기호 및 약어 설명
ESS : Energy Storage System
PCM : Phase Change Material
HP : Heat Pump
BTMS : Battery Thermal Management System
1. 서 론
에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)의 운전은 태양광 발전을 통해 생산된 전기에너지를 저장하고 필요시 전력 계통을 통해 전력을 공급하는 방식으로, Peak 감소를 통한 에너지 이용효율, 전력 계통 주파수의 빠른 응답성에 의한 계통연계 안정도의 향상, 발전 전기 품질개선 및 출력 안정화로 전력공급 시스템 안정화의 세 가지 목적으로 사용하고 있다1,2,3). 태양광 발전 연계 ESS에 사용되는 배터리는 에너지 저장밀도가 높고 다른 전지에 비해 긴 수명과 경량의 장점이 있는 리튬이온(Li-ion) 배터리를 주로 사용하고 있고, 안정적 충/방전 제어를 위한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 전력 변환 시스템(Power Conversion System, PCS), PCS와 배터리 제어를 통한 충/방전 전력량과 시간을 제어하는 에너지 관리 시스템(Energy Management System, EMS)로 구성되어 있다. 위와 같은 관리 시스템을 통해 ESS 운영 시 가장 큰 이슈인 배터리 열폭주(Thermal runaway)에 의한 화재 발생을 방지하기 위한 배터리 충전율(SOC) 하향 조정 등 발전량 제어를 고심하고 있다. ESS 화재 사건 중에 SOC 90% 이상에서 화재가 발생한 경우가 79%에 달하는 만큼 SOC를 낮추는 것과 함께, 하절기에 높은 화재 발생 빈도로 보아 외부 기온에 대응하는 ESS 함체의 단열 벽체 및 냉각시스템 시공 개선 등 ESS 제작에 추가사항과 소방시설 및 방화벽 설치 등 안전조치를 권고하고 있다4).
현재 ESS 배터리 온도관리시스템(Battery Thermal Management System, BTMS)에서는 배터리 실의 내부 적정온도를 23 ±2℃로 유지하도록 설정하여 히트펌프(Heat Pump) 냉난방 시스템으로 온도를 제어하고 있으며, 근래 열화 및 가스측정 등 예측진단 기술이 접목되면서 ESS BTMS의 안정적인 운전이 수행되고 있다. 더불어, 온도제어에 효과적인 상변화물질(phase change material, PCM)을 적용하여 배터리의 발열 부하를 대응하는 연구가 많이 수행되고 있는데, 이는 상변화 시 수반되는 PCM의 열에너지 저장 특성으로 인해 특정 온도 대에서 열을 흡수·방출하는 기능으로 균일한 온도제어를 구현할 수 있고 장기간 사용할 수 있는 높은 수명과 상대적으로 가격이 저렴한 경제적인 장점 때문이다5,6). 따라서 BTMS 적용 PCM의 주요 기능은 상변화 온도 구간보다 높은 주변 온도에서 PCM이 흡열하고 낮은 온도에서는 방열하는 작용으로 온도를 제어하며 열부하 Peak 구간의 Shifting 효과를 볼 수 있다. PCM을 배터리팩에 접촉하여 충/방전에 따른 온도특성을 분석하고, BTMS 효율을 높이기 위해 PCM의 열전도율을 높이는 구조를 적용한 다양한 연구가 발표되었다. Ping et al.7)은 Li-ion 배터리 모듈에 PCM-fin 구조를 구성하여 수치해석을 통한 높은 열 분포를 해석하고 구조적 기술을 제시하였고, Lazrak et al.8)은 배터리팩에 구리 선을 감싸고 PCM-copper foam 방법으로 해석과 실험을 통해 열 저항을 낮추는 기술을 발표하였다. 그리고 Ling et al.9)은 Li-ion 배터리팩에 액티브 공랭식과 패시브 PCM 적용의 특성 차이와 BTMS에 Air-PCM 냉각복합구성 시스템의 장점을 제시하였고, Wu et al.10)는 배터리 모듈의 냉각장치인 Heat Pipe에 열원 보조로 PCM을 적용하였다. 위와 같이, PCM 기반 BTMS는 특히 배터리팩과 모듈 단계에서 효율적인 연구 결과를 보였다.
