ESS 구성·저장기술

왜 배우는가: ESS(에너지저장장치)는 발전과 소비를 맞춰야 하는 전력계통의 특성을 보완하는 핵심 설비로, 재생에너지 확대와 함께 실무에서 설계·운용 판단의 기준이 된다. 기술사 시험에서도 저장 방식의 분류와 원리를 여러 교시에 걸쳐 반복해서 묻는 단골 주제다. 따라서 저장 기술의 큰 틀과 용어를 먼저 정확히 잡아 두는 것이 필요하다.

출제 이력: 제137회 2교시 1번, 제132회 3교시 2번, 제125회 4교시 1번, 제123회 2교시 4번, 제119회 3교시 3번, 제114회 2교시 4번, 제101회 4교시 6번, 제90회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

전기에너지를 다른 형태의 에너지로 바꾸어 저장했다가 필요할 때 다시 전기에너지로 방출하는 설비를 전기에너지 저장장치(ESS)라 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전기에너지 저장장치(ESS)
• 역학적 저장
• 열적 저장
• 전자기적 저장
• 화학적 저장
• 충방전 효율
• 부하평준화
• 첨두부하 저감

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 ESS는 전기를 "담아 두는 그릇"이다. 전기는 생산과 소비가 동시에 일어나야 하므로 그대로 쌓아 둘 수 없다. 그래서 전기를 위치에너지, 운동에너지, 열, 자기장, 화학에너지 같은 다른 형태로 바꿔 두었다가 필요할 때 다시 전기로 꺼낸다.

정식으로는 에너지 저장(Energy Storage)을 발전 잉여 에너지나 저부하 시간대의 전력을 다른 형태로 변환하여 보관하고, 수요가 높을 때 방출하는 기술로 정의한다. 저장 방식의 선택은 안전성, 에너지 수송 및 방출의 용이성에 따라 결정된다.

저장 기술을 이해할 때는 저장 형태와 변환 방식을 함께 보아야 한다. 저장 형태는 에너지가 어떤 모습으로 머무는지를 뜻하고, 변환 방식은 전기에서 그 형태로 바뀌는 과정을 뜻한다. 예를 들어 양수발전은 전기를 물의 위치에너지로 바꾸고, 플라이휠은 전기를 회전체의 운동에너지로 바꾼다.

ESS의 기능은 다음과 같이 정리된다.

• 주파수 조정(Frequency Regulation): 계통 주파수 변동을 빠르게 보상한다.
• 신재생발전 출력 안정화: 태양광·풍력의 출력 변동을 완화한다.
• 첨두부하 저감(Peak Shaving): 최대 수요 시간대의 전력 공급을 줄인다.
• 부하평준화(Load Leveling): 심야 잉여전력을 저장해 주간 부하에 공급한다.
• 비상전원: 정전 시 중요 부하에 전력을 공급한다.

이 중 부하평준화는 저장 기술의 가장 기본 목적이다. 전력 수요의 최대와 최소 차이를 줄이면 발전설비 투자비를 낮추고 설비 이용률을 높일 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력은 저장이 어렵고 공급과 소비가 동시에 일어나는 특성을 가진다. 그래서 발전설비는 최대 수요전력 이상을 갖추어야 한다. 이로 인해 설비 투자비가 많이 들고, 평상시에는 설비 이용률이 떨어진다.

최근에는 이 문제가 더 커졌다. 원자력 발전의 비중이 늘고 단기간에 대용량으로 건설되는 전원 설비의 특성이 강해졌다. 또 첨두 시간과 경부하 시간의 전력 격차도 계속 벌어지고 있다. 이 격차를 줄이는 수단으로 저장 기술이 주목받고 있다.

재생에너지 확대는 저장의 필요성을 한층 높였다. 태양광과 풍력은 출력이 날씨에 따라 빠르고 빈번하게 변한다. 이 변동을 흡수하려면 빠른 응답 특성을 가진 저장장치가 필요하다. 반대로 출력을 일정하게 맞추는 용량 고정화에는 수 시간 이상 방전할 수 있는 저장장치가 필요하다.