초록 ▼

□ 최종목표
IFC 코드 대응을 위한 화재안전 기반의 중형 ESS 개발 및 ICT기술을 융합한 클라우드형 감시제어 모니터링 시스템 개발

□ 개발내용 및 결과
1. 개발목표
개발 목표로 스칸젯매크론은 1차년도에는 50kW급 중형ESS 개발을 위한 ESS 용량 산정 및 상세 설계를 수행하며 테스트용 PCS를 개발하고 배터리 모듈 샘플을 확보하여 성능 테스트를 실시한다. 그리고 ESS 제어 모니터링 시스템 개발에 있어서의 ICT 기술을 융합한 클라우드 기반의 감시 제어 시스템을 설계하며 또한 독립적인 화재 모

□ 최종목표
IFC 코드 대응을 위한 화재안전 기반의 중형 ESS 개발 및 ICT기술을 융합한 클라우드형 감시제어 모니터링 시스템 개발

□ 개발내용 및 결과
1. 개발목표
개발 목표로 스칸젯매크론은 1차년도에는 50kW급 중형ESS 개발을 위한 ESS 용량 산정 및 상세 설계를 수행하며 테스트용 PCS를 개발하고 배터리 모듈 샘플을 확보하여 성능 테스트를 실시한다. 그리고 ESS 제어 모니터링 시스템 개발에 있어서의 ICT 기술을 융합한 클라우드 기반의 감시 제어 시스템을 설계하며 또한 독립적인 화재 모니터링을 구축을 위한 설계를 실시한다. 구체적 중점 수행내용은 중형ESS 관련 표준 조사, ESS 설계에 따른 설비구성 및 설비 공급 항목 정리, 설비 구매 기술규격 조사, ESS 활용 용량 산정, PMS/EMS 설계, PCS 상세 설계, 배터리 시스템 상세 설계, ESS 성능 요구사항 정립, 클라우드형 감시제어 시스템 설계 등이다.
그리고 2차년도에는 50kW급 중형ESS의 개발 및 제어감시시스템 개발에 따른 시제품 제작과 성능시험을 수행한다. 시제품 제작은 앞서 서술한 요구 조건에 맞춰 제작하며, 제작된 시제품의 성능은 스칸젯매크론이 운영중인 태양광발전 설비와 연계하여 정량적 목표 달성을 확인한다.
한국조선해양기자재연구원은 1차년도에는 IFC 코드 분석 및 화재사고 유형 분석을 통해 주관기관인 스칸젯매크론에게 설계 가이드라인을 제시하고, IFC 코드 대응을 위한 화재진단 알고리즘 개발을 수행 한다. 또한, 스칸젯매크론에서 개발하는 모니터링 시스템의 신뢰성 확보를 위해 수치해석 기반의 HW 신뢰성 분석을 수행 한다.
그리고 2차년도에는 화재진단 알고리즘 개발 검증을 수행한다. 개발된 ESS시스템의 정상 동작 확인을 위해, ESS시스템 배터리 성능시험을 수행 한다. 또한, 스칸젯매크론에서 개발하는 모니터링 시스템의 SW 신뢰성 확보를 위해 소프트웨어에 대한 신뢰성 분석을 수행 하는 것을 목표로 하였다.

2. 제품 개발 내용 및 결과
2.1 ESS 수용가 분석 및 최적 용량 산정, 경제성 검토
❍ 신재생에너지 설치 의무화에 따른 태양광 시설 및 이와 연계된 ESS 설치 용량 자료 분석
❍ 15개의 초중고등학교의 한국전력공사 I-smart 데이터 기반 전력 부하패턴 자료 분석
❍ PV 미 설치 10개 공공기관의 평균 ESS 적정 용량 159 kWh (50kW기준 3.18시간) 기반 적정 용량 검토
❍ PV 연계 ESS 설치 후 부하 패턴에 따른 효율적 운전 모드로 운용 시 전기 사용료 절감
❍ 공공기관은 강제 의무 사항으로 경제성에 영향 받지 않음 (중형급 ESS는 경제성 낮음)
❍ 정부 지원 및 REC 적용 가능 시 경제성 개선 됨 (민간 부문 적용 시 경제성 향상)

