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에너지 저장

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목차

1. 개요

에너지 저장은 에너지를 저장하는 기술 및 방법을 포괄하며, 전력망의 안정성 확보, 재생 에너지 활용, 전력 수요 관리 등에 기여한다. 역사적으로 기계적 에너지 저장에서 시작하여 화학적, 전기화학적, 열적, 전기적 저장 방식으로 발전해 왔으며, 현재는 양수 발전, 배터리, 열에너지 저장 등 다양한 기술이 활용된다. 에너지 저장 기술은 전력망, 주택, 수송, 전자기기 등 다양한 분야에서 활용되며, 경제성과 기술적 평가를 통해 지속적인 발전을 이루고 있다. 각국은 에너지 저장 기술 개발을 위해 연구 지원 및 정책적 노력을 기울이고 있으며, 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

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에너지 저장
에너지 저장 개요
다양한 에너지 저장 시스템
다양한 에너지 저장 시스템
정의에너지를 나중에 사용할 수 있도록 저장하는 과정
주요 목적에너지 수요와 공급 불균형 해소, 재생 에너지의 간헐성 극복
에너지 저장 기술
기계적 저장양수 발전
압축 공기 에너지 저장
플라이휠 에너지 저장
전기화학적 저장배터리
흐름 전지
전기적 저장커패시터
슈퍼커패시터
열 저장열에너지 저장
상변화 물질
화학적 저장수소
합성 연료
에너지 저장 시스템 (ESS)
구성 요소에너지 저장 장치
전력 변환 시스템
제어 시스템
응용 분야전력망 안정화
재생 에너지 통합
분산 전원
전기 자동차
비상 전력
중요성전력망 유연성 및 안정성 향상, 재생 에너지 활용 극대화
기술별 특징
양수 발전높은 용량, 지리적 제약
배터리빠른 응답 속도, 다양한 종류
플라이휠짧은 시간 저장, 높은 효율
압축 공기대용량 저장 가능, 지리적 제약
수소장기 저장 가능, 기술 개발 필요
에너지 저장의 미래
연구 개발신소재 개발
에너지 밀도 향상
비용 절감
정책 지원정부 보조금
시장 규제
시장 성장재생 에너지 증가
전력망 현대화
기타
관련 기업클락 에너지

2. 역사

자연 과정으로서의 에너지 저장은 우주가 탄생할 때부터 존재했다. 우주 초기의 에너지는 태양과 같은 항성에 저장되었고, 인류는 이를 직접 태양열로 이용하거나, 농작물 성장이나 태양전지를 통한 전기 변환 등 간접적인 방식으로 활용해 왔다. 에너지를 저장하는 행위는 에너지의 수요와 공급 시점을 조절하기 위해 필요하다.

인류가 의도적으로 에너지를 저장한 역사는 선사 시대까지 거슬러 올라가지만, 당시에는 그것이 에너지 저장이라는 명확한 인식 없이 이루어졌다. 초기 기계적 에너지 저장의 예로는 고대 요새에서 통나무나 돌을 언덕이나 성벽 위에 모아 두었다가, 적이 나타났을 때 그 위치 에너지를 이용해 공격하는 방식을 들 수 있다. 또한, 높은 곳의 저수지에 물을 모아두고 필요에 따라 방출하여 물레방아를 돌리는 방식도 오랫동안 사용되었다.

19세기 말, 가솔린, 케로신, 천연가스와 같은 정제된 화학 연료와 전기의 사용이 보편화되면서 에너지 저장은 경제 발전에 중요한 요소가 되었다. 하지만 나무나 석탄과 달리, 전기는 생산 즉시 소비되는 방식이 일반적이었다.[145] 전기를 저장하려는 노력의 결과로 전지와 같은 전기화학 장치가 개발되었으나, 초기에는 용량이 작고 비용이 높아 발전 시스템에서의 활용은 제한적이었다. 축전기 역시 비슷한 한계를 가지고 있었다. 1980년대에는 냉난방을 위한 전력 수요 증가에 대응하기 위해 일부 제조업체에서 열에너지 저장(TES) 기술을 연구하기도 했으나, 현재는 소수의 기업만이 TES를 생산하고 있다.[163]

연료전지는 전지와 거의 동시에 발명되었지만 오랫동안 개발이 더디었다. 그러나 1960년대 미국의 제미니 계획(1961~1966년)에서 우주선에 사용할 가볍고 효율적인 전력원이 필요해지면서 개발이 본격화되었다. 최근에는 탄화수소나 수소 형태로 저장된 에너지를 효율적으로 전기로 변환하기 위한 연료전지 개발이 활발히 진행되고 있다.

2. 1. 초기 역사

산업혁명 이전 고전적인 응용 사례는 물레방아를 이용하여 곡물을 가공하거나 기계에 동력을 공급하기 위한 수로의 제어였다. 필요에 따라 물(그리고 그 안에 포함된 위치 에너지)을 저장하고 방출하기 위해 복잡한 저수지와 댐 시스템이 건설되었다.[33]

2. 2. 현대

20세기 전력망은 주로 화석 연료 연소를 통해 대량의 전력을 생산하는 방식에 의존했다. 전력 수요가 줄어들면 연료 소비량도 함께 감소하는 방식으로 운영되었다.[3] 한편, 기계적 에너지 저장 방식인 수력 발전은 오랫동안 가장 널리 사용된 에너지 저장 방법이었으며, 대규모 수력 댐은 100년 이상 에너지 저장 시설의 역할을 해왔다.[2]

그러나 대기 오염, 에너지 수입 의존도 문제, 그리고 지구 온난화에 대한 우려가 커지면서 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지의 중요성이 부각되었다.[3] 풍력 발전은 발전량을 통제하기 어렵고 전력이 필요하지 않은 시간대에도 생산될 수 있으며, 태양광 발전은 구름의 양에 따라 발전량이 변동하고 주로 낮 시간대에만 전기를 생산할 수 있다. 반면 전력 수요는 종종 해가 진 후에 최고조에 달하는 경향이 있다(덕 커브 참조). 이처럼 발전량이 일정하지 않은 간헐적 에너지원의 비중이 재생에너지 산업에서 커지면서, 생산된 전력을 저장하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.[4] 2023년 블룸버그NEF는 2030년까지 에너지 저장 시스템 설치 규모가 연평균 27%의 복합 성장률로 증가할 것으로 예측했다.[5]

또한, 20세기에는 일부 특정 분야에서만 사용되던 독립형 전력 시스템이 21세기에 들어 크게 확장되었다. 휴대용 전자기기는 전 세계적으로 보편화되었고, 태양 전지판은 이제 세계 여러 농촌 지역에서 흔히 볼 수 있게 되었다. 전기에 대한 접근성은 단순히 기술적인 문제를 넘어 경제적, 재정적 타당성의 문제로 확장되고 있다. 전기 자동차 역시 점차 내연기관 자동차를 대체해 나가고 있다. 다만, 화석 연료 연소 없이 장거리 운송에 필요한 동력을 확보하는 것은 여전히 개발이 진행 중인 과제이다.

3. 종류 및 분류

에너지를 저장하는 시스템을 '''에너지 저장 시스템'''(Energy Storage System, '''ESS''')[142][143]이라고 한다. 에너지 저장 장치는 전력계통의 안정성을 높이고 효율적인 에너지 활용을 위해 다양한 기능을 수행한다. 주요 기능으로는 주파수 조정, 신재생에너지 발전 출력 안정화, 첨두부하 저감, 부하 평준화, 비상 전원 공급 등이 있다.

다양한 에너지 저장 기술 비교


에너지는 다양한 형태로 저장될 수 있으며, 저장 방식에 따라 여러 종류로 분류된다. 주요 분류와 해당 방식들은 다음과 같다.

  • '''화석 연료 저장'''
  • '''기계적 저장''': 위치 에너지, 운동 에너지, 탄성 에너지 이용. (양수 발전, 압축 공기 에너지 저장(CAES), 플라이휠 에너지 저장, 고체 질량 중력식, 스프링, 유압 축압기, 무연탄 기관차, 열팽창)
  • '''전기적/전자기적 저장''': 전기장이나 자기장 이용. (축전기, 슈퍼커패시터, 초전도 자기 에너지 저장(SMES))
  • '''생물학적 저장''': 생체 내 에너지 저장. (글리코겐, 녹말)
  • '''전기화학적 저장''': 전기화학 반응 이용 (배터리 에너지 저장 시스템, BESS). (흐름 전지, 충전식 배터리, 울트라배터리)
  • '''열적 저장''': 현열 또는 잠열 이용. (벽돌 열 저장 난방기, 극저온 에너지 저장(LAES), 액체 질소 엔진, 공융계, 얼음 저장식 에어컨, 용융염 저장, 상변화 물질, 계절 열 에너지 저장, 태양 연못, 증기 축압기, 열 에너지 저장(일반))
  • '''화학적 저장''': 화학 결합 에너지 이용. (바이오연료, 수화염, 과산화수소, Power-to-gas(메탄, 수소 저장, 산소-수소))

3. 1. 저장 방식

에너지를 저장하는 시스템을 '''에너지 저장 시스템'''(Energy Storage System, '''ESS''')[142][143]이라고 한다. 에너지는 위치 에너지, 운동 에너지, 화학 에너지, 열에너지(내부 에너지) 등 다양한 형태로 저장될 수 있다.

다양한 에너지 저장 방식 분류
분류세부 방식
화석 연료 저장-
기계적 저장스프링, 압축 공기 에너지 저장(CAES), 무연탄 기관차, 플라이휠 에너지 저장, 고체 질량 중력식, 유압 축압기, 양수 발전(PHS, PSH), 열팽창
전기적/전자기적 저장축전기, 슈퍼커패시터, 초전도 자기 에너지 저장(SMES)
생물학적 저장글리코겐, 녹말
전기화학적 저장 (BESS)흐름 전지, 충전식 배터리, 울트라배터리
열적 저장벽돌 열 저장 난방기, 극저온 에너지 저장(LAES), 액체 질소 엔진, 공융계, 얼음 저장식 에어컨, 용융염 저장, 상변화 물질, 계절 열 에너지 저장, 태양 연못, 증기 축압기, 열 에너지 저장(일반)
화학적 저장바이오연료, 수화염, 과산화수소, Power-to-gas(메탄, 수소 저장, 산소-수소)



=== 물리적 저장 ===

물리적 에너지를 이용한 저장 방식이다.

==== 양수 발전 ====

양수 발전(PHS 또는 PSH)은 전력 수요가 적은 시간대에 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 위치 에너지 형태로 저장했다가, 전력 수요가 많은 시간대에 물을 방류하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 현대에도 널리 사용되는 대규모 에너지 저장 방법 중 하나이다.

