대용량 전력저장용 레독스 플로우 전지 기술개발 동향

전 재 덕 _ 한국에너지기술연구원 선임연구원
심 준 목 _ 한국에너지기술연구원 선임연구원

1. 서 론

대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 특성상 에너지 이용효율 향상을 비롯한 신재생에너지는 매우 중요한 기술이다. 신재생에너지는 최근에 그림 1과 같이 그 비중이 점차 확대되면서 전력 생산의 변동성과 수급 시점의 불일치 문제를 극복할 수 있는 새로운 대안으로 전력저장 장치가 주목을 받고 있다. 2050년까지 이러한 신재생에너지 비중이 46%까지 증가할 경우, 전 세계적으로 전력 생산의 변동성이 적지 않은 규모에 이를 것으로 예상되기 때문에 최근 IEA는 미래 신재생에너지 보급을 위해 전력 저장장치에 주목하고 있으며, 장기적인 관점에서 전력저장 장치의 보급은 신재생에너지 확대를 위한 필수 불가결한 요소가 될 수밖에 없는 상황이다. 우리나라에서도 신재생에너지에 대한 지원정책을 2012년부터 RPS(Renewable Portfolio Standard; 신재생에너지 의무할당제 또는 의무공급제)로 전환하여 시행할 계획이다. RPS에 대한 내용으로는 공급의무자의 연도별 의무비율을 2012년 2.0%로 시작해서 2016년까지 매년 0.5%씩 올리고, 2016년부터 매년 1.0%씩 늘려 2022년에 10.0%로 확대한다는 것이 주요 골자이다.
신재생에너지원으로는 풍력 발전이나 태양광 발전이 있으며 이들은 환경에 따라 출력의 변동이 있어 바로 계통에 연계시킬 경우 주파수 변동을 발생시켜 고장의 원인이 될 수 있기 때문에 이의 해결방안으로 전력저장용 대용량 전지를 적용하는 것이다. 전력 저장장치는 발전량이 많을 때는 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때는 전기를 방전함으로써 수요와 공급의 격차를 효율적으로 줄일 수 있으며 짧은 시간 내 신재생에너지 발전량 변동에 대응할 수 있는 가장 안전한 방법으로 평가되고 있다. 대규모 태양광 발전 및 풍력 발전 단지에는 대용량 이차전지저장시스템이 각광을 받고 있으며, 잉여전력이나 야간 저부하시에는 양수발전, 압축공기 에너지저장, 초전도 에너지저장, 플라이휠 저장장치 등이 적용될 수 있다. 다양한 전기에너지저장시스템의 특성 중 출력과 사용 시간에 따라 분류하면 그림 2와 같다. 이중에서도 이차전지와 양수발전이 가장 유력한 에너지저장시스템으로 연구되고 있으나, 양수발전은 수~수백만 kW급의 설비를 위해 입지상의 제약과 경제적인 부담이 크기 때문에 신형 이차전지에 대한 연구로 집중되고 있다.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축 전지, 리튬이온 전지, NaS 전지 그리고 레독스 플로우 전지(redox flow battery, RFB) 등이 있으며 이들의 장・단점을 표1에 비교하였다. 이들 이차전지 중에서 레독스 플로우 전지는 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 장점으로 주목받고 있으며, 미국, 일본, 호주, 캐나다 등에서 많은 연구가 수행되고 있다. 본고에서는 향후 발전가능성이 높고 저비용, 고효율, 대용량이 가능한 레독스 플로우 전지에 대해 살펴보고자 한다.

2. 레독스 플로우 전지 원리 및 특징

레독스 플로우 전지는 기존 이차전지가 활물질(active ma-terial)이 포함되어 있는 전극에 전기에너지를 저장하는 것과는 달리, 전해액에 포함되어 있는 활물질이 산화-환원(redox, reduction-oxidation)되어 충전・방전되는 시스템으로 활물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 레독스 플로우 전지에 대한 연구는 1974년 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 LRC(Lewis Research Centre)에서 시작되었으며 레독스 커플(활물질), 전기화학 반응 메커니즘, 이온교환막, 성능 시험 등의 연구가 활발하게 진행되었다[1-3]. 이러한 레독스 플로우 전지의 기본적인 구조는 그림 3과 같으며, 구성 요소는 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 용량을 결정하는 전해액 탱크와 충방전 시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 출력을 결정하는 스택으로 구성된다. 특히, 전해액 탱크(용량)와 전지 스택(출력)을 분리할 수 있는 구조이기 때문에 출력과 용량을 자유롭게 설계할 수 있으며 설치 장소의 제한도 적은 편이다. 또한 CO2 등의 배기가스를 발생하지 않고 전해액 중의 바나듐 활물질은 반영구적으로 리사이클이 가능하여 자원을 효과적으로 활용할 수 있는 특징이 있다.
활물질로는 V, Fe, Cr, Cu, Ti 그리고 Sn 등의 전이금속을 강산 수용액에 용해하여 제조한 전해질을 사용한다. 제조한 전해질은 셀 내에 저장되어 있지 않고, 외부의 탱크에 액체 상태로 저장되어 있으며 충방전 과정 중에 펌프를 통하여 셀 내부로 공급되는 플로우 전지이다. 활물질은 그림 4와 같이 산화환원의 차이에 의한 조합에 의하여 여러 가지 레독스 커플을 얻을 수 있는데, V(III/II)/V(IV/V), Fe(II/III)/Cr(III/II) 시스템 등이 개발되어 적용된 바 있으며, 현재는 all vanadium redox flow battery(VRB)가 주류를 이루고 있고, 최근에는 Zn/Br 및 Zn/Ce 시스템에 대한 실증연구도 진행 중에 있다. 각 전지별 전압과 반응식은 표 2와 같다[4-7].