2.2 IFC 코드 설계 반영 항목 도출 및 태양광 연계 ESS 설계
❍ IFC 코드 분석에 따른 ESS 설계 검토 항목 도출 및 설계 적용 검토 (23개 항목 도출)
❍ IFC 코드 기반 BMS의 배터리 감시 기능 및 독립적 화재 예방 시스템의 ESS 설계 반영
❍ ESS의 Block Diagram, Single Wire Diagram 도면 작성 및 Layout 설계

2.3 50kW 급 PCS 상세 설계 및 전력 변환 기능, 효율 성능 테스트 용 PCS 제작
❍ 공공기관 적용 가능한 최소 조건인 50kW 용량 개발
❍ 태양광 및 계통 연계 Hybrid Type Power Conditioning System 개발
❍ 태양광 충전 모드, 계통 충전 모드, 방전 모드, 계통 매전모드 가능한 Hybrid PCS 설계
❍ PCS 상세 Spec. 설계, 운전 모드 Block Diagram, Main Board 및 주요 Board 설계
❍ 전력 변환 기능 및 효율 테스트 장비 제작

2.4 배터리 시스템 상세 설계
❍ 공공 기관 적용을 위한 최소 조건의 배터리 용량 (50kW PCS, 100kWh Battery)
❍ IFC 코드 설계 가이드에 기반한 배터리 시스템 상세 Spec. 설계
❍ 20kWh 배터리 랙 5EA로 구성 및 컨테이너 배치 Layout 설계
❍ IFC코드 기반 화재 예방 시스템의 가스 및 수소 센서 스틸캐비넷 내부 배치 설계

2.5 ESS Container 설계 및 외형 제작
❍ 배터리 시스템, PCS 및 PMS/EMS 제어 모니터링 시스템, 온습도 유지를 위한 공조 장치 배치
❍ 화재 예방 및 외부 환경 대한 보호 처리 및 주요 장비 최적배치를 위한 내부 구조 설계
❍ 코드에 따른 독립형 IFC 화재 예방 시스템 구성 및 설계,컨테이너 외형 제작 및 방염 처리

2.6 PMS/EMS 구축을 위한 상세 설계
❍ PMS의 주요 제어 기능 및 PMS/EMS 상세 기능 정의
❍ Cloud Service Concept 및 PMS/EMS Software Architecture 설계
❍ PMS/EMS 운영 화면 디자인 설계

2.7 50kW급 ESS 시제품 제작
❍ Power Conditioning System(PCS) 제작
❍ 배터리 및 ESS 제어 룸 상세 설계 및 제작
❍ ESS 설비 통합 구축 및 테스트
❍ ESS 시스템 연동테스트

2.8 태양광 연계 실증시험
❍ 개발된 ESS와 PMS/EMS를 태양광 모듈과 연동하여 부하(용량성, 유도성)의 용량별, 신재생 에너지 연계 형으로 실증시험 실시

[한국조선해양기자재연구원]
2.9 IFC 코드 분석 및 ESS시스템 화재사고 유형 분석
❍ IFC 코드 분석
❍ IFC 코드 관련 규격인 UL1973, UL9540, NFPA 1, NFPA 70분석
❍ IFC 코드 및 관련 규격 분석을 통한 설계 가이드 라인 제공

2.10 IFC코드 대응을 위한 화재 진단 알고리즘 개발
❍ 화재 진단에 필요한 하드웨어 구성 관련 정립
❍ 소화 방법 및 장비 연동 방법 설계
❍ 화재 진단 알고리즘 개발

2.11 모니터링 시스템의 HW 신뢰성 분석
❍ 모니터링 시스템 분석을 위한 가이드 라인 작성
❍ 하드웨어 설계도 BOM FMEA 분석
❍ 소프트웨어 가이드 라인 작성

