KR20170014550A - 레독스 흐름전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레독스 흐름전지 시스템의 전해조 또는 전해조 및 스택부를 연중 온도 변화가 적은 지하에 매립함으로써 승온 및 냉각에 필요한 에너지를 절감하여 시스템 효율이 향상되고 설치 공간이 감소되어 설치비용이 절감할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템 에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름전지 시스템{Redox Flow Battery System}
본 발명은 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레독스 흐름전지 시스템의 전해조 또는 전해조 및 스택부를 연중 온도 변화가 적은 지하에 매립함으로써 승온 및 냉각에 필요한 에너지를 절감하여 시스템 효율이 향상되고 설치 공간이 감소되어 설치비용이 절감할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템 에 관한 것이다.
석유를 비롯한 화석연료 사용으로 지구촌이 심각한 기후변화를 격으면서 화석에너지 사용에 대한 제약이 점점 심화되고 있다. 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 신 시장 개척에 나서고 있다. 에너지산업은 이제 ICT와 결합하면서 유통과 거래, 관리기술에 혁신을 가져오고 있다. 또한 재생가능 에너지, 에너지관리시스템, 가상발전소, 마이크로 그리드, 전기자동차 등 새로운 시장과 산업이 창출되고 있으며, 그 핵심에는 에너지저장시스템(ESS)이 있다.
ESS는 전력을 저장해 필요할 때 공급함으로써 전력이용효율을 높여주는 시스템이다. 전기요금이 저렴할 때 전력을 저장한 후 전기요금이 비싼 피크 시간대에 사용할 수 있게 되어 수요관리에 혁신을 가져올 수 있다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지가 각광을 받으면서 실용화 보급이 진행되고 있는 상황에서 대규모 태양광발전 및 풍력발전 단지에는 입지환경이나 자연조건에 무관한 에너지저장 시스템이 필요하다. 생산과 동시에 소비되어야 하는 전기의 "생산-소비" 패러다임을 "생산-저장-소비" 패러다임으로 바꾼 것이다. ESS 사용으로 신재생출력이 안정되고 에너지 활용 효율성도 높일 수 있어 주요 에너지 강국들은 에너지 분야의 핵심 성장동력으로 집중 지원하고 있다.
ESS는 에너지를 저장하는 방식에 따라 리튬전지, 나트률황전지, 리독스플로 전지, 슈퍼커패시터 등의 배터리방식과 양수, 압축공기저장, 플라이휠 등의 비배터리 방식으로 나눌 수 있다. 또 ESS의 용도에 따라 주파수 조절용, 피크감소용, 신재생출력 안정용 등으로 나눌 수 있다.
리튬전지(LiB)는 양극-음극간 리튬이온 이동에 의해 에너지가 저장되며 고에너지밀도와 고에너지 효율을 얻을 수 있는 것이 장점이다. 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 음극에는 흑연이 가장 많이 사용되고 있다. 양극에는 층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물, 인산철리튬(LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰인다. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 달라진다. 최근에는 나노기술을 활용하여 전지의 성능을 높이고 있다. 다만 가격이 비싸고 대용량 셀을 구현하는데 어려움이 있지만, 최근 초소형으로 대용량 셀 구현기술이 속속 개발되고 있다.
나트륨-황전지(NaS)는 용융상태의 Na과 S 반응으로 전기를 저장한다. 사이클 수명이 길고 높은 에너지밀도를 얻을 수 있으면서도 저렴하고 자가방전이 거의 없어 대용량 전력저장시스템에 적합하다. NaS 전지는 양극(S), 음극(Na), 고체전해질 및 분리막(Al2O3)으로 구성된다(그림 2). 양극 활물질인 황은 부도체이기 때문에 도전재인 탄소섬유(carbon felt)에 함침시켜 사용해야 하므로, 양극재 구성 및 특성에 따라 전지성능이 크게 달라진다.
