태양광, 풍력 등의 재생에너지는 날씨와 시간에 따라 발전량이 달라질 수 있습니다. 해가 좋은 낮에는 필요한 양보다 많이 만들어지고, 정작 전력 수요가 몰리는 저녁에는 발전량이 줄어들기도 하죠.
전기는 생산과 동시에 소비되는 것이 기본입니다. 그래서 만들어진 시점과 필요한 시점이 어긋나면 남는 전력은 버려지고, 부족한 시점에는 다른 방법으로 메워야 하는데요. 이 간극을 좁혀주는 장치가 ESS(Energy Storage System)입니다. 이번 시간에는 ESS가 어떤 역할을 하고, 어떤 장치들이 함께 작동하며, 어디에 쓰이는지 차례로 살펴보겠습니다.
ESS(Energy Storage System)란 무엇인가요?
ESS는 생산된 전력을 저장했다가 전력 수요가 증가하거나 공급이 부족할 때 필요한 곳에 공급하는 에너지저장시스템입니다. 이를 통해 전력의 생산 시점과 필요한 시점이 달라도 적절한 때에 전력을 사용할 수 있게 해줍니다.
ESS는 특히 재생에너지를 효율적으로 활용하는 데 유용합니다. 재생에너지를 통한 전력발전은 시간과 날씨에 따라 발전량이 달라지기 때문입니다. 예를 들어 낮시간에 태양광 발전으로 생산한 전력을 ESS에 저장하면, 발전량이 줄어드는 저녁이나 밤에도 해당 전력을 사용할 수 있습니다.
또한 ESS는 전력 사용량이 적을 때 에너지를 저장해 두었다가, 수요가 많은 시간에 공급할 수 있는데요. 때문에 주택과 상업시설, 공장 등 다양한 곳에 적용됩니다.
ESS는 어떤 역할을 하나요?
ESS(Energy Storage System)란 생산된 전력을 저장해 두었다가 전력이 필요한 시기에 꺼내어 사용할 수 있도록 하는 장치를 말합니다. 예를 들어 태양열 발전기의 경우, ESS를 통해 낮 동안 생산된 전력을 저장해 밤에도 사용할 수 있는데요. 이처럼 전력을 필요로 할 때 즉시 공급할 수 있어서 에너지 이용 효율과 신재생 에너지 품질을 향상시킬 수 있습니다. 또, 안정적으로 전력을 공급해 많은 건물과 시설에서도 사용하고 있죠.
ESS의 구성과 종류
ESS는 안정적인 전력 공급과 재생에너지 활용, 전력 품질 유지에 기여합니다.
1) 정전 시 전력 공급: 병원이나 은행, 데이터센터처럼 예기치 못한 정전 상황에서도 전력 공급을 유지해야 하는 시설이 있습니다. ESS는 정전이 발생했을 때 저장된 전력을 공급해 무정전 전원의 역할을 수행할 수 있습니다.
2) 재생에너지의 발전량 보완: 태양광과 풍력 등 재생에너지는 자연환경에 따라 발전량이 달라질 수 있습니다. ESS를 활용하면 발전한 전력을 저장해 두었다가 전력 수요가 많아지는 시간에 공급할 수 있습니다. 이를 통해 재생에너지의 불규칙한 발전량을 보완하고 안정적인 전력 공급을 지원합니다.
3) 전력망의 주파수 조정: 전력 계통에서 수요와 공급의 불일치가 발생하면 주파수 변화가 생길 수 있는데요. 이때 ESS는 전력 계통의 주파수를 우리나라 표준인 60Hz로 일정하게 유지하는 데 기여합니다.
ESS의 주요 구성 요소와 작동원리
배터리를 활용하는 ESS는 배터리 시스템과 PCS(Power Conversion System), EMS(Energy Management System)가 함께 작동하며 전력을 저장하고 공급합니다.
배터리 시스템
배터리 시스템은 전력을 저장하는 ESS의 핵심 장치입니다. 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack), 랙(Rack) 등의 단위로 구성되는데요. 여러 팩 혹은 랙을 컨테이너에 설치해 대규모 전력을 저장합니다.
배터리 시스템 내부에는 BMS(Battery Management System)*가 탑재됩니다. BMS는 배터리의 전압과 전류, 온도 등 주요 상태 정보를 모니터링합니다. 이를 바탕으로 잔존 용량을 나타내는 SoC(State of Charge)*와 수명·성능 상태를 나타내는 SoH(State of Health)*를 추정하죠. 여기에 셀 밸런싱과 과충전·과방전·과전류 방지 등의 제어도 수행하여 배터리가 안전한 범위에서 안정적으로 작동하도록 관리합니다.