2.12 배터리 모듈 및 전력 변환 기능 테스트 PCS 성능 테스트,제어기 신뢰성 테스트
❍ 배터리 모듈 사이클 시험/배터리 모듈 용량 시험 수행
❍ PCS 성능 및 효율 시험 수행
❍ 제어기 신뢰성 테스트 수행

2.13 화재 진단 알고리즘 검증 및 모니터링 시스템의 SW신뢰성 분석
❍ IFC 코드에는 ESS의 감시스템을 별도로 설치해야 하며 해당 감시 시스템 개발이 필요하며 이를 통해 안전성을 확보해야하는 것으로 되어 있음.
❍ 본 과제에서는 해당 규격을 만족하기 위해 수소가스, 가연성가스, 불꽃 감지기, 연기 감지기, 화재 감지기 등 총 5개의 센서를 모니터링 하는 안전 모니터링 장비를 제작하였으며 해당 장비의 제어 소프트웨어에 제어 알고리즘 및 기능을 삽입하였음.
❍ 또한 1차년 평가시 요구 되었던 IFC 코드에 대한 추가 분석에 대해서는 IFC 코드를 재 분석하여 해당 내용을 기반으로 스칸젯매크론과 ESS 추가 분석 및 개발을 수행함.
❍ IFC 코드 외 UL9540A 규격에 대해서도 해석을 수행하였으며 해당 내용을 체크 시트 등으로 작성하여 검토하였음.
❍ 안전 모니터링 장비 요구 분석

A. 안전 모니터링 장비의 요구사항은 다음과 같음
- IFC 코드를 만족할 수 있는 가스 센서 입력 가능, 단 가스센서는 0~5V 범위와 4~20mA 전류출력 모델을 모두 만족
- IFC 코드를 만족할 수 있는 가스 센서 입력 가능, 단 가스센서는 0~5V 범위와 4~20mA 전류출력 모델을 모두 만족해야 한다.
- 선박에서 사용이 가능하도록 릴레이를 2차 또는 3차로 제작하여 한번 이라도 센서가 이상 상황에 도달을 하게 될 경우 알람 신호를 한 개의 릴레이는 반드시 ON이 되는 상태로 유지할 것

B. 안전 모니터링 장비 입출력 사양
- 입력 전원은 선급 및 국제 공통 전원장치로 사용하기 위한 기본 스펙에 만족하도록 SMPS를 선정하였으며 출력 전압의 경우 센서 전원인 24V 전원 공급 라인과 DC 12V 및 백업용 배터리 라인을 설계하여 ESS화재 발생시에도 통신은 장비가 파손되기 전까지 송신이 가능하도록 설계하였음.

❍ 안전 모니터링 장비 개발
A. 하드웨어 설계
C. 제어기 시험
- 해당 온도 제어기를 이용하여 DNV-GL 입회하에 제어기 동작 시험을 수행하였으며 제어기 동작 상태를 –40도에서 +80도로 했을 경우 제어기가 문제없이 동작함을 DNV-GL과 함께 정량적 성과 목표를 확인하였음.

2.14 ESS시스템 배터리 성능 시험
❍ ESS 시스템의 성능 시험은 두 가지 항목으로 진행되었음
A. 장비 성능 시험
- 스칸젯 매크론에서 개발한 셀은 모두 IEC 62619 및 UN dot 38.3 인증을 받은 제품으로 개별 시험이 필요 없었음.
- PCS의 경우 한국조선해양기자재연구원에서 1차로 성능 시험을 수행 후 스칸젯 매크론에서 장비를 설치하였으며 1차 성능 시험은 절연저항/내전압 시험 등 스칸젯 매크론에서 현장시험시 하지 않은 해상용 규격인 한국선급 배터리 시스템 지침에 따라 시험을 수행하였음.
B. 기능안전시험
- 기능안전 시험은 약 100여개 항목을 수행하였으며 해당 시험항목에서 이상이 발생하지 않음.

