에너지 저장이란 무엇인가요?

에너지를 저장할 수 있는 능력은 깨끗한 에너지와 재생 에너지를 전력망과 실제 일상 생활에 통합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 배터리를 통한 전기 저장은 전기 자동차에 전력을 공급하고, 대규모 에너지 저장 시스템은 재생 에너지 자원이 에너지를 생산하지 않는 기간 동안 유틸리티가 전력 수요를 충족하도록 지원합니다.

에너지 저장을 통해 실현된 재생 에너지의 확대는 화석 연료 기반 에너지 생산과 환경 영향을 일부 대체하고 줄일 수 있습니다. 이는 국가가 순 배출량 제로 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.

전기를 저장하도록 설계된 가장 유명한 발명품 중 하나인 배터리의 역사는 1800년으로 거슬러 올라갑니다. 이탈리아의 물리학자 Alessandro Volta는 니켈 디스크, 아연 디스크, 소금물에 적신 패드를 쌓아 전류를 전달하는 데 사용했습니다. 약 60년 후 프랑스의 물리학자 Gaston Planté는 납과 황산을 사용하는 충전식 배터리, 즉 납축전지를 발명했습니다. 

그러다가 19세기 초에 미국 발명가 Thomas Edison이 니켈과 철을 사용하는 다른 유형의 충전식 배터리를 만들었습니다. 캐나다의 화학 공학자 Lewis Urry는 Edison의 아연 사용을 연구한 후 1957년 현대 알카라인 배터리의 프로토타입을 개발했습니다.

오랫동안 사용되어 온 두 가지 다른 형태의 에너지 저장은 양수 수력 저장과 열 에너지 저장입니다. 수력 에너지 저장의 일종인 양수 발전은 1890년 초 이탈리아와 스위스에서 사용되기 시작하여 전 세계로 확산되었습니다.

열 에너지 저장(TES)은 19세기 초의 식품 보관용 아이스 박스에 사용되었습니다. 현대식 TES 시스템은 20세기 초반부터 건물의 냉난방을 지원해 왔습니다.

에너지 저장 시스템의 발전 용량은 두 가지 방법으로 측정할 수 있습니다.

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2. 전력 용량 또는 지속적으로 생성되는 최대 전기량은 킬로와트(kW), 메가와트(MW) 및 기가와트(GW)와 같은 와트로 측정됩니다.
   
   
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4. 에너지 용량 또는 저장된 총 에너지량은 킬로와트시(kWh), 메가와트시(MWh) 및 기가와트시(GWh)와 같은 와트시로 측정됩니다.

전기 에너지 저장 시스템(ESS)은 일반적으로 전력망을 지원합니다. 에너지 저장 시스템의 종류는 다음과 같습니다.

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• 양수 수력 저장
• 배터리 에너지 저장 시스템
• 플라이휠
• 압축 공기 에너지 저장
• 열 에너지 저장
• 수소 저장
• 슈퍼커패시터

양수 저장 수력 발전이라고도 하는 양수 수력 저장은 고도가 다른 두 개의 저수지로 구성된 거대한 배터리로 비유할 수 있습니다. 이른바 배터리는 전력을 사용하여 낮은 저수지에서 높은 저수지로 물을 펌핑할 때 '충전'됩니다.

에너지 저장 시스템은 중력에 의해 끌어당겨진 물이 다시 낮은 고도의 저수지로 방출되고 그 과정에서 터빈을 통과할 때 전력을 '방전'합니다. 터빈을 통과하는 물의 움직임은 전력망 시스템에 공급되는 전력을 생산합니다.

국제 에너지 기구에 따르면 양수 수력 저장은 전 세계에서 가장 많이 배치된 에너지 저장 기술로, 2020년 전 세계 에너지 저장의 90%를 차지했다고 합니다.¹ 2023년 5월 현재 중국은 50기가와트(GW)의 양수 수력 운영 용량으로 세계 선두를 달리고 있으며, 이는 전 세계 용량의 30%를 차지합니다.²

배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 전기를 화학 에너지로 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있는 전기화학 저장 시스템입니다. 일반적인 유형으로는 납축 배터리와 리튬 이온 배터리가 있고, 최신 기술로는 솔리드 스테이트 배터리 또는 플로우 배터리가 있습니다.

리튬 이온 배터리는 현재 그리드 규모의 배터리 저장 시장을 지배하고 있습니다. 2023년 현재 세계에서 가장 큰 리튬 이온 배터리 저장 시설은 캘리포니아 몬테레이 카운티에 있으며 용량은 550메가와트입니다.³ 리튬 이온 배터리는 전기 자동차에도 사용됩니다.

전 세계 국가들이 그리드 규모의 배터리 저장 솔루션에 더 많이 투자함에 따라 배터리 저장 솔루션은 향후 몇 년 이내에 시장 점유율 부문에서 양수 수력 저장 솔루션을 따라잡을 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 미국에서는 2024년에 설치된 배터리 용량이 두 배로 증가할 것으로 예상되며, 대부분의 신규 BESS 설비는 텍사스와 캘리포니아에 있습니다.⁴

전 세계 BESS 투자의 대부분은 대규모 선진국에서 이루어지지만, 개발도상 국가들은 세계은행의 에너지 저장 파트너십과 같은 프로그램을 통해 배터리 저장 설비에 대한 지원을 받고 있습니다.

플라이휠은 회전하는 바퀴가 운동 에너지를 저장하는 기계적 에너지 저장 장치입니다. 전기는 휠을 고속으로 회전시켜 휠을 '충전'하는 데 사용되며, 휠이 일정한 속도로 회전하면 그 에너지가 저장됩니다.

