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[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향 2] 니켈수소전지의 기술 동향

2015-11-01

[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향 2] 니켈수소전지의 기술 동향 니켈수소전지는 1990년경부터 디지털카메라 및 전동공구 등의 민생용 소형전지로 실용화되어 1990년대 후반부터는 하이브리드 자동차에 탑재되는 등 그 용도가 점차 확장되고 있다. 현재에는 대용량 니켈수소전지의 개발에 의해 단시간 피크 전원 및 태양광·풍력발전을 동력계통에 연계하기 위한 보조용 전력저장설비로 사용되고 있다. 일본의 가와사키 중공업(川崎重工業)㈜은 독자적인 구조를 지닌 대용량 니켈수소전지 「기가셀」을 개발하여 고속 충방전이 가능한 장점을 살리고, 계통용 수급 제어장치 및 철도시스템용 지상축전설비(Battery Power System: BPS) 등으로 활용하기 시작했다. 본고에서는 니켈수소전지의 동작원리 및 특장점과 더불어 기가셀의 전지구조, 전지특성, 안전성 및 최근의 적용 상황에 대해 소개한다. 동작원리와 특장점 니켈수소전지는 다른 축전지와 마찬가지로 크게 나눠 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액이라는 4가지 요소로 구성되어 있다. 양극재료는 충전상태에서는 옥시수산화니켈인 NiOOH이며, 방전에 의해 수산화니켈인 Ni(OH)₂로 환원된다. 한편, 음극재료에는 금속수소화물(Metal Hydride: MH)이 이용된다. 전지의 충전반응 모식도를 [그림 1](a)에, 방전반응 모식도를 [그림 1](b)에 나타냈다. 전지 전체의 충방전 반응은 M+Ni(OH)₂↔ MH+NiOOH이며, 외관상 양극과 음극에서 수소의 교환만 이루어진다. 납축전지 및 니켈 카드뮴 전지 등의 축전지가 중금속의 용해·석출을 수반하는 반응인 것에 비교하면 니켈수소전지의 충방전 반응은 간단하다. 따라서 전극의 고밀도화를 도모해도 전극반응이 원활하게 진행되며, 덴드라이트(수지상 결정)의 생성에 따른 단락의 문제도 적어 원리적으로는 고용량화·장수명화가 가능한 전지라고 할 수 있다. 또한 니켈수소전지의 이론 기전력은 약 1.32V로, 실제의 작동전압은 약 1.2V이고, 작동온도범위는 충전이 약 0~45℃, 방전이 약 -20~60℃이다. 대용량 니켈수소전지 「기가셀」의 개요 전지구조 기가셀의 외관과 구조 개략도를 [그림 2]에 나타냈다. 플리츠 가공한 세퍼레이터에 스트립상 양극판과 스트립상 음극판을 번갈아 장전하고, 셀 사이는 1개의 격벽(칸막이벽)을 통해 직렬접속되는 바이폴라 적층구조를 채용하고 있다. 기가셀의 첫 번째 특장점은 이 적층구조에 있으며, 1셀당 용량 및 셀 적층수를 증가시킴으로써 전지의 대용량화를 도모할 수 있다. 또한, 현재 기가셀의 표준사양인 1셀당 정격용량은 141Ah로, 30셀을 적층한 전지 모듈은 공칭전압이 36V, 에너지용량이 5.1kWh, 최대출력이 126kW, 외형치수가 1287L×218W×350H mm, 중량이 248kg이다. 전지특성 표준사양의 전지 모듈 충방전 특성을 [그림 3]에 나타냈다. [그림 3]에서는 C레이트(=충방전 전류(A)/정격용량(Ah))를 변화시켜 각각 100%의 용량을 충방전하는 경우의 모듈 전압을 나타내고 있다. C레이트에 관계없이 약 20%에서 80%의 넓은 용량 범위에서 거의 일정한 전압을 나타내고 있다. 또 5C의 고율방전에 있어서도 90% 이상 방전할 수 있음을 확인할 수 있는데 즉, 저율방전의 전지와 비교하면 보다 적은 Ah용량으로 동일 전력을 출력할 수 있기 때문에 단시간의 급속 충방전이 필요한 용도에서는 고율방전의 전지가 △경량화 △공간 절약화 △저코스트화를 도모할 수 있다. 또한, 사이클 수명 특성은 전지 적층수 및 충방전 조건에 따라 크게 달라지는데, 예를 들면 30셀을 적층한 전지 모듈의 경우 1C-100% DOD(방전심도)에서 3000사이클, 3.5Ah 소형 단셀의 경우 2C-80% DOD에서 10000사이클을 넘는 결과를 얻고 있다. 