□ 기술개발배경
1. 개발의 필요성
❍ 석유를 비롯한 화석연료 사용으로 지구촌이 심각한 기후변화를 겪으면서 화석에너지 사용에 대한 제약이 점점 심화되고 있음.
❍ 이에 따라 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국들은 에너지 산업과 관련, 국가적 차원에서 규제와 지원을 강화하고 있으며, 학계와 연구소는 에너지 관련 기술개발과 사업화 연구를 진행하고 있고, 기업들은 새로운 기술을 기반으로 신시장 개척에 나서고 있음.
❍ 에너지산업은 이제 ICT와 결합하면서 유통과 거래, 관리기술에 혁신을 가져오고 있음. 또한 재생가능 에너지, 에너지 관리시스템, 가상발전소, 마이크로 그리드, 전기자동차 등 새로운 시장과 산업이 창출되고 있으며, 그 핵심에는 에너지 저장장치 (ESS)가 있음.
❍ ESS는 전력을 저장해 필요할 때 공급함으로써 전력이용효율을 높여주는 시스템으로, 전기요금이 저렴할 때 전력을 저장한 후 전기요금이 비싼 피크 시간대에 사용할 수 있게 되어 수요관리에 혁신을 가져올 수 있음.
❍ 생산과 동시에 소비되어야 하는 전기의 ‘생산-소비` 패러다임을 `생산-저장-소비` 패러다임으로 바꾼 것이며, ESS 사용으로 태양광, 풍력 등 신재생출력이 안정되고 에너지 활

B. 소프트웨어
- 해당 제어기의 소프트웨어는 C로 구성되어 있으며 해당 소프트웨어의 프로그램을 과제비로 임차한 소프트웨어 분석 툴로 분석한 결과 위 그림과 같은 분석이 되었고 위험성이 높은 적색 부분에 대해서는 모두 소프트웨어에서 해결하였음.용 효율성도 높일 수 있어 주요 에너지 강국들은 에너지 분야의 핵심 성장 동력으로 집중 지원하고 있음.
❍ 본 사업에서는 에너지 사용의 모습을 바꾸고 있는 ESS에 대해 현재 산업용으로 대형화의 관점에서 ESS의 보급 확산에 있어 상대적으로 소홀히 대처되고 있으나 앞서 기술한 바와 같이 그 중요도 및 시급성이 요구되는 공공기관, 가정용 주택 그리고 재해에 따른 피난처 대상으로 하는 중형축전시스템(S-ESS)의 개발이 필요함.