*배터리 용어사전 – BMS (Battery Management System) 보러가기
*배터리 용어사전 – SoC (State of Charge) 보러가기
*배터리 용어사전 – SoH (State of Health) 보러가기
PCS(Power Conversion System)
PCS(Power Conversion System)*는 전력을 배터리에 저장하거나, 저장된 전력을 공급할 수 있도록 전기의 특성을 변환하는 시스템입니다.
배터리에 저장되는 전기는 직류 전기(DC)인 반면, 전력망이나 일반 전자기기에서는 주로 교류 전기(AC)를 사용하는데요. ESS를 충전할 때는 교류 전기를 직류 전기로 변환하고, 저장된 전력을 공급할 때는 직류 전기를 교류 전기로 바꿉니다. 이처럼 PCS는 교류 전기와 직류 전기를 양방향으로 변환해 ESS의 충전과 전력 공급을 지원합니다.
또한 PCS는 ESS의 유효전력1과 무효전력2을 제어하고 전압과 운전 상태를 감시해 전력 품질을 관리합니다. 정전이 발생했을 때는 전력 계통을 보호하고, 계통 전원이 없는 경우에도 배터리 전력을 활용한 독립 운전을 지원합니다.
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EMS(Energy Management System)
앞서 소개한 BMS가 배터리 내부 상태를 관리한다면, EMS(Energy Management System)*는 ESS 전체의 운영을 담당합니다. 관리하는 범위가 다른 것이죠. EMS는 ESS 내 전력의 사용과 공급 상태를 모니터링하고 관리하는 시스템인데요. 에너지가 사용되는 곳과 소비량에 관한 데이터를 수집해 에너지 소비 패턴을 분석하고, 사전에 설정된 기준에 따라 비효율적인 에너지 사용을 줄이며 충·방전을 제어하죠.
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ESS는 어디에 사용되나요?
ESS는 설치 장소와 사용 목적에 따라 가정과 상업시설, 전력망, 데이터센터, 통신시설 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
1) 가정용 ESS: 가정용 ESS는 주택의 태양광 패널과 연계해 사용합니다. 낮 동안 생산한 태양광 전력을 저장한 뒤 전력이 필요한 시간에 사용할 수 있습니다.
2) 상업용 ESS: 상업용 ESS는 사무실과 학교, 공장 등의 건물에 설치합니다. 전력 사용량이 적을 때 전력을 저장하고, 사용량이 많아지는 시간에 저장된 전력을 활용할 수 있습니다.
3) 전력망용 ESS: 전력망용 ESS는 화력발전소와 태양광·풍력 발전소, 변전소 등에 설치합니다. 대규모 전력을 저장하고 공급해 전력 수요와 공급의 균형을 맞추는 데 활용됩니다.
4) UPS용 ESS: UPS(Uninterruptible Power Supply)*용 ESS는 데이터센터와 통신시설 등 안정적인 전력 공급이 필요한 시설에 적용합니다. 전력이 갑자기 끊겼을 때 저장된 전력을 공급해 주요 설비가 계속 작동할 수 있도록 돕습니다.
핵심 Q&A
Q. ESS란 무엇인가요?
ESS는 생산된 전력을 저장했다가 필요한 시점에 다시 공급하는 에너지저장시스템입니다.
Q. ESS는 어떻게 작동하나요?
ESS를 충전할 때 PCS가 교류 전기를 직류 전기로 변환하면 배터리가 전력을 저장합니다. 전력을 공급할 때는 PCS가 직류 전기를 교류 전기로 변환합니다. 이 과정에서 BMS는 배터리 상태를 관리하고, EMS는 ESS 내 전력의 사용과 공급 상태를 실시간으로 모니터링하고 관리합니다.
Q. ESS는 어떤 역할을 하나요?
ESS는 정전 시 전력을 공급하고, 재생에너지의 발전량 변동을 보완하며, 전력망의 주파수 조정을 지원해 전력 품질 유지에 기여합니다.
Q. ESS는 어디에 사용되나요?
ESS는 주택과 상업시설, 발전소, 변전소, 데이터센터, 통신시설 등 전력을 저장하거나 안정적으로 공급해야 하는 곳에 사용됩니다.
지금까지 ESS의 개념과 구성 요소, 역할과 활용 분야를 살펴봤습니다. ESS는 전력을 필요한 시점에 안정적으로 공급하며 재생에너지 활용과 전력망 안정화를 지원하는 핵심 시스템으로 자리 잡고 있습니다. 탄소중립 전환이 이어지면서 ESS는 가정과 산업 현장, 전력망 등 더욱 다양한 곳에서 활용될 텐데요. 앞으로 ESS를 마주한다면 어떤 장치들이 함께 작동하고 어떤 역할을 하는지 쉽게 이해할 수 있겠죠?
