현대인들의 필수품인 스마트폰은 모양이나 성능이 제각기 다르지만, 충전 USB 타입은 규격화되어 전 세계가 같은 타입을 사용합니다. 때문에 해외로 스마트폰을 수출해도 문제없이 충전기를 선택하여 사용할 수 있으며, 표준화된 규격이 있어 안전성도 확보할 수 있죠.
배터리 분야에서도 이러한 코드와 스탠다드(Codes and Standards)를 적용해 설계 및 제조를 진행하고 있습니다. 그 중 BESS(Battery Energy Storage System)를 설계할 때도 마찬가지입니다. 이에 대한 내용을 4월 4일, 서울 강서구 마곡 LG사이언스파크에서 열린 ‘LG Tech Conference 2024’에서 확인할 수 있었는데요. 전력망System개발2팀 김진만 님의 발표를 통해 더 자세히 살펴보겠습니다.
배터리를 이용하여 에너지를 저장하는 BESS(Battery Energy Storage System)
전기 에너지는 ‘즉시성’을 가진 에너지로, 전력을 생산하면 즉시 소비되어야 하는 특징이 있습니다. 별도의 저장 장치가 없다면 발생한 전기 에너지는 사라져버리고 말죠. 하지만 만약 잉여로 발생할 전기 에너지가 사라질 것을 고려해 보수적으로 접근한다면, 전력 부족으로 정전이 발생하는 경우가 생깁니다. 때문에 에너지를 보다 효율적으로 관리할 수 있는 방안이 필요했는데요. LG에너지솔루션은 이 문제에 대한 ‘솔루션’으로 배터리와, 이를 활용한 ESS(Energy Storage System)에 주목했습니다.
기존 원자력 발전과 화력 발전은 발전량을 조절할 수 있는 기저 발전기*이지만, 신재생에너지는 날씨나 기타 요인으로 인해 발전량이 불규칙하다는 성질이 있습니다. 이로 인해 전기 품질이 저하될 수 있는데요. 이는 전기 품질이 주파수나 위상을 충족시키지 못하여 가전 기기나 장비에 악영향을 줄 수 있다는 것을 의미합니다.
* 기저 발전기 : 항상 일정 수준의 운전이 보장되는 발전기
이처럼 신재생에너지의 안정적인 전력 공급과 주파수가 흔들리는 부분을 조정하기 위해서는 ESS가 필요하죠. ESS의 역할은 크게 3가지로 △신재생 에너지 통합(Renewable Integration), △저장된 전력을 피크 시간대에 집중 사용(Peak Shifting) △주파수 조절(Frequency Regulation) 을 꼽을 수 있습니다.
ESS가 적용되는 분야는 전력망 ESS, 산업용∙주택용ESS, UPS(Uninterruptible Power Supply) 등이 있습니다. 전력망 ESS는 발전소에 적용되는 송∙배전 분야에 사용됩니다. 주택용 ESS는 유럽이나 북미에는 잘 보급되어 있는데요. LG에너지솔루션도 이에 발맞춰 주택용 ESS 제품을 제공하고 있죠. 그리고 서버나 통신용 기지국의 정전을 방지하기 위해서UPS도 에너지 공급원으로서 배터리가 탑재되고 있습니다. 이러한 내용들은 BESS(Battery Energy Storage System)의 한 분야로 보고 있습니다.
리튬이온을 사용하는 ESS
ESS의 구조를 살펴보자면 배터리 셀(Cell)과 모니터링 역할을 하는 BMS(Battery Management System)가 기본적으로 구성되며, 이들을 패키징해 팩(Pack)을 만듭니다. 그 다음 팩을 여러 개 적층하여 하나의 배터리 시스템(Container)을 완성하고, 이를 전력망에 공급합니다. 근래에는 별도의 넓은 부지에 ESS 팜(Farm)을 구축하는 경우도 많습니다. LG에너지솔루션은 이러한 흐름을 따라 배터리 시스템 솔루션까지 개발 및 제작하고 있죠.
사실 꼭 배터리를 활용해야만 ESS의 기능을 할 수 있는 것은 아닙니다. 기계적 특성을 활용한 압축공기나 양수 발전을 통해서도 비슷한 역할을 수행할 수 있죠. 하지만 현재 ESS 시장에서 가장 선호되는 BESS 시스템은 리튬이온배터리를 적용한 시스템입니다. 많은 배터리 중에서도 왜 리튬이온일까요? ESS는 특정 출력, 특정 공간에서만 사용하는 것이 아니기 때문에 고출력 또는 고에너지에 대한 범용성이 높아야 하기 때문입니다. 또 관리나 유지보수 측면 등 고객이 시장에서 요구하는 니즈(Needs)도 충족시켜야 하는데요. 이러한 방면에서 다른 배터리들은 리튬이온배터리보다 더 높은 부대 비용이 발생합니다.