본 논문에서는 배터리 Rack이 설치되어 있는 대용량 ESS에 PCM을 적용하고자 한다. 250 kWh급 Li-ion 배터리가 탑재된 PV-ESS 배터리 실 내부에 PCM 모듈을 배치하고 실내 항온 운전을 위한 히트펌프 시스템의 운전에 대하여 온도이력 및 소비전력량을 주요 측정 인자로 선정하였다. 실험에서 사용한 ESS는 1일(24 hr) 기준으로 환경모사 실험챔버에서 외기온도를 모사하고 충·방전이 각각 150 kWh씩 되었을 때 PCM 적용 유/무에 따라 냉난방 소모 전력 및 온도를 측정하였다. 외기온도는 간절기, 하절기, 동절기로 구분하여 모사하였으며 일교차가 큰 간절기에 높은 냉난방 소비전력 절감 효과를 보였다.
2. ESS 현장 실측 및 분석
PV-ESS 항온시스템의 내·외부 온도 및 냉난방 운전조건을 확보하기 위하여, 현재 상용 발전 중인 ESS(전라북도 부안군 소재)의 충·방전량과 배터리실의 냉난방 운전사항을 실측하였다. Fig. 1은 상용 발전 중인 태양광 연계 ESS 시스템의 실측 현장 사진(a)과 측정된 충·방전, 냉난방 운전 전력량과 온도 데이터의 1일 결과값(b)을 보여준다. 태양광 발전 용량은 95.58 kW (a-1), ESS 용량 273.96 kWh (a-2)로 구성되어 있으며, 배터리실(a-3) 온도 및 냉난방 히트펌프 소비전력 데이터(a-4)를 실측하고, 측정데이터를 기반으로 본 실험에 외기온도 환경 모사 및 배터리 충/방전량 조건을 확보하였다. 온도 측정 위치는 배터리 실의 내·외부, 내부 측 냉난방용 열교환기의 순환 공기 토출부, 배터리 셀에 대하여 T-type thermocouple을 활용해 온도를 측정하고, PCS실 냉난방 소비전력은 CW240 (Yokogawa)과 Current Transformer를 활용하여 계측하였다. Fig. 1(b)는 현장 실측 1일 (21년 4월 24일) 동안의 온도 및 PCS 전력 측정값으로, 당일 ESS에 충전 시간과 양은 오전 10시부터 오후 1시까지 시간당 약 65 kWh씩 218 kWh, 방전시간과 양은 오후 4시부터 7시까지 시간당 약 55 kWh씩 203 kWh의 충·방전이 발생하였다. 실내 온도는 설정온도인 23 ± 2℃에 맞추기 위해 2.3 kW급 외장 측면 반매입형 냉방기가 설치되어 있고, 냉각된 토출부 공기 온도 10 ~ 15℃에서 냉방기가 on/off 제어됨을 확인할 수 있다. 이때 외기온도는 최저 11℃, 최고 29℃로 높은 일교차를 보이고 오전 10시를 지나 외기온도는 내부 유지온도 보다 높게 상승하다가 오후 5시에 다시 내부 유지온도보다 낮아진다. 이 시간에 충전이 시작되면서 셀 온도가 상승하고 더불어 냉방 운전 가동 횟수가 증가한다. 충전종료 시점부터 셀 온도의 상승곡선은 멈추고, 방전 시작과 함께 다시 온도가 상승하여 오후 8시 방전 종료 후 셀은 일일 최고 온도를 보인다. 이후 충/방전 종료 후에도 상승하는 배터리 셀의 발열로 인하여 더딘 온도하강을 보이며 외기온도가 낮은 새벽 구간에도 냉방 운전이 지속된다.