레독스 플로우 전지(RFB)는 전해액 중의 활물질이 산화·환원(redox) 반응에 의해 충방전되는 시스템으로서 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장하는 전기화학적 축전장치이다. 전해질은 외부의 탱크에 액체상태로 저장되어 있으며 충?방전과정 중에 펌프를 통하여 셀 내부로 공급되는 플로우 전지이다. 반응은 가역적인 전기화학 반응으로 효율이 높고 활물질 자체는 수명 제한이 없으며 유지보수 비용이 매우 낮고 상온에서 작동하며 환경 문제가 적어 대용량 에너지저장장치로서 적합하다. 에너지밀도와 효율이 낮은 것이 단점이다.
슈퍼캐패시터는 이온의 표면에 전기화학적 흡착으로 전기를 저장한다. 슈퍼캐패시터는 축전용량이 대단히 큰 캐패시터로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor) 또는 우리말로 초고용량 캐패시터라고 한다. 학술적인 용어로는 기존의 정전기식(electrostatic) 또는 전해식(electrolytic)과 구분해 전기화학식 캐패시터(electrochemical capacitor)라고 불린다. 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용된다. 에너지밀도가 낮고 고비용이 단점이다.
여러 가지 에너지저장장치 중 대용량 이차전지가 매우 유력한 에너지저장 시스템으로 전망되고 있다. 그 중에서도 레독스흐름전지 (RFB, Redox Flow Battery)는 수명이 2만 사이클 및 20년으로 매우 길고, 출력과 에너지를 완벽하게 독립적으로 설계할 수 있어 2시간 이상의 출력지속시간을 갖는 장주기 ESS용 2차전지 중 가장 유력한 기술로 거론되고 있다.
레독스 흐름전지는 기존 2차전지와는 달리 전해액(electrolytes) 내의 활물질(active material)이 산화-환원되어 충·방전되는 시스템으로 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 실제 전기 화학적 반응은 스택(stack)에서 일어나고 전해액을 유체펌프를 이용하여 스택 내부에 지속적으로 순환시킴으로써 작동한다.
통상 대용량의 레독스흐름전지 시스템은 스택부와 전해조 탱크를 지상에 설치한다. 이경우 설치면적이 과다하게 소요되어 설치비용이 상승되는 문제점이 있다. 또한 배터리 충방전시 온도 상승에 의한 전해액 냉각장치 및 냉각공정이 필요하며 시스템 효율이 감소하고 운전비용이 증가하는 문제점이 있다. 소규모 시스템의 경우 발열판을 이용해 공냉시키기도 하나, 이경우는 펌프의 효율이 감소된다. 또한 여름철에 시스템을 운전할 경우 복사열에 의해 스택 및 전해조의 온도가 상승되며 겨울철 운전시는, 기준온도(-5℃) 이상으로 전해액을 유지하기 위하여 따라 배관부를 가열해 주어야 하므로 관련 설비 설치 및 공정 적용에 따라 시스템 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
종합적으로, 시스템의 설치공간을 감소시키고 운전 및 주변환경에 의한 온도변화에 효과적으로 대처가능하도록 레독스 흐름 배터리 시스템을 개선해야 할 필요성이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 전해조와 스택부가 지하 매립부에 설치되어 점유공간이 감소되며, 승온 및 냉각에 필요한 에너지를 절감하여 시스템 효율이 향상되는 레독스 흐름전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 지하 매립부의 전해액 누출을 방지하는 친환경 레독스 흐름전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 풍력, 태양광, 또는 조력 등 다른 시스템과의 연계를 통해 전체적인 시스템 효율을 향상시킬수 있는 고효율 레독스 흐름전지 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 산화-환원되는 한쌍의 활물질이 포함된 전해액이 포함된 전해조; 상기 전해액의 전기화학적 반응을 통해 전력을 저장 및 방전하는 스택부; 및 상기 전해조로부터 상기 전해액을 스택부 내부로 이송 및 순환시키는 펌프;를 포함하고, 상기 전해조 또는 스택부는 지하 매립부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전해조와 스택부가 수직으로 배열되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 활물질은 바나듐/ 바나듐, 아연/브롬, 철/크롬 및 아연/공기 중 어느 하나를 적용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 활물질은 바나듐/ 바나듐 및 아연/브롬 중 어느 하나를 적용할 수 있다.
