미국은 현재 전력망을 탈탄소화할 수 있는 다양한 기술을 보유하고 있지만 사회적, 재정적, 정치적 장벽으로 인해 이러한 현대 기술이 환경 변화를 억제하는 데 필요한 기간 내에 배포되지 않을 수 있습니다. 이러한 관점은 배터리 저장 공간 배포에 있어 가장 큰 두 가지 장벽인 가격과 제품을 강조합니다. 특히 주류 배터리 저장 공간 현대 기술의 비용은 일반적으로 계속해서 너무 높습니다. 매사추세츠 현대 기술 연구소(Massachusetts Institute of Modern Technology)의 연구 그룹은 에너지 저장 공간 출시를 더 빠르게 광고하고 가격을 최소화하기 위해 미국 정부가 개발하고 제공한 일련의 정치적, 재정적 전략을 조사했습니다. 가격 상승을 고려해야 하는 가장 중요한 요소는 배터리 재료의 상대적으로 높은 가치라고 보고서는 염두에 두었습니다. 그리고 더 작고 간소화된 공급망은 배터리 제품의 긴급성을 강조하여 속도를 높이고 빠른 확장을 어렵게 만듭니다. 이에 대한 요인은 기술 및 경제 서비스 외에도 MIT에서 분석한 요소입니다. 종종 정치적, 경제적 보상을 통해 극복해야 하는 기업의 경쟁 우위(예: 독점 레이아웃 및 제조)와 추가 경제적인 생산(예: 중앙 집중화, 표준화 등) 사이에 대조되는 파트너십이 있습니다. 궁극적으로, 빠른 성장과 가장 효과적인 솔루션의 구현을 통해 환경 변화를 해결하기 위해서는 공공 및 독점 투자 분야에서 더 높은 긴급성이 필요합니다.
추가적인 기후 변화를 방지하기 위한 가장 중요한 솔루션 중 하나는 전기 에너지 부문의 탈탄소화입니다. 미국 EIA(Energy Details Administration)가 발표한 데이터에 따르면, 2020년 전력 시장에서 발생한 총 탄소 배출량은 미국 전체 탄소 배출량의 약 32%를 차지했습니다. 태양광은 물론 풍력 등 신재생 에너지원을 활용하면 지구 온난화를 유발하는 주요 오염물질인 이산화탄소를 배출하지 않고 에너지를 생산할 수 있다. 그럼에도 불구하고 재생에너지는 불확실한 기후 조건과 과거의 인간 통제에 의존하여 공급이 이루어지기 때문에 반복적으로 발전 문제에 직면하게 되는데, 이는 언제든지 더 많은 전력을 공급할 수 있는 화석 연료 발전 설비와는 상당한 차이가 있습니다. 간헐성을 처리하고 수요가 항상 충족되도록 보장하기 위한 다양한 솔루션이 있습니다. 예를 들어 태양이나 바람이 부적절할 때 생성된 전기 에너지가 여전히 공급 수요를 충족할 수 있도록 재생 에너지 발전 시설을 과도하게 구축할 수 있습니다. 그러나 이 접근 방식은 비용이 많이 들고 축소를 수반합니다. 또 다른 서비스는 최소한의 관리 가능한 에너지 공급(친환경 수소, 원자력 등), 이상적으로는 CO2를 생성하지 않는 청정 전력(예: 녹색 수소, 암모니아, 바이오그래피 연료 등)을 활용하는 것입니다. 그럼에도 불구하고 이러한 새로운 혁신은 탄소 중립 절차를 활용하여 생성될 때 실행 가능한 비용 및 효율성 지표를 달성하기 위해 여전히 노력하고 있습니다. 여러 가지 방법이 필요하지만 에너지 저장 공간 시스템은 매우 유망한 해결책일 뿐만 아니라 광범위한 설계 선택을 제공합니다.
