글: Steven Shackell
효율이 새롭게 개선됨에도 불구하고 전 세계 전기 소비량은 계속해서 증가합니다. 에너지 생성 및 저장 인프라도 성장해야 합니다. 현재 그리드 수준에서 에너지를 저장하는 데 펌프형 수력 발전, 배터리, 커패시터 뱅크, 플라이휠 등의 에너지 저장 방식이 사용되고 있습니다. 각 기술은 용량, 속도, 효율 및 비용과 관련해 이점 및 제약이 서로 다릅니다.
또 다른 신기술인 초전도 자기 에너지 저장(SMES)은 에너지 저장을 발전시킬 유망 기술입니다. SMES는 전기 에너지를 전송하고 저장하는 방법에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 이 문서에서는 SMES 기술을 살펴보며 이 기술이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 어떻게 사용될 수 있는지, 다른 에너지 저장 기술과 비교하여 어떠한지 알아봅니다.
초전도 자기 에너지 저장이란 무엇일까요?
SMES는 고급 에너지 저장 기술로서, 최고 수준에서 배터리와 비슷하게 에너지를 저장합니다. 외부 전원이 SMES 시스템을 충전하여 전력이 여기에 저장되고, 필요한 경우 이 전력을 방전시켜 외부에서 사용할 수 있습니다. 다만 SMES 시스템은 코일의 DC 흐름을 통해 자기장의 형태로 전기 에너지를 저장합니다. 이 코일은 전기 저항이 0인 초전도 물질로 구성되어 있어 자기장 생성의 효율이 완전합니다. 초전도 코일이 충전되면 코일 내부의 DC는 에너지 손실 없이 지속적으로 작동하므로 SMES 시스템이 의도적으로 방전될 때까지 에너지가 무기한 완전하게 저장됩니다. 이처럼 높은 효율 덕분에 SMES 시스템은 말단 간 효율이 무려 95% 이상에 달합니다.
초전도 자기 에너지 저장 시스템은 어떻게 작동합니까?
SMES 기술은 초전도성 및 전자기 유도의 원리를 바탕으로 하여 첨단 전기 에너지 저장 솔루션을 제시합니다. 외부 전원의 AC 전력을 저장하려면 SMES 시스템에서 먼저모든 AC 전력을 DC 전력으로 변환해야 합니다. 흥미롭게도 이러한 전력 변환은 SMES에서 유일하게 효율이 완전하지 않은 부분으로, 총 시스템 손실의 전체를 차지합니다.
DC 전력은 이후 초전도 와이어를 통과하여 대규모 전자기장을 생성하며, 궁극적으로 이 전자기장이 해당 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 초전도 물질은 임계 온도 미만으로 냉각했을 때 전기 저항이 0인데, 이것이 바로 다른 저장 방식과 달리 SMES 시스템에서는 에너지 저장 감쇠 또는 저장 손실이 발생하지 않는 이유입니다.
전자기장을 생성하는 관형 형상 시연
초전도 와이어는 다른 일반적인 유도 기기와 마찬가지로 도넛형 또는 관형으로 정밀하게 감긴 상태로 저장 자기장을 생성합니다. SMES 시스템에 저장해야 하는 에너지의 양이 증가하면 초전도 와이어의 크기와 양도 증가해야 합니다. 예를 들어 한 대규모 북미 SMES 프로젝트는 개념적인 소개에서 저장 용량이 2,400MW였으며 지하 매설 저장 링은 직경이 수십 킬로미터에 달했습니다.
초전도 자기 에너지 저장(SMES) 시스템의 장점
SMES 시스템의 명확한 특징은 비교 불가능한 효율입니다. 에너지를 저장하는 과정에서 소실되는 에너지가 최소한도입니다. SMES 시스템은 말단 간 효율이 100%에 가까운 반면, 리튬이온 배터리는 80~90% 범위에 있으며, 펌프형 수력 발전 저장 장치의 시스템 효율 범위는 70~85%입니다. 시골 지역 마이크로그리드 또는 대형 위성과 같이 에너지가 간헐적이거나 부족할 수 있는 응용 분야에서는 에너지 보존이 최우선적일 수 있으며, 선행 비용이 많이 들더라도 저장 효율을 극대화하는 것이 필수일 수 있습니다.
나아가 SMES 시스템은 충전 및 방전 모두에서 응답 시간이 짧으므로 신속하고 정확한 전력 전달 및 안정화가 필요한 응용 분야에 적합한 후보입니다. 예를 들어 반도체 제조 또는 의료 시설은 SMES 시스템으로 누릴 수 있는 이점이 큰데, 장비에서 생성될 수 있는 대규모 전력 서지에 SMES 시스템으로 손쉽게 대응할 수 있기 때문이며, 고성능 Li-Ion 배터리 시스템과 비교해도 우수합니다.
초전도 자기 에너지 저장 시스템의 단점
SMES 시스템은 다른 에너지 저장 솔루션에 비해 선행 비용이 매우 높습니다. 초전도 물질은 제조하는 데 비용이 많이 들며, 코일 재료의 초전도 상태를 달성하고 유지하는 데 초저온 냉각 시스템이 필요합니다.
이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO)과 같은 초전도체는 고순도 원자재를 사용해 복잡한 합성 기술로 생성되는 만큼 일반적인 와이어보다 제조 비용이 훨씬 높습니다. 게다가 YBCO 및 BSCCO는 대기압에서 임계점이 각각 93K(-292.3F) 및 110K(-261F)으로 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태가 유지되며, 그러한 환경을 조성하려면 복잡한 초저온 시스템이 필요합니다.
또한 SMES 시스템은 확장성 면에서 한계가 있습니다. 확장 불가능한 선행 비용을 차치하더라도 SMES 시스템은 유지 관리 요건이 까다로우며 저장 용량을 쉽게 늘릴 수 없습니다. 반면 리튬이온 배터리 저장 시스템은 쉽게 연결할 수 있지만, SMES 기기를 결합하려면 초저온 냉각 인프라를 동일하게 확장해야 합니다.
초전도 자기 에너지 저장은 에너지 인프라의 미래일까요?
SMES는 다른 에너지 저장 응용 분야에 비해 매우 독보적인 이점을 자랑하며 진정 첨단 기술이라 할 수 있지만, SMES가 가까운 미래에 대다수의 에너지 저장 응용 분야에서 폭넓게 채택되기란 어려워 보입니다. 현재 초전도 물질은 성능과 공급이 제한적입니다. 현재 기술로는 초전도성을 달성하려면 초저온 상태를 조성해야 하는데, 그리드 규모로 초전도체를 대량 생산하는 것은 아직 불가능합니다.
다만 물리학자들은 언젠가 상온 초전도성을 실현할 수 있을 새로운 고온 초전도체 물질을 찾고자 연구 중입니다. 이것이 달성되고 재료를 대량 생산할 수 있게 된다면 SMES의 효율과 성능은 다른 기술보다 먼저 시장 채택을 촉진할 것입니다. 초전도 물질, 초저온 기술 및 비용 절감 전략이 개선되면 SMES 시스템의 경쟁력이 대폭 상승하겠지만, 현재로서는 연구 및 틈새 에너지 인프라 단계에 머물러 있습니다.
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