장장치의 주파수조정

서비스 제공을 위한 규정 변경이 필요

- 또한 기존 발전기보다 빠르게 주파수조정 서비스를 제공할 수 있기 때문에

전력계통 주파수유지를 위한 예비력 요구조건을 경감할 수 있을 것으로

기대됨

- 이를 통해 신재생에너지원의 전력망 수용율 증대에 따른 전력망의 불안정

성 증대를 해소할 수 있을 것이다. 한편, 주파수조정 서비스제공자들의 경

쟁을 촉진하여 전체적인 가격 경쟁력을 제고 할 수 있음

그림 [Ⅲ-41] 에너지저장장치의 속응성 비교결과

Ⅲ. 기 술

－ 99 －

◦ 에너지저장장치의 전력계통 도입에는 다음과 같은 장벽이 존재하는 것

으로 나타남

- 전력시장에서 발전원의 성능기준이 기존 발전기의 특징을 기반으로 구성되

어 전력저장장치 성능에 불일치하는 부분이 있음

- 기존의 예비력 요구량 산정이 전력의 공급만 가능한 발전기들을 기준으로

이루어졌기 때문에 이러한 경우 전력저장장치의 양방향전력제어 기능의

특징을 반영할 수 없음

- 기존 발전기는 연료의 공급에 의해 지속적인 전력공급이 가능하고 이를 기

반으로 전력의 현물시장이 설계되었으나 전력저장장치의 경우는 연료공급

이 아니라 에너지의 적절한 충방전이 필요하기 때문에 이를 위한 실시간

에너지관리가 필요함 100%충전시 다음 5분 급전구간에서 방전을 위한

우선급전 등

- 기존발전기의 경우 발전비용평가를 기준으로 정산이 이루어지므로 이를 전

력저장장치에 적용하기 위해서는 별도의 산정기준이 필요함

◦ 또한 ESS 운영전략에 따른 주파수 조정 서비스의 지속제공 능력을 비

교1)하면 다음 그림과 같이 주파수조정서비스는 급격한 전력저장장치

의 과도한 에너지축적을 야기할 수 있고 이는 5분단 위의 전력저장장

치 에너지관리를 통해 충전지속시간 요구조건의 경감이 가능

1) September 11, 2009 ERPI Webcast, Prototype Method for Analyzing Regulation by Limited

Energy Storage


－ 100 －

그림 [Ⅲ- 42] ESS 운영전략에 따른 주파수조정서비스의 지속제공 능력 비교

◦ 따라서 현재 에너지저장장치의 적용분야는 다음과 같이 고려하면,

- 순시 시간대(0~수초)의 적용 주파수추종발전예비력, Ride Through

Capability, 전력품질유지 BESS의 높은 전력밀도와 고속의 대용량 전력

공급이 요구됨

- 단기간 시간대(수초~분)의 적용 : 자동발전제어예비력, 풍력발전기 출력보

상, 전력수요보상, 고조파보상, 전력계통 정전복구 높은 수준의 전력밀

도는 요구되지 않으나 출력유지가 가능한 지속시간이 길어야 함

- 중기간 시간대(수분~수시간, 5시간)의 적용 : 전력회사의 자원으로 활용

전력시장 수급균형유지, 발전차액거래, 첨두부하공급, 전기자동차 충전

BESS의 에너지용량이 높아야 함 향후 전기자동차 증가시 전기자동차

V2G 활용성 기대

- 장기간 시간대(수일)의 적용: 신규 발전소나 송전설로 건설의 유예 매우

높은 에너지 용량이 요구됨(타당성은 불확실)

Ⅲ. 기 술

－ 101 －

5 ESS 적용분야별 연계운용 방안

□ 배전계통운영자

◦ 배전용 변전소 전력저장장치 적용형태

- 변전소 대규모 10 MWh 급 부하평준화용 (전력회사 배전용)

- 피더 또는 지역별 부하 규제용 (Area Regulation)