본 연구를 위해 제작한 PCM을 적용한 ESS 용량과 동일한 용량의 ESS의 현장 실측을 통해 충/방전량과 외기온도 데이터를 확보하여 PCM 축/방열 및 외기 도입 운전 시간을 파악하였다. Table 1은 현장 실측 1년 동안에 월간 외기온도 방전 및 냉난방 소비전력량에 대한 것으로, 외기 최대온도가 내부 유지온도보다 높은 4 ~ 10월의 히트펌프 전력 사용량이 동절기 11 ~ 2월보다 높았으며, 예상대로 7, 8월 여름철에 가장 높은 냉방소비량을 보였다. 8월과 1월의 비슷한 발전과 방전량에도 하절기 냉방 운전에 비해 동절기 난방 운전의 소비량이 적은 이유는 배터리 발열부하에 의한 것으로 하절기 온도 유지에 더욱 주의가 필요하며 서론에서 언급한 바와 같이 하절기에 화재 발생이 많은 원인과 관계가 있다. Fig. 2는 냉난방 소비량에 영향을 주는 ESS 운전(a)의 발전량 및 충/방전량의 합산량, 외기 및 셀 온도의 평균온도에 대하여 1년 동안 측정된 데이터를 기반으로 1일 기준 선형회귀분석의 상관계수(Correlation coefficient) 값이다. 높은 상관도를 보이는 외기온도에 대해서 온도 기준으로 계절을 구분하여, 상관도를 재분석한 결과 봄과 가을 간절기에 더 높은 상관 값을 보였다.
Table 1
Measured data of temperature and HP power consumption for a year
3. 실 험
3.1 PCM 선정 및 ESS 적용
BTMS에 적용하기 위한 PCM 물질은 ① 현열과 잠열을 포함한 큰 열용량, ② 높은 열전도율, ③ 목표 온도 범위에 맞는 상변화 온도 구간, ④ 상 분리 없는 낮은 과냉각도와 체적 변화율, ⑤ 장기간 주기적인 동결·해빙 과정에서 변형 최소화, ⑥ 비독성과 가용성이 높은 물질 등의 적용조건을 검토하여 선정한다11,12). 본 실험에서는 ESS 배터리 실에 배치될 PCM으로 목표 내부 유지온도 23 ± 5℃를 고려하여, 본 연구실에서 자체 제조한 혼합물 유기물계 후보 PCM 중 상변화 온도 23℃급의 PCM을 선정하였다. Fig. 3은 PCM의 상변화 온도 구간과 잠열량 확인을 위한 가열/냉각 실험 시 온도특성 그래프(a)와 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 측정 분석결과(b)이다. PCM의 가열/냉각 실험은 2개의 항온조를 각각 45℃와 –20℃로 설정 후 PCM 샘플을 이동하여 가열/냉각 반복 2회에 걸쳐 수행하여 23℃에서 상변화 구간의 등온선을 확인할 수 있다. Fig. 3(b)는 23℃ PCM의 DSC 측정 결과값으로, 냉각조건 시 약 19.7℃에서, 가열조건 시 약 23.5℃에서 동결/해동이 진행되고 이때 잠열량 값은 각각 206.2 J/g, 209.5 J/g으로 확인되었다.