향후 ESS 시장의 전망은 어떻게 될까?
LG에너지솔루션이 주로 타깃하고 있는 ESS 시장은 바로 북미지역입니다. 미국의 경우, 전력 인프라를 구축한 지 오래되어, 노후화로 인한 정전이 발생하고 있습니다. 하지만 대륙이 워낙 넓어서 송, 배전 선로를 모두 교체하기가 쉽지 않은 상황인데요. 그래서 주요 도시의 외곽에 부지를 마련하여, 더 큰 규모의 발전원을 공급해 전력을 독자적으로 운영하는 방식을 이용하고 있습니다.
또한 ESS 시스템을 통합하여 단위 블록별로 설치하는 추세인데요. 이로 인해 ESS를 설치하는 과정이 이전보다 단순해졌습니다. 이전에는 배터리, PCS(Power Conversion System), 인버터(Inverter), 트랜스포머(Transformer, TR) 등이 각각 따로 구성되었으나, 지금은 다양한 구성품들이 패키지화되어 설치하는 데는 훨씬 더 편리해졌죠.
이에 따라 많은 업체들이 ESS 시장에 뛰어들고 있으며, 제품에 대한 표준 및 인증 규격들이 정립되고 있습니다. 앞으로는 다양한 시스템과 표준을 통합하여 제어하는 내용들이 필요하고, 배터리 효율과 관련한 논의들이 필요할 것으로 전망됩니다.
배터리 분야에서도 중요한 코드와 스탠다드(Codes and Standards)
제품 표준과 인증 규격들에 대한 요구가 다양한 산업에서 전방위적으로 요구되는 흐름에 따라, ESS에 코드와 스탠다드(Codes and Standards)가 중요해지고 있습니다.
코드(Codes)는 법규에 준하는 규정, 또는 규격을 의미하는데요. 이를 충족하지 못하는 경우는 불법에 해당하기 때문에 시장에 내놓을 수 없습니다.
스탠다드(Standards)는 표준을 뜻합니다. 대표적으로 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)*, IEC(International Electro-technical Commission)*에서 표준화 작업을 진행하고 있습니다. 스탠다드는 기술적인 기준과 레퍼런스로 삼고 설계하는 최소의 지표이죠.
*IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 전기전자학회) : 미국의 전기전자학회로 세계 최대의 기술 전문가 모임.
*IEC(International Electro-technical Commission, 국제전기기술위원회) : 1906년 스위스 제네바에 창설된 기관으로 전기전자분야 표준화를 목적으로 함.
그렇다면 코드와 스탠다드를 만드는 목적은 무엇일까요? 가장 근본적인 목적은 제품 안전을 확보하기 위한 기준 수립입니다.
제품에 들어가는 볼트, 나사 등 여러 부품은 모두 규격이 정해져 있습니다. 이렇게 표준화가 되어 있다면 만약 제품 일부 부품에 문제가 발생하더라도, 수입국에서 공수할 수 있어 간단하게 해결할 수 있습니다. 하지만 표준화가 되어있지 않다면, 다시 제조사에 요청하여 부품을 기다려야 하는 경우가 생기죠. 이런 문제를 방지하고, 경제적 손실과 안전성을 강화하기 위해서 코드와 스탠다드를 만듭니다. 이에 코드와 스탠다드에 적합하다는 것은 제품의 디자인 스펙뿐만 아니라 안전성, 성능, 그리고 특정 조건에서의 가속 시험 등에 부합한다는 의미가 됩니다.
ESS에는 어떤 코드와 스탠다드가 있을까?
미국 시장을 분석한 결과, ESS 컨테이너 솔루션에는 약 9,000개의 부품이 사용됩니다. 각 부품은 표준이 있고, 이를 종합한 규격도 존재합니다.
먼저 건물과 같은 주변 환경이 고려되어야 합니다. 근래에는 IFC(International Fire Code), IBC(International Building code) 등의 표준도 주목받고 있습니다. 이외에도 미국방화협회인 NFPA(National Fire Protection Association)에서 제정한 규격도 많이 활용되고 있습니다.
단순히 ESS 제품 단에서만 코드와 스탠다드가 적용되는 것이 아니라, Installation 레벨에서도 이를 준수해야 합니다. 이 레벨에서는 NFPA 855를 시작으로 UL* 9540, UL 9540A, NFPA 70 등의 코드와 스탠다드가 적용되죠.
Stationary BESS 레벨을 살펴보면 UL 9540이 가장 대표적인 ESS 관련 표준으로 적용됩니다. System Components 레벨에서는 UL 1973을 부합해야 합니다. 이처럼 북미 시장은 UL 스탠다드가 요구되고 있어서, 이에 맞는 실험과 인증을 취득하고, 규격이 맞는지를 확인하고 있습니다.