==== 압축 공기 에너지 저장 (CAES) ====

압축 공기 에너지 저장(CAES)은 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축하여 지하 저장소(주로 염상돔)에 저장했다가 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈을 돌려 발전하는 기술이다.[7] 소규모 시스템은 과거 광산 기관차 등에 사용되었다. CAES는 재생 가능 에너지의 변동성을 보완하고 전력 수요 변동에 대응하는 데 효과적이다. 전력 공급이 부족할 때 저장된 에너지를 사용하여 수요를 충족시킬 수 있다.[8]

공기를 압축하면 열이 발생하고, 팽창시키려면 열이 필요하다. 압축 시 발생하는 열을 저장했다가 팽창 시 사용하면 에너지 효율을 크게 높일 수 있다.[115] CAES 시스템은 열 처리 방식에 따라 단열, 비단열, 등온 방식으로 나눌 수 있다. 압축 공기는 차량 구동에도 사용될 수 있다.[66][89]

==== 플라이휠 에너지 저장 (FES) ====

전형적인 플라이휠의 주요 구성 요소


플라이브리드 운동 에너지 회수 시스템 플라이휠. 포뮬러 원 경주차 등에 사용되어 제동 에너지를 회수하고 재사용한다.


플라이휠 에너지 저장(FES)은 회전자(플라이휠)를 매우 빠른 속도로 회전시켜 회전 에너지 형태로 에너지를 저장하는 방식이다. 에너지를 저장하면 회전 속도가 빨라지고, 에너지를 방출하면 속도가 느려진다. 주로 전기를 사용하여 플라이휠을 가속 및 감속시키지만, 기계 에너지를 직접 사용하는 방식도 연구되고 있다.[9]

현대의 FES 시스템은 고강도 탄소 섬유 복합재로 만들어진 회전자를 자기 베어링으로 지지하며, 진공 상태에서 분당 20,000 ~ 50,000회 이상 회전시킨다.[10] 플라이휠은 몇 분 안에 최대 속도에 도달할 수 있으며, 전동기/발전기와 연결되어 에너지를 저장하고 방출한다. FES는 수명이 길고(수십 년간 유지보수 거의 불필요[10], 105 ~ 107회의 충방전 사이클[11]), 높은 비에너지(100–130 W·h/kg 또는 360–500 kJ/kg)[11][12] 및 전력 밀도를 가지는 장점이 있다.

==== 고체 질량 중력식 저장 (중력 배터리) ====

무거운 물체(고체 질량)의 높이를 변화시켜 에너지를 저장하고 방출하는 방식이다. 전기 모터/발전기를 사용하여 물체를 들어 올리거나 내리면서 에너지를 저장하거나 방출한다. 이 방식은 1초 이내에 에너지 방출이 가능하여 전력망의 급격한 부하 변화에 대응하는 보조 공급원으로 유용할 수 있다.[13] 에너지 회수 효율은 최대 85%에 달할 수 있다.[16]

수직 갱도나 특수 제작된 타워 내부에 무거운 추를 설치하여 에너지를 저장하고, 제어된 하강을 통해 에너지를 방출한다. 2020년 스코틀랜드 에든버러에서 시제품 시스템이 건설 중이었다.[14] 전기 기관차를 이용해 흙을 실은 철도 차량을 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시키는 방식도 연구되었다.[123][82][68][100] 그 외에도 레일[123][15], 크레인[16], 엘리베이터[17]를 이용하거나, 고고도 태양열 풍선[18], 해상 바지선[19] 등을 이용하는 다양한 방법이 제안되고 있다.

=== 화학적 저장 ===

화학 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 방식이다.

==== 수소 저장 ====

수소는 재생 가능 에너지와 연계하여 주목받는 에너지 저장 매체이다. 재생 가능 에너지로 생산된 전력을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 얻고, 필요할 때 연료전지를 통해 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산한다. 수소는 연소 시 이산화탄소(CO₂) 배출 없이 물만 생성하므로 친환경적이다.[147] 수소 저장은 재생 가능 에너지 보급 확대에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

수소는 탱크에 저장하거나 지하 수소 저장(동굴, 암염돔, 고갈된 유전 등 활용) 방식으로 대량 저장이 가능하다.[149] 저장된 수소는 고정된 장소에서 발전에 사용될 수도 있고, 탱크로 운송하여 수소 자동차 등에 활용될 수도 있다. 뉴펀들랜드 래브라도주의 라메아 섬[148], 노르웨이의 우치라 섬 등에서 풍력 발전과 연계한 수소 저장 실증 프로젝트가 진행되었다.

수소 저장 시스템 구축 시에는 에너지 손실과 안전 문제(수소 누출 방지 등)를 고려해야 한다.[147] 물을 전기분해하여 수소를 생산하고 이를 다시 전력으로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 발생한다.[151] 1kg의 수소를 생산하는 데 약 50kWh(180 MJ)의 전력이 필요하다.

==== 메탄 저장 (Power-to-Gas) ====

배터리 저장 시스템과 가스터빈을 결합하여 피크 전력 수요에 대응하는 하이브리드 시스템 예시. 재생에너지 잉여 전력을 활용한 Power-to-gas 기술과 연계될 수 있다.


Power-to-gas 기술은 전력을 이용하여 수소나 메탄(CH₄)과 같은 기체 연료를 생산하여 에너지를 저장하는 방식이다. 먼저, 전기분해로 물에서 수소(H₂)와 산소(O₂)를 생산한다(2H₂O → 2H₂ + O₂). 생산된 수소는 천연가스망에 직접 주입하거나 운송용으로 사용할 수 있다.

또는 사바티에 반응 등을 통해 수소와 이산화탄소(CO₂)를 반응시켜 메탄(CH₄)과 물(H₂O)을 생산할 수 있다(CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O). 메탄은 수소보다 저장 및 운송이 용이하고 기존의 천연가스 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 생산된 메탄은 저장했다가 필요할 때 연소시켜 발전한다(CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O). 이 과정에서 발생하는 CO₂와 물을 다시 메탄 생산에 재활용하면 이론적으로 탄소 중립적인 순환 시스템을 구축할 수 있다.

==== 기타 화학적 저장 ====

  • 바이오연료: 식물이나 미생물 등 바이오매스를 변환하여 만든 연료 형태로 에너지를 저장한다.
  • 과산화수소: 분해 시 산소와 물을 생성하며 에너지를 방출하는 특성을 이용한다.


=== 전기화학적 저장 (배터리) ===

전기화학 반응을 이용하여 에너지를 저장하고 방출하는 방식으로, 주로 충전식 배터리 형태를 사용한다. 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템을 BESS(Battery Energy Storage System)라고 부르며, 일반적으로 ESS라고 하면 BESS를 지칭하기도 한다.

  • 리튬 이온 배터리: 높은 에너지 밀도와 효율로 현재 가장 널리 사용되는 방식이다.
  • 납축전지: 역사가 오래되고 비용이 저렴하지만, 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧은 편이다.
  • 흐름 전지(플로우 배터리): 전해액 탱크의 크기를 조절하여 에너지 저장 용량을 유연하게 확장할 수 있다. 바나듐 이온 배터리[164] 등이 여기에 속한다.
  • 나트륨-황 전지(NaS 전지): 고온에서 작동하며 대용량 저장에 적합하다.
  • 울트라배터리: 납축전지와 슈퍼커패시터를 결합한 형태이다.


=== 전기적 저장 ===

전기장이나 자기장 형태로 에너지를 직접 저장하는 방식이다.

==== 축전기 (커패시터) ====

고출력, 고속 방전이 가능한 특수 축전기 예시. 염료 레이저 등에 사용된다.


축전기(커패시터)는 두 개의 전도체(판) 사이에 유전체(절연체)를 넣고 전기장 형태로 에너지를 저장하는 수동 소자이다.[107] 전압이 가해지면 각 판에 양전하와 음전하가 축적되어 에너지가 저장된다. 축전기는 빠른 충방전이 가능하지만, 일반적으로 배터리에 비해 에너지 저장 용량(에너지 밀도)은 작다. 예를 들어 일반적인 축전기는 킬로그램당 360줄 미만의 에너지를 저장하는 반면, 알칼리 건전지는 약 590kJ/kg을 저장한다. 축전기는 전자기기의 일시적인 전원 공급(예: 배터리 교체 시 메모리 유지) 등에 사용된다.[107] 유전체에 전하를 저장하는 방식[29]이나 자가 치유 기능을 가진 새로운 축전기[30][31], 나노 크기 축전기의 양자 효과를 이용한 디지털 양자 배터리[32][127][72] 등에 대한 연구도 진행 중이다.

==== 슈퍼커패시터 (울트라커패시터) ====

슈퍼커패시터로 구동되는 전기 버스(Capabus). 2010 상하이 엑스포에서 운행되었다.


슈퍼커패시터(전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 울트라커패시터라고도 함)는 일반 축전기보다 훨씬 큰 정전용량을 가지는 전기화학적 커패시터이다.[73] 이중층 정전용량과 슈도커패시턴스 원리를 이용하여 에너지를 저장한다.[91][88]

슈퍼커패시터는 배터리보다 에너지 밀도는 낮지만(배터리의 약 10%), 전력 밀도는 10~100배 더 높아 매우 빠른 충방전이 가능하다. 또한 수백만 번 이상의 충방전 사이클을 견딜 수 있어 수명이 매우 길다.[73] 이러한 특성 덕분에 SRAM 메모리 백업, 자동차나 기차 등의 제동 에너지 회수, 단기적인 고출력 공급 등 다양한 분야에 활용된다.

==== 초전도 자기 에너지 저장 (SMES) ====

초전도 자기 에너지 저장(SMES)은 초전도체 코일에 직류 전류를 흘려 생성된 자기장에 에너지를 저장하는 방식이다. 초전도 코일을 임계 온도 이하로 냉각시키면 전기 저항이 '0'이 되어 전류가 손실 없이 흐르면서 에너지를 거의 영구적으로 저장할 수 있다.[92]

SMES 시스템은 초전도 코일, 전력 변환 시스템, 냉각 장치로 구성된다. 저장된 에너지는 코일을 방전시켜 전력망으로 방출하며, 이 과정에서 약 2~3%의 손실만 발생한다. 따라서 SMES는 95% 이상의 매우 높은 왕복 효율을 가진다.[71] 하지만 냉각 시스템 유지 비용과 초전도선 비용 때문에 주로 전력 품질 개선이나 계통 안정화 등 단시간의 대용량 전력 제어 용도로 사용된다.[92]

=== 열적 저장 ===

오스트리아 하부 크렘스 암 도나우 근처 타이스의 지역 난방 축열탑(열 용량 2GWh)


축열은 열에너지를 저장했다가 필요할 때 사용하는 방식이다. 열을 저장하거나(난방용), 반대로 냉기를 저장하는(냉방용) 방식 모두 가능하다.