전력 저장 공간을 차지하는 시설은 재생 가능한 자원에서 제공되는 전기 에너지를 전력 공급이 충분할 때 열 에너지, 전기 화학 에너지, 전력 등과 같은 다른 유형의 전력으로 변환하여 공급 기간 동안 수요를 충족시키기 위해 저장하거나 방출할 수 있도록 하는 것입니다. 양수 발전 시설은 실제로 100년 이상 효과적이고 잘 문서화된 에너지 저장 공간이었습니다. 미국 에너지부(DOE)에 따르면 양수 수력은 현재 미국의 모든 유틸리티 규모 에너지 저장 시스템을 전력 저장 공간 능력의 95%로 구성하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 그리드를 더 높은 수준으로 탈탄소화하려면 더 많은 전력 저장 공간 용량이 필요합니다. 미국 전력 정보청(EIA) 연구 보고서에 따르면 미국은 현재 2GW 미만의 유틸리티 규모 에너지 저장 공간 시스템을 배포했으며, 심층적인 탈탄소화를 지원하려면 2050년에는 수백 기가와트의 전력 저장 공간이 필요할 수 있습니다. 양수는 일반적으로 대규모 자본 집약적 에너지 저장 공간 프로젝트에서만 수익성이 높으며 구현 위치가 지리적으로 제한되고 허용되는 한계가 있기 때문에 확장하기가 어렵습니다. 또한, 그리드는 다양한 특성의 전력과 전력 수요, 반응 시간 등에 의존하는 서비스의 집합체로서 다양한 에너지 저장 공간 서비스를 요구합니다. 전력 저장 현대 기술이 응용 분야에 실용적이고 경제적으로 이상적인지 여부를 파악하는 데 도움이 되는 가장 일반적인 통계는 '기간'입니다. 이는 배터리를 완전히 충전하거나 재충전하는 데 필요한 순간을 나타내기도 합니다. 따라서 다양한 기간 동안 실행하기 위한 선택 사항을 탐색할 수 있습니다. 일련의 기간을 달성하기 위해 제공하는 큰 설계 공간과 이 글에서 설명한 다양한 기타 이점으로 인해 배터리는 에너지 저장 작업에 일련의 매력적인 에너지 저장 공간 기술을 사용합니다.
배터리는 '산화환원' 반응 사이의 에너지 차이를 활용하여 전기 에너지를 변환함으로써 결과적으로 전력을 화학 전력으로 절약하거나 화학 전력에서 전력을 절약하는 전기화학 저장 장치입니다. 배터리는 다양한 다른 유형의 에너지 저장 기술에 비해 많은 잠재적 이점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 전기화학 반응은 일반적으로 전기 에너지(일반적으로 일반적인 온도 수준 및 압력에서)가 직접 방출되기 때문에 탈탄소 그리드(및 일반적으로 에너지 공급 그리드)에서 열화학 반응보다 훨씬 더 안정적입니다.
또한 선택할 수 있는 다양한 산화환원 반응 에너지 저장 계획이 있어 응용 기반 에너지 저장 현대 기술을 위한 광범위한 레이아웃 공간을 제공합니다. 예를 들어, 리튬 이온, 납산, 니켈-카드뮴, 아연-탄소 배터리 등 다양한 설계에 사용할 수 있는 그리드 규모 배터리 전력 저장 공간 시스템의 일부에 불과한 고객 전자 제품에 사용되는 다양한 비즈니스 배터리를 고려하십시오. 또한 일반적으로 지리적으로 세부적인 저장 위치가 필요한 열 저장 또는 중력 저장 장치와 달리 배터리는 실질적으로 어디에나 배포할 수 있습니다. 이러한 이점을 통해 배터리는 탈탄소화 이후의 그리드 운영에 활용될 뿐만 아니라 2차 서비스로서 부가가치를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 배터리는 전력 독립성과 신뢰성을 높이는 데 기여합니다. 2017년 폭풍 마리아(Storm Maria) 당시 푸에르토리코의 전력망 붕괴를 고려하십시오. 재생 가능 자원 생성 시설 및 에너지 저장 공간 시스템을 포함한 분산형 마이크로그리드 설계는 비극적인 대규모 정전을 예방할 수 있습니다. 이는 분산 발전이 전력을 분산시키는 송전선 및 전신주 등의 건설 및 개조를 낮추지만 악천후로 인해 위험에 처하기 때문입니다.
