웨어러블 에너지 하베스트 기술
1. 서언
생산된 전력을 임시로 저장하였다가 전력이 필요한 최적의 장소와 시간대에 에너지를 효율적으로 공급하는 Smart Grid의 핵심기술로서 에너지 저장장치(ESS : Energy Storage Systems)가 주목받고 있다. ESS는 에너지를 저장하는 방식에 따라 배터리 방식과 비 배터리 방식이 있다. 전자는 나트륨황 전지(NaS)/레독스 흐름전지(RFB : Redox Flow Battery)/리튬이온전지(LIB) 등을 이용한다. 후자는 물리적 저장방식인 양수발전(PH)/압축공기저장(CAES)/플라이휠(Flywheel) 방식과 전자기적 저장방식인 초전도 에너지 저장(SMES)/슈퍼 커패시터(Super-Capacitor) 등을 이용한다[1]. 최근에는 ⅰ)섬유 및 복합재료 등을 이용한 에너지 저장소재 기술, ⅱ)열, 진동 등을 전기에너지로 전환하여 저장하는 에너지 하베스팅(harvesting) 기술, ⅲ)상변화 물질(PCM : Phase Change Material)을 이용한 에너지저장 기술 등이 개발되고 있다[2].
에너지 하베스팅 기술은 직접적으로 에너지를 저장하는 기술은 아니지만, 에너지를 효율적으로 획득할 수 있는 기술로 에너지저장과 같은 효과를 나타낼 수 있다. 특히 그린에너지 하베스팅 기술 및 지능형 저장소재 기술이 개발되면서 웨어러블(wearable) 에너지 하베스트/저장 기능을 갖는 지능형 섬유기술(이하 웨어러블 에너지 하베스트 기술)로 발전하고 있다.
2. ESS를 이용한 에너지 효율화
2.1. 에너지 전달시스템의 개념
다양한 에너지원의 ESS의 통합 감시 및 제어기술을 구현하기 위해서는 TEMS(Total Energy-storage Management System)와 LPMS(Local Power Management System)를 이용한 에너지 전달시스템의 정상상태 및 과도상태 해석모델링을 통해 제어시스템의 운용 알고리즘을 개발하고 이를 검증할 수 있는 인프라가 필요하다[3]. TEMS와 LPMS를 이용한 에너지 전달시스템의 개념도를 [그림 1]에 나타낸다.
* 자료 : 산업기술혁신사업_에너지기술개발사업 자료종합 / 재구성.
[그림 1] TEMS와 LPMS를 이용한 에너지 전달시스템의 개념도
2.2. 에너지 전달시스템의 설계 및 계통연계
다양한 에너지원에 대한 ESS 실증 운용설비는 PCS와 배터리(이차전지)를 병렬로 구성하여 변전소로부터 계통연계설비(변압기 등)를 통해 모선에 접속된다. 따라서 모든 PCS(Power Conversion System : 배터리(DC)-계통(AC) 연계를 위한 전력변환시스템)는 PQM(Power Quality Measurement) 시스템을 구축하여 전압 및 전류 등 모든 실증운용에 대한 데이터를 통합 분석할 수 있어야 한다. 아울러 LPMS는 상위 통합감시 및 제어시스템인 TEMS과 연계할 수 있어야 한다. 이를 위해 PLC 기반의 상용 제어시스템의 고속 응답특성을 구현할 수 있어야 하며, 연계운전 제어주기를 고려한 통신 네트워크를 구출할 필요가 있다. ESS의 TEMS/LPMS/PCS/배터리 구성도를 [그림 2]에 나타낸다. 이러한 방식으로 부하이전을 통해 전력피크 저감과 아울러 육상풍력(On-shore) 및 해상풍력(Off-shore) 발전의 안정화를 구현할 수 있을 것이다[4].
* 자료 : 산업기술혁신사업_에너지기술개발사업 자료종합 / 재구성.
[그림 2] ESS의 TEMS/LPMS/PCS/배터리 구성도
2.3. 대용량 ESS의 PCS 구축
대용량 ESS에서 PCS의 핵심기능은 배터리의 직류전압(DC)을 계통에 맞는 교류전압(AC)으로 변환할 수 있어야 하며, 배터리의 충·방전을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 아울러 응답속도 및 효율성을 충족하기 위해서는 다음과 같은 기능이 필수적으로 요구된다[4].
- ESS용 배터리 시스템의 고성능화를 위해 에너지 밀도를 획기적으로 증가시켜 실증운용을 통해 계통활용의 타당성이 입증되어야 한다. 아울러 PCS 설비를 병렬로 구성하여 고속 응답속도를 보장할 수 있어야 한다.
