[Canadian Light Source]사의 과학자들은, 전기자동차에 사용되기에 이상적인 높은 에너지와 우수한 충전율을 가진 더 저렴한 물질을 사용하여 축전지를 제작하는 기술의 선두에 있게 되었다.

기존의 내부연소 엔진에서 전기자동차로의 이전작업은 잘 진행 중이다. 그런데 이용할 수 있는 축전지 시스템의 제한된 에너지 저장능력 때문에 현재의 전기자동차가 가진 제한된 주행거리가 전기자동차가 더 많이 도로에서 보이지 않는 중요한 이유이다.

[CLS]사와 웨스턴 대학교 연구진 그룹이 나트륨-공기 축전지의 반응 동역학과 재충전성 문제를 해결하는데 상당한 진전을 이루었다. 그들은 나트륨-공기 축전지 시스템과 화학적 조성 그리고 충전 행태에 대한 이해가 더욱 도로 주행에 가치가 있는 전기자동차 제작에 도움이 될 것이라고 믿고 있다.

"금속-공기 전지는 기존의 리튬-이온 축전지와는 다른 화학적 성질을 사용하여, 휘발유와 경쟁할 정도의 성능을 가지게 한다. 더 높은 에너지 밀도를 가진 새로운 충전용 축전지 시스템의 개발은 전기자동차의 주행거리를 확장시키고 전기자동차를 매일 사용하기에 실용적으로 만들게 될 것"이라고 웨스턴 대학교 기계 및 재료공학과 캐나다 리서치 체어(Canada Research Chair)인 앤디 선(Andy Sun) 박사는 말했다.

"다른 측면으로, 높은 에너지 밀도를 가진 축전지 시스템은 배출가스와 기후변화 영향을 감소시키기 위해 재생에너지 소스를 이용하게 된다"고 그는 말했다.

실험 도중에, 연구진들은 다양한 물리화학적인 조건에서 나트륨-공기 축전지에서 발생하는 다양한 방전 생성물(discharge products)을 검토했다. 과산화나트륨(sodium peroxide)과 초과산화 나트륨(sodium superoxide)과 같은 부산물이 생성되었다. 이러한 방전 생성물에 대한 이해는 축전지 셀의 충전 사이클에 매우 중요한 것인데, 그 이유는 다양한 산화물이 다른 충전특성의 가능성을 가지기 때문이다.

실험은 [CLS]사의 [VLS-PGM beamline]의 강력한 엑스레이를 사용하여 수행되었다.

"우리는 산화나트륨의 다른 상태를 식별하기 위해 표면에 민감한 기술을 사용하여 광전자 엔드스테이션(photoemission endstation)의 고휘도 및 고에너지 해상도를 이용했다. 또한, 우리는 축전지 셀의 동역학적 파라미터를 변화시킴으로써 생성물의 화학적 조성 상의 변화를 모니터링했다"고 이 회사의 스탭 과학자인 지아유 쿠이(Xiaoyu Cui) 박사는 말했다.

연구진들에 의하면, 단 몇 가지의 연구만이 나트륨-공기 축전지 시스템을 다루었으며, 그것도 셀의 화학적 성질 특성에 대한 제한된 이해를 보여주고 있다. 그들의 연구는 [Energy and Environmental Science] 저널에 발표되었고, 저자들은 이 연구결과가 나트륨-공기 축전지의 화학적 성질에 대한 이해를 한층 강화시키고, 거꾸로 충전율과 에너지 효율성 향상에 이바지할 것이라고 밝혔다.

"과거 몇 십 년 동안 충전용 고에너지 금속-공기 축전지 셀의 개발을 위한 많은 연구가 이루어졌지만, 여전히 현재의 전기자동차 수요를 감당할 수 있는 실용적인 고에너지 축전지 시스템을 이룩하려면 가야 할 길이 멀다. 우리는 에너지 밀도와 수명을 증가시키기 위해 다른 축전지 시스템의 물질 개발을 위해 연구를 진행 중"이라고 선(Sun) 박사는 말했다.

"금속-공기 축전지는 리튬-이온 축전지와 같은 다른 축전지 시스템과 비교하여 그렇게 비싸지 않다. 특히, 나트륨-공기 축전지는 사용재료가 자연자원에서 쉽게 공급될 수 있기 때문에 매우 비용효과적이다. 나트륨과 산소는 지구 상에서 가장 흔한 물질들에 속한다"고 선 박사는 덧붙였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

서비스 전체 개요. 발전예측에 따라 원격으로 수전을 제어한다.