그리고, 상기 전해조는 양극 전해액 및 음극 전해액이 포함된 전해조가 각각 구성될 수 있다.
또한, 상기 지하 매립부의 벽면 및 바닥면에는 상기 전해액 누출을 방지하기 위한 코팅 수단이 구비될 수 있다.
그리고, 상기 레독스 흐름전지의 충전 및 방전 상태를 외부 인터페이스를 통해 알려 주고 과충전 또는 과방전에 대한 보호기능을 수행하는 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있으며, 배터리 및 전력변환장치의 상태를 모니터링 또는 제어하는 제어시스템을 포함할 수 있다.
또한, 상기 레독스 흐름전지 시스템에 풍력, 태양광 및 조력 중 어느 하나 이상을 이용한 발전 시스템 및 전력변환장치가 구비될 수 있고, 상기 풍력, 태양광 및 조력 중 어느 하나 이상을 이용한 발전시스템 및 전력변환장치 중 하나 이상이 상기 지하 매립부의 상부에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 발전시스템으로부터 생산된 잉여전력을 저장하고 전력부족시 방전할 수 있으며, 상기 전력변환장치는 상기 발전시스템에서 생산된 가변전력을 안정적인 전력으로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템에 의하면 레독스 흐름전지 시스템의 전해조 또는 전해조 및 스택부를 연중 온도 변화가 적은 지하에 매립함으로써 승온 및 냉각에 필요한 에너지를 절감하여 시스템 효율이 향상 되는 효과가 있다.
또한, 지하매립부에 전해조 또는 스택부를 설치하므로 설치공간이 감소되어 설치비용이 절감되는 효과가 있으며, 전해조와 스택부를 수직으로 배열하여 설치 공간을 더욱 감소시킬 수 있다.
또한, 양극 전해액 및 음극 전해액이 포함된 전해조를 각각 구성함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 지하 매립부의 벽면 및 바닥면에 상기 전해액 누출을 방지하기 위한 코팅 수단을 구비하여 친환경적인 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 레독스 흐름전지 시스템에 풍력, 태양광, 또는 조력발전 시스템 및 시스템에서 생산된 가변전력을 안정적인 전력으로 변환시키는 전력변환장치를 설치하여 효율이 개선된 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 풍력, 태양광, 또는 조력발전시스템, 상기 전력변환장치 중 하나 이상을 상기 지하 매립부의 상부에 설치하여 설치공간이 감소되어 설치비용이 절감되는 효과가 있다.
또한 상기 레독스 흐름전지의 충전 및 방전 상태를 외부 인터페이스를 통해 알려 주고 과충전 또는 과방전에 대한 보호기능을 수행하는 배터리 관리 시스템 및 배터리 및 전력변환장치의 상태를 모니터링 또는 제어하는 제어시스템을 운영함으로써 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 모식도이다.
도 3은 레독스 흐름전지의 충방전시 전해액 배관 및 전해액 탱크의 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 지하 깊이에 따른 지중 온도 분포도를 나탄낸 그래프이다.
도 5,6은 레독스 흐름전지의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 모식도이다. 도 3는 레독스 흐름전지의 충방전시 전해액 배관 및 전해액 탱크의 온도 변화를 보여주는 그래프, 도 4은 지하 깊이에 따른 지중 온도 분포도를 나탄낸 그래프, 도 5,6은 레독스 흐름전지의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은 산화-환원되는 한쌍의 활물질이 포함된 전해액이 포함된 전해조; 상기 전해액의 전기화학적 반응을 통해 전력을 저장 및 방전하는 스택부; 및 상기 전해조로부터 상기 전해액을 스택부 내부로 이송 및 순환시키는 펌프;를 포함하여 구성된다.