- 돌발사고 등으로 인한 에너지 전달시스템의 전압이 순간적으로 하락되어도 연속운전이 가능해야 한다. 이를 위해 LVRT(Low Voltage Ride Through) 또는 FRT(Fault Ride Through) 기능을 구비할 필요가 있다.
3. 기술개발 동향
3.1. 웨어러블 에너지 하베스트 기술개발 과정
화석연료 사용으로 인한 기후변화 현상은 화석에너지 사용 억제요인이 증가하는 사회 환경적 변화를 요구하고 있다. 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국들은 에너지산업을 국가적 차원에서 규제와 지원을 강화하고 있다. 학계와 연구소 등을 중심으로 에너지 관련 기술개발 사업화 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기업들은 이러한 신기술을 기반으로 새로운 시장개척에 주력하고 있다. 과학기술 측면에서는 ESS 확산을 통해 신재생에너지워(태양광, 풍력 등)의 출력이 안정되고, 에너지활용 효율성도 높일 수 있어 에너지 강국들은 에너지분야의 핵심 성장 동력으로 집중 지원하고 있다. 산업시장 측면에서 ESS 기술은 전기요금이 저렴할 때 전력을 저장한 후, 전기요금이 비싼 피크 시간대에 사용할 수 있게 하여 수요관리에 혁신을 주도하고 있다. 나아가 전기의 생산-소비 패러다임을 생산-저장-소비 패러다임으로 전환시켜가고 있다[2]. 웨어러블 에너지 하베스트 기술은 1970년에 최초로 섬유형태의 고성능 슈퍼 커패시터 모델[5]이 개발되었으며, 실체 의복이나 신체에 착용(부착) 가능한(wearable) 직물형태의 웨어러블 에너지 저장장치[6]는 2015년에 개발되었다.
착용(부착) 가능한 직물형태의 웨어러블 에너지 하베스트 기술을 구현하기까지 긴 시간이 걸린 이유는 다음과 같이 요약할 수 있다[2].
- 압력, 마찰력 등 기계적 에너지로부터 획득한 전기에너지는 수십ms 이내의 순간적인 에너지이므로 이를 저장하기 위해서는 전자기적 저장방식인 슈퍼 커패시터(super capacitor)와 같이 출력밀도(power density)가 매우 높은 에너지 저장매체가 요구되기 때문이다.
- 섬유의 경우 전극의 부피와 표면적이 작아 활물질의 로딩양이 매우 제한적이라는 기술적 한계로 인해 이를 해결하기 위한 새로운 구조의 섬유전극을 개발하는 데 긴 시간이 걸린 것이다.
- 웨어러블 매체의 특성상 사용자의 편의성이 매우 중요하게 요구되는바 인체의 움직임을 고려한 유연성과 신축성을 갖춘 에너지 저장매체를 개발하는 데 긴 시간이 걸린 것이다.
3.2. 주요 기술개발 사례
직물형태의 웨어러블 에너지 하베스팅 전후방 기술 관련 국내외 주요 기술개발 사례를 간단히 요약하면 다음과 같다[2][7].
■ 국내
- 삼성전자 : fiber 기반의 압전 에너지 하베스팅 소자 특성 평가 및 메커니즘 규명에 대한 연구를 진행하였다. 이를 통해 압전체에 기계적 변형을 인가하여 전기에너지를 발생시키는 결과를 도출하였다.
- 한양대학교 연구팀 : 유연하고 신축성 있는 직물형태의 슈퍼 커패시터를 개발하여 출력밀도가 높은 에너지 저장장치 개발의 계기를 마련하였다.
- 충남대학교 연구팀 : 압전 특성을 구현할 수 있는 전기방사법의 낮은 생산률 등의 한계를 개선한 대안으로 고속 원심 방사법을 개발하였다. 이 방법은 전기방사에서 요구되는 높은 전압과 소재의 전기적 물성을 필요로 하지 않기 때문에 매우 효과적인 것으로 평가받고 있다.
■ 국외
- 중국의 Fudan대학 연구팀은 다양한 섬유형태의 에너지 저장매체에 대한 연구를 진행 중이다.
- 미국의 Duke대학 연구팀은 극초단파 신호를 캡처할 수 있도록 세팅되고 튜닝된 저렴한 재료를 이용하여 태양전지와 비슷한 효율성을 가진 전력–하베스팅 소자를 개발하였다.
- 이탈리아의 Tyndall National Institute는 대표적으로 많이 사용되는 폴리머 압전재료인 PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride)를 신발에 적용한 에너지 하베스팅 소자를 개발하였다.
