ESS 에 대한 이해와 중요성

테슬라의 3분기 실적발표로 인해 이차전지 시장이 다시 뜨겁습니다. 전기차 판매량 증가도 의미가 있지만, 저는 ESS에 주목해야 할 필요가 있다 생각해서 포스팅을 하게 되었습니다.

 

 

 

1. ESS란 무엇인가?

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Energy Storage System 이라 불리는 ESS 말 그대로 '에너지 저장 장치'입니다. 에너지 즉 전기에너지를 저장하는 공간을 일컫습니다. 배터리랑 같지 않느냐?라고 물으실 수 있습니다. 답변은 '같습니다'입니다. 하지만 그 규모가 매우 큰 것을 보통 의미합니다.

테슬라 730MWh 규모 ESS 메가팩 (출처 : Tesla)

ESS는 주로 간헐적으로 전기에너지를 생산하는 발전소나 데이터센터에 설치됩니다. 그 이유는 태양광, 수력, 풍력, 지열등 신재생 에너지는 전기를 생산하여 바로 사용해야 하지만, 에너지 생산 시스템이 간헐적이기에 시간 및 상황에 따라 버려지는 에너지가 많은 단점이 있습니다. 이를 개선하기 위해 도입한 것이 '에너지 저장 장치'입니다. 

 

예로 태양광 에너지를 들어보겠습니다. 태양이 쨍쨍한 낮시간에 전기를 생산하여 ESS에 에너지를 저장하였다가, 사람들이 전기를 많이 사용하는 저녁에 필요에 따라 사용할 수 있습니다. 또한 클라우드 시장이 확장됨에 따라 데이터 저장센터에 임시 UPS 전원 등 다양하게 도입되고 있습니다. 

테슬라 ESS 시장 성장세 (출처 : greenium)

이에 따라 시장은 전세계적으로 급격하게 커지고 있습니다. 위 그림은 테슬라 에너지의 ESS 사업부 성장세입니다. 2023년의 경우 전년 대비 매출은 약 54%가량 증가한 것을 알 수 있습니다. 

 

 

 

2. ESS의 구성요소

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ESS 구성요소 (출처 : 한국에너지서비스)

2.1. 배터리 

에너지를 저장하고 방출하는 장치입니다. 배터리는 충전 및 방전 과정을 통해 전력을 저장하고 필요한 시점에 전력을 공급합니다. ESS에서 가장 많이 사용되는 배터리 유형으로는 리튬이온 배터리, 레독스 배터리 등이 있습니다.

 

2.2. BMS (Battery Management System)

 BMS는 배터리의 상태를 모니터링하고 관리하는 시스템입니다. BMS는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 감지하여 배터리의 안전한 운용을 도와줍니다. 과충전, 과방전, 과열 등의 상황을 방지하고, 셀 간의 균형을 맞춰 배터리의 수명을 연장시킵니다.

 

2.3. PCS (Power Conversion System)

DC(직류) 전력을 AC(교류) 전력으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 장치입니다. 배터리는 일반적으로 DC로 에너지를 저장하므로, 전력망에 연결하여 사용할 때는 AC로 변환해야 합니다. 반대로, 충전 시에는 AC를 DC로 변환하여 배터리에 저장합니다. PCS는 시스템 전체 효율에 영향을 미치며, 전력망을 원활하게 연결되고 동작할 수 있게 합니다. 

 

2.4. EMS (Energy Management System)

ESS의 전반적인 운영을 제어하고 최적화하는 시스템입니다. EMS는 ESS의 충전 및 방전 시점을 조율하며, 에너지 사용 패턴에 따라 최적의 운영 계획을 수립합니다. 이를 통해 전력 비용을 절감하고, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다.

 

2.5. 전력변환 장치(Inverter/Converter)

PCS와 함께 사용되며, 전압과 주파수를 조정해 배터리에서 나온 전력을 전력망의 조건에 맞게 변환하는 역할을 합니다. 이는 ESS가 전력망과 통합되어 전력을 공급할 수 있게 해줍니다.

 

 

 

3. ESS에 적합한 배터리는 무엇일까?

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현재 전기차 시장에서 사용되는 배터리에서 국내 3사는 NCM, 중국의 LFP 배터리가 주된 메인 배터리입니다. 이 중에서 ESS에 적합한 배터리는 LFP 입니다. 물론 두 배터리의 장단점이 있겠지만, LFP가 적합하다고 생각되는 이유는 '안전성(Safety)'입니다. LFP배터리의 구조 상 리튬이온이 충전 시 빠져나가도 양극재 내부 격자구조가 안정하게 유지되기 때문에 안전성 측면에서 더 유리합니다.

 

이에 따라 수계전해액을 사용하여 불이나지 않는 'Redox flow battery' 흐름전지가 주목 받고 있지만, 에너지밀도가 리튬이온배터리에 비해 상당히 낮기 때문에 실현되기는 상당히 어렵다고 생각됩니다.

 

ESS의 경우 대규모로 설치가 되기 때문에 어느 한 지점에서 화재가 나게 되면 걷잡을 수 없이 열전이가 일어나는 문제가 있습니다. NCM배터리를 적용할 경우에는 에너지 밀도가 LFP에 비해 상대적으로 높기 때문에 더 적은 면적을 사용할 수 있는 장점이 있으나, 아직 까지는 안전성 측면에서는 단점이 있습니다. 다른 기타 기술로 위와 같은 문제점이 해결되어 좀 더 나은 세상을 만드기를 바라봅니다.