게시일: 2024년 5월 6일
기고자: Alice Gomstyn, Alexandra Jonker
에너지 저장은 나중에 사용하기 위해 에너지를 확보하고 보유하는 것입니다. 전력 생산을 위한 에너지 저장 솔루션에는 펌프 수력 저장, 배터리, 플라이휠, 압축 공기 에너지 저장, 수소 저장 및 열 에너지 저장 구성 요소가 포함됩니다.
에너지를 저장하는 능력은 에너지 생산 및 소비가 환경에 미치는 영향(예: 온실가스 배출)을 줄이고 깨끗하고 재생 가능한 에너지의 확대를 촉진할 수 있습니다.
예를 들어, 전기 저장은 전기 자동차 작동에 매우 중요하며 열 에너지 저장은 조직이 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 대규모 에너지 저장 시스템은 재생 에너지 자원이 에너지를 생산하지 않는 기간 동안 유틸리티가 전력 수요를 충족하는 데 도움이 됩니다.
전기를 저장하기 위해 고안된 가장 유명한 발명품 중 하나인 배터리의 탄생은 1800년으로 거슬러 올라갑니다. 이탈리아의 물리학자 Andrew 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 초에 식품 보존을 위해 설계된 아이스 박스에 사용되었습니다. 현대식 TES 시스템은 20세기 초반부터 건물의 냉난방을 지원해 왔습니다.
에너지 저장 시스템의 발전 용량은 두 가지 방법으로 측정할 수 있습니다. 전력 용량 또는 지속적으로 생성되는 최대 전기량은 킬로와트(kW), 메가와트(MW) 및 기가와트(GW)와 같은 와트로 측정됩니다. 에너지 용량 또는 저장된 총 에너지량은 킬로와트시(kWh), 메가와트시(MWh) 및 기가와트시(GWh)와 같은 와트시로 측정됩니다.
전기 에너지 저장(EES) 시스템은 일반적으로 전력망을 지원합니다. 전력 생산을 위한 에너지 저장 시스템에는 다음이 포함됩니다.
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
소비자는 종종 배터리를 장치에 전력을 공급하는 작은 실린더로 생각하지만, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)으로 알려진 대규모 배터리 저장 설비는 전력 용량 면에서 일부 양수 발전 저장 시설과 경쟁할 수 있습니다. 이러한 전기화학 저장 시스템은 구성이 다양하며 납산, 산화 환원 흐름, 용융염 및 리튬 이온 배터리를 포함할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리는 현재 유틸리티 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.
플라이휠은 운동 에너지를 저장하는 회전하는 휠입니다. 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.4
이 에너지 기술은 전기를 사용하여 공기를 압축하고 지하, 종종 동굴에 저장하는 방식으로 작동합니다. 전기를 생산하기 위해 공기가 방출되어 발전기와 연결된 터빈을 통과합니다. 중국, 캐나다, 독일, 미국 등 전 세계적으로 소수의 CAES 공장이 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.
슈퍼커패시터는 전해질 용액으로 채워진 전극(전기 전도체)에 전하를 모아 에너지를 저장하는 전기화학 장치입니다. 전기를 빠르게 방전할 수 있고 수명 주기가 깁니다.
미국 에너지부는 슈퍼커패시터가 낮은 에너지 밀도, 높은 비용, 이점에 대한 인식 부족으로 인해 전력 시스템에서 충분히 활용되지 못하고 있다고 보고 있습니다.5 슈퍼커패시터 기술의 지속적인 혁신을 통해 단점을 일부 줄이고 채택을 늘릴 수 있습니다.
태양열 발전소에서 사용되는 열 에너지 저장 방법은 열을 액체 또는 고체 물질에 저장하는 현열 저장으로 알려져 있습니다. TES의 다른 두 가지 유형은 잠열 저장과 열화학 저장입니다. 잠열 저장은 고체에서 액체로의 전환과 같은 물질의 상 변화 중에 열이 전달됩니다. 열화학 저장은 화학 공정을 사용하여 열을 흡수하고 나중에 열을 방출하는 방식입니다.