레독스 플로우 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 환원되어 방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
RFB의 기본적인 구조는 도 5와 같으며 구성 요소는 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크와 충방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 이온교환막으로 분리되어 있는 셀이 있다. 활물질로는 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Mn, 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 공급된다. 또한 스택부 내부에 사용하는 전극은 비활성 전극으로 전극 자체는 화학반응 없이 전극 표면과 전해질 사이에서 반응을 하여 수명이 길다는 장점이 있어 기존 전지와 차별화된다. 또한 상온 작동형이기 때문에 온도에 의한 전지 소재의 열화 촉진 요인 등이 적고 전지 스택도 20년 이상 사용이 가능하다.
전지 스택(출력)과 전해액 탱크(용량)가 분리할 수 있는 구조이기 때문에 출력과 용량을 자유롭게 설계 가능하며 설치 장소에 제한도 적은 편이다. 같은 탱크로부터 전해액이 공급되기 때문에 각 전지 셀의 충전 상태는 동일하여 셀 밸런싱 등의 작업이 불필요하며 상온 작동형이고 전해액으로 위험물 등이 사용되지 않아 보수 관리도 용이하다. CO2 등의 배기가스를 발생하지 않고 전해액 중의 바나듐은 반영구적으로 리사이클이 가능하여 자원을 효과적으로 활용할 수 있는 특징이 있다.
대용량 전력저장용 전지는 높은 에너지밀도와 효율을 갖고 수명이 길며 안전하고 신뢰성이 높아야 한다. 에너지밀도, 내구성, 저가격 등의 장점을 갖는 RFB를 개발하기 위해서는 구성요소 중 활물질과 이온교환막이 전지의 성능에 가장 중요한 역할을 하므로 고전압 레독스 커플, 고용해도 용매, 이온의 선택 투과성이 뛰어나고 전기적 저항이 작은 이온교환막 등이 확보되어야 한다. RFB는 전극의 활물질이 기존의 전지처럼 고체가 아닌 용액 상태로 산화수가 다른 양극 전해질과 음극 전해질로 구성된 전지로서, RFB의 기전력은 양극 전해질과 음극 전해질을 구성하고 있는 레독스 커플의 표준전극전위 E0의 차이에 의해서 결정된다.
전극반응과 전해질 조성 등을 고려하여 실제로 사용가능한 RFB 레독스 커플은 우선 Fe-Cr계를 들 수 있다. 지금까지 개발된 주요 레독스 커플은 Fe/Cr, V/V, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce 등이 있다. 특히 바나듐은 수용액에서 V(Ⅱ), V(Ⅲ), VO2+(Ⅳ), VO2+(Ⅴ) 등의 산화상태가 가능하다. 활물질로 사용되는 화합물로는 VCl3, V2O5, 그리고 VOSO4 등이 있으나 VCl3·HCl 수용액으로 구성된 RFB는 염소가스가 발생하는 문제점이 있고 V2O5로 구성된 경우는 용해도가 낮은 단점 때문에 잘 사용되지 않는다. 전해질은 3M H2SO4에 2M VOSO4를 용해시킨 용액을 사용하는 것이 일반적이며 이 경우 바나듐이온의 산화수는 +4이다
한편, 스택 내부는 복수개의 전지 셀로 구성된다. 전지 셀은 이온 교환막인 멤브레인과, 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1 및 제2 다공성 전극과, 제1 및 제2 다공성 전극의 가장자리에서 제1 및 제2 다공성 전극을 각각 고정시키는 제1 및 제2 플로우 프레임과, 제1 및 제2 다공성 전극의 외측에 각각 위치하는 양극 전극 및 음극 전극을 포함한다.
이웃한 두 개의 전지 셀에서 양극 전극과 음극 전극은 일체로 형성되며, 이를 바이폴라 플레이트라 한다. 제1 및 제2 다공성 전극은 카본 펠트로 제작될 수 있고, 양극 및 음극 전극은 그라파이트로 제작될 수 있다. 그리고 제1 및 제2 플로우 프레임에는 전해액 순환을 위한 네 개의 홀이 형성될 수 있다.
