배터리 시스템의 반도체 혁신으로 에너지 저장 채택이 가속화되고 있다
요점
- 파워 그리드는 새로운 유형의 전력 수요와 공급을 처리하도록 설계되지 않음
- 그리드를 혁신하고 보호하는 데 핵심적인 역할을 하는 배터리 에너지 저장 시스템
- 그리드가 배터리 저장 공간을 최대한 활용할 수 있도록 도움 주는 배터리 관리 및 고전압 반도체의 혁신
전기 자동차(전기차)의 채택이 증가하고 더 많은 재생 가능한 에너지원으로의 전환이 이루어지면서 한 세기 이상 지속되어 온 화석 연료에 대한 의존도가 줄어들고 있다. 전기 유틸리티 회사들은 전기차 충전에 필요한 전기를 생산하고 가정과 비즈니스에 전력을 공급하기 위해 천연가스 연료 터빈 대신 태양광 패널과 풍력 터빈을 점점 더 많이 사용하고 있다. 이러한 트렌드가 함께 어우러져 지속 가능한 에너지의 미래에 더 가까워질 수 있다.
이러한 추세는 전기 그리드에도 큰 도전이 되고 있다. 수요는 하루 중에도 달라질 수 있으며, 날씨 변화에 따라 태양광 및 풍력 에너지의 공급도 달라질 수 있다. 그렇기 때문에 배터리가 그리드의 필수 구성 요소가 되고 있다.
25년 동안 그리드 및 에너지 산업에서 일한 버지니아 공대 교수인 리차드 장(Richard Zhang)은 "날씨가 흐리고 바람이 잦아들면 배터리가 그 공백을 메울 수 있다."라며, "또한 배터리는 사용량이 적은 시간대에 충전하여 사용량이 많은 시간대에 전기차 충전을 위한 전기를 공급할 수 있기 때문에 전기의 경제성을 향상시킨다."라고 덧붙였다.
배터리가 그리드를 통해 흐르는 대량의 전기를 안전하고 안정적이며 비용 효율적으로 저장하고 방출할 수 있도록 하는 것은 복잡한 과제다. 바로 이 지점에서 첨단 배터리 관리 반도체 솔루션을 제공하는 회사의 전문 지식이 큰 차이를 만들어낼 수 있다.
사무엘 웡(Samuel Wong) TI 부사장 겸 배터리 관리 솔루션 총괄 매니저는 "그리드에 사용되는 더 크고 고전압 배터리는 더 나은 열 관리와 더 정밀한 모니터링이 필요하다다."라며, "이러한 배터리를 효과적으로 관리하려면 배터리 화학을 이해하고 각 배터리를 안전하게 최대한 활용할 수 있도록 고성능 반도체 장치를 적용해야 한다."라고 말했다.
그리드 스무딩 아웃
리차드 교수는 태양광 및 풍력 발전과 전기차의 채택은 지구를 위해 좋은 소식이라고 말했다. 문제는 그리드가 원래 사용 가능한 에너지에 대한 이러한 새로운 유형의 전력 수요를 처리하도록 설계되지 않았다는 점이다.
"사람들이 전기차로 전환하도록 하는 것이 불과 몇 년 전보다 훨씬 쉬워졌다."라며, "이제 문제는 다른 에너지 수요와 함께 전기 인프라가 이를 처리하도록 하는 것이다." 라고 말했다.
사무엘 매니저는 그리드의 불안정성, 즉 전력 생산량과 사용량의 변동이 문제라고 말했다. 태양광과 풍력 발전에서는 에너지 공급의 변동이 발생하며, 특히 밤에는 태양광이 완전히 손실된다. 전기차 소유자의 충전 루틴에 따라 수요와 공급의 변동이 발생할 수도 있다.
"모든 사람이 저녁에 집에 돌아와 밤새 전기차를 꽂아두면 그리드가 이를 감당하지 못할 수도 있다."라고 말했다.
TI의 배터리 관리 솔루션 담당 부사장 사무엘 웡 (왼쪽)과 버지니아 공대의 리차드 장(Richard Zhang)이 배터리 에너지 저장 시스템의 영향에 대해 논의하고 있다.