==== 빙축열 ====

얼음 저장식 에어컨(빙축열)은 심야의 저렴한 전력을 이용하여 밤새 얼음을 얼려 저장했다가, 낮 시간 동안 이 얼음을 녹여 발생한 냉기로 건물의 냉방에 활용하는 방식이다. 물보다 얼음이 더 적은 부피로 많은 냉각 에너지를 저장할 수 있으며, 상대적으로 저렴한 비용으로 주간 최대 전력 부하를 줄이는 데 기여한다. 전 세계적으로 널리 사용되는 열 저장 방식 중 하나이다.

==== 고온 열 저장 ====

  • 용융염 열 저장: 태양열 발전 등에서 태양열로 용융염을 가열하여 고온 상태로 단열 탱크에 저장했다가, 필요할 때 이 열을 이용하여 물을 증기로 만들어 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 태양 연못도 유사한 원리를 이용한다.
  • 증기 축압기: 증기를 고압 상태로 저장했다가 필요할 때 방출하여 사용하는 방식이다.
  • 기타: 상변화 물질(PCM)을 이용한 잠열 저장, 계절 열 에너지 저장(UTES), 벽돌 열 저장 난방기 등 다양한 방식이 있다.


==== 극저온 에너지 저장 ====

극저온 에너지 저장(LAES, 액체 공기 에너지 저장)은 공기를 액화시켜 극저온 상태로 저장했다가, 필요할 때 기화시키면서 팽창하는 힘을 이용해 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 액체 질소 엔진도 유사한 원리를 활용한다.

3. 2. 기계적 저장

태양광 또는 다른 재생에너지는 전기 배터리와 같은 장치에 저장되는 잠재 에너지로 변환된다. 저장된 잠재 에너지는 나중에 전력망에 추가되는 전기로 변환되며, 원래 에너지원을 사용할 수 없는 경우에도 마찬가지이다. 양수발전 시스템에서는 에너지원에서 나온 에너지를 사용하여 중력에 역행하여 물을 위로 끌어올려 잠재 에너지를 부여하고, 나중에 전력망에 공급되는 전기로 변환된다.


기계적 에너지 저장은 전기에너지를 위치 에너지(물을 높은 곳으로 퍼 올리거나 고체 물질을 들어 올리는 방식), 운동 에너지(플라이휠 회전) 또는 탄성 에너지(압축 공기) 형태로 변환하여 저장했다가 필요할 때 다시 전기에너지로 변환하는 방식이다. 주요 상용 기계적 저장 방법으로는 양수발전, 압축 공기 에너지 저장, 플라이휠 에너지 저장, 중력 배터리 등이 있다.

세인트 아담 벡 발전소 단지는 캐나다 나이아가라 폭포에 위치하며, 최대 수요 시기에 추가로 174 MW의 전력을 공급하기 위한 대규모 양수발전 저수지를 포함하고 있다.

양수 발전(Pumped Hydro Storage, PHS)은 전 세계적으로 가장 큰 용량을 가진 전력계통 에너지 저장 방식으로, 2012년 3월 기준 전 세계 대용량 저장 용량의 99% 이상(약 127,000 MW)을 차지한다.[83] 이 방식은 전력 수요가 낮은 시간대에 남는 전력을 이용해 낮은 곳의 물을 높은 저수지로 퍼 올려 위치 에너지 형태로 저장한다. 이후 전력 수요가 증가하면 저장된 물을 아래로 방류하면서 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 양수 발전의 에너지 효율은 일반적으로 70%에서 80% 사이이며,[83][129][104][131] 최대 87%에 달한다는 보고도 있다.[93] 대부분의 시설은 두 개의 저수지 사이의 높이 차이를 이용하며, 펌프와 터빈 기능을 모두 수행하는 가역식 터빈-발전기(주로 프란시스 터빈 설계)를 사용한다. 순수 양수발전소는 오직 저수지 사이의 물 이동만을 통해 작동하지만, 기존 수력 발전소에 양수 기능을 결합한 '혼합 양수 방식'도 있다. 저수지가 있는 수력발전 댐 역시 양수 발전과 유사하게 운영될 수 있다. 수요가 적을 때 물을 저장했다가 수요가 많을 때 방류하여 발전하는 방식이다. 이는 다른 발전원에서 생산된 에너지를 직접 저장하는 것은 아니지만, 전력 과잉 시 발전을 줄이고 필요시 발전량을 늘림으로써 에너지 저장과 유사한 효과를 낸다. 펌핑 손실이 없기 때문에 효율적인 방식 중 하나이며, 수력 터빈은 몇 분 안에 가동될 수 있다.[6]
압축 공기 에너지 저장(Compressed Air Energy Storage, CAES)은 잉여 에너지를 사용하여 공기를 압축하고, 이를 지하 저장소(주로 염상돔)에 저장했다가 필요할 때 방출하여 터빈을 돌려 전력을 생산하는 기술이다.[7] 소규모 시스템은 과거 광산 기관차 추진 등에 사용된 역사가 있다. CAES는 재생 가능 에너지원의 간헐성을 보완하고 전력 생산 변동성과 부하 사이의 간극을 메우는 데 유용하다. 전력 공급이 부족할 때 저장된 압축 공기를 사용하여 즉시 에너지를 공급할 수 있다.[8] 공기를 압축하면 열이 발생하고, 팽창 시에는 열이 필요하다(흡수된다). 압축 과정에서 발생하는 열을 저장했다가 팽창 과정에서 사용하면 시스템 효율을 크게 향상시킬 수 있다.[115] 이를 위해 단열, 준단열, 등온 방식 등 다양한 열 관리 방법이 연구되고 있다. 압축 공기를 이용한 압축공기 자동차 연구도 진행 중이다.[66][89][159] 앨라배마주 맥킨토시에는 1991년 건설된 CAES 시설이 성공적으로 운영되고 있다.
플라이휠 에너지 저장(Flywheel Energy Storage, FES) 시스템은 회전자(플라이휠)를 매우 높은 속도로 회전시켜 회전 에너지 형태로 에너지를 저장한다. 에너지를 저장할 때는 전동기로 플라이휠의 회전 속도를 높이고, 에너지를 방출할 때는 플라이휠의 회전 에너지를 이용해 발전기를 돌려 전기를 생산한다. 이 과정에서 에너지 보존 법칙에 따라 플라이휠의 속도는 변한다. 기계 에너지를 직접 사용하는 방식도 고려되고 있다.[9] 최신 FES 시스템은 고강도 탄소 섬유 복합재로 만들어진 회전자를 사용하며, 자기 베어링으로 지지되어 진공 용기 안에서 분당 20,000회에서 50,000회 이상의 속도로 회전한다.[10] 이러한 플라이휠은 몇 분 안에 최대 속도에 도달할 수 있다. FES는 수명이 매우 길고(수십 년간 유지보수 거의 불필요[10], 105회 ~ 107회 사이클 가능[11]), 높은 비에너지(100–130 W·h/kg 또는 360–500 kJ/kg)[11][12] 및 전력 밀도를 가지는 장점이 있다.
고체 질량 중력식 저장(중력 배터리)은 고체 질량의 높이를 변화시켜 에너지를 저장하거나 방출한다. 전동기/발전기로 구동되는 승강 시스템을 사용하여 무거운 물체를 위로 들어 올려 위치 에너지 형태로 에너지를 저장하고, 필요시 물체를 아래로 내리면서 발전한다. 에너지 방출은 1초 만에 시작될 수 있어, 전력망의 부하 급증을 완화하는 보조 공급원으로 유용할 수 있다.[13] 저장된 에너지의 회수 효율은 최대 85%에 달할 수 있다.[16] 이 방식은 기존의 수직 갱도나 특수하게 건설된 타워 내부에 질량을 배치하여 구현할 수 있다. 무거운 추를 감아 올려 에너지를 저장하고 제어된 하강을 통해 에너지를 방출하는 방식이다. 2020년 스코틀랜드 에든버러에서는 시제품 수직 저장 시스템이 건설 중이었다.[14] 2013년 캘리포니아 독립 시스템 운영자는 전기 기관차를 이용해 토사를 채운 호퍼 철도 차량을 저지대에서 고지대로 이동시키는 방식의 중력 에너지 저장을 연구했다.[82][68][100][123] 그 외 제안된 방법으로는 레일,[123][15] 크레인,[16] 엘리베이터[17]를 이용하거나, 고고도 태양열 풍선 플랫폼[18], 해상 바지선 윈치[19] 등을 활용하는 방법이 있다. 질량을 이용한 에너지 저장은 에너지 밀도 측면에서 잠재력을 가진다. 예를 들어, 1kg의 질량을 1000m 들어 올리면 9.81kJ의 에너지를 저장할 수 있으며, 이는 1kg의 물 온도를 2.34°C 상승시키는 에너지와 같다. 부피 측면에서 보면, 1m³의 저렴한 암석이나 콘크리트 덩어리를 높은 곳으로 이동시키는 것이 1m³의 납축전지보다 더 많은 에너지를 저장할 수도 있다.[160]

3. 3. 전기화학적 저장 (배터리)

데이터 센터에서 무정전 전원장치(UPS)로 사용되는 충전식 배터리 뱅크


화학적 에너지 저장 방식 중 하나인 배터리 형식의 에너지 저장 시스템(ESS)은 BESS(Battery Energy Storage System)라고 불리며, 일반적으로 ESS라고 하면 BESS를 가리키는 경우가 많다.

충전식 배터리는 하나 이상의 전기화학 전지로 구성된다. 전기화학적 화학 반응이 전기적으로 가역적이기 때문에 '이차 전지'라고도 불린다. 충전식 배터리는 버튼 전지부터 메가와트급 전력망 연계 시스템까지 다양한 모양과 크기로 제작된다.

충전식 배터리는 일회용(비충전식) 배터리보다 총 사용 비용이 저렴하고 환경에 미치는 영향도 적다. 일부 충전식 배터리는 일회용 배터리와 동일한 형태로 제공되기도 한다. 초기 구매 비용은 높지만, 매우 저렴하게 충전하여 여러 번 재사용할 수 있다는 장점이 있다.

주요 충전식 배터리 종류는 다음과 같다.

