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문제 정의
- 본 논문에서는 (주)루비에서 개발한 20kWh급 ESS에 20kW급 태양광을 연계하여 에너지 절감 효과를 모니터링하였고, 에너지 저장장치의 핵심부품인 리튬 배터리의 충방전 운전 거동에 대한 성능 저하 특성을 연구하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 (주)루비에서 개발한 20kWh급 ESS에 20kW급 태양광을 연계하여 에너지 절감 효과를 모니터링하였고, 에너지 저장장치의 핵심부품인 리튬 배터리의 충방전 운전 거동에 대한 성능 저하 특성을 연구하였다.
- 20개의 단위 셀(즉, 10개의 셀 모듈)로 구성된 ESS에서 셀의 위치에 따른 용량변화를 연구하기 위해서 0.05C rate로 50회 충방전 실험을 진행하면서 1, 3, 5, 7, 10번 셀 모듈의 오른쪽 셀에 대한 IR 특성을 측정하였고, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 충방전 초기 cycle에서는 모든 셀에서 전기 용량이 제조사에서 제공하는 용량 40Ah를 유지하였고, cycle 회수가 증가함에 따라 20회 이후에는 약간씩 감소하는 것으로 나타나는데, 5번째 셀에서 그 정도가 조금 더 심하게 나타났다.
- 5C~3C)로 충방전하면서 전기 용량을 검토하였다. A 그룹의 충전은 EA EL-9080 200 (사양 : 80V, 200A, 6kW) 파워서플라이를 사용한 후 방전은 EA EL-9080 600 (사양 : 80V, 600A, 7.2kW) 로더를 사용하여 측정하였다. 반면에 B 그룹은 SGI-80/375 6U (사양 : 80V, 175A, 30kW) 파워 서플라이에 의해 충전한 후 EL5000P (사양 : 100V, 300A, 5kW) 로더에 의해 방전하였다.
- 같은 형태로 제조된 ESS의 단위 셀들에 대한 충방전 시험을 3C rate로 50회 충방전 실험을 진행하면서 1, 3, 5, 7, 10번 셀 모듈의 오른쪽 셀에 대한 IR 특성을 측정하였고, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. Fig.
- ESS의 충방전 특성을 평가하기 위해서 40Ah 제품 20개를 연결하여 실험용 ESS를 제작하였다. 그리고 16 채널을 동시에 측정할 수 있는 Potentiostat을 사용하여 전력 특성을 평가하였다. 충방전 전후의 셀의 내부 전극 구조 변화를 관찰하기 위해서 글러브 박스 내에서 수분을 제거한 조건에서 분해한 후 전극 표면에 석출된 불순물 석출 형상 및 성분을SEM/EDX를 사용하여 관찰 및 분석 하였다.
- ESS 성능 관리의 핵심 요소는 각 셀의 수명관리와 밀접하게 연결되어 있으며, 따라서 다양한 충방전 거동에 따른 ESS 각 셀의 성능 저하 현상에 대해 연구할 필요가 있다. 단시간에 다양한 변수에 대한 특성 변화를 연구하기 위해서 ESS에 대한 고속 충방전 시험을 실시하였다.
- (주)루비의 ESS는 프로그램에 의해 설정된 시간에 전력을 계통으로 방전하거나 계통으로부터 충전할 수 있는 기능을 가지고 있다. 따라서 2012년 12월 전력 사용 패턴을 모니터링한 결과를 반영하여 주간에 태양광에 의해 생성된 전기를 직접 이용하여 연구실 냉난방기를 운전하도록 설정하고, 잉여 전기를 ESS에 충전한 후 야간에 이 잉여전기를 사용하도록 설정하였다. 이와 같은 설정이 반영된 2013년 3월 전력 사용 패턴을 모니터링한 결과를 Fig.
- 충방전에 의한 셀 전극의 부식 및 침적물 성분 등을 확인하기 위해서 50회 충방전을 실시한 ESS의 5번째 셀을 분해한 후 중앙 층의 어노드 및 캐소드전극에 대한 SEM/EDX 분석을 하였다. 비교 대상으로 삼기 위해서 신제품에 대한 분석도 행하였다. Fig.