제1 플로우 프레임에서 네 개의 홀 중 하나는 양극 전해액 주입구이고, 다른 하나는 양극 전해액 배출구이며, 나머지 두 개는 음극 전해액 통과공이다. 제1 플로우 프레임에는 양극 전해액 주입구와 제1 다공성 전극 사이 및 제1 다공성 전극과 양극 전해액 배출구 사이에 유로가 형성되어 제1 다공성 전극에 양극 전해액이 흐르도록 한다.
제2 플로우 프레임에서 네 개의 홀 중 하나는 음극 전해액 주입구이고, 다른 하나는 음극 전해액 배출구이며, 나머지 두 개는 양극 전해액 통과공이다. 제2 플로우 프레임에는 음극 전해액 주입구와 제2 다공성 전극 사이 및 제2 다공성 전극과 음극 전해액 배출구 사이에 유로가 형성되어 제2 다공성 전극에 음극 전해액이 흐르도록 한다.
양극 및 음극 전해액에 포함된 서로 다른 산화수를 가지는 두 종류의 레독스 커플(징크-브로민 또는 바나듐-바나듐 등)이 제1 및 제2 다공성 전극에서 반응함으로써 충방전이 이루어진다. 구체적으로 산화 반응에 의해 충전이 이루어지고, 환원 반응에 의해 방전이 이루어진다.
RFB에서 이온교환막은 전지 수명과 가격을 결정하는 핵심부품이다. RFB에 적용 가능한 이온교환막은 1) 이온의 선택 투과성이 높을 것, 2) 전기적 저항이 작을 것, 3) 용질, 용매의 확산계수가 작을 것, 4) 화학적으로 안정할 것, 5) 기계적 강도가 우수할 것, 6) 가격이 저렴할 것과 같은 특성을 갖고 있어야 하며 Nafion (DuPont)과 CMV, AMV, DMV (Asahi Glass) 막이 널리 사용되고 있다.
바나듐계 전지의 경우 전해질로 전이금속 원소와 강산을 혼합한 활물질을 사용하기 때문에 높은 내산성, 내산화성, 선택투과성이 우수한 막이 필요하다. Nafion 막을 바나듐계 전지에 적용할 경우 바나듐 이온의 투과로 인해 에너지 효율이 떨어지고 CMV 막의 경우는 수명 특성이 떨어지는 단점이 있다.
Microporous PVC separator와 ultra-microporous filter membrane, CMV, AMV 등에 전도성 고분자 인 polyaniline, polypyrrole 등을 접합시킨 막, Silica-filled PE, sulphonated polysulphone 막, PE 대칭막과 비대칭막에 전자선으로 가교한 막 등이 적용 가능하다
Nafion 막의 단점을 보완하고, 강산 분위기와 고온영역에서의 적용을 목적으로 엔지니어링 플라스틱 고분자를 이용한 이온교환막을 적용할 수 있다. 엔지니어링 플라스틱 고분자로는 PEEK (polyether ether ketone), Psf (polysulfone), PBI (polybenzimidazole) 등을 들 수 있으며, 이들 고분자들은 뛰어난 제작성과 높은 기계적 강도에 의해 고온 및 내산성이 뛰어나 적용시 유리하다. 또한 전기화학적 및 열적 특성을 더욱 향상시키기 위해 HPA (heteropolyacid)를 첨가하여 이온교환막을 제작하고 수전해(polymer electrolyte membrane electrolysis, PEME) 에 적용할 수 있다.
한편, 전해액의 온도는 -5~40℃를 유지하여야 하는 것이 효율적이다. 도 3은 전해액 온도와 운전시간 및 스택전압과의 상관관계를 나타내는 그림이다.