- 비상시 변전소 제어전원 공급

- 신 재생발전단지 단기/장기 출력안정화

- 전압제어 부가 역할

- 선로 증설 비용 저감 방안

◦ 전력저장장치의 변전용변전소 설치 시 기능

- 상시 부하 평활화와 첨두부하 제어를 통하여 전력손실과 계통혼잡을 최소

화하여 계통의 이용률을 향상

- 계통에 연계되어 전력품질에 영향을 주는 대용량의 신재생발전의 간헐적인

특성을 개선함으로써 계통의 품질과 안정도를 향상시키는 기능을 수행

- 장기 수명과 신뢰성 및 환경 친화적인 전력저장장치를 변전소에 분산 배치

하여 스마트그리드의 효율적인 운영을 기하고 신재생에너지 발전원의 보

급을 확대

① 전력품질 개선 기능

전력저장장치가 계통에 연계되어 유효전력과 무효전력을 적절하게 공

급하여 전압을 일정하게 유지하여 전력품질향상을 지원


－ 102 －

전력 수용가 비상전원공급 및 고품질 전력공급이 가능

부하변동, 사고에 의한 전원 또는 부하 탈락 시에 유효전력의 불평형

을 전지 충전과 방전에 의해 보정

주파수를 조정하여 계통안정화에 기여

② 부하 평준화 기능

잉여전력이나 저가 전력을 저장하여 최대 수요나 집중 수요 시간대에

활용이 가능

주로 야간에는 전지를 충전하고 전력수요가 많은 주간에 방전하여 교

류계통의 발전전력의 평준화를 도모

수요에 따른 전력 공급량의 조절이 가능하므로 발전에 필요한 예비

전력량을 감소할 수 있으며, 생산된 전력 에너지를 저장하여 필요할

때 사용함으로써, 주야, 계절 간 전력 부하 격차 해소를 통해 부하율

과 에너지 이용 효율을 향상

③ 간헐적 최대 부하 저감 기능

변전소, 송전선의 용량을 초과하는 부하 순시 변동에 의한 피크 전력

을 전력저장장치에 공급함으로써 잉여에너지를 저장하고, 최대 부하

를 저감

변전소에 연계되어 운전되는 풍력이나 태양광 등의 신재생에너지원의

출력의 간헐적 특성을 완화시킴으로써 값비싼 화석연료를 통한 디젤

발전기 등의 백업발전의 필요성을 줄임

Ⅲ. 기 술

－ 103 －

④ 자력 기동 기능

- 정전에 의한 기계 설비의 갑작스러운 정지로 인해 화재 폭발 등의 재

해가 발생할 우려가 있는 설비에 비상전력을 공급하고, 계통사고에 의

해 부하와 교류계통이 격리된 경우에도 자력 기동을 하여 변전소의 시

스템이 비상 가동될 수 있도록 PCS에서 변전소에 전력을 공급

- 일반적으로는 변전소에 자립운전을 하기 위하여 비상 전원으로 디젤발

전기가 사용되나 기계적인 발전원 대신 전기에너지를 저장하는 2차전

지를 사용함으로써 보다 빠르게 필요 전력을 공급하여 변전소의 자력

기동이 가능하게 함

◦ 배전용 변전소 적용 예

- 배전용변전소의 주변압기 (M.Tr) 이차측율 (154/22.9 kV, 60/45

MVA) 설치후보로 고려

- M.Tr의 부하특성을 분류하고, 각 유형은 전력시스템의 부하패턴과 비교하

여 기능개선을 갖도록 기술 분석

- 최적의 BESS 연계기능을 주어진 조건하에서 결정


－ 104 －

□ 일반수용가

◦ 수용가 전력저장장치 적용형태

- 부하 평준화 기능

수용가의 총체적인 전기료 절감을 목적으로 전력의 공급 및 수요의 시간

대를 이동시키는 기능을 지원

양방향 전력 관리가 가능해야 함으로 전력저장장치와 통신 연계 운전 연

계해야 함

- 독립 운전 기능

전력 계통에 문제가 있을 경우 수용가에 안정적인 전력을 지속적으로 공

급할 수 있도록 하는 독립운전 기능을 포함 가능

독립 운전 기능이 포함 될 경우 사용자가 독립운전을 진행할 것인지 독립

운전 방지를 할 것인지의 여부를 결정할 수 있도록 설정제어가 가능해야

함

Ⅲ. 기 술

－ 105 －

□ 신재생에너지발전설비 설치자

◦ 전력저장장치의 신 재생발전단지에 설치 시 기능

- 신재생에너지는 발전 특성상 예측이 불가능하고 계통에 교란을 줄 수 있을

정도로 계통안정도에 영향을 주고 있다. 이러한 신 재생에너지의 예측이

어렵고, 간헐적인 출력 변동으로 인한 특성을 2차 전지와 연결된 전력저

장장치로 계통의 안정도를 높이는 기능을 수행한다.

