에너지 저장 산업으로 전력 회로를 가속화하는 방법

에너지 저장이 재생 에너지원에 있어 큰 문제인 이유는 무엇입니까?

지난 수십 년 동안 정부는 태양광, 풍력 및 수력 발전을 포함한 재생 가능 에너지원을 위해 화석 연료를 단계적으로 제거해야 하는 압력이 증가했습니다. 재생 연료에 대한 이러한 추진력은 주로 기후 변화와 관련된 전 세계 CO2 배출량을 줄이려는 노력에서 비롯되었습니다. 그러나 지난 2년 동안 기후 변화보다 훨씬 더 큰 영향을 미친 두 가지 새로운 요인, 즉 돈과 전쟁이 발생했습니다.

2020년 코로나 팬데믹은 생활비 상승, 금리 인상 및 공급망 문제를 초래하여 전 세계 경제에 충격을 주었습니다. 그런 다음 2022년 초 러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 전 세계의 많은 국가가 러시아로부터 석유 공급을 차단했으며, 이는 의심할 여지 없이 엄청난 에너지 가격 인상을 초래했습니다(특히 러시아 연료에 의존해 온 유럽 국가의 경우).

따라서 서방 국가들 사이에서 에너지 독립에 대한 관심이 증가했으며 재생 에너지원이 실행 가능한 옵션으로 제시되었습니다. 태양열 패널의 가격이 크게 하락하고 재생 가능 시스템의 에너지 효율성이 매우 증가했지만 한 가지 주요 과제인 전력 가용성에 직면해 있습니다.

태양열 패널은 해가 뜰 때 최대 효율로 작동하고 풍차는 바람이 많이 부는 날에 가장 잘 작동합니다. 즉, 재생 자원의 에너지는 매일 크게 변동됩니다. 설상가상으로 북부 지역(캐나다, 영국 등)의 에너지 소비량은 한낮에 낮고 밤에 최대가 됩니다(특히 난방이 필요한 겨울 동안). 그러나 태양열 패널은 정반대의 시간에 최고 전력을 생산합니다.

현재 에너지 그리드는 전력을 저장할 수 없으므로 생성되는 추가 에너지가 낭비되며 재생 에너지원을 운영하는 데 비용이 많이 들고 안정성이 매우 떨어집니다. 더욱이, 재생 에너지의 불안정성은 에너지 그리드가 재생 에너지원에 100% 존재할 수 없다는 것을 의미하므로 갑작스러운 에너지 수요를 충족할 수 있는 상당한 화석 연료 백업이 필요합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 최대 생산 시간 동안 초과 재생 가능 전력을 저장하고 재생 가능 출력이 낮은 시간 동안 그리드에 이 전력을 다시 공급할 수 있는 에너지 저장 솔루션을 만드는 방법을 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 솔루션은 에너지 밀도가 높고(다른 에너지 저장 솔루션에 비해 공간을 적게 차지함을 의미함) 상당한 양의 에너지를 빠르게 방출할 수 있는 대용량 배터리를 사용하는 것입니다. 그러나 가연성과 결합된 이러한 배터리 시스템의 높은 비용은 엔지니어에게 계속해서 도전 과제를 제시하고 있습니다.

전기 자동차로 문제를 해결하는 방법

연구원들이 현재 실험하고 있는 한 가지 급진적인 아이디어는 대형 전용 시설 대신 전기 자동차를 단일 대형 가상 그리드 배터리로 활용하는 것입니다. 간단히 말해서, 주전원에 연결된 전기 자동차는 충전을 위해 전력을 끌어올 뿐만 아니라 피크 수요 시간 동안 주전원에 다시 전력을 공급하도록 설계될 수 있습니다. 사회에서 충전 지점이 더 널리 보급되어 주차된 EV가 대부분의 시간을 주전원에 연결할 수 있다고 가정하면 이 기술은 그리드 기술이나 주요 저장 설비에 대한 추가 투자 없이 에너지 저장 문제를 해결할 수 있습니다.