2. 연구 배경 및 개발 동기
❍ 본 2018년 신규로 개정된 IFC 코드 만족을 위해서는 BMS의 사양이 강화되었으며, 실시간 감지가 가능해야 함
❍ 본 사업에서 IFC코드를 만족하기 위해, 기존 기술의 응용을 통한 중형 ESS와 ICT 기술을 활용한 에너지 매니저먼트 시스템의 융합을 통한 공공기관용 그리고 재해피난처 등에 임시로 시급성을 요하는 곳에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템과 축전 상황을 가시화하고 모드 전환의 원격조작이나 적절한 절전 등의 다방면의 서비스를 제공할 수 있는 시스템
❍ 개발하고자 하는 시스템의 특징
- 리모트에 의한 안심 서포트
⋅ 전력의 사용상황 및 태양광시스템의 발전상황 등 에너지의 활용데이터를 인터넷을 통해 수집하고 관리하는 하면서 상황을 24시간 365일 항상 관리하는 시스템임.
⋅ 또한 향후 가정 내의 전력소비 패턴의 변화 및 전기요금 제도 등이 변경되었을 경우에도 네트워크를 통해 소프트웨어의 변경 및 갱신이 가능. 사용자의 부담 없이 항상 쾌적한 환경에서 사용가능하게끔 함.
⋅ 중형ESS의 본체에 대한 사양에 있어 검토되어야 할 항목은 다음과 같음.
⋅ 품명(중형ESS)
⋅ 모델명(ESS-20180220-S1)
⋅ 축전용량(10kWh/단전지셀의 정격용량 합계로서 실제로 사용가능한 전력량, 사용환경 및 사용법에 의해 변화함)
⋅ 출력계통(2계통-일반부하,중요부하) ⦁정격전압(일반부하: 단상 3선 220v, 중요부하:단상2선 220v)
⋅ 정격출력(일반부하:3kW/방전중에는 계통접속으로의 역조류를 방지하기 위해 일정량의 고정매전을 함), 중요부하:1.5kW
⋅ 전지 종류(리튬이온전지)
⋅ 설치장소(옥외, 옥내)
⋅ 운용온도(-10∼+40℃)⦁보관온도(-20∼+40℃)⦁방수사양(***상당)⦁외형치수(가로×세로×높이)
- 전력회사의 전력망과 연계해서 전력 활용을 자동제어
⋅ 중형ESS는 전력망과 상시연계. 야간 전력을 적절히 축적하여 전력 활용의 자동제어를 수행함.
⋅ 전력계통망과의 연계로 야간에 저장한 전기에너지를 낮피크시간대에 사용할 수 있다. 계통 전체의 피크 컷에 공헌함과 더불어 주야의 전기요금차를 이용함으로써 전기요금의 삭감과 연결
⋅ 또한 정전 시에는 배전반 경유로 방전하여 주택 내에서의 전력을 자동적으로 백업하며, 정전 시의 비상용 전원으로서 활용이 가능
⋅ 그리고 통신 모듈을 장착하여 시스템의 가동 및 이용 상황을 관리 측에 송신할 수 있게 하여 원격관리에 의한 서포트가 가능하게 함.
- 클라우드형 EMS와의 조합으로 효율적인 에너지 활용
⋅ 중형ESS는 클라우드형 EMS와의 조합으로 공공기관내(병원포함)의 전기량 및 전기요금 등을 가시화함으로써 공공기관 전체의 최적인 전력 공급을 실현
⋅ 그리고 보다 효율적인 에너지 활용에 공헌
- 태양광발전 시스템과의 연대
⋅ 태양광으로부터 생산되는 전기의 잉여분은 매전과 축전을 중형축전시스템으로 자동제어
⋅ 태양광발전 시스템과 병용하면 생활환경에 맞춘 가장 효율적인 운용을 실현할 수 있으며, 또한 태양광이 생산하는 전기가 남을 때는 축전시스템으로부터 가정 내로의 전기공급이 자동적으로 중지함. 이러한 방식으로부터 전기의 매입가격이 내려가는 더블발전으로 간주하지 않고 언제든지 매전가격의 상한에서 남은 전기를 팔수가 있음.
⋅ 더불어 효율적인 축전시스템을 제어하여 절전 Co2의 삭감을 가능하게 함.
- 대용량
⋅ 축전용량은 단전지 셀로 구성된 팩과 모듈을 합쳐서 구성함에 따라 환경에 맞춰 구성 가능하며, 정격출력도 통상시, 정전시에도 요구되는 기기에 맞춰 사용가능하게끔 구성이 가능
- 안전성
⋅ 전기를 축전하여 사용하기를 무한 반복 하는 중형축전시스템에는 높은 안전성과 신뢰성이 요구된다. 본 사업에서는 가정에서 안전하고 안심하게 사용 가능하게끔 무엇보다 안전을 최우선하는 중형축전시스템 개발을 목적으로함.
- 장기보증
⋅ 본 사업에서는 기존의 리튬이온전지의 개발되어 판매되고 있는 모듈을 활용하는 것으로 안심하고 15년 이상 보증할수 있는 제품을 개발하며, 방수 및 방진성도 배려한 최적의 열 설계에 의해 가급적 팬이 없는 구조로 설계할 뿐만 아니라 필터교환 등도 불필요한 제품을 개발
- 리튬이온전지
⋅ 현재 상용화되고 있는 리튬이온전지를 활용하여 구성
- 설치성 및 환경성
⋅ 가급적 깊이를 작게 하는 본체 설계로 설치장소의 폭이 넓어지도록 하며, 장기간 야외에 설치해도 정상적으로 가동할 수 있게끔 내수 및 방진의 대책도 수립함.
⋅ 그 외 방청, 염해 및 방충 대책도 마련하여 다양한 환경에도 대응할 수 있는 시스템으로 구성