Fig. 4는 ESS 배터리 실 내부에 PCM 모듈을 배치한 3D 모델링 이미지(a)와 배터리실의 유체흐름(b)을 보여준다. 실험에서 사용한 ESS의 배터리 구성은 345.9 Wh의 Ni/Co/Mn 각형 배터리 셀 9개로 구성된 충전용량 68.4 kWh의 배터리 랙을 4세트로 배치하여 ESS 총용량 273.97 kWh으로 구성하였고, 여기서 SOC는 95%, DOD (Depth of Discharging)는 3% 기준으로 세팅되어 있다. 배터리 실 함체는 PU (Polyurethane) 단열재와 난연 재질로 제작되고, 배터리 포함 PCM 모듈, 순환 팬, 제습장치, 소화기를 배치하여 실험준비를 구성하였다. PCM은 직사각형 형태의 SS400/아연도금 관으로 제작한 모듈 30개를 이용하여 PCM 75 kg (2.5 kg/1ea)을 내부에 배치하였고, 외기 도입과 냉난방 별게 운전할 수 있게 제작한 3 kW급 냉난방 히트펌프는 외부에 설치하여 냉난방 공급 덕트로 내부에 연결하여 상부 공급/하부 회수 경로로 공기 순환이 가능하게 설계하였다. 배치구성 설계가 완료된 후 배터리 Rack과 PCM 사이에 원활한 유동을 확인하기 위하여 Fig. 5(b)와 같이 SolidWorks 유체 해석을 수행하였다. ESS 내부 해석 공간 2,552 × 1,994 × 2,559 mm에 대하여 배터리 온도 30℃, PCM 온도 23℃일 때 20℃의 공기 유체가 유량 0.163 m3/s로 공급되고 토출 압력 1 atm 조건으로 순환하였을 때의 정상 상태의 열유동 분포를 확인하였다. 냉난방기에서 공급된 공기가 상부 Inlet 덕트를 통해 확산하여 배터리 Rack 사이 및 후면으로 일부가 흐르고 유입되지 못한 유동은 상부에서 중앙내부로 다시 와류 되어 배터리 Rack 앞쪽 표면과 배터리실에 냉난방 효과를 보였다. 다만, 배터리 Rack 사이의 상승온도가 냉각되지 않는 경향을 보였고 이는 PCM과 순환 팬의 배치구성에 대한 추가연구를 통해 개선될 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 ESS 배터리실 함체 외기부하 실험
PCM을 적용한 ESS 항온시스템의 냉난방 운전 모사 실험을 수행하기 위하여, Fig. 1과 Table 1을 바탕으로 환경 모사 챔버의 외기온도 실험조건을 간절기, 동절기, 하절기 계절별로 구분하였다. 실험실에 보유한 환경 챔버에서 공급할 수 있는 최대 전력 용량은 충전 시 약 30 kWh, 방전 시 약 48 kWh으로, 충/방전시간(충전 5시간, 방전 3시간)을 고려하여 현장 실측 데이터 중에 충/방전량이 150 kWh에 유사한 일자를 계절별 대표 일자로 선정하였다. 실험조건으로 선정한 일자의 외기온도 제어 값은 실측 데이터를 1시간당 평균온도로 계산하고 그 값을 환경 챔버에서 24시간에 걸쳐 Table 2에서 보는 바와 같이 외기온도를 모사하였다. Fig. 5는 PCM을 적용한 ESS의 충/방전 및 외기 모사 실험 사진으로, 환경 챔버 전경(a), ESS의 챔버 내부 배치(b), ESS 내부(c), PCS 충전 및 전력량 측정(d), 방전 및 전력량 측정(e)의 모습을 확인할 수 있다. 챔버에서 32 kW/h의 전력공급과 48 kW/h의 열풍식 Load bank를 사용하여 방전하였으며, 현장 실측과 마찬가지로 T-type thermocouple과 CW240 계측장비를 통해 온도 및 충/방전, 소비전력을 측정하였다.