  • 납축전지: 현재 전기 저장 시장에서 가장 큰 비중을 차지한다. 단일 전지는 충전 시 약 2V의 전압을 생성한다. 충전 상태에서는 금속 납으로 된 음극과 황산납으로 된 양극이 묽은 황산(H2SO4) 전해질에 담겨 있다. 방전 시에는 전자가 이동하면서 음극에서 황산납이 생성되고 전해질은 물로 환원된다. 납축전지 기술은 오랫동안 개발되어 왔으며, 유지보수가 비교적 간단하고 비용이 저렴하다. 그러나 에너지 용량이 빠르게 감소하고 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.[23]
  • 니켈-카드뮴 전지(NiCd): 수산화 니켈과 금속 카드뮴을 전극으로 사용한다. 카드봠은 독성 물질로 분류되어, 2004년 유럽 연합에서는 대부분의 용도에서 사용이 금지되었다. 현재는 니켈-금속 수소화물(NiMH) 배터리로 거의 대체되었다.
  • 니켈-금속 수소화물 전지(NiMH): 1989년에 처음 상용화되었다.[63] 현재 일반 소비자용 및 산업용으로 널리 사용된다. 유해한 카드뮴 대신 수소를 흡수하는 합금을 음극으로 사용한다.
  • 리튬 이온 전지: 많은 소비자 가전제품에 사용되며, 단위 질량당 에너지 저장 용량(비에너지)이 가장 높은 배터리 중 하나이다. 또한 사용하지 않을 때 자기 방전이 매우 느리다는 장점이 있다.
  • 리튬 이온 폴리머 전지: 무게가 가볍고 원하는 모양으로 제작하기 용이하다.
  • 알루미늄-황 전지: 암염 결정 전해질을 사용하며, 주재료인 알루미늄과 황은 지구상에 풍부하여 기존 리튬 기반 배터리보다 훨씬 저렴하게 만들 수 있는 잠재력이 있다.[24]
  • 흐름 전지(플로우 배터리)
  • NaS 전지
  • 바나듐 이온 배터리[164]


슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 울트라커패시터라고도 불리며, 고체 유전체 대신 전해질을 사용하는 전기화학적 커패시터의 한 종류이다.[73] 저장 용량은 전극과 전해질 계면의 전기 이중층에 전하를 저장하는 방식과 전극 표면의 화학 반응을 이용하는 유사 정전용량(pseudocapacitance) 방식에 의해 결정된다.[91][88]

슈퍼커패시터는 기존 커패시터와 충전식 배터리 사이의 성능 영역을 담당한다. 커패시터 중에서는 단위 부피 또는 질량당 가장 많은 에너지를 저장(에너지 밀도)할 수 있다. 최대 10,000 패럿/1.2V 용량을 지원하며,[85] 이는 전해 커패시터의 최대 10,000배에 달하는 수치이다. 하지만 단위 시간당 출력(전력 밀도)은 배터리의 절반 수준에 미치지 못한다.[73]

슈퍼커패시터의 에너지 밀도는 배터리의 약 10% 수준이지만, 전력 밀도는 일반적으로 배터리보다 10배에서 100배 더 크다. 이 덕분에 매우 빠른 충전과 방전이 가능하며, 배터리보다 훨씬 많은 충방전 횟수를 견딜 수 있다.

슈퍼커패시터는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.

  • SRAM과 같은 메모리의 데이터 보존을 위한 저전류 백업 전원
  • 자동차, 버스, 기차, 크레인, 엘리베이터 등에서 회생 제동을 통한 에너지 회수, 단시간 에너지 저장 및 순간적인 고출력 공급

3. 4. 열적 저장

열에너지 저장(TES)은 열을 일시적으로 저장하거나 제거하는 기술이다.
현열 저장재료가 가진 현열을 이용하여 에너지를 저장하는 방식이다.[20] 온도를 변화시켜 에너지를 저장하고 필요할 때 다시 열을 추출하여 사용한다.
잠열 저장잠열 열에너지 저장(LHTES) 시스템은 재료의 상(相) 변화 과정에서 열을 흡수하거나 방출하는 원리를 이용한다. 상 변화는 물질이 고체에서 액체로 녹거나(융해), 액체에서 고체로 굳거나(응고), 액체에서 기체로 변하거나(기화), 기체에서 액체로 변하는(액화) 과정을 의미한다. 이러한 목적으로 사용되는 재료를 상변화물질(PCM, Phase Change Material)이라고 부른다. PCM은 특정 온도에서 상 변화를 일으킬 때, 온도가 변하면서 저장되는 현열보다 훨씬 많은 에너지(잠열)를 흡수하거나 방출할 수 있어 에너지 저장 효율이 높다.[22]

  • 증기 축열기: 물이 액체에서 기체로 변할 때의 기화 잠열을 이용하는 LHTES의 한 종류이다.
  • 얼음 저장 냉방: 전기 요금이 저렴한 심야 시간대에 전력을 사용하여 물을 얼음으로 만들어 냉기를 저장한다. 저장된 냉기는 낮 시간대에 얼음이 녹으면서 방출되어 냉방에 활용될 수 있다.

계절열에너지저장 (STES)계절열에너지저장(STES, Seasonal Thermal Energy Storage)은 폐열이나 자연 에너지원(예: 태양열)에서 얻은 열 또는 냉기를 저장했다가 몇 달 후에 사용하는 기술이다. 저장 매체로는 밀폐된 대수층, 모래나 암반 지층에 설치된 시추공 군집, 자갈과 물로 채워진 인공 구덩이, 폐광 등이 활용될 수 있다.[128] STES 프로젝트는 일반적으로 4년에서 6년 사이에 초기 투자 비용을 회수할 수 있다.[94]

  • 드레이크 랜딩 솔라 커뮤니티 (캐나다): 각 주택 차고 지붕에 설치된 태양열 집열기를 통해 연간 난방 에너지의 97%를 공급받는다. 이는 땅속에 시추공을 뚫어 열을 저장하는 방식(BTES, Borehole Thermal Energy Storage)을 통해 가능하다.[130][78][21]
  • 브레드스트룹 지역난방 (덴마크): 지역 태양열 난방 시스템에서 65°C의 온도로 STES를 활용한다. 잉여 풍력 에너지가 발생할 때 히트펌프를 가동하여 저장된 열의 온도를 80°C까지 높여 공급한다. 풍력 에너지가 부족할 때는 가스 보일러를 보조적으로 사용한다. 이 시스템을 통해 브레드스트룹 지역 난방 에너지의 약 20%를 태양열로 충당한다.[126]

극저온 에너지 저장공기를 전기로 냉각시켜 액체 상태로 만든 후, 극저온 상태로 저장하는 방식이다. 저장된 액체 공기는 필요할 때 터빈을 통해 팽창시키면서 다시 전기 에너지로 변환된다. 이 기술은 2012년 영국에서 파일럿 플랜트를 통해 시연되었다.[102] 2019년, 하이뷰(Highview) 사는 영국 북부와 미국 버몬트주 북부에 각각 50MW 출력, 250~400 MWh(5~8시간 지속) 저장 용량의 극저온 에너지 저장 시설 건설 계획을 발표했다.[103]
카르노 배터리전기 에너지를 저항 가열 방식이나 히트펌프를 이용해 열에너지로 변환하여 저장하고, 저장된 열은 랭킨 사이클이나 브레이턴 사이클과 같은 열기관을 통해 다시 전기로 변환하는 기술이다.[81] 이 기술은 기존의 석탄 화력 발전소를 화석 연료 없이 운영 가능한 발전 시스템으로 전환하는 방안으로 연구되고 있다.[1] 즉, 석탄 보일러를 재생에너지원에서 생산된 잉여 전력으로 가열되는 고온 열 저장 장치로 대체하는 방식이다. 2020년 독일 항공우주센터는 세계 최초의 대규모 카르노 배터리 시스템(1,000 MWh 저장 용량) 건설을 시작했다.[1]
축열축열(蓄熱)은 나중에 사용하기 위해 일시적으로 열을 저장하거나, 반대로 열을 제거하여 냉기를 저장하는 것을 의미한다. 예를 들어 낮 동안 태양열을 모아 밤에 난방에 사용하거나, 야간의 저렴한 전력으로 얼음을 만들어 낮 시간 냉방에 활용하는 방식 등이 있다.

3. 5. 화학적 저장



화학적 에너지 저장은 에너지를 화학 결합의 형태로 저장하는 다양한 기술을 포함한다.

'''Power-to-Gas (P2G)'''

Power-to-gas는 전력을 사용하여 물을 전기분해하여 수소(H₂)를 생산하고, 이 수소를 직접 사용하거나 다른 기체 연료로 변환하는 기술이다. 주요 방법은 다음과 같다.

# '''수소 직접 활용''': 생산된 수소를 천연가스 그리드에 직접 주입하거나 수송 연료로 사용한다.

# '''메탄화''': 사바티에 반응이나 생물학적 메탄화 과정을 통해 수소를 이산화탄소(CO₂)와 반응시켜 메탄(CH₄)을 생산한다. 이 과정에서 약 8%의 추가 에너지 변환 손실이 발생하며, 생산된 메탄은 천연가스 그리드에 공급될 수 있다.

# '''바이오가스 품질 향상''': 바이오가스 발전소나 목재 가스 발전기에서 나오는 배출 가스를 전기분해로 얻은 수소와 혼합하여 바이오가스의 질을 높인다.

'''Power-to-Liquid (P2L)'''

파워투리퀴드(Power-to-liquid)는 P2G와 유사하게 전력으로 수소를 생산한 뒤, 이를 메탄올이나 암모니아와 같은 액체 연료로 변환하는 기술이다. 액체 연료는 기체보다 취급이 용이하고 안전 관리가 비교적 수월하다는 장점이 있다. 이 기술은 수송 분야, 특히 항공기 연료로 활용될 가능성이 있으며, 산업 및 발전 부문에서도 사용될 수 있다.[27]

'''바이오연료'''

바이오디젤, 식물성 기름, 알코올 연료, 바이오매스 등 다양한 바이오연료는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 저장 형태이다. 석탄, 천연가스, 동식물 바이오매스, 유기 폐기물 등에 포함된 탄소와 수소를 화학적으로 처리하여 기존 연료를 대체할 수 있는 짧은 탄화수소 연료(예: 피셔-트롭슈 디젤, 메탄올, 디메틸 에테르, 합성가스)를 만들 수 있다. 이러한 합성 연료는 제2차 세계 대전 당시 원유 확보가 어려웠던 독일에서 널리 사용되었으며,[87] 현재 남아프리카공화국에서는 석탄을 이용해 디젤 연료를 생산하고 있다.[162] 장기적으로 국제 유가가 배럴당 35USD 이상을 유지한다면 이러한 합성 액체 연료의 대규모 생산이 경제성을 가질 수 있다.[87] 다만, 연료 전환 과정에서 에너지 손실이 발생한다.

'''수소 저장'''

수소는 재생에너지와 연계하여 중요한 에너지 저장 매체로 주목받는다. 물을 전기분해하여 수소를 얻고, 필요시 연료전지를 통해 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산하는 방식이다. 수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않고 물만 생성하여 환경 친화적이라는 큰 장점이 있다.[147]

수소 저장은 날씨에 따라 발전량이 변동하는 태양광이나 풍력 등 재생에너지의 단점을 보완하여 전력망의 안정성을 높이는 데 기여할 수 있다. 특히 전력 수요의 20% 이상을 재생에너지로 충당할 경우 수소 저장의 중요성은 더욱 커진다. 캐나다 뉴펀들랜드 래브라도주의 Ramea 섬(2007년부터)과 노르웨이의 Utsira 섬(2004년부터) 등에서 풍력 발전과 연계한 수소 저장 시스템 실증 프로젝트가 진행된 바 있다.[148] 생산된 수소는 고정된 장소에 저장하거나 탱크로 운송하여 에너지 수송 수단으로 활용할 수도 있으며, 수소 자동차의 연료로도 사용된다. 일본의 도요타자동차, 가와사키중공업, 이와타니산업 등은 수소 공급망 구축을 추진하고 있다.