- 전기요금 절약이 가능 -

일본 E회사는 2015년부터 “전지 매니지먼트 서비스”를 개시할 예정이다. 250억 엔을 투자하여 공공기관 및 대규모 점포, 사무실 빌딩 등 전력을 소비하는 수요가측에 합계 1만 대의 축전지를 설치한다. 축전지 전체로 수요응답(demand response) 요청에 대응함으로써 전력수급 균형이 가능하게 된다. 수요가는 월액 수천 엔의 비용을 지불하는 것만으로 전기요금 3~5% 삭감할 수 있는 장점이 있다.

태양광발전 등 재생가능 에너지의 도입량이 비약적으로 증가하고 있다. 그러나 일반 전기사업자는 그 이상 태양광 등 재생가능 에너지에서 유래하는 전력을 받을 수 있는 여유가 적다고 주장한다. 홋카이도 전력 및 도호쿠전력, 시코쿠전력, 큐슈전력, 오키나와전력은 계속해서 재생가능 에너지 발전설비에 대한 계약 신청을 보류한다고 발표했다.

이러한 움직임에 축전지를 이용한 서비스로 대응하는 기업이 바로 일본 E사이다. 배터리 매니지먼트 서비스를 위해 250억 엔을 투자하여 공공기관과 대규모 점포, 오피스빌딩 등 전력을 소비하는 수요가 측에 합계 1만 대의 축전지를 설치함으로써 전력수요와 공급의 균형을 취한다.

2015년 초기부터 시스템의 설치를 개시하고, 2015년 내를 목표로 1만 대를 설치하고자 한다. 축전지를 설치하는 거점수는 수요가에 의해 다르나 수천 거점이 대상이 될 것이다. E사가 수요가에서 전지를 제어하는 권한을 얻는 형태의 계약이므로 일반 전기사업자로부터 수요응답 요청을 받은 경우 E사가 축전지를 일괄하여 제어하고, 충방전에 따라 대응한다. 이것이 수요와 공급의 균형으로 이어진다. 이 회사는 신전력(특정규모 전기사업자)으로서 2014년 6월 말 시점에 200만kW의 전력을 관리한다(전력대리구입 서비스). 이 때문에 전력의 수요예측 노하우를 축적하고 있다. 기상통보관에 의한 발전예측도 추진하고 있다. 그리고 빌딩에너지관리시스템(BEMS)을 중심으로 에너지 매니지먼트 시스템을 약 1만 건 판매한다.

배터리 매니지먼트 서비스에서는 이미 실시하고 있는 이러한 서비스를 축전지 관리와 결합한다. 배터리 매니지먼트 서비스를 단독으로 제공하는 것은 아니고 전력 대리구입 서비스와 조합하여 제공한다.

이번에 서비스 대상이 되는 것은 전력 대리구입 서비스의 사용자이다. 이 서비스와 조합함으로써 전력 대리구입 단독의 서비스보다도 전기요금의 할인이 크다. 수요가의 장점은 이번 서비스를 통한 전기요금 삭감 등 세 가지이다. 우선 전력의 피크 컷제어를 이용하여 게약전력을 삭감할 수 있다. 다른 하나는 저가의 야간전력을 축전하여 낮에 방전할 수 있다. 이것도 전기요금 삭감으로 이어진다. 마지막으로 정전시의 백업 전원을 얻을 수 있다. 축전지를 설치하기 위한 초기 비용은 제로이다. 축전시스템 1대당 수천 엔의 월정요금이 있다. 축전지를 설치한 거점당 3~5%의 전기요금을 절감할 수 있을 것으로 예상하며, 수요가의 장점은 클 것이다.

일반사업자(전력회사)의 장점은 재생가능 에너지의 출력변동에 의한 수요와 공급(발전)의 차를 흡수할 수 있다는 것이다. 수급 균형이 안정되고, 비효율 발전소가 가동하는 시간을 줄일 수 있다. 이 회사의 장점은 전력 대리구입 서비스의 계약건수를 늘리고, 동 서비스의 이익률이 높아지며, 새로운 에너지 인프라를 구축함으로써 계통안정화서비스를 사업화할 수 있다는 것이다. 이 시스템을 위해 도시바 IT컨트롤시스템에서 합계 1만 대의 축전지시스템을 구입한다. 축전지시스템의 용량은 1대당 9.9kWh이며, 출력은 10kW이다. 축전지 시스템은 도시바가 개발한 SCiB(Super-Charge Ion Battery) 리튬이온 축전지셀(10Ah)을 내장하고 있으며 약 1만회 충방전이 가능하다. 도시바에 따르면, SCiB의 특징은 수명이 길고 안전하며 저온동작에 강하다 망간계 정극과 티탄산 리튬계 부극을 조합한 축전지이다. 외부와는 단상삼선으로 접속한다. 크기는 950mm×550mm×1600mm이고, 중량은 약 511kg로 실외에 설치한다.

전력회사와 수요가를 중개하는 서비스               

KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』