① 단주기 전력 안정화 기능

신재생에너지의 대표적인 발전원으로 풍력과 태양광발전시스템을 들

수 있다. 이 두 신재생에너지의 출력 특성은 예측이 어렵고 간헐적인

출력 변동을 가지고 있다. 단기적으로는 수초 내지는 수십 초 단위로

출력이 변동하는 신재생에너지의 출력 특성을 평준화하는 기능을 수

행하는 것이 전력 평활화 기능이다.

② 시간 지연 기능

시간 지연기능은 다른 표현으로는 전력 지연, 에너지 지연, 장주기 출

력제어 등 다양한 방법으로 표현된다. 이는 전력저장장치의 측면에서

단시간이 아닌 장시간동안 충전 및 방전의 형태로 구현되는 기능의

일부로 이를 이용하게 되면 신재생에너지의 출력을 일정하게 변환하

여 계통에 주입하게 되므로 계통 안정 뿐만 아니라 향후 입찰이 가능

한 기능으로 구현되게 된다.


－ 106 －

③ 주파수 조정 기능

주파수 조정 기능은 계통의 전력을 안정화시키는 역할을 한다. 통상적

으로는 부하 측에 가까이 위치하여 주파수 변동이 생겼을 경우, 이를

보상하는 역할을 하는 기능이다. 하지만 신 재생에너지와 같이 발전원

또는 전력 계통에 영향을 미칠 경우 주파수 조정 기능을 수행할 수

있도록 기능을 부여하여 전력망의 안정화를 꾀하고 있다.

그림 [Ⅲ- 43] 전력저장장치 적용형태

그림 [Ⅲ- 44] 저장장치 연계기술분석용 배전계통내 적용위치

Ⅳ 스마트그리드 ESS 표준

Ⅳ. 표 준

－ 109 －

Ⅳ. 스마트그리드 ESS 표준

1 표준화의 필요성

◦ 신재생에너지원 증가에 따른 에너지저장시스템 필요성이 부각

◦ 전력망의 말단에 신재생발전원이 설치되면 배전망에 역조류가 발생하

고 전압이 상승하므로 역조류를 감당할만한 배전망의 정비가 필요

◦ 특히 신재생 발전이 전체 전력망의 10%이상으로 확대될 경우 계통운

영에 어려움을 초래하여 이에 대한 대응방안으로 전력저장장치 필요

◦ 매년 전력가 상승(4.5%) 및 피크 요금상승(6.5%) 등 수요가 부담 증가

로 전력저장장치의 관심 증폭

◦ 2011.9.15. 대규모정전사태로 인한 전력저장장치 필요성 부각

◦ 따라서 국내에서도 에너지저장장치의 계통적용 및 신재생에너지원 발

전을 촉진하기 위해서는 성능조건이 마련되어야 할 것으로 판단됨


－ 110 －

2 국내 현황

◦ 한국의 경우 지식경제부 기술표준원의 지원과 관리 하에 스마트그리드

협회에 스마트그리드 표준화 포럼에 있는 분산전원 도메인 위원회에서

태양광, 풍력, 연료전지 및 전력저장에 대한 표준화 업무를 수행 [2]

◦ “에너지저장시스템용 전력변환장치의 성능 요구사항(표준번호 :