수소는 탱크에 저장하는 방식 외에도 지하 수소 저장 방식을 통해 동굴, 암염돔, 고갈된 유전이나 가스전에 대량으로 저장할 수 있다. 영국의 ICI는 지하 동굴에 대량의 수소를 문제없이 저장한 경험이 있다.[149] 지하 저장은 잉여 전력을 효과적으로 저장하는 방법이 될 수 있으며, 수소를 200바까지 압축하는 데 필요한 에너지는 저장되는 수소 에너지의 약 2.1% 수준이다.[150]

다만 수소 저장은 몇 가지 고려 사항이 있다. 저장 시설에서의 수소 누출 가능성에 주의해야 하며,[147] 전기분해, 액화 또는 압축, 그리고 다시 전력으로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 발생한다.[151] 또한 수소 생산에는 상당한 전력이 소모된다. 1kg의 수소를 생산하는 데 약 50kWh의 전력이 필요하며, 이는 수소의 경제성을 결정하는 중요한 요소이다. 미국에서는 피크 시간 외 전기 요금이 kWh당 0.03달러일 경우, 1kg의 수소를 만드는 데 1.5달러의 전기가 필요하다. 이는 미국에서 1.5달러 어치의 휘발유를 자동차에 사용했을 때의 주행 가능 거리와 유사한 수준이다.

'''탄화수소 합성'''

대기 중의 이산화탄소를 이용하여 탄화수소 연료를 합성하는 기술도 연구되고 있다. 이 과정에는 인공 광합성(태양광 이용), 태양광 발전, 태양열, 원자력 등 외부 에너지원이 필요하다.[153][154][155][156] 합성된 탄화수소 연료는 수소보다 부피가 작고 기존 엔진 및 연료 인프라와 호환된다는 장점이 있다. 이 기술은 연료를 생산하는 동안 대기 중 이산화탄소를 포집하고, 연소 시에는 포집했던 양만큼의 이산화탄소를 배출하므로 이론적으로 탄소 중립적인 연료 순환 시스템을 구축할 수 있다. 만약 연료 소비량보다 더 많은 양을 생산할 수 있다면 온실 효과 완화에도 기여할 수 있다. 이러한 합성 연료는 특히 항공기 연료나 플라스틱과 같은 산업 원료로서 석유를 대체할 미래 기술로 주목받는다.

'''메탄 생산 및 활용'''

메탄(CH₄)은 가장 단순한 탄화수소로, 재생에너지를 이용해 생산할 수 있다. 수소보다 저장 및 운송이 용이하며 연소 기술이 잘 확립되어 있다. 메탄 생산은 주로 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다.

# 물 전기분해: 2H₂O -> 2H₂ + O₂

# 사바티에 반응: CO₂ + 4H₂ -> CH₄ + 2H₂O (생산된 수소와 이산화탄소를 반응시켜 메탄 생성)

생산된 메탄은 저장했다가 필요할 때 발전에 사용한다. 이 과정에서 발생하는 물은 다시 전기분해에 사용하고, 이산화탄소는 사바티에 반응에 재활용할 수 있다. 또한 전기분해 시 발생하는 산소를 저장했다가 메탄 연소에 사용하면 질소산화물 생성을 억제할 수 있다. 메탄 연소 시 발생하는 이산화탄소(CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O)가 다시 메탄 생산에 재활용되므로, 전체 시스템은 온실가스 배출 없이 에너지를 저장하고 사용하는 순환 구조를 형성할 수 있다.

'''기타 화학적 저장'''

붕소(B), 규소(Si), 아연(Zn)과 같은 원소들도 에너지 저장 매체로서의 가능성이 연구되고 있다. 또한, 유기 화합물인 노르보르나디엔은 빛 에너지를 흡수하여 쿼드리실란이라는 이성질체로 변환되면서 화학 결합 에너지 형태로 태양 에너지를 저장할 수 있다. 스웨덴에서는 이를 이용한 분자 태양열 시스템이 개발되었다.[28]

4. 전력 에너지 저장

전력 에너지는 생산되는 즉시 소비되어야 하는 특성 때문에 그 자체로 저장하기는 어렵다. 하지만 전력망 운영의 안정성과 효율성을 높이기 위해, 생산된 전력을 다른 형태의 에너지로 변환하여 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS)이 필수적이다. 이러한 시스템은 발전소, 송배전망, 또는 최종 소비자에 설치되어 전력 공급과 수요의 균형을 맞추는 데 중요한 역할을 한다. 주요 기능으로는 전력망의 주파수 조정, 전력 수요가 최고조에 달할 때 저장된 에너지를 공급하여 발전 설비 부담을 줄이는 첨두부하 저감(Peak Shaving), 시간대별 전력 부하 차이를 줄여 발전 설비 이용률을 높이는 부하 평준화(Load Leveling), 그리고 갑작스러운 정전 시 전력을 공급하는 비상 전원 기능 등이 있다.[145] 특히, 발전량이 날씨나 시간에 따라 변동하는 재생에너지의 비중이 커지면서, 안정적인 전력 공급을 위한 에너지 저장 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다.

현재 전 세계적으로 가장 큰 규모를 차지하는 전력 저장 방식은 양수 발전이다. 이는 전력 수요가 낮고 전기 요금이 저렴한 시간대에 남는 전력을 이용해 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 위치 에너지 형태로 저장했다가, 전력 수요가 높은 시간대에 이 물을 방류하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 원리다. 전 세계 전력 저장 용량의 약 94%를 양수 발전이 담당하고 있으며,[144] 미국 워싱턴주나 오리건주, 영국 웨일스, 일본, 노르웨이 등 여러 국가에서 널리 활용되고 있다.

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양수 발전 외에도 다양한 기술들이 전력 저장을 위해 개발되거나 활용되고 있다.

  • 배터리: 리튬 이온 배터리 등을 이용한 에너지 저장 시스템(ESS)은 유틸리티 규모의 부하 평준화 및 주파수 조정 용도로 활용이 증가하고 있다.[112]
  • 플라이휠: 전동기로 무거운 플라이휠(회전체)을 고속으로 회전시켜 운동 에너지 형태로 전력을 저장하는 방식이다.
  • 압축 공기 에너지 저장(CAES): 잉여 전력을 이용해 공기를 압축하여 지하의 거대한 공간에 저장했다가, 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈을 돌려 발전하는 방식이다.
  • 열에너지 저장(TES): 용융염이나 세라믹 등 열을 저장할 수 있는 매체를 이용하여 에너지를 열 형태로 저장하는 기술로, 특히 집광형 태양열 발전(CSP)과 연계하여 활용된다.[118]
  • 초전도 자기 에너지 저장(SMES): 초전도체 코일에 직류 전류를 흘려 자기장 형태로 에너지를 저장하는 기술이다. 에너지 손실이 적어 효율은 높지만,[71] 극저온 냉각 비용 등으로 인해 주로 단기 저장이나 전력 품질 개선 용도로 사용된다.[92]
  • 중력 저장: 남는 전력을 이용해 무거운 물체를 들어 올려 위치 에너지로 저장했다가, 필요시 하강시키며 발전하는 방식이다.[146]
  • 전력-가스 변환(P2G): 잉여 전력으로 수소나 메탄을 생산하여 천연가스 배관망 등을 통해 저장하는 기술이다.[124][109]


탈탄소 정책과 재생에너지 보급이 전 세계적으로 가속화됨에 따라, 안정적인 전력 공급을 위한 대규모 에너지 저장 기술의 역할은 더욱 중요해질 것으로 전망된다. 스마트 그리드와 연계하여 다양한 에너지 저장 기술을 효율적으로 활용하기 위한 연구와 투자가 활발히 이루어지고 있다.[145]

4. 1. 신재생 에너지와의 연계

기후 변화와 대기 오염, 에너지 수입 의존도 문제에 대한 우려가 커지면서 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 재생에너지의 사용이 늘어나고 있다.[3] 하지만 이러한 재생에너지는 발전량을 통제하기 어렵고, 날씨나 시간에 따라 발전량이 크게 변동하는 간헐성이라는 특징을 가진다.[112] 예를 들어, 풍력 발전은 바람이 불 때만 전기를 생산하며, 태양광 발전은 낮 시간, 특히 구름이 없을 때만 가능하지만 전력 수요는 해가 진 후에 최고조에 달하는 경우가 많다(덕 커브 참조).[4]

이러한 재생에너지의 간헐성 문제를 해결하고 안정적인 전력 공급을 위해서는 생산된 전기를 저장했다가 필요할 때 사용하는 에너지 저장 기술이 중요하다. 전기는 생산되는 즉시 사용하거나 저장 가능한 형태로 변환해야 하기 때문이다.[99] 에너지 저장은 재생에너지 발전량이 수요를 초과할 때 잉여 전력을 저장하고, 반대로 발전량이 부족할 때 저장된 전력을 공급함으로써 전력망의 안정성을 높이고 효율성을 증대시킨다. 재생에너지 산업이 전체 에너지 소비에서 차지하는 비중이 커지면서 에너지 저장의 중요성은 더욱 부각되고 있으며,[4] 2023년 블룸버그NEF는 2030년까지 에너지 저장 시스템 설치 규모가 연평균 27%씩 성장할 것으로 예측했다.[5]

재생에너지와 연계하여 활용되는 주요 에너지 저장 방식은 다음과 같다.

  • 수력 발전: 대규모 댐은 오랫동안 에너지 저장 시설 역할을 해왔다.[2] 댐 뒤의 큰 저수지는 계절이나 연도별 강수량 변화에 따른 강의 유량을 조절하며 안정적인 전력 생산을 가능하게 한다. 간헐적인 재생에너지원에서 생산된 전력을 직접 저장하지는 않지만, 태양광이나 풍력 발전량이 많을 때 수력 발전소의 출력을 낮추고 물을 저장함으로써 전체 전력망의 균형을 맞추는 중요한 역할을 한다.

  • 양수 발전: 현재 전력망에서 가장 널리 사용되는 대규모 에너지 저장 방식이다.[112] 지형적 특징을 이용해 상부와 하부에 저수지를 만들고, 전력 수요가 낮고 전기 요금이 싼 시간대에 남는 전기를 이용해 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올린다. 이후 전력 수요가 높을 때 상부 저수지의 물을 방류하여 발전기를 돌려 전기를 생산한다. 노르웨이, 일본, 미국 등 여러 국가에서 활용되고 있다.[112]

  • 열에너지 저장: 집광형 태양열 발전(CSP)과 연계하여 많이 사용된다. 태양열로 용융염과 같은 매체를 매우 높은 온도로 가열하여 단열된 탱크에 저장했다가, 태양이 없는 밤이나 구름 낀 날에도 이 열을 이용해 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 전기를 생산할 수 있다.[118] 이를 통해 태양열 발전소의 가동 시간을 늘리고 전력 공급의 안정성을 높일 수 있다. 미국의 솔라나 발전소(Solana Generating Station)와 헤마솔라, 스페인의 안다솔 태양광 발전소(Andasol solar power station) 등이 대표적인 사례이다.