또한, 분산형 전력 제조는 단일 실패 지점의 가능성을 제거합니다. 물론 지역의 정치적 자유와 재정적 자유에 대한 우려도 고려해야 합니다. 많은 국가들이 경제적으로 실용적인 대규모 재생 불가능한 연료원 자원을 보유하고 있지 않기 때문에 재생 가능 에너지 시장으로의 변화는 국내 전력 제조를 향상시키고 전력 수입의 필요성을 줄이며 지정학적 자유를 높일 수 있습니다. 미국은 1970년대와 1980년대에 지정학적으로 발생한 석유 부족을 경험한 경험이 있어 권력 의존으로 인해 발생할 수 있는 재정적 어려움을 구체적으로 인정하고 있습니다.
오늘날 다양한 종류의 배터리 기술이 있으며 각각 다양한 모델 디자인을 갖고 있으며 그 중 다수는 일련의 화학에 적합할 뿐만 아니라 다양한 대안을 사용할 수 있습니다. 리튬이온 배터리(LIB)는 주류 배터리 기술로 간주됩니다. 1990년대 이후에는 리튬이온 배터리가 전자제품과 모바일 기기에 주로 사용됐지만, 최근에는 리튬이온 배터리가 주로 고정형 에너지 저장 시스템과 전기자동차(EV)라는 두 대규모 시장에 사용됐다. 전력 부문에서 사용하기 위해 고려된 대부분의 배터리 혁신은 아직 상대적으로 시기상조이며 포괄적인 시행착오 연구 연구가 필요할 수 있습니다. 그러나 현재까지 달성된 작업은 실제로 소규모 배포 또는 최소한의 상업적 절차에 불과했습니다. 이는 종종 성능이 여전히 부족하거나 그리드 애플리케이션에만 적합하다는 사실 때문입니다. 이러한 혁신의 예로는 산화환원순환전지(RFB)와 금속공기전지(MAB)가 있습니다.
국제에너지기구(International Energy Agency)에 따르면, 2030년까지 CO2 배출량 감소의 대부분은 확실히 현재 출시되거나 시장에 출시된 현대 기술에서 나올 것이며, 또한 2050년까지 탄소 감소의 약 50%는 현재 데모 또는 프로토타입 단계의 에너지 혁신에 의존하게 될 것입니다. 따라서 연방 정부와 문화는 환경 변화를 해결하기 위해 실질적으로 올바른 길을 가고 있습니다. 그럼에도 불구하고 이상적인 에너지 현대 기술이 더 큰 규모의 피해를 피할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 배포되도록 보장하기 위해 극복해야 할 다양한 잠재적인 사회적, 재정적, 정치적 장애물이 많이 있습니다(그림 1). 고려해야 할 이러한 요소는 기술적인 측면과 별개가 아니지만 서로 다른 접근 방식과 솔루션이 필요할 수 있습니다. 이 연구에서는 광범위한 배터리 구현에서 배터리 가격과 제품 제한이라는 두 가지 중요한 과제를 확인합니다. 현재 적절한 효율성 속성을 갖춘 일련의 배터리 기술이 존재하지만 높은 초기 비용으로 인해 특히 현재의 낮은 생산 규모에서는 더 넓은 육성이 지연되거나 중단될 수 있습니다. 마지막으로, 특정 배터리 기술이 필수 가격과 성능 지표를 충족하더라도 핵심 구성 요소의 접근성과 공급망으로 인해 신속하고 심층적인 통합이 방해받을 수 있습니다. 따라서 주요 탈탄소화 목표를 달성하려면 이러한 우려 사항을 가능한 한 빨리 해결해야 합니다. 이 연구는 이러한 장벽을 극복하거나 우회할 수 있는 재정적, 정치적 기법을 발견합니다.
주요 장벽 1: 배터리 비용
비용은 배터리를 그리드 에너지 저장 애플리케이션에 사용할 수 있는지 여부를 고려해야 하는 핵심 요소입니다. 임상 장치, 소비자 전자 장치, 전기 트럭 등과 같은 다른 배터리 시장과 달리 그리드 애플리케이션은 저렴한 화석 연료 생성 시설과 경쟁하기 위해 훨씬 저렴한 청정 에너지 서비스가 필요합니다. 그리드 릴리스에는 대규모 투자가 필요하고 종종 자금 조달(예: 자금 조달)에 대한 접근이 필요하기 때문에 자원 비용은 실제로 전통적으로 재생 가능 자원 채택에 대한 중요한 장벽이었으며 기술 경제적 타당성의 핵심 지표였습니다. 배터리의 경우 비용은 일반적으로 재료 가격과 제조 범위에 따라 달라집니다. 미국 전력부는 일반적으로 재정적으로 실용적인 그리드 전력 저장 시스템의 자금 비용 상한선을 $100/kWh에서 $150/kWh 사이로 설정합니다.
