새로운 전력 네트워크 – 지속가능한 비전

2020년 1월 10일 금요일

요약

에너지 저장장치가 통합된 스마트 전력망은 화석 연료를 기반으로 한 전통적인 전기 네트워크에 지속가능한 대안을 제공하며 댄포스 솔루션이 이러한 전환을 지원합니다.

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지구 온난화. 온도 상승. 정치적 의제. 충분히 얘기했고 우리 모두 잘 알고 있습니다. 하지만 전기 엔지니어에게 있어 지구 온난화와 예상되는 삶의 질이 무슨 의미일까요? 십중팔구 가장 흥미로우면서도 어려운 기간일 것입니다. 아무도 열심히 노력해서 얻은 생활 수준을 포기하고 싶지 않으며, 사회와 산업은 이제 공급 전력망 고장을 위기로 간주해 고성능 주전원 공급에 의존하고 있습니다.

온실 가스의 주요 원인 중 하나는 그림 1에서와 같이 전통적인 전기 네트워크의 석탄 및 가스 발전소에서 발생하는 배출 가스입니다.

그림 1: 전통적인 전국 단위 시스템을 보여주는 전기 네트워크의 일반적인 레이아웃

후쿠시마 사태 이후 사회는 CO2를 배출하지 않는 기술임에도 불구하고 핵발전에 더욱 주의 깊게 접근하고 있습니다. 에너지 부문은 변화할 것이며 이를 통해 엔지니어 수 천명의 근무 시간에 영향을 줄 것입니다. 우리는 새로운 자원을 확보하고, 에너지를 저장하기 시작하며, 우리가 사는 지역에 에너지를 공급할 것입니다. 이러한 노력에 이바지하면 좋은 모습으로 세상을 떠날 수 있을 것입니다. 바로 우리의 자녀들과 후손들에게 지속가능한 미래를 창조해주고 말입니다.

에너지 저장장치가 재생 가능 에너지를 보완하다

다행히도 이러한 일이 벌써 일어나고 있습니다. 예를 들어, 인도의 한 지역에 현재 12.3 GW 규모의 재생 가능 에너지 설비가 설치되었으며 덴마크의 경우에는 7.8 GW, 네덜란드의 경우에는 7.7 GW가 각각 설치되었습니다 [1]. 지구 온난화 지수가 매년 8-9% 상승하는 반면 [3] 캘리포니아에서는 현재 최대 10.5 GW 규모의 재생 가능 에너지를 생산하고 있습니다 [2]. 하지만 여전히 재생 가능 에너지는 현재 전체 네트워크 용량에서 차지하는 비율이 미미하며 사회는 아직도 화석 연료 기반 발전소에 의존하고 있습니다. 첫 번째로, 풍력 및 태양열은 소비자가 에너지를 필요로 할 때 이용하기가 힘듭니다. 두 번째로, 대형 발전소의 대규모 발전량이 전력망에 안정성을 제공하고 있습니다. 따라서 전력망 문제, 혼잡 처리 및 균형 관리 비용이라는 애로사항 때문에 재생 가능 에너지 생산이 위축될 수도 있습니다.

전력망 내 에너지 저장장치의 효과는 지속적으로 논증되고 있으며, 그 결과 또한 설비 규모를 통해 입증되고 있습니다 [4]. 일부 모범 사례로는 캘리포니아 [5] 및 호주 [6]가 있습니다.

에너지 저장장치가 전력망을 더욱 유연성 있게 하고 더욱 재생 가능한 에너지를 활용할 수 있게 한다는 점에는 이견이 없어 보입니다 [2]. 오히려 어느 정도 논의가 이루어지고 있습니다 [7].

에너지 저장장치의 미래

대부분의 경우, 에너지 저장장치는 배터리의 형태를 취하지만 다른 형태 또한 구현 가능합니다(예: 고가수조(물탱크탑)). 애플리케이션 중 일부만 예로 들면 대규모 전력망 설비, 개인용 전기차, 플러그인 하이브리드, 대형 해운 선박, 트럭 및 핸드폰 등에 이미 배터리를 도입했습니다. 에너지 저장장치는 생산되지 않는 시점 및 장소에, 그리고 그 규모가 작든지 크든지 간에 에너지를 사용할 수 있도록 유연성을 제공합니다. 전통적인 에너지 생산 설비와 재생 가능 에너지, 그리고 에너지 저장장치를 결합하면 후손에게 더욱 친환경적이고 깨끗한 세상을 유산으로 남기고자 하는 우리 모두의 꿈을 이룰 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 에너지 저장장치를 위한 다양한 기술 솔루션은 정부 주도 하에 중국에서 시도 중입니다 [8]. Li-ion 기술이 유일한 답이 아닐 수 있습니다. 예를 들어, 캘리포니아 내 모든 재생 가능 전력 변화를 감당하기 위해 Li-ion 배터리를 사용한다면 그 비용이 미화 2.5조 달러로 추산됩니다 [7]. 그와 동시에 중국이 이 부문에 주요한 역할을 하고 있으며 전 세계 배터리 공장의 대다수가 중국에 포진해 있습니다 [9]. 이 덕분에 Li-ion 가격을 낮출 가능성이 높으며 재생 가능 자원으로 더욱 쉽게 전환할 수 있을 것입니다. 하지만 기술의 "락인(lock-in, 잠금)" 효과 때문에 다른 기술이 개발되기가 더 힘들어질 수 있다는 위험 또한 떠안을 것입니다 [10].