- 우석대학교 지역혁신센터의 년간 전기 사용 패턴을 확인하기 위해서 2012년 전기 사용량 추이를 분석하였다(Fig. 4). 연구소 특성상 연구 장비들의 안정적인 운전조건을 유지하기 위해서 연구실별 항온 장치가 배치되어 있으며, 실내온도가 25°C로 설정되어 있기 때문에 예상했던 대로 동절기 전력 사용량이 월등히 높은 것을 볼 수 있다.
- 2에서 보는 바와 같이 우석대학교 수소연료전지 부품 및 응용기술 지역혁신센터(RIC) 내에 설치하였고, 2013년 1월부터 안정적으로 작동하였다. 이 시스템에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위해서 2013년 전력 사용 패턴을 모니터링 하였고, 그 결과를 이 시스템을 설치하기 전인 2012년 전력 사용량과 비교하였다.
- 8V이다. 전류 변화에 따른 셀의 상태를 비교하기 위해서 셀을 A 그룹과 B 그룹으로 분류하고, A 그룹은 안정적인 전류(0.05C)로만 충방전하고, B 그룹은 상대적으로 높은 전류(0.5C~3C)로 충방전하면서 전기 용량을 검토하였다. A 그룹의 충전은 EA EL-9080 200 (사양 : 80V, 200A, 6kW) 파워서플라이를 사용한 후 방전은 EA EL-9080 600 (사양 : 80V, 600A, 7.
- 충방전 전후 셀의 내부 전극 구조 변화를 관찰하기 위해서 글러브 박스 내에서 수분을 제거한 조건에서 분해하였다. 50회 충방전한 셀은 분리막과 전극들이 많은 스트레스를 받아서 어그러져 있고, 특히 수십 겹의 양극-분리막-음극 층으로 이루어진 단위 셀에서 중앙 층 부근에서는 훨씬 더 큰 스트레스를 받은 것으로 보인다.
- 그리고 16 채널을 동시에 측정할 수 있는 Potentiostat을 사용하여 전력 특성을 평가하였다. 충방전 전후의 셀의 내부 전극 구조 변화를 관찰하기 위해서 글러브 박스 내에서 수분을 제거한 조건에서 분해한 후 전극 표면에 석출된 불순물 석출 형상 및 성분을SEM/EDX를 사용하여 관찰 및 분석 하였다.
- 충방전에 의한 셀 전극의 부식 및 침적물 성분 등을 확인하기 위해서 50회 충방전을 실시한 ESS의 5번째 셀을 분해한 후 중앙 층의 어노드 및 캐소드전극에 대한 SEM/EDX 분석을 하였다. 비교 대상으로 삼기 위해서 신제품에 대한 분석도 행하였다.
대상 데이터
- ESS 제작에 사용된 리튬 폴리머 셀은 코캄사의 40Ah 제품이고, 주요 사양은 정격 용량 40Ah, 정격전압 3.7V, CUT OFF 충전 4.2V, 2A, 그리고 CUT OFF 방전 2.8V이다. 전류 변화에 따른 셀의 상태를 비교하기 위해서 셀을 A 그룹과 B 그룹으로 분류하고, A 그룹은 안정적인 전류(0.
- ESS의 충방전 특성을 평가하기 위해서 40Ah 제품 20개를 연결하여 실험용 ESS를 제작하였다. 그리고 16 채널을 동시에 측정할 수 있는 Potentiostat을 사용하여 전력 특성을 평가하였다.
성능/효과
- 8에 나타내었다. 0.05C 방전에서는 거의 용량 감소없이 전압곡선이 전형적인 LiCoO2의 거동과 유사하였으며, C rate가 증가함에 따라 그 용량이 크게 감소하였고, 3C 조건에서는 60%까지 감소하였다. 5C조건에서도 방전실험을 진행하였는데, 전압이 급격히 낮아지면서 용량이 10%도 발휘하지 못했고, 이와 같은 전압의 급격한 감소는 전형적으로 전극의 저항으로부터 발생하며, 전극 자체의 전기적인 저항이 증가함으로 인해 IR drop이 발생하고 이는 전압 강하로 이어짐을 확인하였다.