Table 2
Experiment condition of outdoor temperature for PCM applied ESS
4. 결 과
계절별 외기온도와 충/방전 전력량(142 kWh ~ 168 kWh) 조건에서 냉난방 단독운전과 PCM 배치 및 외기도입을 겸한 복합운전에 따른 비교실험을 수행하였다. Fig. 6은 간절기 외기 조건에서의 실험 결과로 ESS의 충/방전량은 냉방기 단독운전 시 167 kWh/158 kWh, 복합운전 시 168 kWh/157 kWh이다. 냉방기 단독운전(a)의 경우 함체 내부 제어온도인 23℃를 중심으로 높은 외기온도의 주간(충/방전시간) 시간대에 냉방기의 on/off 운전이 지속적인 것을 볼 수 있는데, 복합운전(b)의 경우 야간시간대의 낮은 외기온도에 의해 축열(동결)된 PCM으로 인해 냉방기 가동 없이 주간 시간에 내부 온도상승을 지연시키고, 야간 시대에 외기 도입만으로 냉방효과와 함께 주간 시간대 방열(해빙)된 PCM의 재축열(동결)을 확인할 수 있었다. 이때 냉난방기 소모전력량은 냉방기 단독운전 5.6 kWh, 복합운전 0.885 kWh로 측정되었다.
Fig. 7은 하절기 외기 조건에서의 실험 결과로 ESS의 충/방전량은 냉방기 단독운전 시 157 kWh/142 kWh, 복합운전 시 162 kWh/159 kWh이다. 하절기 조건은 간절기 조건에 비해 높은 외기온도로 인한 냉방부하 증가로 냉방기 on/off 운전 횟수와 운전 시간이 많이 늘어나는 것을 볼 수 있고, 높은 외기온도에 의해 외기 도입 운전은 적당하지 않다. 새벽 시간대 냉방기에 의한 내부 냉방과 함께 PCM을 축열하고, 주간 충/방전과 외기온도 부하 상승 시간대에 PCM이 보조열원으로 냉방기 운전량을 감소시키고자 하였지만 큰 절감 효과를 보기 어려웠다. 이때 냉난방기 소모전력량은 냉방기 단독운전 16.1 kWh, 복합운전 15.9 kWh로 측정되었다.
Fig. 8은 동절기 외기 조건에서 실험 결과로 충/방전량은 난방기 단독운전 168 kWh/158 kWh, 복합운전 158 kWh/154 kWh이다. 하절기 조건과 반대로 내부 발열 부하가 상대적으로 높은 충/방전 시간대에 내부 난방 및 PCM 축열을 동시에 진행하고 외기온도가 낮은 새벽 시간에는 난방 운전 소모량을 줄이고자 하였으며, 난방기 단독운전 14.3 kWh, 복합운전 12.2 kWh로 다소 감소하였다.
5. 결 론
본 연구는 250 kWh급의 ESS 배터리 함체 내부 온도 유지를 위해 PCM을 적용한 외기 도입 냉/난방 운전이 연계된 복합열원 냉난방 운전과 기존 냉난방 단독운전의 비교실험을 통하여, 온도 유지 냉난방 소모 전력 사용량 절감 효과에 대하여 분석하였다. 먼저, 현장 실측을 통하여 외기온도 및 충/방전에 의한 온도 및 냉난방 사용량 데이터를 분석하고 간절기, 하절기, 동절기로 계절별 구분하여 1일(24 hr) 기준 외기 조건과 150 kWh의 충/방전량 실험조건을 확보하여 환경모사 시험챔버에서 모의실험을 수행하였다. 계절별로 충/방전 용량 150 kWh에 의한 배터리 발열과 외기부하에 대응하는 냉난방 소모전력량은, 냉난방 단독운전 시 간절기 5.6 kWh, 하절기 16.5 kWh, 동절기 14.3 kWh이며 복합열원 운전 시 간절기 0.88 kWh, 하절기 15.9 kWh, 동절기 12.2 kWh로 각각 84%, 3%, 14%의 절감량을 보였다. 배터리 함체 설정온도와 PCM 상변화 온도 구간을 기준으로 주/야간의 높고 낮은 온도 차이가 큰 간절기 조건에서 PCM의 높은 축/방열 효과를 보이며 냉난방 소비량의 절감 효과를 확인할 수 있다.
