우리 모두는 납산 배터리에 대해 알고 있습니다 - 우리의 차량에도 있고, 제너레이터를 작동시킵니다. 이 견고한 장비는 저렴하고 안정적이지만 유지보수가 많이 필요합니다.
최신 상용 배터리 중 하나는 리튬 이온 배터리입니다. 국제 재생 에너지 기구(IRENA)의 2017 보고서인 Electricity Storage and Renewables: Costs and Markets to 2030(전기 저장 및 재생 가능 에너지: 2030년까지의 비용 및 시장)에 따르면 리튬 이온 배터리는 가동 설치 용량의 가장 큰 부분(59%)을 차지합니다. 리튬 이온 배터리는 가볍고 에너지 밀도가 높으며 문제 없이 완전히 소모시킬 수 있습니다. 이는 배터리를 항상 충전할 수는 없는 가변형 태양 에너지와 관련해서 중요합니다.
배터리 저장은 재생 에너지 발전의 미래에서 중요한 역할을 합니다.
에너지 저장 시스템(ESS)
재생 에너지와 함께 미래의 중요한 부분으로서 배터리는 우리 생활의 일부입니다. 그 증거로 미국 전기 규격(National Electrical Code)에서는 2017년에 에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 새로운 섹션인 Article 706을 도입했습니다. 중요한 섹션에는 다음이 포함됩니다.
- 706.10(A)에서는 가스 확산을 위한 환기를 규정하고 있습니다.
- 706.10(C)에서는 배터리 선반 길이의 최소 90%에 해당하는 자유 공간이 필요하다고 명시합니다.
- 706.31(A)에서는 부식 방지를 위한 항산화 물질을 사용하도록 규정하고 있습니다.
- 706.31(B)에 따라, 셀간 커넥터 및 계층간 커넥터의 전류용량은 도체 절연체 또는 지지대의 안전한 작동 온도를 초과하지 않을 만큼 충분히 커야 합니다. 열화상 장비는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 사용됩니다.
NEC 2020은 60V DC 미만의 배터리(납산 배터리 포함)에 적용되며, 교류(AC) 결합형 ESS에 필요한 부하 측 연결부에서 더 큰 전류를 허용하기 위해 새로운 섹션인 705.13 Power Control Systems를 포함합니다.
배터리 유지보수 방법
배터리는 민감합니다. 15~35°C에서 가장 잘 작동하며 특정한 양의 전류를 받으려면 충전 컨트롤러가 필요합니다. 저온에서는 전기화학 반응이 느려지고 고온에서는 내부 부식이 증가합니다.
추운 기후에서 자동차가 시동되지 않는 것을 경험한 사람도 있을 것입니다 - 배터리가 충분한 전류를 공급할 수 없어기 때문입니다. 추운 기후에서는 배터리 히터 또는 단열재를 사용하고, 더운 기후에서는 그늘지고 환기가 잘되는 장소에 보관하십시오.
또 다른 문제는 단자 부식입니다. 이는 배터리의 산에서 수소 가스가 방출되어 다른 물질과 반응하거나 과충전 또는 물을 과다 주입하여 전해질이 누출될 때 발생합니다. 부식을 제거하려면 제조업체의 권장 사항에 따라 항산화 물질을 사용하십시오.
납산 배터리의 경우 높은 충전 상태(SOC)를 보장하는 것이 중요합니다. 납산 배터리는 방전 심도가 낮기 때문에 전체 용량 중 소량을 사용해야 합니다. SOC가 너무 낮으면 황산화로 인해 단자에 작은 황산염 결정이 형성되어 성능이 저하됩니다. 단자에서 황산화를 처리하기 위해 기술자는 SOC를 높게 유지해야 하며, 너무 낮아지면 탈황 배터리 충전기를 사용하여 고주파 전자 펄스로 황산염을 용해시켜야 합니다. 또한 시각적 및 청각적 표시기와 함께 알람을 사용하여 배터리 충전 부족 상태를 경고할 수 있습니다(납산의 경우 50%).