SGSF-05-2012-04)“의 표준안이 제정됨

◦ “분산형전원의 운용기술 표준 – 제1부 : 분산형전원의 계통연계 기술

요구사항”의 표준화 WD를 제정중임

◦ 스마트그리드 협회 산하 스마트그리드 표준화 포럼(SGSF)은 미국

NIST의 SGIP와 매년 정기 워크샵을 통해서 정보교류 및 상호협력을

추진하고 있는 상태로 가까운 미래에 ESS에 대한 표준화가 급속도로

진행될 것으로 기대

◦ 우리나라에서는 NCB 등록은 에너지관리공단이, CBTL(Certification

Body Testing Laboratory)는 한국산업기술시험원(KTL)과 한국에너지기

술연구원이 수행중

◦ 국내 표준으로는 기술표준원이 IEC/ISO 등 국제표준을 참고 표준으로

하여 국내 표준을 확장해 나가고 있는 중

◦ 현재까지는 주로 개별 에너지원 별 성능평가 등의 기술표준에 주력하

고 있으며 IEEE 1547 시리즈와 같은 공통적인 기술에 대한 표준화는

아직 진행되지 못하고 있음

Ⅳ. 표 준

－ 111 －

3 국외 현황

◦ 미국의 경우 NIST(국가 표준연구원)를 중심으로 추진

◦ IEEE의 표준화 동향

- IEEE의 표준 1547 시리즈는 분산자원(DER)의 전력망 연계에 관련된 일련

의 표준화 작업을 진행중, IEEE 1547 Standard for Interconnecting

Distributed Resources with Electric Power Systems이라는 시리즈 아래 7

개 종류의 표준화가 진행 완료 혹은 진행 중

- IEEE 1547.1 2005 Standard for Conformance Tests Procedures for

Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power

Systems

- IEEE 1547.2 Application Guide for IEEE 1547 Standard for

Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems

- IEEE 1547.3 2007 Guide For Monitoring, Information Exchange, and

Control of Distributed Resources Interconnected with Electric Power

Systems

- IEEE 1547.4 2011 Guide for Design, Operation, and Integration of

Distributed Resource Island Systems with Electric Power Systems

- IEEE P1547.5 Draft Technical Guidelines for Interconnection of Electric

Power Sources Greater than 10MVA to the Power Transmission Grid

- IEEE 1547.6 2011 Recommended Practice For Interconnecting Distributed

Resources With Electric Power Systems Distribution Secondary

Networks


－ 112 －

- IEEE P1547.7 Draft Guide to Conducting Distribution Impact Studies for

Distributed Resource Interconnection

◦ IEC, ISO의 표준화 동향

- 현재 우리나라는 온실가스저감이 국제적 이슈로 떠오르며 신재생에너지 분

야도 중요한 이슈로 떠오르고 있어 IEA, WEC 등 국제에너지기구와 ISO,

IEC 등 국제표준화기구와의 국제협력을 통한 에너지정책과 표준연계를

강화해 나가고 있음

- ISO는 에너지효율 및 재생에너지분야에 대한 신규 SAG(전략자문위원회)를

설립하고 표준화전략을 수립 중

- IEC/CAB(적합성평가이사회)에서는 에너지효율 국제적합성평가제도 구축

검토를 위한 작업그룹을 구성

- 신재생에너지 분야 TC(Technical Committee)는 태양에너지를 전기에너지로

광전변화시스템 및 전반적인 시스템의 모든 요소에 대한 규격을 개발하는

태양광발전(IEC/TC82), 풍력에 대한 설계, 품질보증 및 인증을 위한 절차

등을 개발하는 풍력발전(IEC/TC88), 발전용, 수송용, 휴대용 및 마이크로

연료전지 등의 기술 표준화를 위한 연료전지(IEC/TC105)가 있음

- 수소 생산, 저장, 운영, 품질 및 안전 등에 관한 표준화를 진행하는 수소에

너지(ISO/TC197), 액체바이오연료를 중심으로 표준화를 진행하는 바이오

연료(RSO/TC28 & TC238)가 있음