EV 소유자에게 인센티브를 제공하기 위해 고유한 일련 번호를 사용하는 등록된 차량은 그리드 사용을 위해 배터리에 들어오고 나가는 에너지의 양을 측정하며 이는 EV 소유자에게 지불하는 요금으로 연결됩니다. 또한 실시간 에너지 요금제를 사용하면 에너지가 가장 저렴한 최고 전력 생산 중에 차량을 충전하고 에너지 가격이 가장 높을 때 전력망에 다시 전력을 공급할 수 있습니다.

이 방법이 좋은 아이디어처럼 들릴지 모르지만 이러한 시스템을 구현하려면 현실적으로 엔지니어가 많은 도전 과제를 해결해야 합니다. 첫째, 실시간 에너지 요금제는 소형 IoT 장치가 실시간 전력 생산에 따라 가치가 결정되는 실시간 에너지 가격을 요청할 수 있는 API가 필요합니다. 이는 전력을 저장하고 생성하는 장치가 그 시간에 실제로 전력을 생성했음을 증명하기 위해 타임스탬프에 출력을 기록해야 함을 의미합니다.

두 번째 문제는 이러한 차량의 충전 시스템은 양방향 기능(예: 전력 푸시 및 풀)이 필요하기 때문에 복잡하다는 점입니다. 또한 시스템에 연결된 EV는 저장된 에너지가 사용자 정의 수준 아래로 떨어지지 않도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 너무 많이 사용할 경우 EV 범위가 줄어들 뿐만 아니라 배터리 수명도 단축됩니다(충전 주기가 제한되어 있다고 가정).

재생 에너지뿐만 아니라 배터리도 보편화되고 있습니다

전기 그리드를 위한 EV 및 에너지 저장 장치가 배터리 기술 개발에 큰 진전을 제공하고 있지만 전자 제품을 일상적인 장치에 지속적으로 통합함으로써 배터리 및 배터리 관리 솔루션에 새로운 기회를 제공하고 있습니다. 배터리는 종종 장치에서 가장 무겁고 가장 큰 구성 요소 중 하나일 수 있으므로 충전지 용량을 줄이면 무게와 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 따라서 더 작은 장치에 대한 필요성은 엔지니어에게 특히 어려운 문제입니다. 그러나 이렇게 하면 전체 용량이 줄어들고 이는 곧 배터리 수명 단축으로 이어집니다. 따라서 엔지니어는 에너지 소비를 최소화하고 배터리 작동을 위해 특별히 설계된 구성 요소(예: 데스크톱 프로세서가 아닌 모바일 프로세서 사용)를 활용할 수 있도록 에너지 절약 기술을 개발해야 하는 경우가 많습니다.

노트북과 스마트폰이 그 대표적인 예입니다. 물리적으로 더 작아지고 전력 소모도 적지만 배터리 수명과 프로세서 성능은 계속해서 향상되고 있습니다. 이는 트랜지스터 크기를 줄이고 게이트 전압을 줄임으로써 에너지 소비를 낮추는 반도체 기술의 발전 덕분에 가능합니다.

에너지 저장 기술의 발전을 가로막는 과제는 무엇입니까?

지금까지 우리는 재생 에너지원이 에너지 저장 솔루션의 부족으로 인해 얼마나 큰 어려움을 겪고 있는지, EV가 재생 에너지 저장에 대한 솔루션이 될 수 있는지, 그리고 일상적인 전자 제품이 배터리 기술을 개선하는 데 어떻게 도움이 되는지에 대해 논의했지만, 기술 이식과 관련하여 에너지 저장 솔루션은 어떤 문제에 직면해 있을까요?