배터리 상태를 진단하는 방법
배터리를 유지보수하려는 기술자는 배터리의 내부 상태를 알아야 합니다. Fluke 500 시리즈 배터리 분석기를 사용하여 리드를 음극 및 양극 단자에 연결하고 스위치를 밀리옴(mΩ)으로 돌립니다. 디스플레이에는 배터리 전압과 내부 저항이 동시에 표시됩니다. 전압이 낮으면 낮은 충전 상태를 나타내며 내부 저항이 높으면 내부 열화를 나타냅니다. 배터리를 개회로(open circuit) 상태에서 테스트하는 것이 중요합니다(납산 배터리의 경우 24시간 후). 분석기는 정확도를 보장하기 위해 온도를 수정하고, 10개의 임계값을 저장하며, 추세를 확인하기 위해 판독값을 Fluke 배터리 관리 소프트웨어로 전송합니다.
Fluke 500 시리즈 배터리 분석기는 관리, 문제 해결 및 중요한 배터리 백업 애플리케이션에 사용되는 각각의 고정형 개별 배터리 및 배터리 뱅크의 성능 테스트를 위한 이상적인 도구입니다.
용량 손실은 배터리가 더 적은 충전량을 저장함을 의미합니다. 기술자는 배터리 전압이 차단(cut-off) 전압 아래로 떨어지는지 여러번 반복하여 판독하는 방전 모드를 통하여, 실제 부하 연결 시 용량 손실이 예상되는 배터리를 찾을 수 있습니다.
액체의 상대 밀도를 측정하는 비중계는 배터리의 충전 상태를 나타내는 지표인 전해액 비중 측정에도 사용할 수 있습니다.
에너지 저장 기술의 진화
납산 배터리보다는 비싸지만 Tesla의 Powerwall과 같은 리튬 이온 배터리는 유지보수 측면에서 상당한 개선을 나타냅니다. 정기적으로 SOC를 확인하고 가능한 한 섭씨 25도에 가깝게 유지해야 하지만, 에너지 밀도가 높아 더 가볍습니다. 또한 방전 심도가 더 깊기 때문에 충전하기 전에 충전량의 대부분이 고갈될 수 있으므로 가변형 태양광 및 풍력 발전에 적합합니다.
과충전, 단락 또는 고온이 폭발할 때까지 온도를 빠르게 가속하는 피드백 루프를 생성하는 열 폭주가 문제입니다. 철 인산염(FePO4)과 같이 높은 온도 내성을 가진 캐소드(cathode)를 사용하면 열 폭주가 완화됩니다.
낮은 유지보수 비용을 보장하는 염수 및 액체 금속 배터리와 같은 새로운 배터리 기술이 시장에 나오고 있습니다.
배터리 유지보수의 중요성
배터리가 시설에 가치가 있는지 여부에 대한 답은 우선순위와 비용에 달려 있습니다. 납산 배터리는 초기 비용은 낮지만 지속적인 유지보수 비용이 높아 매주 청소, 테스트 및 보충 작업이 추가됩니다. 반면 리튬 이온 배터리는 초기 비용은 높지만 지속적인 유지보수 비용이 낮습니다.
이에 관계없이, 리튬 이온 및 기타 비납산 배터리 비용이 감소하고 태양광 및 풍력의 채택이 증가함에 따라 배터리는 점점 더 시설의 필수 부분이 될 것입니다.
전문가 소개
Michael Ginsberg는 태양광 전문가이자, 미 국무부의 교관이며, 저술가인 동시에 컬럼비아 대학교의 공학 박사 후보입니다. 그는 Mastering Green의 최고 경영자이기도 하며, 전 세계적으로 태양광 PV 설비, 유지보수 및 가동 분야에서 거의 1,000명의 기술자들을 교육했습니다.