  • 배터리: 리튬 이온 배터리 등을 이용한 에너지 저장 시스템(ESS)은 유틸리티 규모에서 전력망의 부하를 평준화하고 주파수를 안정시키는 데 점차 많이 활용되고 있다.[112]

  • 기타 기술: 이 외에도 압축 공기 에너지 저장(CAES), 플라이휠, 극저온 에너지 저장, 초전도 자기 에너지 저장(SMES) 등 다양한 기계적, 전기화학적, 전기적 저장 기술이 개발되거나 활용되고 있다. 또한, 잉여 전력을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하거나, 이 수소를 메탄으로 변환(Power-to-Gas)하여 천연가스 배관망에 저장하는 방법도 연구되고 있다.[124][109]

  • 수요 반응 및 분산 저장: 미국 북서부의 보니빌 전력청(Bonneville Power Administration) 사례처럼, 중앙 제어를 통해 가정의 저장식 난방기나 저장식 온수기 등이 잉여 전력을 흡수하여 저장했다가 필요할 때 사용하도록 하는 수요 반응 프로그램도 시도되고 있다.[113][111] 또한, 전기 자동차가 전력망에 연결되어 필요시 저장된 전기를 공급하는 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술도 미래의 분산형 에너지 저장 방식으로 주목받고 있다.


결론적으로, 재생에너지의 보급 확대를 위해서는 에너지 저장 기술의 발전과 적용이 필수적이다. 에너지 저장 없이는 간헐적인 재생에너지원이 전체 전력 공급에서 차지하는 비중을 안정적으로 20~30% 이상으로 늘리는 데 한계가 있다. 따라서 효율적인 에너지 저장 기술의 개발 및 보급은 재생에너지 중심의 지속 가능한 에너지 시스템으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.

5. 활용 분야

에너지 저장 기술은 현대 사회의 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며, 에너지의 효율적인 사용과 관리를 가능하게 한다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.


  • 전력계통: 전력의 생산부터 소비까지 전 과정에 걸쳐 에너지 저장 장치가 활용된다. 주요 기능으로는 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지(특히 태양광 발전, 풍력 발전) 발전량의 변동성 완화 및 출력 안정화, 전력 수요가 많은 시간대의 부하를 줄이는 첨두부하 저감(Peak Shaving), 전력 부하를 시간대별로 분산시키는 부하평준화(Load Leveling), 그리고 예기치 못한 상황에 대비한 비상 전원 공급 등이 있다. 이는 전력망의 안정성과 신뢰성을 높이는 데 기여한다. (자세한 내용은 #전력망 및 발전소 참조)
  • 산업: 데이터 센터, 공장, 병원 등 안정적인 전력 공급이 필수적인 시설에서 무정전 전원 장치(UPS)의 핵심 요소로 사용되어 정전 시에도 중요 장비가 중단 없이 작동하도록 보장한다.
  • 교통: 액체 연료가 여전히 지배적이지만, 배터리 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차의 보급 확대로 충전식 배터리의 중요성이 커지고 있다. 수소 등 새로운 에너지 저장 매체도 연구되고 있다. 트램, 트롤리버스와 같은 대중교통 시스템[48]뿐만 아니라, 슈퍼커패시터는 버스, 기차, 크레인, 엘리베이터 등에서 회생 제동을 통해 에너지를 회수하고 단기적인 고출력을 제공하는 데 활용된다. 향후 페리나 비행기[49] 등에도 전기 에너지 저장이 적용될 가능성이 있다. (자세한 내용은 #수송 참조)
  • 전자기기: 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자기기의 주 전원인 충전식 배터리 외에도, 슈퍼커패시터는 SRAM과 같은 휘발성 메모리의 데이터를 유지하기 위한 백업 전원으로 사용된다.[73] 축전기는 전자 회로에서 직류를 차단하고 교류를 통과시키는 기본 기능 외에, 전원 장치의 출력을 안정화시키거나(필터), 특정 주파수 신호를 선택하고(공진 회로), 전력 전송 시스템의 전압과 전력 흐름을 안정화하는[67] 등 광범위하게 사용된다. (자세한 내용은 #전자기기 참조)
  • 주택: 가정용 태양광 발전 시스템과 연계하여 낮에 생산된 잉여 전력을 저장했다가 밤이나 필요할 때 사용함으로써 에너지 자립도를 높이고 전기 요금을 절감하는 데 활용된다. (자세한 내용은 #주택용 에너지 저장 장치 참조)
  • 냉방: 열에너지 저장(TES), 특히 얼음을 이용한 저장 방식은 전기 요금이 저렴한 심야 시간대에 냉기를 저장했다가 주간 냉방에 활용하여 첨두부하를 줄이고 에너지 비용을 절감하는 데 효과적이다.[69][118][77] (자세한 내용은 #냉방 참조)

5. 1. 주택용 에너지 저장 장치

재생에너지(특히 태양광 발전)의 분산형 발전 중요성이 커지고 건물의 에너지 소비 비중이 크기 때문에, 주택 에너지 저장장치는 점점 더 보편화될 것으로 예상된다.[125] 태양광 발전 설비를 갖춘 가정에서 40% 이상의 자급자족률을 달성하려면 에너지 저장장치가 필요하다.[125] 여러 제조업체에서 에너지를 저장하기 위한 충전식 배터리 시스템을 생산하는데, 일반적으로 가정용 태양광 또는 풍력 발전에서 발생하는 잉여 에너지를 저장하는 데 사용된다. 현재 가정용 에너지 저장장치의 경우, 비슷한 비용에도 불구하고 성능이 훨씬 뛰어나기 때문에 리튬 이온 전지가 납축전지보다 선호된다.[34]

테슬라는 테슬라 파워월 두 가지 모델을 생산한다. 하나는 백업 용도의 10 kWh 주간 사이클 버전이고, 다른 하나는 매일 사이클 용도의 7 kWh 버전이다.[35] 2016년, 테슬라 파워팩 2의 제한된 버전은 kWh당 398USD의 비용으로, kWh당 12.5 미국 센트(미국 평균 전력 가격)의 전기를 저장했는데, 이는 전기 가격이 kWh당 30센트를 초과하지 않는 한 투자 수익률이 불확실하게 만든다.[36]

RoseWater Energy는 "Energy & Storage System"의 두 가지 모델인 HUB 120[37]와 SB20[38]을 생산한다. 두 버전 모두 28.8 kWh의 출력을 제공하여 대형 주택이나 소규모 상업용 건물을 운영하고 맞춤형 설비를 보호할 수 있다. 이 시스템은 깨끗한 60 Hz 사인파, 제로 전환 시간, 산업용 서지 보호, 재생에너지 그리드 재판매(선택 사항), 배터리 백업 등 다섯 가지 주요 요소를 하나의 시스템으로 제공한다.[39][40]

Enphase Energy는 가정 사용자가 전기를 저장, 모니터링 및 관리할 수 있는 통합 시스템을 발표했다. 이 시스템은 1.2 kWh의 에너지와 275W/500W의 출력을 저장한다.[41]

열에너지 저장장치를 사용하여 풍력 또는 태양광 에너지를 저장하는 것은 유연성이 떨어지지만 배터리보다 훨씬 저렴하다. 간단한 52USgal 전기 온수기는 온수 또는 난방 보조를 위해 약 12 kWh의 에너지를 저장할 수 있다.[42]

순계량제가 가능한 지역에서는 순전히 재정적인 목적으로 배터리를 사용하여 에너지를 저장하지 않고도 그리드 연계형 인버터를 통해 자체 생산한 전기를 전력망에 판매할 수 있다.

5. 2. 전력망 및 발전소

에너지 저장 장치는 전력계통의 발전, 송배전, 수용가 단계에 설치되어 운영되며, 주파수 조정, 신재생에너지 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하평준화(Load Leveling), 비상전원 공급 등 다양한 기능을 수행한다. 과거 전력망은 주로 화석연료 발전에 의존하여 수요 변화에 따라 연료 소비를 조절했지만,[3] 대기 오염, 에너지 수입 의존도, 기후 변화 문제 등으로 태양광 발전이나 풍력 발전 같은 재생에너지 비중이 커지고 있다.[3] 그러나 풍력이나 태양광은 발전량이 일정하지 않고 통제하기 어려우며, 특히 태양광은 낮 시간에만 발전 가능하지만 전력 수요는 해 질 녘에 최고조에 달하는 경우가 많다(덕 커브 참조). 이러한 간헐적인 에너지원의 전력을 효과적으로 저장하고 활용하는 기술의 중요성이 재생에너지 산업 성장과 함께 부각되고 있다.[4] 2023년 블룸버그NEF는 2030년까지 에너지 저장 시스템 설치 규모가 연평균 27%씩 성장할 것으로 예측했다.[5]

전력망 규모의 에너지 저장에는 다양한 기술이 활용된다.

'''수력 발전 (특히 양수 발전)'''

수력 발전은 가장 오래되고 널리 사용되는 대규모 에너지 저장 방식으로, 특히 댐은 100년 이상 에너지 저장 시설 역할을 해왔다.[2] 양수 발전은 전력 수요가 낮은 시간에 남는 전기를 이용해 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 저장했다가, 전력 수요가 높을 때 물을 방류하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 이는 지형적 특징을 활용하며 저수지를 건설하고 전기로 펌프를 작동시켜 물을 저장한다. 필요시 물을 방류하여 위치 에너지를 전기로 변환한다.[112] 수력 발전은 간헐적인 재생에너지원(태양광, 풍력)으로 전력이 생산될 때 발전을 줄이고 물을 저장함으로써 전력망의 균형을 맞추는 역할도 한다. 노르웨이와 같이 수력 발전 비중이 높은 국가는 양수 발전을 통해 상당한 규모의 에너지를 저장하고 조절할 수 있다.[46]

'''열에너지 저장'''

열에너지 저장은 열을 특정 매체에 저장했다가 필요할 때 사용하는 기술이다. 특히 용융염을 이용한 저장은 태양열 발전소 등에서 활발히 사용된다. 태양열로 용융염을 고온으로 가열하여 단열 탱크에 저장했다가, 태양이 없을 때 이 열을 이용해 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 전기를 생산한다.[118] 스페인의 헤마솔라 태양열 발전소나 미국의 솔라나 발전소가 대표적인 예시다. 현열을 이용하는 계절열에너지저장(STES) 방식도 있는데, 이는 여름철 태양열이나 산업 폐열 등을 저장했다가 겨울철 난방 등에 활용하는 기술이다.[20][128] 덴마크 브레드스트룹의 지역 난방 시스템은 태양열을 65°C로 저장하고, 풍력 발전 잉여 전력이 있을 때 히트펌프를 이용해 80°C까지 온도를 높여 공급한다.[126] 미국의 보니빌 전력청에서는 잉여 풍력 및 수력 발전을 활용해 저장식 난방기나 저장식 온수기에 열에너지 형태로 저장하는 실험 프로그램을 운영하기도 했다.[113][111]

'''배터리 저장 발전소'''

충전식 배터리는 전기화학 반응을 이용해 전기를 저장하는 장치로, 최근 리튬 이온 전지를 중심으로 기술이 발전하면서 전력망 규모의 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)으로 활용이 확대되고 있다.[112] 배터리 저장 발전소는 부하 평준화나 주파수 조정 등 전력망 안정화에 기여하며, 신재생에너지의 출력 변동성을 보완하는 데 중요한 역할을 한다. 일반적인 충전식 배터리 종류로는 납축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-금속 수소화물 전지(NiMH), 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다.[23][63] 최근에는 알루미늄-황 전지와 같이 더 저렴하고 풍부한 재료를 사용하는 새로운 배터리 기술도 연구되고 있다.[24] 또한, 전기자동차의 배터리를 전력망에 연결하여 필요시 전력을 공급하는 차량-전력망(V2G, Vehicle-to-Grid) 기술도 주목받는다.