안전성 (1) 과충전 시험 기가셀은 통상 전지 감시 시스템(배터리 모니터링 시스템)에 의해 과충전이 발생하지 않지만, 만에 하나 감시 시스템이 제대로 기능하지 않는 경우를 상정하여 파열·발화·누액 등의 발생 여부를 시험을 통해서 확인하고 있다. 0.5℃(70.5A)의 정전류로 5시간(250%) 충전했을 때의 온도, 압력, 전압거동을 [그림 4]에 나타냈다. 그 결과, 최대도달온도 약 110℃에서도 발화, 파열, 누액이 없는 것으로 확인되었다. (2) 외부단락시험 시스템 설치 후 유지보수 시 전지 단자에 공구가 접촉했을 경우나 직병렬 상태의 어느 2군데에서 접지(단락사고)가 발생했을 경우를 상정하여 시험을 실시했다. 그 결과, 파열, 파손, 발화가 없음이 확인되었다. (3) 낙하시험 30셀 전지모듈의 방향은 ①통상 상하방향의 저면 ②-측 단면(端面)(압력계 설치면) ③+측 단면(부속장치[온도, 전압센서 설치면])을 아래로 향하게 하여, 각각의 아랫면이 지면으로부터 1m가 되도록 매단 후 낙하시험을 실시했다. 그 결과, 모두 낙하 후 파열, 발화, 누액이 발생하지 않음을 확인했다. 적용 상황 니켈수소전지는 급속 충방전이 가능하고, 긴 사이클 수명을 가지며 수용액계의 전해액을 사용하고 있기 때문에 발화의 우려가 없는 안전성이 높은 축전지이다. 이 장점을 살려 전력계통용에서는 수급제어장치로, 철도 시스템용에서는 지상축전설비로 도입이 진행되고 있다. 이 장에서는 니켈수소전지의 적용사례에 대해 기술한다. 수급제어장치의 적용사례 수급제어장치의 적용사례로 현재 간사이전력㈜과 공동으로 실증연구를 실시하고 있는 이시즈가와(石津川) 변전소 내에 설치한 시스템을 소개한다. 배경 최근의 지구환경문제는 국제사회의 주요이슈 중 하나이며, 그 해결책으로 태양광발전 등 신재생에너지 발전 시 CO₂를 배출하지 않는 자연에너지가 주목을 받고 있어 지구 규모에서 그 보급 촉진 활동이 개시되고 있다. 태양광발전은 날씨에 의해 출력이 가파르게 변동하는 특징이 있어 향후 국내에 대량으로 보급할 경우, 기존의 화력발전만으로는 출력변동에 따른 주파수 변동에 대응하지 못할 우려가 있다. 이에 따라 계통 주파수를 일정하게 유지하기 위한 하나의 조정력으로서 축전지를 이용한 시스템이 주목을 받고 있다. 실증장치의 시스템 구성 실증장치는 출력 250kVA의 교직변환기(交直變換器)를 통해 용량 102kWh의 니켈수소전지를 전력계통에 연계하고 제어장치의 출력지령에 의해 축전지를 제어하는 구성으로 되어 있다. 시스템 전체의 구성을 [그림 5]에 나타냈다. 충방전 제어·SOC 검지로직 실증장치는 수초~10분 정도의 단주기 주파수 변동을 축전지의 제어대상으로 하고, △GF(거버너 프리) 제어 △LFC(Load Frequency Control: 부하 주파수 조정) 제어 △태양광발전소의 출력 평활화(平滑化)의 3가지 모드를 제어로직으로 구현하고 있다. 상시 주파수 변동 억제 기능을 유지하려면 축전지가 만충전 상태가 되거나 완전 방전 상태가 되는 것을 피해야 한다. 즉, 주파수 변동 억제를 위한 충방전을 실시하면서 사전에 설정한 운용범위를 일탈하지 않도록 축전지의 SOC(State of Charge: 충전상태)를 관리할 필요가 있으며, 상시 SOC를 확인하고 필요하다고 판단되면 적절한 SOC로 회복될 때까지 일정량의 전력을 화력발전기로 전환하여 충방전 지령치를 보정하는 제어로직도 개발·구현하고 있다. 또 제어로직을 효과적으로 기능시키려면 SOC 검지 정밀도 자체를 향상시킬 필요가 있다. 이 실증은 축전지 전압과 충방전 전류에서 독자적인 알고리즘을 이용한 SOC 검지로직을 도입하고 있으며, 정기적으로 정밀도를 확인하여 로직을 업데이트함으로써 검지 정밀도 향상에 힘쓰고 있다. 지금까지의 SOC 검지 정밀도는 대체로 ±10% 정도이다. 동작검증 개발한 축전지 제어로직을 실증설비에서 실제로 가동시켰을 때의 동작실적을 소개한다. [그림 6]은 SOC 관리를 실시하면서 GF 기능으로 동작시킨 경우의 실적이다. 축전지는 기본적으로 GF 지령치에 따라 충방전을 지연 없이 실시하는 것으로 확인되었다. 