에너지 저장 시스템의 이해

에너지 저장 시스템의 필요성

약 1만 1000년 전, 인류는 수렵 채집 방식에서 영구적인 정착생활과 농업 방식으로 전환하면서 저장에 대해 배우기 시작했다. 사실 선택의 여지가 없었다. 왜냐하면 처음 수확한 작물의 여분을 쥐와 습기로부터 보호해야 했기 때문이다. 최초의 해결책은 흙과 나무, 그다음에는 도기로 된 곡물 창고였다. 오늘날 우리는 저장에 뛰어나다. 우리는 뭔가를 만들고 나면 반드시 그것을 저장한다. 하지만 단 하나의 예외가 있다. 산업화된 세계에서 가장 기본적인 원자재인 전력을 대량 저장할 생각을 하지 않은 것이다. 전압 저하, 정전, 비효율성에 대한 대비책이 있는가? 대규모의 에너지 저장소가 없다면, 유틸리티 기업은 높은 수요를 충족시키기 위해 가동되는 피커 발전소에 의존할 수밖에 없다. 전기 생산으로 인한 배출량을 줄이고 가변적 재생에너지원으로 전환하려는 노력에 있어 저장은 두 배로 중요하다.

 

1879년 샌프란시스코에서 유틸리티 기업이 유료 고객들에게 처음으로 전기를 공급한 이래, 실시간으로 수요를 충족할 수 있는 충분한 전력 생산은 줄곧 사업 계획의 목표였다. 전력을 생산하지 못하면 전등과 모터가 꺼졌다. 일부 국가에서는 이런 일이 여전히 발생한다. 경제가 가변적 재생에너지로 전환함에 따라 에너지 저장장치를 포함하는 전력망의 관리가 중요해졌다. 에너지는 하루, 며칠, 장기간 또는 계절 단위로 저장할 수 있다. 태양과 풍력 발전이 전력망의 총 공급량에서 극히 일부를 차지했을 때는 두 에너지의 가변성이 큰 문제가 되지 않았다. 전통적인 화력발전소에서 무리 없이 부족한 부분을 조절할 수 있었다. 그러나 재생에너지가 총 전력의 30~40퍼센트를 차지하기 시작하면서 가변성은 복잡한 문제가 되었고, 전력망은 이에 안정적, 경제적으로 대응할 수 없었다. 2016년 5월, 수 시간 동안 88퍼센트의 재생에너지만으로 전국의 전기를 충당하면서 독일은 세계 기록을 세웠다. 대부분 태양광발전으로 생산된 에너지였다. 미국의 재생에너지는 2015년 2월 어느 날 저녁 텍사스에서 기록을 세웠다. 이때 40여 곳의 풍력발전단지가 전력망 전체 발전량의 45퍼센트를 차지했다. 재생에너지를 사용하거나 수출할 수 없는 한, 최대 전력 생산은 버릴 수밖에 없는 잉여 전력을 만든다. 재래식 발전소 가동을 중단할 수는 없기에 선로 손실을 줄여가면서 수천 킬로미터에 걸쳐 에너지를 확장할 수 있는 초고압직류송전 방식을 통해 이에 대처할 수 있다. 추가로, 이런 문제를 확실하게 해결해주는 여러 에너지 저장 기술도 있다.

 

에너지 저장의 종류

유틸리티 기업은 어떻게 대량의 전기를 저장할까? 한 가지 방법은 물을 더 낮은 저수지에서 더 높은 저수지로 끌어올리는 것인데, 이상적으로는 460미터 정도 차이가 난다. 이 물은 필요에 따라 다시 낮은 저수지로 흘러 들어가 발전용 터빈으로 흐른다. 유틸리티 기업은 전력이 남아도는 밤에 물을 끌어올리고 수요와 가격이 최고조에 달할 때 다시 내려보낸다. 예를 들어 제너럴일렉트릭은 독일의 한 회사와 협력하여 바람이 없을 때 에너지를 생산했다. 이 프로젝트는 낮은 고도에 있는 저수지에서 높은 고도에 있는 저수지로 물을 퍼올릴 에너지를 생산하기 위해 4개의 풍력 터빈이 함께 작동하는 경사진 지형을 필요로 한다. 바람이 부족하거나 수요가 높을 때는 지지대로 흐르는 물이 재래식 수력발전소에 동력을 공급한다. 모두 종합해볼 때, 현재 전 세계적으로 200대의 양수 저장장치가 있으며, 이는 전 세계 저장 용량의 97퍼센트를 차지한다. 물론 지형 조건이 적합할 때 누릴 수 있는 기회다.

 

집광형 태양열발전소 역시 에너지 저장 시설의 최전선에 있다. 이곳은 용융염의 전기 생산에 필요한 열을 유지한다. 나트륨과 질산칼륨이 혼합된 염은 섭시 224도 이상의 온도에서 용해되고, 태양광 집광경이 반사하는 열을 흡수할 수 있다. 용융염은 5~10시간 동안 뜨겁게 유지되고 흡수한 에너지의 93퍼센트를 변환하다. 현재 집광형 태양열발전소의 가장 일반적인 요소인 용융염은 발전기가 일몰 후에도 수 시간 동안 작동할 수 있게 해준다.

 

충분한 규모의 배터리도 있다. 일부 유틸리티 기업은 최대 수요 전력을 충족하기 위해 리튬이온 배터리 은행을 설치했다. 2021년까지 로스앤젤레스는 천연가스 피커 발전소의 가동을 중단하고, 에너지 수요가 낮은 밤에는 풍력발전으로, 아침에는 태양발전으로 충전되는 1만 8000대의 배터리로 이를 대체할 예정이다. 그리고 수십여 곳의 스타트업 기업과 기존 기업은 손전등에서 유틸리티 배터리까지 에너지 저장에 혁명을 일으킬, 저비용, 저독성, 고안전 미래형 배터리를 만들기 위해 경쟁하고 있다.

 

에너지 저장의 효과

에너지 저장장치가 그 자체로 배기가스를 감소시키지는 않는다. 대신에 바람과 태양 에너지를 채택할 수 있다. 가변적 재생에너지 솔루션 자체 수치와 이중으로 집계되지 않도록 여기서는 탄소 영향 수치를 포함하지 않았다. 다른 형태의 전력망 유연성과 마찬가지로, 비용과 총 증가율도 직접 모델링하지 않았다.