*UL(Underwriters Laboratory) : 미국 보험협회에 의해 1894년에 설립된 국제 안전인증 시험기업으로, 안전과 관련된 제품, 시스템 등의 표준을 연구하고 있다.
ESS의 코드와 스탠다드 인증을 철저히 이행하는 LG에너지솔루션
세분화된 ESS 구조
흔히 말하는 ESS 구조라고 하면 배터리 셀이 모여 모듈, 팩이 되고, 이들을 적층해 랙(Rack)을 구성합니다. 랙 안에 BMS까지 포함시키면 배터리 시스템의 최소 유닛이 되죠.
또 배터리이기 때문에 DC 출력이 이루어지는데요. 랙에서는 DC 출력을 AC 출력으로 바꿔줍니다. 전력을 변환할 수 있는 이유는 바로 ‘PCS’(Power Conversion System) 때문입니다. PCS는 쉽게 말해 전력을 다른 형태로 변환하는 인버터입니다. 현재 ESS 시장에서는 수 MW급의 대용량 인버터를 사용하고 있습니다. 여기까지가 ESS의 기본 구조라고 이야기할 수 있습니다.
ESS를 조금 더 세분화한다면 PCS와 같은 배터리의 서브 시스템을 모은 Primary Subsystem과 BMS, EMS(Energy Management System) 등의 Control Subsystem 등이 포함되어 있습니다. 또 전압대를 맞춰주는 트랜스포머가 있죠. 마지막으로 냉각 장치(Thermal Management)나 소방 장치(Firefighting) 등의 Auxiliary Subsystems으로 구성됩니다.
안전 규정(Safety Standards) 준수로 더욱 믿을 수 있는 제품에 다가가다
여러 Standards 중 UL Standards는 미국에서 널리 쓰이는 인증 중 하나입니다. 이에 기반한 안전 규정(Safety Standards)에는 UL1973과 UL 9540, UL 9540 A가 있습니다. 해당 인증을 받기 위해 셀, 모듈, 랙에 대한 안전성과 화재 가능성을 테스트합니다.
특히 UL 9540 A는 제품이 화재에 대해 어떤 특성을 나타내는지에 대한 안전성을 실험하는 것입니다. 통로에서 측정되는 열량의 정도, 배출되는 가스의 성분, 화염의 크기 등을 모두 검토하고 이에 맞는 결과를 통해 설치에 대한 인허가, 인증 취득, 보험 가입 등 여러 기관의 검토를 받게 됩니다.
Installation 레벨에서의 UL 9540 A는 실제 ESS와 거의 유사한 상태에서 위치를 선정한 후 테스트를 진행합니다. 이때 대피로까지의 발열량과 화재의 전이성을 확인합니다. 이 결과를 바탕으로 배터리가 얼마 간격으로 설치가 되어야 하는지를 판단합니다. 즉 단순히 배터리만 놓고 판단하는 것이 아니라, 설치 간격이 대피에 미치는 영향까지 고려하여 실제 운영 가능한 시스템인지까지 확인하는 것이죠.
현재 북미에서는 UL 9540 A 시험 성적서와 UL 9540 인증을 취득한 ESS만 설치할 수 있는데요. LG에너지솔루션도 내/외부 시험소에서 ESS의 안정성을 높이기 위해 모든 테스트를 일일이 진행하고 있습니다.
안전성을 높이기 위한, FAT과 SAT
추가적으로 배터리 생산 현장에서 진행하는 안전 테스트도 있는데요. 바로 FAT(Factory Acceptance Test)와 SAT(Site Acceptance Test)입니다. 이를 통해 공장에서 하위 부품에 문제가 없는지를 시스템 단위로 살펴보고, 설치 상태에서의 동작 특성이 어떤 지를 확인하는 작업을 추가적으로 진행하고 있습니다.
화재 방지를 위한 스탠다드, NFPA
미국방화협회인 NFPA처럼, 권위있는 비영리 단체에서 만든 코드 및 스탠다드들이 적용되기도 합니다. 대표적인 코드로는 NFPA 855, NFPA 70, NFPA 68/69, NFPA 72등이 있습니다. 특히 NFPA 855에는 화재 및 폭발 방지, 구조 대피 측면에 대한 설계 요구 사항들이 포함되어 있으며, 이를 위한 화재 감지나 환기 시스템 등 ESS시스템 전반적인 제품, 설치 등의 안전사양을 요구하고 있습니다.
LG에너지솔루션은 이런 표준과 규격을 면밀하게 검토하여 ESS를 설계하고, 여러 단계의 테스트를 거쳐 시장에 출시하고 있습니다. 이러한 노력을 통해 LG에너지솔루션 ESS전지 개발센터에서는 수백의 MWh 규모에서 수백의 GWh급 규모까지 고객이 만족할 수 있는 다양한 ESS 솔루션을 제공하여 차별적인 고객 경험을 선사할 예정입니다.