스마트해지는 배터리: 스마트 그리드에서 에너지 저장 솔루션의 활용

(출처: VectorMine / stock.adobe.com)

전 세계 주택 소유주들은 환경적 영향을 줄이고 에너지 안보를 확보하기 위해 재생 에너지원과 지역 발전 방식을 적극 도입하고 있다. 한편, 스마트 그리드에 전력을 공급하는 동일한 기술이 기존 전력망에 대한 새로운 대안을 제시하고 있다. 전력 관리의 새로운 시대가 도래한 가운데, 이 글에서는 스마트 그리드 기술의 작동 원리를 설명하고 사용자에게 중요한 혜택을 제공할 수 있는 몇 가지 적용 사례에 대해 살펴본다.

분산형 발전

스마트 그리드는 우리가 전기를 생산하고 공급하는 방식을 변화시키고 있다. 새로운 에너지 생산 방식은 지역 발전이 기존 전력망에 대한 실용적인 대안이 될 수 있도록 만들어 주었다. 사용자는 대규모 발전소에 의존하는 대신, 이제 훨씬 작은 규모로 효율적으로 전력을 생산할 수 있다. 이러한 소규모 발전소는 분산형 에너지 자원(DER)으로 알려져 있으며, 마이크로발전이라는 과정을 통해 태양광, 풍력 또는 바이오매스 기술을 활용할 수 있다.
 
이 새로운 패러다임에서 소비자는 기존 전력망에 계속 연결되지만 능동적인 참여자로 변모한다. 수요가 지역 발전량을 초과할 경우 소비자는 필요를 충족시키기 위해 전력망에서 전력을 끌어온다. 수요가 감소할 때는 소비자가 생산한 잉여 에너지를 전력망에 되팔아 전체 비용을 절감한다.

에너지 저장 솔루션

이 같은 발전의 일환으로 소비자들은 자택에 대용량 배터리를 설치하여 생산한 에너지를 저장해 두었다가 나중에 사용한다. 이러한 에너지 저장 솔루션(ESS)은 안전하고 효율적인 운영을 보장하기 위해 정교한 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요하다. ESS가 스마트 그리드에 연결되면 데이터는 그리드가 배터리 활용 방식을 제어할 수 있도록 하는 핵심 연결 고리 역할을 할 것이다.

소규모 발전은 개별 사용자에 대한 투자로, 더 넓은 전력망에 에너지를 공급하여 전체 비용을 절감하기 위함이다. 그러나 전력망을 관리하는 전력회사는 통제권을 유지해야 한다. 예를 들어, 수요가 낮은 시간대에 사용자에게 에너지 공급을 요청할 필요가 없다. 여기서 전력망 관리에 데이터가 얼마나 중요한지 알 수 있다. 전력망과 사용자 간의 데이터 링크는 전력망이 얼마나 많은 에너지를 사용할지, 그리고 사용할 경우 얼마나 사용할지 제어한다. 안전 문제도 고려해야 한다. 물리적 인프라에 대한 작업이 수행되는 경우 전력을 송전하는 것은 위험하다. 따라서 전력망은 에너지 흐름을 제어하며, 이 과정에서 안정적인 데이터 공유가 다시 한번 중요해진다.

가상 발전소

점점 더 많은 에너지 사용자가 에너지 공급자가 되어 현지에서 에너지를 생산하고 전력망에서 사용할 수 있도록 에너지 저장 장치(ESS)에 저장함에 따라, 가상 발전소(VPP)라는 개념이 매력적인 옵션으로 다가온다. VPP는 중앙 제어 시스템에 의해 제어되는 단일 발전소에 연결된 여러 개의 독립적인 재생 에너지 발전기로 구성된다. 재생에너지원이 물리적으로 분리되어 독립적인 소유주들이 운영하며 생산량을 통합한다는 점에서 가상 발전소라 불린다.

현재 유럽에서 운영 중인 최대 규모의 가상 전력 생산 시스템(VPP) 중 하나는 약 1,400개의 독립 전력 생산자의 전기 출력을 연결하여 총 10,000MW 이상의 용량을 제공한다.(1)  모든 시스템은 원격으로 제어되며 스마트 그리드에 통합된다. 중앙 제어를 통해 전력 회사는 필요에 따라 사용할 수 있는 대용량의 안정적인 에너지원을 확보할 수 있다. 발전 사업자에게 VPP는 규모의 경제를 제공하여 사용자가 그리드와 공동으로 통신할 수 있도록 하여 수익을 극대화하고 소비자에게 에너지 가격을 낮게 유지할 수 있도록 한다.