리튬 이온 배터리는 현재 그리드 애플리케이션에서 가장 많이 배포되는 배터리 에너지 저장 기술 중 하나입니다. 리튬이온전지는 1990년대부터 고객용 전자기기, 전기트럭 등 고부가가치 시장에서 대량으로 활용됐기 때문에 개발을 가속화할 수 있었다. 이러한 시장에서 배터리 공급업체는 훨씬 덜 강화되고 더 높은 가격의 배터리 제품을 시장에 내놓을 수 있습니다. 왜냐하면 이것이 유일한 선택이기 때문입니다. 이를 통해 리튬 이온 배터리를 규모와 가격에 맞춰 제작하는 동시에 성능을 더욱 극대화할 수 있습니다. 따라서 이 기술을 전력 저장 공간 시스템에 적용하면 리튬 이온 배터리는 실제로 강력한 효율성을 보여주었고, 이 배터리의 충전 및 방전 성능은 이제 일반적으로 95%까지 매우 높으며, 가격을 낮추기 위해 공급망이 구축되었습니다. 특히 전기 자동차의 발전으로 인해 지난 몇 년 동안 리튬 이온 배터리의 가격이 실제로 급격히 하락했습니다. 조립된 배터리 셀과 관리, 보안 시스템으로 구성된 리튬이온 배터리는 미국 전력부가 정의한 허용 범위(약 140달러/kWh) 내로 떨어졌으며, 향후에는 100달러/kWh 이하로 떨어질 것으로 예상됩니다. 리튬 이온 배터리의 국제 생산 능력은 연간 700GWh를 초과하는 것으로 추산되며 현재는 거의 500억 달러 규모의 부문입니다. 이는 훌륭한 발전이지만 모든 그리드 서비스를 허용하고 심층적인 탈탄소화를 달성하려면 여전히 다양한 해결 방법이 필요합니다. 또한 다음 섹션에서 검토되는 공급망 문제는 리튬 이온 배터리 전력 저장 시스템의 배포 범위를 방해할 수 있습니다. 다른 여러 최신 배터리 기술은 더욱 경제적인 서비스, 특히 장기간(4시간 이상)을 제공하지만 리튬 이온과 동일한 시장 문제에서 이익을 얻지 못하고 경쟁에도 어려움을 겪고 있습니다.
수많은 대체 배터리 설계와 제품은 리튬 이온 배터리에 비해 근본적인 가격 이점을 가지고 있습니다. 예를 들어 순환 배터리는 전력과 전력을 고유하게 분할하는 시스템 설계를 사용합니다. 즉, 두 전력이 서로 독립적으로 확장될 수 있음을 나타냅니다. 이를 통해 전력 저장 공간 용량을 합리적인 가격으로 확장할 수 있으므로 이러한 배터리는 장기간 동안 훨씬 더 비용 경쟁력을 갖게 됩니다. 반면, 리튬 이온 배터리와 같은 폐쇄 시스템은 전력과 전력을 쌍으로 사용하므로 전력 저장 장치의 비용이 합리적으로 고정된 기준이 됩니다. 초기 비용에 비해 오래 지속되는 비용은 고려할 요소가 적다는 점이 지적되었지만, 개방형 흐름 배터리(RFB) 또는 금속 공기 배터리(MAB)는 추가로 목표 구성 요소 유지 관리를 허용하여 장기적인 비용 및 재정적 절감을 촉진합니다. 전해질(가장 빠른 배터리 구성 요소)로 직접 보충하거나 교체할 수 있는 반면, 리튬 이온 배터리와 같은 일반적인 폐쇄형 시스템은 전체 배터리 팩을 강화하거나 교체해야 하므로 일정량의 폐기물이 발생합니다. 궁극적으로 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 함량이 높은 제품을 사용하여 예상 비용을 줄이는 배터리가 추가로 있습니다.