열 에너지 저장은 태양열 발전소에서 사용되는 것 외에도 일반적으로 건물의 냉난방과 온수 공급에 사용됩니다. 천연 가스 및 화석 연료에서 공급되는 전기 대신 열 에너지 저장 장치를 사용하여 난방 및 공조 시스템에 전력을 공급하면 건물을 탈탄소화하고 에너지 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.
전력망용 에너지 저장 시스템의 이점에는 변동하는 에너지 공급을 보상할 수 있는 기능이 포함됩니다. EES 시스템은 사용 가능할 때 초과 전기를 보유할 수 있으며, 특히 최대 수요 기간 동안 1차 에너지원이 충분히 기여하지 않는 시간에 전기 공급에 기여할 수 있습니다.
또한 전력망 고객이 소유한 EES 시스템은 전력망 정전 시 비상 백업 전력을 제공하고 마이크로그리드에 통합될 수 있습니다. 에너지 저장 장치가 전력망에 제공하는 지원은 전 세계가 친환경 에너지로 전환하고 순 배출량 제로의 미래를 달성하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
에너지 저장 프로젝트는 재생 가능한 에너지원이 전기를 생산하지 않는 시간(예: 태양광 전지가 있는 태양 에너지 설비의 경우 또는 풍력 터빈이 회전하지 않는 평온한 날)에 에너지를 공급하여 전력 흐름을 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
EES가 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.
연구원들은 전기 에너지 저장 시스템이 10시간 이상 전력을 공급할 수 있도록 에너지 기술을 개선하기 위해 노력하고 있으며, 이는 더 많은 재생 가능 에너지원이 온라인화됨에 따라 전력 공급을 더욱 안정화할 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.
악천후와 기후 변화가 비즈니스 관행에 미치는 경제적 영향을 관리하여 지속가능성 이니셔티브를 실행하세요.
에너지 및 유틸리티를 위한 포괄적인 운영 제품군 및 HSE 애플리케이션을 통해 자산 관리 전략을 개선하고 성능을 최적화할 수 있습니다.
업계 규정 및 표준의 개념을 비즈니스 데이터와 정렬시켜 규정 준수를 가속화하세요.
재생 에너지는 천연 자원에서 생성되는 에너지로, 사용량보다 빠르게 보충됩니다.
마이크로그리드는 대학 캠퍼스, 병원 단지, 군사 기지 또는 지리적 지역과 같은 지역화된 지역에서 전기를 생산하기 위해 독립적으로 작동하는 소규모 전력망입니다.
스마트 그리드 기술은 기존 전기 시스템의 현대화를 약속합니다.
열에너지는 분자와 원자의 무작위 운동으로 생성되는 시스템 내의 에너지를 말합니다.
전 세계의 재생 에너지 발전 용량은 지난 30년 동안 그 어느 때보다 빠르게 확장되고 있습니다.
재생 에너지의 장단점을 이해하면 조직이 재생 에너지 배포를 계획하는 데 도움이 될 수 있습니다.
각주
1 '그리드 스케일 스토리지.' (ibm.com 외부 링크). 국제에너지기구(International Energy Agency), 2023년 7월 11일.
2 “중국의 새로운 펌프 저장 용량은 성장하는 풍력 및 태양광 발전을 통합하는 데 도움이 됩니다.” (ibm.com 외부 링크) 오늘날의 에너지. 미국 에너지 관리청, 2023년 8월 9일.
3 "오래된 모스 랜딩 발전소의 해체 작업이 계속되고 있습니다." (ibm.com 외부 링크) Monterrey County Now, 2023년 11월 24일.
4 "플라이휠 에너지 저장 시장". (ibm.com 외부 링크) Straits Research, 2022.
5 “기술 전략 평가: Storage Innovations 2030 Supercapacitors 2023년 7월의 결과.” (ibm.com 외부 링크) 미국 에너지부, 2023년 7월.