첫째, 여러 셀로 구성된 배터리 시스템은 전하가 균등하게 분배되어야 합니다. 이는 몇 개의 셀이 있는 배터리의 경우 문제가 되지 않지만 EV 및 대규모 저장 시설에서 일반적으로 사용되는 더 큰 시스템에는 수백(수천은 아니더라도)의 개별 셀이 있을 수 있습니다. 결과적으로 셀 커넥터의 수, 각 셀을 읽는 데 필요한 IC 및 관리 알고리즘으로 인해 이러한 시스템을 구성하고 유지 관리하기가 매우 복잡해질 수 있습니다.

둘째, 배터리는 충전 및 방전 모두에 문제가 되는 AC 전압과 달리 DC 전압으로 에너지를 저장합니다. AC에서 DC로 또는 그 반대로의 변환은 에너지 낭비를 최소화하기 위해 가능한 가장 에너지 효율적인 방식으로 수행되어야 합니다. 양방향 변환 시스템의 필요성은 특히 여러 소스에서 회로에 전력을 공급할 수 있는 전기 시스템을 다룰 때 회로 복잡성과 안전 문제를 야기합니다(일반적으로 적절한 절연을 위해 퓨즈 보드 및 스위치에 주의가 필요함).

셋째, 전력망 애플리케이션에 사용되는 대형 배터리 시스템은 의심할 여지 없이 큰 전압과 전류를 처리할 것입니다. 또한 많은 양의 에너지를 저장하려면 이러한 조건을 견딜 수 있는 구성 요소가 필요할 뿐만 아니라 배터리 손상을 방지하기 위한 안전 조치도 통합되어야 합니다. 예를 들어, 배터리에서 너무 많은 전류를 끌어오면 배터리가 과열되고 이로 인해 화재가 발생할 위험이 있습니다. 대부분의 고에너지 배터리가 리튬을 기반으로 한다는 점을 감안할 때 이러한 화재는 순식간에 재앙으로 발전하고 주변 배터리도 고장나는 폭주 현상을 일으킬 수 있습니다.

넷째, 최신 배터리 시스템은 충전 전류를 크게 증가시켜 더 빠른 충전시간을 구현하고 있으며, 이를 위해서는 더 큰 전류를 처리할 수 있는 전원 회로가 필요합니다. 구성 요소의 크기는 처리할 수 있는 전류에 비례하므로 고속 충전기에는 의심할 여지 없이 물리적으로 더 큰 회로가 필요합니다. 또한 증가된 전류는 더 큰 가열 효과를 낼 수 있으며 이 추가 열은 적절하게 처리되어야 합니다. 그렇지 않으면 화재 위험이 있습니다.

에너지 저장 산업은 어떻게 전력 장치 산업을 가속화할까요?

에너지 저장과 관련하여 전력 장치는 충전, 전류 스위칭 또는 셀 전압 모니터링에 중요한 역할을 합니다. 지금까지 다룬 문제는 발전 및 통합을 위한 핵심 기회를 전력 장치 산업에 제시할 것입니다.

첫 번째이자 가장 중요한 것은 전력 변환기의 효율성 증가에 대한 필요성입니다. 변환기의 효율이 95%라고 해도 많은 수의 5%는 여전히 매우 크며 이는 낭비되는 에너지로 해석될 뿐만 아니라 낭비되는 에너지는 거의 항상 열의 형태입니다. 예를 들어 효율이 95%인 1GW 배터리 저장 시설은 여전히 전선, 구성 요소 및 저장 장치를 통해 총 50MW의 에너지가 낭비됩니다. 효율성을 1%만 높여도 추가로 20,000가구에 전력을 공급할 수 있습니다.

또한 전 세계 정부는 소비자 장치 및 가전 제품의 에너지 효율성 요구 사항에 대한 법률을 계속 통과시키고 있습니다. 따라서 엔지니어가 설계에서 가능한 한 모든 추가 에너지를 짜내야 하므로 보다 효율적인 전력 변환기 및 증폭기에 대한 수요도 증가할 것입니다.