이러한 고유한 이점에도 불구하고 새로운 에너지 저장 솔루션은 여러 가지 이유로 완성하기가 어렵습니다. 처음에는 철저하게 탈탄소화된 그리드의 최적 스타일이 일련의 배터리 저장 서비스를 통합하는 반면, 이 시나리오는 기존 사실과 많이 다릅니다. 이러한 새로운 배터리 혁신은 실제로 그리드 규모 애플리케이션에 비용 효율적이고 고부가가치 시장에도 진출할 수 없기 때문에 리튬 이온 배터리와 경쟁할 수 있도록 가격을 낮추고 효율성을 향상시키는 방법이 정확히 불분명합니다. 마지막으로 필요가 발생하면 장기간의 전력 저장 서비스 또는 화석 연료 발전 시설의 교체가 저렴한 비용으로 충족될 수 있습니다.
닭고기와 달걀 문제를 더욱 악화시키는 것은 또 하나의 비슷한 난제입니다. 이러한 새로운 혁신은 당연히 더 위험합니다. 이로 인해 프로젝트 감독자, 스폰서 또는 기타 의사 결정 제조업체의 시선을 덜 끌게 되고, 이러한 현대 기술을 훨씬 덜 일반적으로 수용하고 보여주게 될 뿐만 아니라 지속적으로 위험하다고 생각되는 결과를 얻게 됩니다. 이러한 장애물로 인해 이러한 최신 배터리 최신 기술을 활용하기 위해 제안된 수많은 작업에서는 회사 재정 투자, 고용 재정 등을 통해 자금을 보호하기 위해 노력했습니다. 이러한 문제는 민간 부문만으로는 해결되지 않을 수 있으며, 연방 정부의 처리는 기술적 위험을 감소시키고 그리드에만 눈길을 끌지만 심층적인 탈탄소화에 기여할 수 있는 에너지 저장 공간 해결 방법의 가격을 낮출 수 있습니다. 일반적으로 대규모 시연은 반드시 테스트를 거쳐야 하며 직접 조달을 통해 유지되어야 합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 이전에 American Recovery and Reinvestment Act에서 수행된 것처럼 비즈니스 프레젠테이션 작업에 대한 연방 정부 자금 조달을 이용하는 것입니다. 현재 미국 전력 부문은 데모 전력 저장 공간 프로젝트에 상당한 자금을 지원하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 자금 조달은 실제로 역사적으로 민간 부문을 수반하고 잠재적으로 발전을 가속화할 공개 요청이 아닌 미국 국립 연구소에 제공되었습니다. 또한 미국 정부는 많은 초기 단계 개발 프로젝트에서 가능성을 보여준 그리드 전력 저장 프레젠테이션을 위한 전문 프로그램을 개발할 수 있습니다. 이러한 요구는 최근 미개척 가능성을 갖춘 에너지 기술의 중요한 발전을 위한 미국 전력부의 고급 연구 연구 프로젝트 기관(ARPA-E) 프로그램에 의해 부분적으로 충족되었습니다. 마찬가지로, 미국 청정 에너지 데모 사무국은 최선의 방향으로 나아가는 또 다른 단계입니다. 이 회사는 대규모(심지어 수십억 달러 규모) 에너지 저장 프로젝트를 선보이고 민간 부문과 협력하여 청정 에너지 현대 기술의 채택 및 배포를 가속화한다는 목표로 2021년에 설립되었습니다.
오늘날 전력 분야의 탈탄소화에 기여할 수 있는 기술이 존재합니다. 그러나 이러한 최신 기술을 신속하고 비용 효율적으로 생성하고 배포하는 능력에 대한 우려가 있습니다. 이는 현재로서는 불가능한 작업입니다. 적절한 인센티브를 통해 정부 대우는 원하는 결과를 달성하고 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더욱이 다양한 접근법과 절차를 현명하고 신속하게 활용한다면 이러한 몇 가지 장애물을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 접근 방식에도 불구하고 시간이 필요하고 대중에 대한 접근성도 중요하며 독점 투자도 중요합니다.