사무엘 매니저와 리차드 교수는 대부분의 전력 전문가와 마찬가지로 그리드 불안정성에 대한 솔루션인 에너지 저장 시스템(ESS)에 동의한다. 일반적으로 배터리 형태의 저장 시스템은 공급이 많고 수요가 적을 때 전력망에서 잉여 에너지를 보관했다가 다른 시간에 사용할 수 있도록 한다. 전기차에 사용되는 비교적 작고 가벼운 배터리 셀을 떠올릴 수 있다. 그러나 그리드의 경우, ESS는 철도 차량 크기의 더 크고 무거운 셀 스택으로 구성될 수 있으며, 각 셀은 최대 4메가와트시(MWh)로 작동할 수 있어 수천 가구에 전력을 공급할 수 있는 충분한 에너지를 제공한다.
그리드의 여러 지점에 저장 시스템을 배치하면 필요할 때 필요한 곳에 막대한 양의 전기를 분배할 수 있는 능력이 최적화된다. 즉, 태양광 패널 농장과 함께 ESS를 배치하여 낮 동안 잉여 에너지를 흡수한 다음 밤에 다시 그리드로 내보낼 수 있다. 또는 지역 사회에 배치된 ESS는 지역 옥상 태양광 패널에서 에너지를 더 쉽게 확보하고 나중에 인근 전기차를 충전하는 데 필요한 추가 전기를 공급할 수 있다. 사무엘 매니저는 "ESS는 지역 사회를 위한 지역 저수지 역할을 할 수 있다."라고 말했다.
배터리 및 시스템 성능 관리
저장 시스템의 핵심은 고전압 배터리 모듈(일반적으로 리튬인산철 셀)로, 너무 빨리 충전하거나 방전하면 엄청난 양의 열을 발생시킬 수 있다. 이러한 모듈은 너무 자주 완전히 방전되면 수명이 단축될 수도 있다.
사무엘 매니저는 이러한 배터리의 온도와 충전량을 모니터링하려면 BQ79616 산업용 배터리 모니터와 같은 매우 정밀한 반도체가 필요하다고 말한다. 온도와 전압의 미세한 변동도 배터리에 주의가 필요하다는 신호일 수 있기 때문이다.
사무엘 매니저는 "배터리에 남은 충전량을 알기 위해서는 밀리볼트 단위의 정확도를 확보해야 합니다."라고 말했다.
초정밀 배터리 모니터 분야에서 축적한 TI의 풍부한 경험은 ESS 업계가 그리드에 중요한 배터리 관리 데이터를 공급할 수 있는 시스템을 생산하는 데 필수적인 요소로 입증되고 있다. 사무엘 매니저는 그 결과 그리드 ESS의 비용 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있다고 말했다.
또한, "10MWh ESS의 충전량을 5%의 정확도로만 측정할 수 있다면 9.5MWh 이상은 안전하게 사용할 수 없다."라며, "배터리 모니터는 1%의 정확도까지 측정할 수 있어 9.9MWh를 사용할 수 있다."라고 말했다.
정확한 배터리 모니터링 외에도 태양광 패널 농장과 통합된 시스템과 같은 그리드 규모의 에너지 저장 시스템에는 그리드에 전력을 송수신할 때 전력 손실을 줄이는 데 도움이 되는 효율적인 고전압 전력 변환이 필요하다. 또한 이러한 시스템은 시스템 안전과 안정성을 유지하는 데 도움이 되는 감지 및 절연 기술을 사용하며, 이는 최대 1,500V의 전기 흐름을 관리하는 데 매우 중요하다.
미래에 미치는 영향
가까운 미래에는 배터리 ESS의 혁신이 태양광과 풍력 에너지, 전기차 충전으로 인한 변동성으로부터 그리드를 혁신하고 보호하는 열쇠가 될 것으로 보인다.
사무엘 매니저는 "에너지 저장의 혁신을 통해 그리드 강화에 기여할 수 있다는 것은 정말 흥미로운 일이다."라며, “오늘날 우리는 이미 많은 일을 할 수 있으며, 미래의 스마트 그리드를 구축하게 되면 더 많은 일을 할 수 있을 것이다.” 라고 말했다.
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