플라이휠 에너지 저장 시스템(FESS)은 효율적인 에너지 기술로 간주되지만 다른 저장 방법보다 짧은 시간 동안 전기를 방전할 수 있습니다. 현재 북미 지역이 전 세계 플라이휠 시장을 지배하고 있지만(뉴욕, 펜실베니아, 온타리오에서 대형 플라이휠 에너지 저장 시스템을 볼 수 있음), 유럽에서도 수요가 증가하고 있습니다.⁵

이 에너지 기술은 전기를 사용하여 공기를 압축하고 지하, 종종 동굴에 저장하는 방식으로 작동합니다. 전기를 생산하기 위해 공기가 방출되어 발전기와 연결된 터빈을 통과합니다. 소수의 압축 공기 에너지 저장(CAES) 플랜트가 중국, 캐나다, 독일, 미국을 포함한 전 세계 곳곳에서 운영되고 있습니다.

열 에너지 저장(TES)은 집광형 태양광 발전(CSP) 시스템을 사용하는 태양열 발전소에서 찾을 수 있습니다. 이러한 시스템은 집중된 햇빛을 사용하여 물이나 용융염과 같은 유체를 가열합니다. 유체에서 나오는 증기는 즉시 전기를 생산하는 데 사용할 수 있지만, 나중에 사용하기 위해 탱크에 저장할 수도 있습니다.

물의 전기 분해를 통한 저장을 위해 전기는 수소로 변환될 수 있으며, 전기를 사용하여 물 분자를 수소와 산소로 분리할 수 있습니다. 수소가 발전 및 운송의 연료로 사용될 때 에너지가 방출됩니다. 수소 저장은 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지의 핵심 기술로 간주됩니다.

슈퍼커패시터는 전해질 용액으로 채워진 전극(전기 전도체)에 전하를 모아 에너지를 저장하는 전기화학 장치입니다. 전기를 빠르게 방전할 수 있고 수명 주기가 깁니다. 때때로 리튬 이온 배터리의 잠재적인 대체품으로 간주되지만, 에너지 밀도가 낮습니다.⁶

에너지 저장 시스템의 이점은 변동하는 에너지 공급을 보상할 수 있는 기능 덕분에 전력망으로 확장됩니다. ESS는 사용 가능할 때 잉여 전기를 보유할 수 있으며, 종종 밤과 아침 같이 전력 소비가 적은 기간 동안 사용할 수 있습니다. 따라서 ESS는 1차 에너지원이 충분히 공급되지 않는 시간, 특히 늦은 오후와 저녁과 같이 에너지 사용량이 가장 많은 시간에 전기 공급에 기여할 수 있습니다.

또한 전력망 고객이 소유한 ESS 시스템은 전력망 정전 시 비상 백업 전력을 제공하고 마이크로그리드에 통합될 수 있습니다. 

ESS가 전력망에 제공하는 유연성을 이용하면 재생 가능한 친환경 에너지(유틸리티 규모의 설비와 소규모 분산 에너지 자원)를 이전에는 화석 연료에 의존했던 전력 시스템에 통합할 수 있습니다. 재생 에너지 저장 프로젝트는 재생 에너지원이 전기를 생산하지 않는 시간대에 에너지를 제공함으로써 전력 흐름을 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 밤 시간대에 태양광 전지를 사용하는 태양 에너지 설비에 전력을 공급하거나 바람이 약해 풍력 터빈이 회전하지 않는 낮 시간대에 전력을 공급할 수 있습니다.

반대로, 재생 에너지원이 잉여 전력을 생산하는 경우(예: 맑은 오후에 태양광 발전을 하거나 바람이 부는 날에 풍력 발전을 하는 경우)에도 ESS가 유용합니다. 에너지 저장 솔루션은 잉여 전기가 낭비되지 않도록 합니다.

에너지 저장 장치가 전력망에 제공하는 지원은 여러 국가가 청정 에너지로 전환하고 순 배출량 제로의 미래를 달성하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 국가가 재생 에너지 사용을 늘리면 화석 연료에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이러한 변화는 온실가스 배출을 크게 억제하고 에너지 소비 및 생산에서 지속가능성을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

ESS가 전기를 공급할 수 있는 시간은 에너지 저장 프로젝트 및 유형에 따라 다릅니다. 지속 시간이 짧은 에너지 저장 시스템은 몇 분 동안만 에너지를 공급하는 반면 주간 에너지 저장 시스템은 몇 시간 동안 에너지를 공급합니다. 양수 수력, 압축 공기 및 일부 배터리 에너지 저장 시스템은 주간 저장을 제공하는 반면, 다른 배터리 시스템과 플라이휠은 단기간 저장을 지원합니다.

높은 에너지 비용과 짧은 저장 기간은 일부 에너지 저장 시스템을 채택하는 데 장애물이 될 수 있지만, 연구원들은 이러한 장애물을 극복하기 위해 노력하고 있습니다. 에너지 기술의 혁신 덕분에 저렴한 전기 에너지 저장 시스템을 통해 10시간 이상 전력을 공급할 수 있게 되었습니다. 또한 더 많은 재생 에너지원을 이용할 수 있게 되면서 전력 공급이 더욱 안정화될 수 있습니다.

이러한 장기 에너지 저장(LDES)의 개발은 또한 정책 입안자들의 지원을 받고 있으며, 스페인, 영국 및 미국과 같은 국가에서는 LDES 프로젝트를 장려하기 위한 계획을 개발하고 있습니다.