한국전력공사는 좀 더 안정적이고 유연한 전력 계통 운영을 위해 최근 새로운 에너지저장시스템(ESS) 개발을 추진하고 있다. 지난해 러시아-우크라이나 전쟁 이후 커진 에너지 안보 관련 우려를 불식하고, 탄소 중립을 실현할 방안이다.

한국전력은 최근 MW(메가와트)급 수퍼커패시터와 이를 적용한 하이브리드 ESS 기술 개발을 추진하고 있다고 밝혔다. 하이브리드 ESS는 말 그대로 수퍼커패시터와 리튬이온 배터리가 혼합된 형태의 ESS다. 종전 리튬이온 배터리보다 높은 출력 밀도와 긴 수명이 특징이다. 종전 ESS는 대부분 리튬이온 배터리로 이뤄져 있는데, 이는 화재 위험성이 크고 수명이 짧은 문제가 있었다. 한전의 하이브리드 ESS는 종전 ESS와 비교해 운전 효율성을 높이고, 안정성과 수명을 향상시킨 차세대 ESS 기술이다.

◇계통 안정화 위해 차세대 ESS 개발
한전은 이 ESS 개발을 위해 먼저 2019년에 4500F급까지 성능을 향상시킨 원통형 수퍼커패시터를 개발했다. 1F는 1V의 전위차를 걸어주었을 때 1C의 전하를 대전시키는 값을 말한다. 종전 수퍼커패시터와 비교했을 때 고속으로 충전이 가능하고, 20만 사이클 이상 사용할 수 있어 반영구 수명을 보유하고 있다는 특성을 가진다. 2020년엔 최고 출력 100Kw(킬로와트), 1100V급 그래핀 수퍼커패시터 시스템을 설치하고, 전력연구원 내 계통에 연계하여 36개월 이상의 장기 실증 시험을 성공적으로 달성했다.

지난해에는 한전 전북 고창전력시험센터 내에 변전소에 실증이 가능한 수준인 “1MW급 수퍼커패시터 계통 연계 시스템”을 구축했다. 약 17초 동안 1MW 정격 출력이 유지되는 셀·모듈·스택 단위 시스템을 개발한 뒤 실증 운전을 했고, 종전에 가지고 있던 리튬이온배터리 ESS와 병행 운전할 수 있도록 환경을 구축하며 다양한 하이브리드 ESS 운영 전략을 개발 중이다. 올해는 기존 수퍼커패시터보다 에너지 밀도가 6배 이상 향상된 고용량 수퍼커패시터를 개발했다.

한전이 수퍼커패시터와 리튬이온 배터리로 이뤄진 ESS를 함께 운영하는 ‘협조 운전’ 기술력은 세계에서 가장 앞서 있다. 협조 운전은 단주기 또는 잦은 충·방전이 요구되는 주파수 변화는 수퍼커패시터가 선제적으로 담당하고, 중·장 주기의 충·방전이 요구되는 주파수 변화는 리튬이온 배터리가 담당하면서 각각의 운전 상태와 주파수 조정에 요구되는 충·방전 에너지에 따라 출력을 서로 조정하도록 하는 것이다. 그간 협조 운전 기술은 여러 선진국에서 시도됐지만, 아직 실증 단계까지는 도달하지 못했다. 한전 관계자는 “최적의 운전 조건과 효과적인 협조 운전 전략 도출을 위한 전략 수립과 실증 운전 수행에 최선을 다하고 있다”고 했다.

◇향후 국내외서 하이브리드 ESS 시범 사업 추진
한전이 이런 하이브리드 ESS 관련 기술을 개발하는 것은 전력 계통을 안정화하고 에너지 안보를 지키려는 것이다. 최근 신재생에너지가 확대되면서 간헐적 출력 특성으로 발전원의 변동성이 크게 증가하여 전력 수급 불균형, 주파수 불안정 등이 발생할 우려가 커졌다. 특히 지난해 촉발된 러시아-우크라이나 전쟁으로 유럽에선 다양한 ESS를 도입하는 등 에너지의 안정적 수급을 위한 국제적인 움직임이 활발하다. 이런 국제 환경 속에서 좀 더 안정적이고 유연한 전력 계통 운영을 하고자 하는 것이다.

한전은 향후에도 관련 기술 개발을 이어나갈 계획이다. 먼저 오는 12월까지 ‘수퍼커패시터 적용 하이브리드 ESS 기술’ 실증 운전을 통해 협조 운전의 기능적, 경제적 효과를 검증한다. 이후 신재생에너지 출력 완화 등과 관련한 추가 실증 연구를 통해 하이브리드 ESS의 사업화 모델을 확보하고 국내외 시범 사업을 추진할 계획이다. 한전 관계자는 “재생에너지 비율이 높아지고, 수도권에 전력 수요가 집중되면서 계통 운영의 어려움이 커지고 있다”며 “수퍼커패시터 기술은 전력 계통의 유연성을 강화하고, 큰 경제적 효과가 있어 국내뿐 아니라, 재생에너지 비율이 우리보다 월등히 높은 많은 유럽 시장에서도 주목받고 있어 해외에서도 사업화가 가능한 전략 기술”이라고 했다.