- 7은 태양광 연계 ESS를 연구실들의 항온 조건을 유지할 수 있도록 계통에 연결한 후, 월별 전력사용량 추이를 비교한 결과이다. 2013년과 2012년의 년간 기온 패턴에 따라 전력 사용량이 큰 영향을 받기 때문에 1년만의 모니터링 결과로써 결론을 도출하기에는 무리가 있지만, 전반적으로 5~7% 정도의 전력 사용량을 줄일 수 있었다. 추후 지속적인 모니터링을 통해 다년간의 데이터를 축적할 계획이다.
- 충방전 회수에 따른 용량 변화는 cycle 회수가 20회 이후에는 약간씩 감소하였고, 40회 이후에는 감소 정도가 크게 나타났으며, 충방전 속도가 증가함에 따라 감소 정도는 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 50회 충방전 시험 후 어노드 및 캐소드 측을 관찰한 결과 많은 부식물이 침착되어 있고, 캐소드 측의 부식물 침착이 더 많았다. 따라서 전극의 성능을 유지하기 위해서는 캐소드 측의 부식을 방지하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
- 05C 방전에서는 거의 용량 감소없이 전압곡선이 전형적인 LiCoO2의 거동과 유사하였으며, C rate가 증가함에 따라 그 용량이 크게 감소하였고, 3C 조건에서는 60%까지 감소하였다. 5C조건에서도 방전실험을 진행하였는데, 전압이 급격히 낮아지면서 용량이 10%도 발휘하지 못했고, 이와 같은 전압의 급격한 감소는 전형적으로 전극의 저항으로부터 발생하며, 전극 자체의 전기적인 저항이 증가함으로 인해 IR drop이 발생하고 이는 전압 강하로 이어짐을 확인하였다. 따라서 5C 조건에서의 실험은 본 과제에서는 배제하였다
- (주)루비에서 개발한 20kWh급 ESS에 20kW급 태양광을 연계하여 에너지 절감 효과를 모니터링하였고, 에너지 저장장치의 핵심부품인 리튬 배터리의 충방전 운전 거동에 대한 성능 저하 특성을 연구하였다. ESS가 설치된 2013년의 전력 사용량이 ESS 설치 전인 2012년과 비교해서 5~7% 정도의 전력 사용량을 줄일 수 있었다. 충방전 회수에 따른 용량 변화는 cycle 회수가 20회 이후에는 약간씩 감소하였고, 40회 이후에는 감소 정도가 크게 나타났으며, 충방전 속도가 증가함에 따라 감소 정도는 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 05C rate에 비해 더 크게 감소하기 시작하였다. 또한, 5번째 셀에서 그 정도가 조금 더 심하게 나타나는 것은 0.05C rate로 실험했을 경우와 일치하였고, 그 감소 정도는 훨씬 더 크게 나타났다.
- ESS가 설치된 2013년의 전력 사용량이 ESS 설치 전인 2012년과 비교해서 5~7% 정도의 전력 사용량을 줄일 수 있었다. 충방전 회수에 따른 용량 변화는 cycle 회수가 20회 이후에는 약간씩 감소하였고, 40회 이후에는 감소 정도가 크게 나타났으며, 충방전 속도가 증가함에 따라 감소 정도는 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 50회 충방전 시험 후 어노드 및 캐소드 측을 관찰한 결과 많은 부식물이 침착되어 있고, 캐소드 측의 부식물 침착이 더 많았다.
후속연구
- 전자는 이차전지 내에 에너지를 화학적 에너지 형태로 저장했다가 필요한 장소에서 필요한 시간에 사용하는 방식을 말하며, 고용량, 고효율을 강점으로 리튬이차전지가 가장 주목을 받고 있다. 이에 반해 후자는 물리적 에너지 형태로 저장했다가 사용하는 식으로 양수 발전, 압축 공기저장이 대표적이며, 대규모 저장에 적합하나 자연적 제약조건이 많기 때문에 향후 주도적인 에너지 저장기술로 자리 잡기는 어려울 것이다. 따라서 ESS는 특별한 언급이 없으면 배터리 방식을 의미한다6-8).
- 2013년과 2012년의 년간 기온 패턴에 따라 전력 사용량이 큰 영향을 받기 때문에 1년만의 모니터링 결과로써 결론을 도출하기에는 무리가 있지만, 전반적으로 5~7% 정도의 전력 사용량을 줄일 수 있었다. 추후 지속적인 모니터링을 통해 다년간의 데이터를 축적할 계획이다.
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