'''압축 공기 에너지 저장 (CAES)'''

압축 공기 에너지 저장(CAES, Compressed Air Energy Storage)은 잉여 전력을 사용해 공기를 압축하여 지하 저장소(주로 염상돔)에 저장했다가, 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다.[7] 압축 과정에서 발생하는 열을 저장했다가 팽창 과정에서 활용하면 효율을 높일 수 있다.[115] CAES는 발전량 변동이 큰 재생에너지원의 출력을 안정화하고 전력 수요 변동에 대응하는 데 활용될 수 있다.[8]

'''플라이휠 에너지 저장 (FES)'''

플라이휠 에너지 저장(FES, Flywheel Energy Storage)은 회전자(플라이휠)를 고속으로 회전시켜 회전 에너지 형태로 에너지를 저장하는 방식이다.[9] 전력을 공급하면 플라이휠의 회전 속도가 빨라지고(충전), 전력을 사용하면 속도가 느려진다(방전). 주로 고강도 탄소 섬유 복합재로 만들어진 회전자를 자기 베어링으로 지지하여 진공 상태에서 매우 빠르게 회전시킨다.[10] FES는 수명이 길고 충방전 속도가 빠르며 에너지 효율이 높다는 장점이 있어,[10][11] 주로 주파수 조정이나 전력 품질 개선 등 단기적인 에너지 저장 및 공급에 활용된다.

'''중력 배터리'''

중력 배터리는 무거운 물체를 높은 곳으로 들어 올려 위치 에너지 형태로 에너지를 저장했다가, 필요할 때 물체를 아래로 내리면서 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 고체 질량을 이용한 승강 시스템을 통해 에너지를 저장하고 방출하며, 에너지 방출 시작 시간이 매우 짧아(1초 이내) 부하 급증에 대응하는 전력망 보조 공급원으로 유용할 수 있다.[13] 에너지 회수 효율은 최대 85%에 달할 수 있다.[16] 수직 갱도나 특수 타워를 이용하는 방식, 레일이나 크레인을 이용하는 방식 등 다양한 방법이 연구되고 있다.[14][123][15][16][17]

'''초전도 자기 에너지 저장 (SMES)'''

초전도 자기 에너지 저장(SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage)은 초전도체 코일에 직류 전류를 흘려 생성된 자기장에 에너지를 저장하는 기술이다. 초전도 상태에서는 전기 저항이 없으므로 에너지 손실 없이 전류를 계속 흘려보내 에너지를 반영구적으로 저장할 수 있다.[92] 에너지를 방출할 때는 코일을 방전시킨다. SMES는 다른 저장 방식에 비해 에너지 손실이 매우 적어 왕복 효율이 95% 이상에 달하지만,[71] 초전도 상태 유지를 위한 냉각 비용과 초전도선 비용 때문에 주로 전력 품질 개선과 같은 단기간 저장 용도로 사용된다.[92]

'''기타 기술'''

잉여 전력을 이용해 물을 전기분해하여 생산한 수소를 메탄으로 변환하여 천연가스망에 저장하는 전력-가스 변환(P2G, Power-to-Gas) 기술도 있다.[124][109]

5. 3. 냉방

열에너지 저장(TES)은 냉방 분야에서도 활용될 수 있다.[69] 이 기술은 주로 규모가 큰 단일 건물이나 여러 개의 작은 건물을 냉방하는 데 널리 사용된다. 상업용 냉방 시스템은 일반적으로 전력망의 최대 부하에 상당한 영향을 미치는데, 열 저장을 통해 이를 완화할 수 있다. 2009년 기준으로 이미 35개국 이상에서 3,300개가 넘는 건물들이 열 저장 시스템을 냉방에 이용하고 있었다. 이 시스템의 기본 원리는 전기 요금이 저렴한 밤 시간대에 에너지를 저장하여(예: 얼음 형태로) 더운 낮 시간 동안 냉방에 활용하는 것이다.[118]

냉방용 열 저장 기술 중 가장 널리 쓰이는 것은 '''얼음'''을 이용한 얼음 저장 방식이다. 얼음은 물보다 적은 부피로 더 많은 냉기를 저장할 수 있으며, 연료전지나 플라이휠 방식의 에너지 저장보다 비용 효율적이다. 일반적인 얼음 저장 시스템은 표준 냉각기를 밤 동안 가동하여 얼음을 대량으로 생성한다. 낮에는 생성된 얼음 더미 사이로 물을 순환시켜 냉각된 물을 얻고, 이를 건물의 냉방에 사용한다.

얼음 저장 시스템은 운영 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

  • 부분 저장 시스템: 냉각기를 거의 24시간 동안 가동하여 초기 자본 투자를 최소화하는 방식이다. 밤에는 얼음을 저장하고, 낮에는 냉각기를 가동함과 동시에 저장된 얼음을 녹여 냉각 용량을 보충한다. 얼음이 녹으면서 냉각수 생산량이 증가하는 효과가 있다. 보통 하루 중 16~18시간 동안 얼음을 만들고, 6시간 동안 얼음을 녹여 사용한다. 이 방식은 저장 시설이 없는 기존 설계 대비 냉각기 용량을 40~50%까지 줄일 수 있어 초기 투자 비용을 절감할 수 있다. 일반적으로 하루 동안 필요한 냉방 에너지의 절반 정도를 저장할 수 있는 용량이면 충분하다.
  • 전체 저장 시스템: 전력 사용량이 많은 최대 부하 시간대에는 냉각기 가동을 완전히 중단하는 방식이다. 이를 위해 더 큰 용량의 냉각기와 더 큰 얼음 저장 시설이 필요하므로, 부분 저장 방식에 비해 초기 자본 비용이 더 많이 든다.


얼음은 주로 전기 요금이 상대적으로 저렴한 심야 시간대에 생산된다.[77] 이처럼 최대 전력 수요 시간대를 피해 냉방 시스템을 가동함으로써 에너지 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한, 이러한 최대 부하 저감 노력은 건물의 환경적 영향을 줄이는 데 기여한다. 미국 녹색건축협의회(USGBC)가 운영하는 에너지 및 환경 설계 리더십(LEED) 인증 제도에서도 최대 수요 시간대 외 냉방 시스템 운영을 권장하며, 이는 LEED 인증 획득에 긍정적인 요소로 작용할 수 있다.[47]

결론적으로, 얼음 저장 냉방 시스템은 야간의 저렴한 전력을 활용하여 에너지 비용을 절감하고, 주간의 최대 전력 수요를 효과적으로 분산시키는 중요한 기술이다.

5. 4. 수송

액체 탄화수소 연료는 교통 분야에서 가장 보편적으로 사용되는 에너지 저장 방식이지만, 최근 배터리 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차의 이용이 증가하는 추세이다. 또한, 온실가스 배출을 줄이기 위한 대안으로 수소와 같은 새로운 에너지 매개체의 활용 가능성도 탐색되고 있다.

트램이나 트롤리버스와 같은 대중교통 시스템은 운행에 전기를 필요로 한다. 하지만 이동성과 운행 시간의 변동성 때문에 재생에너지만으로는 안정적인 전력 공급에 어려움을 겪을 수 있다. 이에 대한 해결책으로, 건물 지붕 등에 설치된 광전지 시스템을 이용하여 전력 수요가 급증하거나 다른 에너지원에 접근하기 어려울 때 대중교통 시스템에 전력을 공급하는 방안이 연구되고 있다.[48] 향후에는 페리나 비행기와 같은 다른 교통 수단에서도 전기를 주요 동력원으로 사용하는 전환이 이루어질 가능성이 있으며, 관련 연구가 진행 중이다.[49]

5. 5. 전자기기



'''축전기'''(영어: Capacitor, 과거에는 '콘덴서(condenser)'로도 불림)는 에너지를 정전기적으로 저장하는 데 사용되는 수동 두 단자 전기 부품이다. 모든 축전기는 기본적으로 두 개 이상의 전도체(판)가 유전체(절연체)로 분리된 구조를 가진다. 축전기는 충전 회로에서 분리된 상태에서도 전기에너지를 저장할 수 있어, 임시 건전지나 다른 유형의 충전식 에너지 저장 시스템처럼 사용될 수 있다.[107] 예를 들어, 건전지를 교체하는 동안 휘발성 메모리의 정보 손실을 막기 위해 전원을 유지하는 용도로 전자 장치에서 흔히 사용된다. 일반적인 축전기는 킬로그램당 360줄 미만의 에너지를 저장하는 반면, 일반적인 알칼리 건전지는 590 kJ/kg의 밀도를 가진다.

축전기는 판 사이의 정전기장에 에너지를 저장한다. 전도체에 전위차(예: 축전기를 건전지에 연결)가 가해지면 유전체에 전기장이 형성되어 한쪽 판에는 양전하(+Q), 다른 쪽 판에는 음전하(-Q)가 쌓인다. 축전기가 완전히 충전되면 직류(DC)는 더 이상 흐르지 않지만, 교류(AC) 전압이 가해지면 변위 전류가 흐를 수 있다. 축전기 판뿐만 아니라 유전체 층에도 전하를 저장할 수 있다.[29]

축전 용량은 판 사이 간격이 좁을수록, 판의 표면적이 클수록 커진다. 실제 축전기에서는 유전체를 통해 약간의 누설 전류가 흐르며, 견딜 수 있는 전기장 강도 한계인 내압이 존재한다. 최근에는 고전압 고장 후 유전체가 스스로 복구되는 효과를 이용한 자가 치유 축전기 연구도 진행되고 있다.[30][31] 또한, 나노 크기 축전기의 양자 효과[32]를 이용한 디지털 양자 배터리[127][72]에 대한 연구도 이루어지고 있다.

