회생에너지 저장

왜 배우는가: 회생에너지 저장은 전기철도의 에너지 절감과 전압 안정을 함께 다루는 설비이므로, 시험에서는 저장방식, 원리, 기대효과를 묻는 문항으로 반복해 나온다.

출제 이력: 제139회 4교시 2번, 제128회 1교시 3번, 제116회 4교시 6번, 제109회 2교시 3번, 제100회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

회생에너지 저장은 전동차의 제동 시 발생한 회생전력을 저장장치에 모았다가 재가속 등에 다시 쓰는 기술이다.

이 정의에서 회생전력은 제동 중 견인전동기가 발전기로 동작하여 만들어진 전력을 뜻한다. 저장장치는 그 전력을 받아 보관했다가 필요할 때 방출하는 장치이다. 저장 자체가 목적이 아니라 회생전력의 활용률을 높이고 급전 측 부담을 줄이는 것이 목적이라는 점을 함께 기억해야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 회생제동: 제동 때 견인전동기를 발전기로 사용하여 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 제동 방식이다.
• 회생전력: 회생제동으로 생성되어 급전망으로 되돌아가는 전력이다.
• 에너지저장장치(ESS): 회생전력을 저장했다가 방전하는 장치를 통틀어 이르는 말이다.
• 탑재형: 저장장치를 전동차에 실어 그 차량이 발생시킨 회생전력을 그 차량이 재사용하는 형식이다.
• 지상형: 저장장치를 변전소나 역사 등 지상에 설치하여 여러 열차가 급전망을 공유하는 형식이다.
• 슈퍼커패시터: 전기 이중층에 전하를 분리해 저장하며 순간 충·방전에 적합한 저장매체이다.
• 제동저항: 저장되지 못하고 남은 회생전력을 열로 소비하는 장치이다.

2. 개념 풀이

회생에너지 저장을 정식으로 정의하면, 전기철도에서 차량의 회생제동으로 발생한 전력을 저장장치에 충전해 두었다가 가속이나 급전 부하 증가 시 방전하여 부하 전류의 일부를 담당하게 하는 방식이다. 전동차는 제동할 때 운동에너지를 전기로 바꾸므로, 같은 급전구간에서 가속 중인 다른 열차가 없으면 그 전력은 소비되지 못하고 남는다. 이 잉여 전력을 흡수하는 것이 저장장치의 역할이다.

원리는 세 단계로 이해하면 답안에 옮기기 쉽다. 첫째, 제동 중인 열차가 만든 회생전력이 급전망으로 들어오면 변전소 가선전압이 올라간다. 둘째, 변전소 가선전압이 상한전압 이상이면 저장장치가 충전을 시작하여 잉여 회생전력을 흡수한다. 셋째, 가선전압이 방전전압 이하로 내려가 부하 전류가 커지면 저장장치가 방전하여 변전소의 공급 부담을 나눠 맡는다. 이 과정에서 저장장치는 전압을 기준으로 충전과 방전을 스스로 전환한다.

이 원리의 핵심 용어는 두 기준값이다. 상한전압은 저장장치가 회생전력을 저장하기 시작하는 가선전압의 기준이다. 방전전압은 그 이하에서 저장장치가 부하 전류의 일부를 공급하는 기준이며, 방전이 가능하려면 저장장치에 미리 충전된 에너지가 있어야 한다는 전제가 붙는다. 따라서 충전과 방전은 같은 전압 체계 안에서 함께 설계된다.

저장장치의 충전 기준을 상한전압으로 두는 이유는 설치 용량에 있다. 발생하는 모든 회생전력을 저장하면 저장장치 용량이 커져 초기 설치비가 늘어나므로, 변전소 용량 제한에 필요한 만큼만 저장하도록 상한전압을 정한다. 즉 상한전압은 전압 안정을 위한 기술 조건이면서 동시에 설비 규모와 경제성을 정하는 설계 변수이다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 기동과 제동이 잦은 부하이다. 이런 부하는 소비전력에 비해 상당히 많은 양의 회생전력을 발생시킨다. 도시철도 사례에서는 회생에너지가 전동차가 사용하는 전기에너지의 약 50% 수준에 달한다고 보도되었다. 이 에너지를 활용하지 못하면 제동저항에서 열로 소비되므로 에너지 손실을 줄일 방법이 요구되었다.

기존 방식의 문제는 회생전력을 같은 시각에 소비할 열차가 있는지에 달려 있다는 점이다. n번째 차량이 제동하는 시점에 인접한 n-1번째 또는 n+1번째 차량이 기동하거나 역행하면 회생전력을 활용할 수 있다. 그러나 인근 차량이 타행 또는 제동 운전을 하고 있으면 회생전력은 소비되지 못하고 가선전압을 상승시키며, 초퍼 저항을 통해 열로 소비된다. 이는 회생전력의 발생 시점과 소비 시점이 어긋나서 생기는 손실이다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째는 가선전압 변동 억제이다. 기동과 제동에 따라 가선전압이 크게 변하면 운전이 불안정해지므로, 저장장치로 전압 변동을 안정한 범위 안에 묶을 필요가 있다. 둘째는 에너지 재사용이다. 저장한 전력을 다음 열차의 기동에 쓰면 변전소 수전 전력이 줄어든다. 셋째는 기기 보호이다. 저장장치를 거친 전력은 품질이 안정되어 전동차 전기기기의 수명을 늘리는 부수 효과가 있다고 보고되었다.

다만 모든 회생에너지를 저장할 규모의 장치는 설치비와 유지보수비가 매우 높다. 그래서 경제성을 고려해 저장 용량과 상한전압을 정하는 연구가 필요하다. 이 점은 앞 절의 상한전압 설계와 직접 이어진다. 회생전력 저장은 에너지 재사용, 전압 안정, 설비 경제성을 함께 다루는 수단이다.