대용량의 레독스흐름전지 시스템은 도 1과 같이 스택부와 전해조 탱크를 지상에 설치하는 것이 일반적이다. 이경우 설치면적이 과다하게 소요되어 설치비용이 상승되고 배터리 충방전시 온도 상승에 의한 전해액 냉각장치 및 냉각공정이 필요하며 시스템 효율이 감소하고 운전비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한 여름철에 시스템을 운전할 경우 복사열에 의해 스택 및 전해조의 온도가 상승되며 겨울철 운전시는, 기준온도(-5℃) 이상으로 전해액을 유지하기 위하여 따라 배관부를 가열해 주어야 하므로 관련 설비 설치 및 공정 적용에 따라 시스템 효율을 저하시킨다.
본 발명은 이를 해결하기 위하여 도 2에 도시된 것과 같이 레독스 흐름전지 시스템에 지하매립부를 설치하고 전해조 또는 스택부를 지하에 매설하는 것을 특징으로 한다. 상기 지하매립부의 깊이는 계절변화에 따른 온도차이를 최소화할 수 있을 정도로 깊어야 하며 최소 5m 이상인 것이 바람직하다. 이때, 공간 효율을 더욱 높이기 위하여, 상기 전해조와 스택부를 수직으로 배열하여 설치하는 것이 바람직하다.
지하 매립부에 전해조 또는 스택부를 매설하여 운전할 경우 운전중 전해액이 누출되어 지표면으로 흡수되어 환경오염의 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 지하 매립부의 벽면 및 바닥면에 방수 코팅을 실시한다. 코팅재료는 에폭시 및 PVC 를 적용할 수 있다.
또한, 상기 레독스 흐름전지 시스템 에서 전지의 충전 및 방전 상태를 외부 인터페이스를 통해 알려 주고 과충전 또는 과방전에 대한 보호기능을 수행하는 배터리 관리 시스템을 설치할 수 있다.
배터리 관리 시스템은, 복수개의 배터리들로 구성되는 배터리 시스템(Battery System)을 포함함으로써, 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지를 배터리 시스템에 저장, 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 배터리 시스템에 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급한다. 이러한 배터리 관리 장치는, 에너지 저장을 담당하는 배터리 시스템외에도, 배터리 항온 항습을 위한 공조모듈(HVAC), 및 화재에 대비하기 위한 소방모듈(Fire Suppression)를 포함할 수 있다.
또한 레독스 흐름전지 시스템의 배터리 및 전력변환장치의 상태를 모니터링 또는 제어하는 제어시스템을 포함할 수 있다.
이하에서는 본발명의 일 실시예에 따른 신재생 발전시스템과 연계한 레독스 흐름전지 시스템에 관하여 상세히 설명하고자 한다.
일반적으로 풍력발전기는 까다로운 계통 연계 조건을 갖는다. 송배전 업체가 설정한 일련의 연계 조건들을 만족시키지 못할 경우 풍력발전기는 연결된 계통에 심각한 불안정성을 초래할 수 있기 때문이다. 풍량의 급격한 변동이나 예측 못한 사고에 따른 대규모 풍력발전기의 갑작스러운 탈락, 예측된 수요를 뒷받침 하지 못하는 풍력발전기의 낮은 출력 등은 계통에 심각한 문제를 일으킬 수 있으며 이와 같은 문제는 특히 대규모 풍력발전단지에서 더욱 심각하게 나타날 수 있다. 또한 대규모 풍력발전단지를 위한 송배전 설비는 발전기의 최대 출력을 기준으로 설계되어야 하기 때문에 대규모 풍력단지의 경우 송배전 설비에 막대한 투자가 필요하게 된다. 태양광이나 조력발전 또한 발전량이 외부 환경에 매우 민감하여 외부 전력망과 연결되지 않은 독립형 발전의 경우 일몰 이후 및 만조 및 간조기간에 대한 대비책이 필수적이다.
신재생발전시스템의 문제점인 인한 전력의 불안정성을 해소하기 위하여 ESS와 연계한 하이브리드 발전이 해결책이 될 수 있다. 발전된 전기의 일부를 ESS에 저장해 두었다가 발전이 이루어지지 않을 경우 ESS에 저장된 전기를 공급하는 방식으로 외부 환경에 관계없이 일정한 품질의 전기를 공급할 수 있다.