- 신재생에너지 분야는 기술선진국을 중심으로 국제표준을 주도 : 태양광, 풍

력, 수소, 연료전지 등 4개 분야의 총 43개 작업반 중 미국(8개), 일본(8

개), 덴마크(8개), 캐나다(6개), 독일(5개), 네덜란드(2개), 영국, 프랑스, 벨

기에, 스웨덴, 노르웨이가 각각 1개씩⟶미국은 전분야에 걸쳐 고르게 활

동, 일본은 수소연료전지, 덴마크는 풍력, 캐나다는 수소에너지분야 표준

Ⅳ. 표 준

－ 113 －

을 주도

- IECEE CE(국제전기기기 인증제도)는 전기제품에 대해 회원국 간의 시험결

과를 상호 인정해 중복시험 생략, 시간 및 경비절약, 국제간 무역장벽을

해소하기 위한 인증제도로 국제표준(IEC) 규격에 부합화해 상호인증체계

를 확립하고 있음

구분

IEC ISO

TotalTC4

Hydro

Power

TC82

PVs

TC88

Wind

Power

TC105

Fuel

Cell

TC180

Solar

Energy

TC197

Hydrogen

ISO

IECPublication 21 47 23 8 16 10 125종

표 [Ⅳ- 1] ISO/IEC 신재생에너지분야 TC현황

- 배터리 등 전기제품 19개 품목이 상호인증 대상품목으로 운영 중이며 태양

광분야는 지난 2004년 17번째 품목으로 추가됨

- 현재 태양광시스템, 모듈, 셀, 어레이, 부품 5개 분야 등 총 24품목에 대해

인증을 진행하고 있으며 우리나라를 포함해 프랑스, 독일, 이탈리아, 일본,

네덜란드, 스페인, 미국, 인도 등 9개국이 NCB(National Certification

Body)로 등록

- 풍력발전 인증시스템(IEC WT: IEC Wind Turbine)도 구축 중이며 지난

2001년 TC88에서 IEC WT01(풍력발전시스템의 시험 및 인증절차에 대한

규정)을 제정해 안전성 평가기준인 IEC 61400-2 등 9종을 제정했으며 소

음측정기준 등 5종 및 부품인증 규격이 진행 중

- 한편, 유럽을 중심으로 대규모로 풍력발전이 보급되는 경우를 상정한 소위

Grid Code에 대한 기술표준이 진행되고 있으며 국내에서도 분산전원의

대량 보급에 따른 전력계통의 신뢰도 확보 차원에서 유사한 기술 표준이

검토되고 있음


－ 114 －

◦ CAISO: 주파수조정 서비스를 제공하는 전력저장장치를 지원하기 위한

시장규칙을 개발 중. 2011년 상반기에 CAISO 이사회 상정가능

◦ NYISO: 전력저장장치를 주파수조정서비스 시장에 참여시키기 위한 요

금제도 개정을 2009년 3월 11일에 상정하고 전력저장장치를 기존 발전

기와 동일하게 발전계획, 발전운영, 정산에 적용하는 방법을 도입하여

2009년 3월 15일에 FERC의 승인을 받음

◦ MISO: 발전기 및 수요응답과 다른 전력저장장치의 응답을 요금제도에

도입하여 2008년 12월 18일에 FERC의 승인을 받음. 또한 2009년 봄에

는 MISO 주파수조정 예비력시장에서 에너지정장장치의 급전을 도입

하여 2009년 12월 31일에 FERC의 승인을 받음

◦ ISO-NE: 2008년 8월 5일에 주파수조정서비스를 유료로 제공하기 위한

대체기술의 시험프로그램을 제안하였고 FERC가 2009년 9월에 승인,

2011년에 이를 위한 시장규칙이 제안될 계획, 3MW flywheel 운전

◦ ERCOT: 에너지 저장장치를 위한 주파수조정 서비스 시장을 개설, 에

너지저장장치에 대한 발전기 지위부여 논의 중-2011년

◦ CAL-ISO 경우 에너지저장장치의 성능에 관한 요구조건

- 정격: 2~10MW

- 최소에너지용량: 정격의 25% 이상10MW 설비의 경우 2.5MWh 이상 충전

가능

- 계통운영자로 부터 주파수조정신호를 수신할 수 있는 기능 구비

- 운전영역이 대칭적이어야 함충전정격이 2MW면 방전정격도 2MW

- 기기의 방전/충전 단위가 2개 이상이어야 함2MW 설비의 경우 1씩 두

단위의 출력수준이 가능해야 함

Ⅳ. 표 준

－ 115 －

- 역률 ±0.95 운전영역을 가지며 무효전력을 공급/소비할 수 있어야 함

- 증감발율은 4초안에 정격만큼 변경이 가능한 수준이어야 함10MW 설비

의 경우 10MW로 충전되다가 4초안에 10MW로 방전될 수 있어야 함

◦ 일본은 IEC에 “Electrical Energy Storage (ESS) System”라는 새로운

TC(Technical committee) 제안

- 범위 : 계통에 연계되는 EES 시스템들의 분야에 대한 표준화

- 목적 : EES 시스템들의 적절한 국제 표준은 시장의 알맞은 해결방안을 제

공할 뿐 아니라 모든 나라가 신재생에너지를 더 연계하기위한 실현가능한

기술에 도달하고 더 스마트하게 전기를 공급할 수 있도록 도울 것이다.