□ 핵심기술개발의 의의
❍ 재생에너지 3020(2030년 발전 비중 20%)의 목표달성을 위해서는 요금인상이 불가피하게 될 것이고, 태양광 혹은 풍력의 경우 출력이 급변하는 특성으로 인해 이에 대비하려면 지금보다 많은 예비력을 확보해야 하고, 값비싼 백업 설비를 가동해야 함에 따라 계통시장비용이 증가할 것이다.
❍ 현재는 전체 발전에서 태양광과 풍력발전이 차지하는 비중이 1∼2% 수준으로 극히 적어 별 문제가 없지만 앞으로 비중이 20%를 상회할 경우 계통 안정을 위해서 출력을 조정해야 하는 문제가 예상된다.
❍ 에너지 자립과 분권을 위해서는 대규모 발전용보다는 소규모 자가용 태양광을 보급하는 게 바람직 하지만 현재 요금체계로는 확대 유인이 별로 없는 추세이다. 이러한 환경에서의 비즈니스 모델을 만들기 위해 ESS와 연계하고 SMP뿐만 아니라 CP까지 주는 방안이 검토되고 있다. 따라서 이러한 환경에 발 빠른 대응은 좋은 비즈니스 모델이 될 수 있다.
❍ 또한 공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정에 따라 공공기관은 전력피크 저감 등을 위해 계약전력 1,000kW이상의 건축물에 계약전력 5% 이상 규모의 에너지저장장치 (ESS)를 설치하여야 한다는 점은 좋은 비즈니스모델이 될수 있다.
❍ 당사의 주력 생산품 중에서 무정전 전원 공급시스템은 국내 조선소에서 건조중인 천연 액화 가스 운반선(LNG Carrier)에 공급되고 있으며 , 또한 현재 운항하고 있는 LNGC의 노후화된 무정전 전원 공급시스템을 교체하는 개조를 통한 매출이 꾸준히 발생되고 있다. 또한 이 장비와 함께 공급되고 있는 연축전지 밧데리를 공급하고 있다. 본 과제의 핵심 기술 개발이 완료되어, 우선 당사의 UPS와 리튬이온 밧데리를 함께 공급하는 새로운 신규 매출의 기회가 될 것으로 기대한다. 이러한 추가 매출이 발생된 후, 선박용 Small Scale용 ESS(Energy Storage System)을 공급할 수 있는 기반을 가지는 데 의의가 있다.

□ 적용분야
❍ 공공기관 건축물, 자가용 발전설비 보유 건축물, 상시 전원공급이 필수적인 병원, 선박용 UPS+ESS, 선박용 ESS 등

(출처 : 요약서(초록) - 3. 기술개발 결과요약 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약(초록) ... 3
• 연구개발사업 주요 연구 성과 ... 29
• 목차 ... 32
• 제 1 장 서론 ... 33
• 제 1 절 과제 개요 ... 33
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 43
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 43
• 제 2 절 연차별 개발 내용 ... 47
• 1. 1차년도 개발 내용 [스칸젯 매크론] ... 47
• 2. 1차년도 개발내용 [한국조선해양기자재연구원] ... 71
• 3. 2차년도 개발 내용 [스칸젯 매크론] ... 86
• 4. 2차년도 개발 내용 [한국조선해양기자재연구원] ... 94
• 제 3 장 결론 ... 103
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 103
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 103
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 104
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 105
• 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 105
• 2. 연구자원 현황 ... 106
• 제 4 장 사업화 계획 ... 108
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 108
• 1. 신시장 창출 가능성 ... 108
• 제 2 절 사업화 계획 ... 109
• 1. 사업화 추진 전략 ... 109
• 2. 개발제품 생산 및 마케팅계획 ... 110
• 3. 기대효과 ... 111
• 제 5 장 사업비 현황 ... 112
• 제 1 절 사업비 현황 ... 112
• 별첨1. 성과활용현황 및 계획 ... 122
• 별첨2. 성실이행 서약서 ... 126
• 별첨3. 자체보안관리진단표 ... 127
• 끝페이지 ... 128