축전기는 전자 회로에서 직류는 차단하고 교류는 통과시키는 특성을 이용해 널리 사용된다. 아날로그 필터 네트워크에서는 전원 장치의 출력을 매끄럽게 만들고, 공진 회로에서는 특정 주파수의 라디오 신호를 선택하는 데 쓰인다. 전력 전송 시스템에서는 전압과 전력 흐름을 안정화하는 역할을 한다.[67]

'''슈퍼커패시터'''(Supercapacitor)는 전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 울트라커패시터라고도 불리며, 기존의 고체 유전체 없이 전기화학적 커패시터 원리를 이용하는 장치이다.[73] 저장 용량은 전극과 전해질 계면에서 형성되는 전기 이중층 정전용량과 산화·환원 반응에 기반한 슈도커패시턴스(pseudocapacitance)라는 두 가지 저장 원리에 의해 결정된다.[91][88]

슈퍼커패시터는 기존 축전기와 충전식 배터리의 성능적 간극을 메우는 역할을 한다. 일반 축전기에 비해 단위 부피나 질량당 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있으며(에너지 밀도), 최대 10,000 패럿/1.2V 용량[85]으로 전해 커패시터의 수천 배에 달하는 정전용량을 갖는다. 반면, 단위 시간당 출력할 수 있는 전력(전력 밀도)은 일반 축전기보다 낮다.[73]

배터리와 비교하면, 슈퍼커패시터의 비에너지와 에너지 밀도는 약 10% 수준이지만, 전력 밀도는 일반적으로 10배에서 100배 더 크다. 이는 매우 빠른 충전과 방전이 가능하다는 의미이며, 배터리보다 훨씬 많은 충/방전 사이클을 견딜 수 있다는 장점도 있다.

이러한 특성 덕분에 슈퍼커패시터는 다양한 분야에서 활용된다.

  • SRAM(정적 랜덤 액세스 메모리)과 같은 휘발성 메모리의 데이터 보존을 위한 저전류 백업 전원
  • 자동차, 버스, 기차, 크레인, 엘리베이터 등에서 제동 시 발생하는 에너지를 회수(회생 제동)하여 저장했다가 재사용하거나, 짧은 시간 동안 높은 출력이 필요한 경우(버스트 모드) 전력 공급원으로 사용된다.

6. 경제성 및 기술 평가

에너지 저장의 경제성은 요청되는 예비력 서비스에 크게 의존하며, 여러 불확실성 요소가 에너지 저장의 수익성에 영향을 미친다. 모든 저장 방식이 수 MWh 규모의 저장에 기술적, 경제적으로 적합한 것은 아니며, 에너지 저장의 최적 규모는 시장 및 위치에 따라 달라진다.[52]

ESS(Energy Storage System)는 다음과 같은 여러 위험 요소의 영향을 받는다.[53]


  • 특정 기술과 관련된 기술경제적 위험
  • 전력 공급 시스템에 영향을 미치는 요인인 시장 위험
  • 규제 및 정책 위험


이러한 위험과 불확실성, 그리고 이에 대처하는 투자자의 유연성을 완전히 평가하기에는 할인현금흐름(DCF)에 기반한 기존 투자 평가 기법만으로는 충분하지 않다. 따라서 문헌에서는 불확실한 상황에서 유용한 방법인 실물옵션 분석(ROA)을 통해 위험과 불확실성의 가치를 평가할 것을 권장한다.[53]

대규모 응용 프로그램(양수발전 및 압축 공기 저장 포함)의 경제적 평가는 전력 제약 회피, 계통 혼잡 회피, 가격 차익 거래 및 무탄소 에너지 공급과 같은 이점을 고려하여 이루어진다.[118][105][114] 카네기멜론대학교 전력산업센터의 기술 평가에 따르면, 배터리의 자본 비용이 kWh당 30USD에서 50USD 수준이면 경제적 목표를 달성할 수 있다.[118]

저장의 에너지 효율 척도로는 ESOI(Energy Stored On Investment)가 사용되는데, 이는 해당 기술로 저장할 수 있는 에너지양을 기술 구축에 필요한 에너지양으로 나눈 값이다. ESOI가 높을수록 에너지 저장 기술이 에너지 효율 측면에서 더 우수하다. 리튬이온 배터리는 약 10, 납축전지는 약 2의 ESOI 값을 가진다. 반면, 양수발전과 같은 다른 형태의 저장은 일반적으로 210과 같이 훨씬 높은 ESOI 값을 갖는다.[54]

양수발전은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 대규모 저장 기술이다.[55] 그러나 기존 양수발전 방식은 높은 고저차가 있는 특정 지형을 필요로 하며, 상대적으로 작은 출력에 비해 넓은 토지 면적을 사용한다는 제한점이 있다.[56] 적합한 자연 지형이 없는 지역에서는 지하 양수발전을 대안으로 고려할 수 있다.[57]

배터리 저장은 높은 비용과 제한된 수명으로 인해 여전히 제어 가능 발전원에 대한 완전한 대체재가 되기 어렵다는 평가가 있다. 특히 수일, 수주 또는 수개월 동안 지속될 수 있는 변동성 재생에너지(VRE)의 간헐성 문제를 해결하기에는 한계가 있다. VRE 비율이 높은 전력 계통 모델에서는 저장 장치의 과도한 비용이 전체 시스템 비용을 크게 증가시키는 경향이 있다. 예를 들어, 캘리포니아주에서 VRE 비율 80%를 달성하려면 9.6TWh의 저장 용량이 필요하며, 100%를 달성하려면 36.3TWh가 필요하다. 2018년 기준으로 캘리포니아주의 총 저장 용량은 주로 양수발전과 일부 배터리를 합쳐 150GWh에 불과했다. 또 다른 연구에 따르면, 미국 전체 전력 수요의 80%를 VRE로 충당하려면 전국적인 스마트 그리드 구축 또는 전체 시스템을 12시간 동안 공급할 수 있는 배터리 저장 용량이 필요한데, 두 경우 모두 비용이 약 2.5조달러에 달할 것으로 추산된다.[58][59] 마찬가지로, 여러 연구에서는 VRE와 에너지 저장에만 의존하는 시스템이, 에너지 저장 대신 원자력 발전소나 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 갖춘 발전소와 VRE를 결합한 유사 시스템보다 약 30~50% 더 많은 비용이 소요된다는 결과를 보고하고 있다.[60][61]

7. 한국 및 세계 각국의 개발 현황

2023년 블룸버그NEF는 2030년까지 에너지 저장 시스템 배치가 연평균 27%의 복합 성장률로 증가할 것이라고 예측했다.[5]

영국에서는 2014년 5월, 14개의 산업 및 정부 기관이 7개의 영국 대학교와 연합하여 에너지 저장 기술 연구 개발의 조정을 지원하기 위해 SUPERGEN 에너지 저장 허브를 설립하였다.[95][84]

7. 1. 미국

2014년, 에너지 저장 기술을 평가하기 위한 연구 및 시험 센터가 문을 열었다. 그중 하나인 위스콘신주의 위스콘신-매디슨 대학교 고급 시스템 시험 연구소는 배터리 제조업체 존슨 콘트롤즈와 협력 관계를 맺었다.[106] 이 연구소는 대학 내 위스콘신 에너지 연구소의 일환으로 설립되었으며, 최첨단 및 차세대 전기 자동차 배터리의 성능 평가(특히 그리드 보조 장치로서의 활용 가능성 포함)를 목표로 한다.[106]

뉴욕주는 약 1700m2 규모의 연구소 설립을 위해 2300만달러를 투자하여 로체스터의 이스트먼 비즈니스 파크에 뉴욕 배터리 및 에너지 저장 기술(NY-BEST) 시험 및 상용화 센터를 열었다. 이 센터는 이타카의 코넬 대학교와 트로이의 렌셀러 폴리테크닉 연구소 간의 협력체인 미래 에너지 시스템 센터를 포함하며, 상업적 활용을 목표로 하는 다양한 형태의 에너지 저장 장치를 시험하고 독립적으로 인증하는 역할을 수행한다.[75]

2017년 9월 27일, 당시 미네소타주 상원의원이었던 알 프랭켄과 뉴멕시코주 상원의원 마틴 하인리히는 미국 내 에너지 저장 기술 개발을 장려하기 위해 그리드 저장 기술 발전법(Advancing Grid Storage Act, AGSA)을 발의했다. 이 법안은 관련 연구, 기술 지원 및 보조금으로 10억달러 이상을 할당하는 내용을 담고 있다.[62]

한편, 변동성 재생에너지(VRE)의 비중이 높은 전력망 모델에서는 에너지 저장 설비 구축에 드는 막대한 비용이 전체 그리드 운영 비용을 크게 증가시키는 주요 요인이 될 수 있다는 분석이 제기된다. 예를 들어, 캘리포니아주의 경우 VRE 비율이 80%일 때는 9.6TWh의 저장 용량이 필요하지만, 이 비율이 100%로 증가하면 필요 저장 용량은 36.3TWh로 급증한다. 다른 연구 결과에 따르면, 미국 전체 전력 수요의 80%를 VRE로 충당하기 위해서는 전국을 연결하는 스마트 그리드를 구축하거나, 전체 시스템을 12시간 동안 가동할 수 있는 대규모 배터리 저장 장치가 필요한데, 두 경우 모두 약 2.5조달러에 달하는 막대한 비용이 소요될 것으로 추산된다.[58][59]

7. 2. 독일

2013년 독일 정부는 연구 개발에 2억유로(약 2.7억달러)를, 주택 지붕 태양광 패널의 배터리 저장 보조금에 5000만유로를 배정했다.[117] 이는 독일 에너지 저장 협회(German Energy Storage Association) 대표의 발언에 따른 것이다.

지멘스는 2015년 개소를 목표로 바덴뷔르템베르크주에 위치한 독일 태양에너지 및 수소 연구 센터(Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffde, ZSW)에 생산 연구 시설을 설립했다. 슈투트가르트, 울름, 비더슈탈에 위치한 이 대학/산업 협력 시설에는 약 350명의 과학자, 연구원, 엔지니어, 기술자가 근무한다. 이 시설은 컴퓨터화된 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템을 사용하여 새로운 근생산 제조 재료 및 공정(NPMM&P)을 개발하며, 이를 통해 품질 향상과 비용 절감을 이루어 충전식 배터리 생산 확대를 목표로 한다.[119][133]

2023년부터 독일 연구 재단의 새로운 프로젝트는 태양열 에너지를 저장하기 위한 분자 광스위치 연구에 초점을 맞추고 있다. 이른바 분자 태양열(MOST, Molecular Solar Thermal) 시스템의 대변인은 Hermann A. Wegner|헤르만 A. 베그너de 교수이다.[139]

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