- Working Group

WG 1 : 전문용어

WG 2 : Unit parameters의 정의

WG 3 : ESS시스템들의 계획 및 설치

WG 4 : 전력계통관리의 기술적인 해결방안

Electric energy storage systems- EESS

Mechanical Electrochemical Electrical

ThermalChemical

Pumped hydro - PHS

Compressed air - CAES

Flywheel - FES

Secondary batteries Lead acid/NiCd/NiMH/Li/Nas

Flow batteriesRedox flow/Hybrid flow

Double-layerCapacitor-DLC

SuperconductingMagnetic coil-SMES

HydrogenElectrolyser/Fuel cell/SNG

Sensible heat storageMolten salt/A-CAES

그림 [Ⅳ- 1] 에너지 형태에 따른 ESS 시스템들의 분류


－ 116 －

4 ESS 표준화의 파급 효과

□ 기술적 측면

◦ IT기술과 원활하게 융합하여 전력기술의 선진화 및 성장동력화 육성

가능

◦ 이차전지 적용 시스템 및 PCS/EMS 기술기준 확보로 산업경쟁력 제

고

- 해외업체와 경쟁 가능한 핵심 인프라 확보

- 대용량 전력저장 시스템의 전력계통 연계 및 운전기술 확보

- MW급 전력저장 시스템용 PCS 부품 및 구성의 표준화 및 규격화

◦ MW급 전력저장시스템의 국내에의 본격 도입을 앞두고 자체 운영기술

기준 조기 확보

○ ESS 실 계통 연계 성능 검증을 통한 신뢰성 확보

○ 저탄소 녹색성장 기술의 효율적 전력망과 연계 운영 가능

Ⅳ. 표 준

－ 117 －

양수발전 전 지 SMES 플라이휠 축 열 압축공기

저장

특성

규모

[MWh]

100～

5,0000.1～100 1～10,000 1～10

0.1～~1,00

0

수100～1,0

00

저장시의

에너지

형태

위치

에너지

화학

에너지

자기

에너지

운동

에너지열에너지

압력

에너지

에너지밀도

[kWh/m³]0～3

40～200

정도3 정도 수 10

수10~수10

0(열로서)5정도

저장효율 70[%] 65～80[%] 80～90[%] 60～70[%] 60～80[%] 70～80[%]

최대

저장시간

일∙주

단위

분~일

단위

일∙주

단위

분∙시

단위

시간∙일

단위일 단위

운전

특성

운전

시스템용이 용이

입∙출력

장치가

약간

복잡함

지하암반

등 견고한

수납용기

가 필요.

입∙출력

장치,

보조기기

시스템이

복잡함

열교환기,

보조기기

가 복잡함

지하공동

등

내압용기

가

필요하고

화력발전

에서의

운전이

필요함기동∙정지

시간수분 순시 순시 순시 수분 20~30분

신뢰성(운

전실적)

많은

실적

있음

실적있음,

신형전지

개발 중

기술개발일부에서

실적 있음

빙축열은

실적 있음

해외에서

실적 있음

수명 40년이상 5～10년30년

정도(전망)20년 정도

10～20년

정도20년 이상

안전

입지

환경

보전성

자연환경

과의

조화가

필요함

자기

대책이

필요함

진동 소음

대책이

필요함

안전성오물질

누설방지

쿠엔치

대책이

필요함

회전 이상

대책이

필요함

증기,

용융점

등의

누설대책

이 필요

압축공기

의

누설대책

이 필요함

입지 한정됨 제약 없음 한정됨제약은

적은 편임한정됨

표 [Ⅳ-2] 전력저장 기술의 비교(수치는 개략적인 값)