3. 레독스 플로우 전지 기술개발 동향

3.1. 국내외 기술개발 사례

신재생에너지는 그 특성상 균일한 품질의 전력 생산이 어려우므로 이차전지의 저장 특성이 전력 생산의 효율을 높이는데 필수 요소로 인식되고 있기 때문에, 일본, 미국, 유럽 및 중국 등에서 오랜 연구기간을 거쳐 실용화에 이르렀다. 최근에는 상용화급의 스택 개발이 완료되었고 이를 이용한 전력저장 시스템과 신재생에너지원과의 하이브리드 시스템이 실증사업으로 추진 중이다.
미국은 1970년대 NASA에서 Fe/Cr계 레독스 플로우 전지에 대한 연구를 진행하였으며, DOE의 Energy Storage Program에서 300~2,000$/kW의 목표로 다양한 전해질을 포함하여 레독스 플로우 전지 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히, Self Generation Incentive Program(SGIP)과 California Solar Initiative의 프로그램으로 수 kW급 태양광 발전에 5 kW급 레독스 전지를 연계하여 운전하고 있으며, SGIP의 전력저장 성능은 신재생에너지와 연계하여 연간 200사이클 이상의 방전과 6~7시간동안의 방전을 목표로 하고 있다(그림 5, Integrated Energy Policy Report, Docket No.06-IEP-IE, 2007. 6).
일본은 1980년대 통산성의 Moonlight계획에 의해 연구가 진행되었으며, NEDO의 “풍력발전 안정화 프로젝트”의 일환으로 2003년에 북해도의 “Tomamae Wind Villa Wind Farm”에 레독스 플로우 전지를 풍력발전 설비와 연계하여 운전 중이며, 6 MW급 레독스 플로우 전지를 풍력발전과 연계하기 위한 연구가 2004년부터 진행 중에 있다.
캐나다는 Technology and Innovation(T&I) Program의 Distributed Energy Production(DEP) 계획이 세워져 연구가 진행되고 있으며, 이 프로그램의 Electricity Storage Systems 분야에서 레독스 플로우 전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 호주에서는 New South Wales 대학의 Skyllas-Kazacos 교수를 중심으로 1993년부터 레독스 플로우 전지에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있고, Castle Valley Utah에 2 MWh급 레독스 플로우 전지가 PacifiCorp에 의해 설치되어 운전 중에 있다. 덴마크에서는 Riso에 15~200 kW급 레독스 플로우 전지를 설치하여 2007년부터 운전 중에 있다. 영국에서는 Department of Trade and Industry(DTI)의 New and Renewable Program으로 2005년 114백만￡을 투자하였으며, 이중 에너지저장분야는 4백만￡이며 레독스 플로우 전지에 대한 연구가 2005~2008년으로 진행 중에 있다.
중국에서는 2005년 ‘11차 5개년 전기화학 발전계획’에서 자국의 레독스 플로우 전지를 발전시키는 정책을 제정하여 10 kW급 시스템을 개발하였으며, 200 kW급 시스템 개발로 확대하여 연구 중에 있다(그림 6). 특히, Prudent Energy는 2009년에 캐나다의 VRB System을 인수하였고, 지난 5년 동안 바나듐 레독스 플로우 전지로 16개 이상의 Working System을 설치한 경험 및 세계 25개국 이상에 특허권을 가지고 있으며, 5~50 kW 까지 다양한 스택 제조 기술을 보유하고 있다.
한편 국내의 경우에는 1990년대 중반에 멤브레인 소재와 관련된 기초연구가 대학에서 진행되었으며 2007년에 한국에너지기술연구원(KIER)에서 시스템 개발을 시작하여 국내 최초로 5kW급 레독스 플로우 전지를 개발하였다. 신재생에너지원과 연계한 실증으로는, 국내 몇몇 대학에서 소형 태양광발전의 효율향상을 위하여 태양광-납축전지 하이브리드 제어에 대한 연구를 진행한 적이 있으나, 레독스 플로우 전지에 대한 실증은 전무한 실정이다.

-----------이하 생략,  자세한 내용은 세라믹코리아 5월호를 참조바랍니다. ------------

전 재 덕
- 충남대학교 고분자공학과 학사
- 서울대학교 재료공학부 석사, 박사
- LG화학 과장
- 현재 한국에너지기술연구원 분산발전에너지저장연구단
   선임연구원

심 준 목
- 서울시립대학교 환경공학부 학사
- GIST 환경공학과 석사, 박사
- 현재 한국에너지기술연구원 분산발전에너지저장연구단
   선임연구원

표 1. 대용량 이차전지 장・단점 비교
표 2. 주요 레독스 커플 및 반응식
표 3. 주요 레독스 플로우 전지 종류별 성능
그림 1. 전력 수요 편차(왼쪽) 및 풍력, 태양광 발전 시장(오른쪽)
그림 2. 전기에너지저장시스템 분류
그림 3. 레독스 플로우 전지(RFB)의 기본적인 구조
그림 4. 레독스 플로우 전지에 가능한 레독스 커플
그림 5. 시간별 신재생에너지-레독스 플로우 전지 전력생산 개념도
그림 6. Prudent Energy의 200 kW급 레독스 플로우 전지 시스템
그림 7. 연도별, 국가별 특허출원 동향
(분석대상 : 유럽, 일본, 한국, 미국, 국제 공개특허 ~ 2011. 3. 25 (출원일 기준))