또 SOC 운용범위를 유지하기 위해 4:03으로 SOC 잔량저하를 검출하고 4:33으로 잔량회복을 검출하는 동안 화력발전기와의 협조제어가 이루어지고 있음이 확인되었다. 이상에서 주파수 변동 억제를 계속하면서 SOC 운용범위를 일탈하지 않는 제어가 예상대로 기능하고 있음을 알 수 있다. 철도시스템용 지상축전설비(BPS)의 적용사례 다음으로 BPS의 적용사례로서 도쿄 모노레일㈜ 및 삿포로시 교통국에 도입한 시스템을 소개한다. 배경 전차는 에너지절감을 목적으로 제동 시에 구동용 모터가 발전기가 되어 가선에 회생전력을 되돌린다. 그러나 같은 시각 근처에 역행(力行, 가속)하는 다른 전차가 없는 경우에는 모터가 발전기로 동작하지 않아(회생실효) 전차의 운동에너지는 기계적 브레이크 및 저항기에 따른 열에너지로 방산되어 회생전차의 에너지 절감효과는 떨어지게 된다. 그리하여 지상에 축전지 시스템을 설치해 회생전력을 충전하고 역행하는 전차가 발생한 경우에는 방전을 실시함으로써 회생전력을 낭비 없이 재이용하여 에너지 절감 효과를 높이는 방법이 주목을 받고 있다. 또한, 조건에 따라서는 에너지 절감뿐만 아니라, △비상용 전원 △ 전압강하대책 △회생실효대책 및 변전소 대체기능 제공도 가능하다. 시스템 구성 BPS의 시스템 구성을 [그림 7]에 나타냈다. BPS는 제어장치를 통하지 않고 축전지를 궤전선에 직결한 시스템이며, 초퍼장치 등의 전력변환기가 불필요하기 때문에 변환기에 의한 손실 및 응답지연 없이 회생전력을 충전하고 역행전력을 방전할 수 있다. 도쿄 모노레일용 BPS (1) 시스템 개요 도쿄 모노레일은 2013년도에 시나가와(品川) 변전소에, 2014년도에 다마가와(多摩川) 변전소에 각각 BPS 1기씩 합계 2기(전지용량계: 약 400kWh)가 도입되었다. [그림 8]에 각 변전소의 BPS 외관사진을 나타냈다. 시나가와 변전소 BPS는 옥내 설치, 다마가와 변전소 BPS는 옥외 설치로 되어 있다. (2) 도입목적 동일본대지진을 계기로 정전 시 전차가 역간(驛間)에 정차했을 경우 승객을 안전하게 피난시키는 것을 목적으로 2변전소에 BPS가 도입되었다. BPS는 상시 궤전선에 연계되어 있으며 통상 시에는 회생전력을 저장함으로써 에너지 절감 및 가선전압의 안정화를 실현하고, 정전 시에는 비상용 전원으로서의 기능을 하는 다기능형으로서 본 시스템은 세계 최초로 영업운전에서의 축전지를 통한 정전 시 비상 주행을 실현하고 있다. (3) 운용결과 도쿄 모노레일에서는 아침의 러시아워에 정전이 발생할 경우, 하마마쓰초(浜松町) 역에서 하네다 공항 제2빌딩역까지의 상하선(上下線) 35.6km 전선(全線)에서 최대 17편성의 전차가 역간에 정차할 가능성이 있다. BPS 도입 후 야간시험을 실시하여 BPS에서의 전력만으로 최대 17편성의 전차가 평균속도 40km/h로 1시간 이내에 다음 역까지 주행 가능하다는 것이 밝혀졌다. 삿포로시 교통국용 BPS (1) 시스템 개요 삿포로시 교통국은 2013년도에 지하철 남북선(南北線)의 테쓰호쿠(鐵北) 변전소 및 나카노시마 변전소에 각각 BPS 1기씩 합계 2기(전지용량계: 약 200kWh)를 도입했다. [그림 9]에 남북선의 역과 변전소의 위치를 나타냈다. (2) 도입목적 삿포로 시영(市營) 지하철 남북선의 BPS는 회생실효 방지와 그 흡수한 회생전력을 유효하게 재이용함으로써 전차 운전의 소비전력량을 절감시키는 에너지 절감을 목적으로 하고 있다. 2014년 7월의 BPS 2기의 충방전량 합계는 1일당 3700kWh 정도로 에너지 절감에 기여하는 바가 크다. (3) 운용결과 삿포로시 교통국은 야간에 전차 1편성을 BPS가 있는 경우와 없는 경우의 상태에서 주행시키는 시험을 했다. [그림 10]에 시험전차가 히라기시(平岸) 역에서 나카노시마역(내리막 구배 27‰)까지 주행한 경우의 기계 브레이크용 컴프레서 압력(BC압력) 거동을 나타냈다. BPS가 없는 경우와 비교하여 BPS가 있는 경우에는 BC압력의 상승이 억제되고, 기계 브레이크의 사용이 감소하고 있음을 알 수 있다. 시험전차가 기록한 회생율은 BPS가 없는 경우의 23.2%에 대해 BPS가 있는 경우에서는 27.8%로 향상되어 BPS가 효과적으로 전차의 회생전력을 흡수하고 있다는 것이 확인되었다. < Energy News >