－ 118 －

□ 경제적․산업적 측면

◦ 전력망의 신재생에너지의 안정적 공급확대에 따른 내수 및 수출시장

활성화 전망

- 에너지저장 시스템은 2020년 국내 4조원, 세계 47조원, 2030년 세계 120조

원 규모의 시장이 예상되며, 수출은 2030년까지 64조원 전망

◦ 현재, 제조기술이 우수한 리튬이온전지, 수퍼 커패시터, 플라이휠을 중

심으로 World Best Product 창출시, 2020년 이후 세계시장 점유율

30% 이상 기대

◦ 2010년도 에너지자원기술개발사업 예산의 4%대인 88억원의 ESS R&D

투자 예산을 약 10%인 연 200억원 이상 증액 지원시, R&D 및 통합실

증과 시범사업 투자를 통한 에너지연관산업 성장 전망

◦ 전력저장시스템 개발로 IT 기술의 전력산업으로 적용이 확대

- 기존 IT 기업의 신규 인력수요가 발생

- 새로운 비즈니스를 사업영역으로 하는 전력 벤처기업의 육성 가능

◦ 탄소 배출량의 획기적 저감에 기여 가능

◦ 국내 실적과 경험을 바탕으로 해외 수출시장 개척이 가능

◦ 안정적 에너지 공급 실현

- 경부하시 전력 저장, 최대 부하시 전력 사용 → 전력피크 감소, 설비투자

절감

- 신재생에너지의 출력 안정화 → 신재생에너지 확산, 전력망 안정화

- 스마트그리드의 핵심 기술 → 전력저장을 통해 실시간 전력 거래 가능

Ⅳ. 표 준

－ 119 －

□ 사회정책적 측면

◦ 대용량 ESS, PCS 및 EMS 제작사, 신재생발전 운영사업자 관련 기술

표준 제공

- 제작사에게 새로운 시장 제공, 매출신장 및 고용창출 효과 예상

◦ 녹색성장의 핵심동력으로 신재생에너지의 보급을 활성화에 기여

◦ 대용량 ESS의 성능평가 등 국내 표준 제정의 기초자료

◦ ESS 분야에서 국제 표준(ISO, IEC 등) 제안 및 선도

◦ 전력분야의 신사업 개척 및 활성화에 따른 신규고용 창출 가능

◦ 에너지저장 시스템 시장의 활성화로 전문인력 양성 및 신규 창업 활성

화

Ⅴ 결론

Ⅴ. 결론

－ 123 －

Ⅴ. 결론

◦ ESS기술은 시장 형성 단계이며 선진국 중심으로 기술개발 및 실증, 사

업화가 가속화되고 있음

◦ 전력망(Grid) 등 대규모 전력공급 안정화를 위한 에너지 저장 수요가

확대되어 대용량화되는 방향으로 기술개발이 진행될 것으로 예상

- 전력망(Grid)용 저장 수요 : ’11년 584MW → ’20년 10,783MW(약 18배 성

장)

- 50MW 이하는 LiB, NaS, RFB 등의 전지 방식이, 50MW 이상은 CAES 등

의 대형 발전 방식이 대세를 이룰 전망

◦ 용도별로 전력용량․저장시간 등의 기술적 특성이 적합한 특정 저장장

치 기술 표준화가 필요

- 국제 표준화 필요

- 국내 표준화 필요

- 국내 기술기준 작업 및 IEC 기준작업 확인 및 후속조치 필요

◦ ESS의 운영 방식에 따른 표준화 제정 효과

- ESS의 운영방식은 크게 부하평준화(Load leveling)와 계통 보조 서비스

(Ancillary service), 전력 품질 보상(Power quality compensator) 및 비상

전원(Emergency power source) 동작 그리고 신재생 에너지 출력 제어로

나눔


－ 124 －

운영방식 표준화 제정 효과

부하평준화

(Load leveling)

전력저장장치 건설 실패 비용 저감

송․변전 설계 실패 손실 저감

설비 투자 설계에 기여

계통 보조 서비스

(Ancillary service)

송전 혼잡 완화

예비력(Spinning reserve) 안정화 계획에 기여

주파수 안정화

전력 품질 보상 및 비상전원

(UPS, EPS)수용가 전력 품질 및 신뢰도 개선

신재생에너지

출력제어전력계통 연계 안정성 증대

표 [Ⅴ- 1] 전력저장장치 설치 및 표준화 제정 효과

그림 [Ⅴ- 1] 부하평준화 운영 예시

◦ 실증시험을 통한 기술의 확인 및 신뢰도 향상이 필요

◦ 기술기준 성능시험을 통한 현장 적용을 위한 신뢰도 확인(Test Bed 구

Ⅴ. 결론

－ 125 －

축 등이 시급)

◦ 보급활성화를 위한 정부 지원제도 및 지원방안 등 마련해야 함

◦ 현장적용을 위한 관련법 필요(전기사업법 및 시행령 등 개정이 필요)

◦ 산학연 연계포럼이나 기술교류회 등을 통한 기술력향상으로 국제 경쟁

력 제고가 필요


－ 126 －

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주 의※

1. 이 보고서는 지식경제부에서 시행한 전력산업인프라구축지원사업의

진도보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표하는 때에는 반드시 지식경제부에서 시행한

인프라사업의 결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는

공개하여서는 아니됩니다.

[sg협회]_(ess)_sg_기술동향보고서_2001209_최종

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