배터리 수명이 연장되고 성능이 개선된 소형 장치에 대한 지속적인 수요는 새로운 전력 증폭기 및 전력 변환기의 개발을 가속화하는 데 도움이 될 것입니다. 앞서 논의한 바와 같이 충전지 용량을 줄이는 것이 제품의 무게를 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나이지만 그러기 위해서는 배터리 용량을 줄이는 대가를 치러야 합니다. 에너지 효율적인 프로세서는 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있지만 이는 성능 저하를 초래합니다. 따라서 고효율 전력 증폭기 및 변환기를 사용하면 에너지 변환에 낭비될 에너지를 처리에 대신 사용할 수 있으므로 보다 강력한 프로세서를 사용하도록 설계할 수 있습니다.

전력 증폭기 및 변환기의 개발을 가속화하는 데 도움이 될 수 있는 또 다른 영역은 에너지 하베스터입니다. 전원이 존재하지 않는 원격 지역에서 IoT 장치의 사용이 증가함에 따라 이러한 장치가 자체 전력을 생성해야 합니다. 에너지 하베스터는 이 전력을 제공할 수 있지만 관련된 에너지 크기가 작기 때문에 에너지 하베스터의 전력 변환기는 낭비를 최소화하기 위해 최대한 효율적이어야 합니다.

전력망에 사용되는 에너지 장치는 의심할 여지 없이 매우 큰 전압과 전류와 관련이 있습니다. 기존의 반도체도 이러한 환경에서 작동할 수 있었지만 SiC 및 GaN과 같은 새로운 전력 기술의 도입으로 엔지니어는 훨씬 더 높은 작동 전압, 더 높은 효율성 및 더 작은 크기를 갖춘 혁신적인 현대적 설계를 제공할 수 있게 되었습니다. 더 높은 전압 허용 공차와 더 작은 물리적 설치 공간의 조합은 또한 감소된 무게와 더 높은 전력 처리 능력 덕분에 EV 및 기타 휴대용 고전압 장치에 대한 기회를 제공합니다.

마지막으로, 신뢰성이 높은 시나리오와 관련된 전력 장치(예: 대규모 그리드 배터리)는 고급 전력 모니터링 및 장치 보호를 위한 지능형 솔루션을 통합할 수도 있습니다. 예를 들어 AI 프로세서가 내장된 소형 마이크로컨트롤러를 전력 증폭기에 통합하여 실시간 전류 및 전압 모니터링을 제공할 수 있습니다. 기존의 장치 보호 방법과 달리 이러한 시스템은 예측적 보호를 제공하고 비정상적인 동작을 방어할 수 있습니다. 또한 손상이 일어나기 전에 잠재적인 문제를 중앙 호스트에 알리는 데 사용될 수 있습니다.

결론

에너지 저장 및 에너지 효율성의 중요성이 계속 증가함에 따라 전력 변환기 및 증폭기의 중요성도 증가하고 있습니다. 재생 에너지 부문은 에너지 저장과 관련된 큰 문제에 직면해 있으며, 대규모 배터리를 구축할 수 없다면 엔지니어는 그리드에 연결된 EV를 대규모 가상 배터리로 사용해야 할 수 있습니다. 물론 이러한 전력 시스템에는 배터리 수명에 미치는 영향을 최소화하면서 고효율로 양방향 에너지 전달이 가능한 고급 전력 전달 시스템이 필요합니다.

휴대용 장치는 배터리를 물리적으로 더 작게 만들 수 있도록 에너지 효율성을 지속적으로 개선해야 하며 IoT 설계에 통합된 에너지 하베스터는 전력 증폭기와 변환기에 실질적인 성장 기회를 제공할 수 있습니다.

마지막으로, 전기 그리드에 사용되는 대형 배터리 시스템의 개발에는 의심할 여지 없이 SiC 및 GaN과 같은 새로운 반도체 기술이 필요하며 이러한 시스템의 막대한 비용은 손상이 발생하기 전에 잠재적 손상을 미리 예측할 수 있는 예측 기능을 제공할 수 있는 지능형 증폭기의 사용을 권장할 수 있습니다.