정치와 가격 결정

하지만 이러한 결정을 이끄는 요소는 기술뿐만이 아닙니다. 정치와 가격 결정 또한 상당히 중요한 요소일 것입니다 [11]. 배터리 제조에 사용되는 천연 자원이나 배터리 자체가 "새로운 석유 자원"으로 취급될 수 있습니다. 이러한 주제는 이미 전 세계 의제로 다루어지고 있고 자원과 관련된 논쟁은 이미 시작되었습니다. 리튬과 코발트 자원 모두 중국 정부가 점점 더 많이 통제하고 있습니다 [12]. 다른 한 편으로 배터리 제조업체는 코발트와 같이 골치아픈 광물의 사용을 줄이기 위해 노력하고 있습니다 [13]. 어차피 필요한 에너지 저장장치의 규모가 너무 커서 구조가 혁신된 새로운 전력망의 요건을 충족하기 위해서는 밀도, 비용 및 안전성 측면에서 저장장치 기술을 향상해야 합니다. 수백에서 수천 가지의 작은 에너지원으로 대규모 발전소를 대체하려면 전국 단위 전력망의 구조를 모두 개혁해야 할 수도 있습니다. 독일 내 공공사업자들은 에너지 자원의 변화, 송전 용량 문제뿐만 아니라 유연성 및 스마트 홈에 대한 최근의 최종 소비자 기대 증가에 대처하기 위해 이미 얼마 전부터 노력해왔습니다 [14]. 네트워크의 가장 효율적인 운영을 위해 빅데이터의 도입과 더 세밀한 분석 또한 가능성이 높을 것으로 기대하고 있습니다 [15].

현실적인 비전

수 십년간 계속해서 사용해야 하기 때문에 전국 단위 교류 전력망에 투자하려면 비용이 너무 많이 듭니다. 리튬 이온 배터리는 저전압 장비(<1500 V)이며, 저전압 장비를 사용해도 충분할 만큼 필요 전력이 적은 중소규모 사회에 적합한 것으로 보입니다.

다수의 가정, 사회 또는 공장은 공통 분배 시스템을 갖추고 있어 소비자 및 자원이 그림 2에서와 같이 교류 전력망 또는 직류 전력망 [16] 내 에너지 저장장치에 모두 연결되어 있습니다.

그림 2: 지역 에너지 생산 및 저장이 기존 교류 전력망 내에서 구현되는 교류 분배의 예.

전국 단위 전력망과는 대조적으로 지역 사회의 전기 공급 및 송전은 그림 3에서 자세히 설명된 바와 같이 순수한 직류 전력망으로 구성되어 있을 수 있습니다.

그림 3: 지역 에너지 생산 및 저장이 가능한 지역 사회의 직류 분배의 예. 댄포스 솔루션은 에너지 공급업체, 에너지 저장장치 및 에너지 소비자를 위해 지능적인 전력 변환을 보장함으로써 지역 전력망을 안정화합니다.

지역에서 생산된 에너지는 지역 내에서 사용되어야 하고, 그와 동시에 단독 모드와 추가적인 이중화를 도입해야 하며, 이는 CO2 걱정 없는 사회가 되기 위해 실행 가능한 옵션입니다 [17]. 이렇게 하면 평균 전력 필요량이 전력망에서 소비되고 피크 전력 필요량은 더 이상 유효하지 않기 때문에 전국 단위의 송전 시스템을 향후 업그레이드해야 한다는 부담이 줄어듭니다.

댄포스는 해운 선박, 육상 기반 에너지 저장장치 및 산업 애플리케이션의 에너지 저장 장치의 하이브리드화에 적극적으로 그 역할을 다 하고 있습니다 [18]. 당사는 지속가능한 미래에 중점을 둔 차세대 전력망의 에너지 흐름, 부하 균형 및 안전한 운전에 필요한 도구를 개발 중입니다.

스마트 전력망 및 에너지 저장장치 시스템을 지원하는 댄포스 솔루션에 대해 자세히 살펴보기