충남대학교 연구팀의 압전 특성을 이용한 고속 원심 방사법 및 이탈리아 Tyndall National Institute의 PVDF 적용 하베스팅 소자의 경우, 압전 재료에서 생성되는 전기에너지를 효과적으로 얻기 위해 전기-기계결합계수(electro-mechanical coupling coefficient)가 큰 재료를 개발한 것으로 평가할 수 있다. 주어진 진동에서 보다 많은 전기에너지를 얻기 위해서는 전기-기계결합계수가 큰 재료특성이 요구되기 때문이다.
4. 결언
유비쿼터스를 지향한 웨어러블 전자기기에 대한 수요가 급격히 증가하면서 웨어러블 기능을 의류나 장신구 등에 적용하여 전기를 생산하게 됨으로써 인간의 신체는 이른바 걸어 다니는 이동발전소가 될 것으로 예상하고 있다. 에너지 하베스팅은 배터리 전원의 한계와 유지보수의 어려움에 대한 한계를 극복하기 위한 방법으로 직접 에너지를 생산하여 소비자에게 공급할 수 있는 에너지산업분야의 미래유망 기술로 주목받고 있다. 2015년 말 파리기후협약(COP21) 체결 이후 세계 각국은 화석연료 사용으로 인한 온실가스 대량방출의 주원인에 대한 복합적인 대안으로 ESS 개발에 주력하고 있다. 이는 효율적인 투자비용과 단시간의 구축기간에 유휴 전력에너지를 효율적으로 저장·관리함으로써 전력부하 평준화, 전력계통 안정화 및 능동적인 전력 수급관리 등을 구현할 수 있는 이점이 있기 때문이다.
다양한 에너지원으로부터 생산된 전기에너지를 효과적으로 저장하고 이를 통합 모니터링 할 수 있는 ESS 기술을 조기에 사업화하기 위해서는 핵심기술 개발과 적용도 중요하지만, 국내 법규 및 제도개선을 위한 정책이 뒷받침되어야 한다. 아울러 해외의 우수한 사업화모델을 벤치마킹 하여 국내 ESS 산업 환경에 맞는 비즈니스 모델을 개발할 필요가 있다. 나아가 정책 및 비즈니스 모델 개발 후 관련 기관 간 협업을 통해 ESS의 확대 보급을 위한 정책과 글로벌 사업화모델 발굴에 주력할 필요가 있다. 특히 신재생에너지원에 대한 업계의 수용성을 확대하기 위해서는 ESS의 에너지 전달시스템에 대한 영향성 분석을 통해 전술한바 있는 에너지 전달시스템 및 계통연계 시스템의 신뢰성과 안정성을 향상시킬 수 있는 지속가능한 전략이 필요하다.
<용어해설>
* 플라이휠(Flywheel) 에너지 저장방식 : 잉여 전기에너지를 기계적인 회전에너지로 저장해두고 필요 시 다시 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 에너지저장 기술
* 상변화 물질(PCM : Phase Change Material)을 이용한 에너지저장 기술 : 상변화 시에 나타나는 잠열/축열/축냉/열조절성 상변화물질을 이용하여 상변화 과정을 통해 많은 양의 열에너지를 저장하거나 필요 시 방출하는 에너지저장 기술
* 웨어러블(wearable) 에너지 하베스트 기술 : 인체활동에 의해 생성되는 기계적 힘, 마찰력 또는 주변 환경의 빛, 온도, 습도 등 다양한 소스로부터 전기에너지를 생성시키고 이를 효율적으로 저장할 수 있는 기술
* 압전 에너지 하베스팅 소자 : 압전체에 기계적 변형이 인가되면 전기에너지가 발생하는 효과를 이용한 소자로서 잉여 압력, 진동 같은 에너지를 사용가능한 전기에너지로 변환하여 주는 기술임. 기존의 자석을 이용한 발전보다 작은 진동을 전기에너지로 변환하는 데 용이하며, 에너지변환 효율도 높은 장점이 있다.
[참고문헌]
[1] “Research Issue_ESS(에너지저장장치)”, KEMRI 전력경제 REVIEW, 2016년 제12호, 한전경제경영연구원, 2016.04.
[2] “2017 미래유망기술 프로그램_에너지 저장 기술”, 한국연구재단, 2017.06.
[3] 산업기술혁신사업_에너지기술개발사업 자료종합.
[4] http://www.ekn.kr/news/article.html?no=283199
[5] Ultrafast charge and discharge biscrolled yarn super-capacitors for textiles and micro-devices, Nat. Comm. 2013.04., 1970.
[6] Natural Fiber Welded Electrode Yarns for Knittable Textile Super-capacitors, Adv. Energy Mater. 2015.05., 1401286.
[7] “에너지 하베스팅 특성을 갖는 PVDF/ZnO 나노섬유 스프링의 제조 및 특성연구”, 이공학개인기초연구지원사업 최종보고서, 충남대학교, 2016.06.