풍력, 태양광, 조력발전시스템을 통해 생산된 잉여전력은 레독스 흐름전지 시스템에 저장된다. 이때 상기 시스템을 통해 생산된 전력은 전력변환장치 (Power Conditioning System) 을 거쳐 레독스 흐름전지로 유입되는데 신재생에 발생가능한 가변적인 풍속(또는 유속), 불규칙한 일조량 등의 조건에서 기인된 가변전압, 가변주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하는 역할을 한다
상기 신재생 발전 시스템은 계통, 부하 및 전력변환장치에 전력을 공급할 수 있다. 상기 신재생 발전 시스템은 전력을 생성하여 부하의 소비에 필요한 전력을 공급하고, 상기 전력변환장치의 충전에 필요한 전력을 공급할 수도 있으며, 상기 계통으로도 전력을 전달할 수 있다. 상기 신재생 발전 시스템은 제어부의 제어에 의해 상기 계통, 부하 또는 전력변환장치로 전력을 전달할 수 있다.
특히 상기 신재생 발전시스템은 상기 레독스 흐름전지 시스템의 지하매립부 상부에 설치함으로써 설치부지 및 양 시스템간 거리를 줄여 설치비용 및 유지비용을 절감할 수 있다.
상기 제어부는 상기 계통, 부하, 전력변환장치 및 태양전지와 유선 또는 무선 통신 방식 및 전력선 통신(PLC, power line communication) 방법을 포함하는 다양한 통신 방법으로 전기의 충전/방전에 필요한 정보를 서로 송신 또는 수신할 수 있다.
상기 제어부는 충전/방전에 기준이 되는 상기 계통의 요금 정보와, 요금 산출을 위한 충전량 또는 방전량 계측 정보와, 구입 및 지출 정보를 계통과 서로 송신 또는 수신할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 충전/방전의 기준이 되는 상기 계통의 요금 정보를 기초로 하여, 다양하게 충전 및 방전 기준과 이를 통한 구매 및 판매의 기준을 설정할 수 있으며, 원격으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 사용자 정보 인식을 통하여 계통과 전력(전기)을 판매 및 구매하는 량과 비용 정보를 계통에 송신하여 비용을 과금하고, 판매 금액을 자동으로 정산을 수 있도록 하는 과금 기능 관련 정보를 계통과 송신 또는 수신할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (12)

  1. 산화-환원되는 한쌍의 활물질이 포함된 전해액이 포함된 전해조;
    상기 전해액의 전기화학적 반응을 통해 전력을 저장 및 방전하는 스택부; 및
    상기 전해조로부터 상기 전해액을 스택부 내부로 이송 및 순환시키는 펌프;를 포함하고,
    상기 전해조 또는 스택부는 지하 매립부에 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해조와 스택부가 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활물질은 바나듐/ 바나듐, 아연/브롬, 철/크롬 및 아연/공기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 활물질은 바나듐/ 바나듐 및 아연/브롬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해조는 양극 전해액 및 음극 전해액이 포함된 전해조가 각각 구성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지하 매립부의 벽면 및 바닥면에는 상기 전해액 누출을 방지하기 위한 코팅 수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름전지의 충전 및 방전 상태를 외부 인터페이스를 통해 알려 주고 과충전 또는 과방전에 대한 보호기능을 수행하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서
    배터리 및 전력변환장치의 상태를 모니터링 또는 제어하는 제어시스템을 포함하는 것으로 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름전지 시스템에 풍력, 태양광 및 조력 중 어느 하나 이상을 이용한 발전 시스템 및 전력변환장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발전시스템 및 전력변환장치 중 하나 이상이 상기 지하 매립부의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 발전시스템으로부터 생산된 잉여전력을 저장하고 전력부족시 방전하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 상기 발전시스템에서 생산된 가변전력을 안정적인 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
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