의료 분야를 위한 복원력

안정적인 에너지원이 안전에 필수적인 분야도 있다. 병원에는 정전 발생 시 전력 공급의 연속성을 보장하기 위해 오랫동안 예비 전원 공급 장치가 설치되어 왔다. 이러한 예비 전원 공급 장치는 일반적으로 화석 연료로 구동되는 일반 발전기다. 그러나 대형 발전기는 시동하는 데 최대 2분이 걸릴 수 있다. 외과의에게 이 시간은 복잡한 수술에서 가장 중요한 순간이 될 수 있다.

안정적인 전력 공급은 수술실 뿐만 아니라 지속적인 치료에도 필수적이다. 미국에서만 250만 명이 넘는 환자가 필수 의료 장비에 의존하고 있으며,(2) 이는 전 세계적으로 반복되는 상황이다. 이러한 수요에 대응하여 ESS는 복원력과 신속한 대응력을 제공한다. 배터리 관리 시스템은 전력 수요를 지속적으로 모니터링하고 단 몇 분의 1초 만에 전력을 공급할 준비가 되어 있어 정전 발생 시에도 깨끗하고 안정적인 에너지 공급을 보장한다. 스마트 그리드로 제어되는 ESS의 즉각적인 대응은 전력 공급 복원력이 매우 중요한 상황에서 큰 역할을 한다.

이동형 에너지 저장 장치로서의 전기 자동차

스마트 그리드는 전기차 형태의 이동식 에너지 --저장 장치도 포함한다. 리튬 이온 배터리, 정전식 ESS와 동일한 기술로 구동되는 전기차는 이제 도로에서 흔히 볼 수 있게 되었다. 새로운 전력원에도 불구하고, 개인 차량은 주차장이나 집 밖에서 많은 시간을 정차 상태로 보내는 등 기존 자동차와 동일한 사용 패턴을 공유한다. 벽면 충전소에 연결된 이러한 이동식 배터리는 전력망의 일부가 되는데, 이를 V2G(vehicle-to-grid)라고 한다.

ESS 장치는 스마트 그리드로 제어되는 에너지를 관리하는 데 있어 역동적인 역할을 수행하며, 수요가 높은 시기에 잠재적인 에너지원으로 활용된다. 이러한 활용 사례는 미국 내 차량에만 국한되지 않는다. 많은 기관들이 하루 중 상당 시간 동안 정전 상태를 유지하는 전기 에너지로 차량을 전환하고 있다. 전 세계의 많은 학교들은 학생들의 통학 버스를 운영하지만, 실질적인 이용 시간은 하루 몇 시간으로 제한된다. 나머지 시간 동안에는 학교 주차장에 정차해 있다.

이 차량에 전력을 공급하는 배터리는 학교 수업 시간 동안 에너지원으로 활용될 수 있고 스마트 그리드의 잠재적 자원으로도 활용될 수 있는 상당한 규모의 가상 전력 공급원(VPP)을 구성한다. 캘리포니아주 오클랜드는 최근 미국 최초의 전기 스쿨 버스를 도입했다.(3)  이제 오클랜드의 74대의 차량은 오염을 줄이고 더 건강한 학습 환경을 조성할 것이다. 이 버스들은 미운행 시 VPP의 저장 용량을 제공하여 베이 에어리어(Bay Area) 전력망에 2.1기가와트시(GWh)의 전기를 공급할 예정이며, 이는 수백 가구에 공급하기에 충분한 에너지다.

맺음말

에너지 저장 시스템은 미래 전력망의 필수 요소로 자리매김하여 언제든 필요한 에너지를 공급하는데 있어 큰 역할을 수행한다. 스마트 그리드는 고속 데이터 연결과 최신 발전, 저장 기술을 결합하여 현대의 전력 수요 문제를 해결하고 회복력 있고 지속 가능한 에너지 미래를 만들어갈 것이다.

(1)Virtual Power Plants: What are they and what are their advantages for renewable technology?, March 13, 2020. https://actionrenewables.co.uk/news/virtual-power-plants-what-are-they-and-what-are-their-advantages-for-renewable-technology/#:~:text=The%20biggest%20VPP%20currently%20running,capacity%20of%20over%2010%2C000MW. 

(2)“Why Energy Storage is Vital for Healthcare,” Power Sonic, https://www.power-sonic.com/blog/batteries/why-energy-storage-is-vital-for-healthcare/.