리튬이온 2차 전지와 태양전지의 절묘한 조화, 저탄소사회 실현할 새 시대 전력시스템의 제안

토지 카즈유키(Tohji Kazuyuki)

토호쿠대학대학원 환경과학연구과 자연공생시스템학 교수

후루카와 료조(Furukawa Ryuzo)

토호쿠대학대학원 환경과학연구과 자연공생시스템학 준교수

2008년 5월, 일본에서 열린 종합과학기술회의에서는 ‘환경에너지 기술혁신계획’을 책정했다. 본 계획은 온실효과 가스의 대폭적인 삭감만을 목표로 하는 것이 아니라, 에너지 안전보장, 환경과 경제의 양립, 개발도상국에의 공헌 등을 고려해, 저탄소사회 실현을 위한 일본의 기술전략, 국제적인 온실효과 가스 삭감 대책에 대한 공헌전략, 혁신적 환경에너지 기술개발의 추진방책을 진행할 것을 제안했다. 지금이야말로 일본의 기업과 대학 등의 연구기관이 가진 귀중한 자산인 선진적 환경에너지 관련 기술을 한층 더 향상·발전시켜 환경문제 및 에너지문제를 해결하는 것이 긴급한 과제가 되었다. 이와 같은 상황에 입각해, 토호쿠대학의 지식을 바탕으로 사회에 적극적으로 공헌하고자 NPO 법인 환경에너지 기술연구소를 설립했다. 본 NPO 법인에서는 환경관련기술 가운데서도 특히 에너지 절약과 신에너지 창출, 또한 지구환경부하의 삭감 등에 기여하는 과학기술 조사와 평가, 그리고 연구개발·지원 및 보급·계발을 주된 사업으로 하고 있다. 토호쿠대학은 종래부터 산학제휴로 환경에너지 관련 기술개발이나 실용화를 목표로 한 예가 많지만, 유감스럽게도 산학제휴라는 ‘죽음의 골짜기’를 넘지 못하고 있는 실정이다.

이에 비영리의 공익법인인 NPO가 설립됨에 따라 양쪽을 잇는 다리로써 입장 차이를 조정하고, 온실가스의 배출을 대폭적으로 삭감하기 위한 혁신적인 기술개발과 에너지절약기술, 재생가능에너지·신에너지 기술의 창출을 목적으로 저탄소사회의 실현을 위한 전략을 전개할 계획이다. 또한 이에 따른 성과는 에코하우스의 실현이나 자연에너지 활용 등의 실효적인 형태로써 지역모델사업을 구축하고 일본 사회에의 보급·계발을 진행함과 동시에, 신흥국이나 개발도상국 등의 국제사회에도 보급시켜 지구 규모에서의 지속적인 발전이 가능한 저탄소사회의 실현을 가능하게 하는 것이라고 확신한다.

환경 파괴 없는 저탄소사회의 실현

환경을 파괴하지 않고 유지할 수 있는 저탄소사회를 실현하기 위해서는 화석에너지를 기반으로 한 사회구조에서 태양에너지, 풍력, 바이오매스 등의 자연에너지를 이용하는 사회로의 전환이 필요하다. 그러나 에너지를 밀도가 낮은 자연에너지로 전환하려는 시도는 지금까지도 끊임없이 진행되어 왔지만 경제성에 대해서는 아직 해결을 보지 못한 상황이다.

화석에너지는 저렴하고 이용하기 쉬워 현재의 주력 에너지가 되었다. 반면 자연에너지는 에너지를 획득하는 데 많은 비용이 들어 경제성을 만족시키기 어려운 것이 현실이다. 자연에너지의 도입은 정치 주도를 바탕으로 생활에 여유가 있는 한편 환경문제에 관심이 많은 사람들이 도입해 왔다고 할 수 있다. 이와 같은 상황 속에서 저탄소사회를 맞이하게 되면 도입하고 싶어도 경제적으로 여유가 없는 사람들이나 저탄소사회의 필요성을 느끼지 못하는 사람들은 장래의 환경세금이나 전기요금의 가격 인상이라고 하는 넓고 얕은 경제적인 부담이 요구된다는 것은 피할 수 없다.

그런 까닭으로 경제적인 부담도 없고, 지금까지의 지구온난화나 에너지 문제를 해결하면서 경제적으로도 풍요로운 생활환경을 얻을 수 있으며, 환경을 파괴하지 않고 유지할 수 있는 사회를 구축하기 위한 기반기술 개발에 대해서 소개한다.

태양전지(자연에너지)와 직류이용

자연에너지 이용이 진행되지 않는 요인 가운데 하나로 불안정함을 들 수 있다. 바람이나 태양에너지는 날씨의 여부에 따라 바람이 불거나 불지 않거나, 하늘이 맑거나 맑지 않거나에 따라 에너지 공급에 파동을 일으킬 수 있다.

에너지로써 이용하는 데의 불가결한 요소 중 하나는 에너지공급의 안정성이다. 때문에 정전을 일으키거나 갑자기 전화(電化)제품이 정지하는 등의 불안정한 에너지는 사용을 피해왔다. 이러한 측면에서 화석에너지를 이용한 전기에너지는 안정적인데다 저렴한 가격으로 공급되었기 때문에 지금까지 이용되어 왔던 것이다. 지구온난화라고 하는 환경문제가 발생하기 전까지는 화석에너지로 만든 전기 에너지는 경제적으로 가장 우수하고 안정된 에너지로써 이용되어 왔으며, 그 이용 형태로는 교류급전이 이용되었다.

그러나 오늘날 지구온난화 대책으로써 태양광에너지가 가장 유력한 후보로 전 세계에서 보급이 추진되고 있다. 현재의 교류를 기본으로 한 생활시스템에서는 태양전지로부터 얻은 출력을 모두 교류로 변환해 계통이라고 불리는 보급된 전력라인에 모두 흘려보내, 태양전지에서 만든 에너지와 각 가정에서 사용하는 에너지의 차액이 사용료로써 부과되었다. 반대로 만들어 낸 에너지량이 많은 경우는 전기를 되팔아 돈을 환급 받는 시스템이다. 사용자는 에너지 창출량을 금액으로 환산해 설비에 투자한 금액의 원가를 보상 받는 것이 된다. 생각에 따라 원가 보상 기간에 이용한 전기요금의 선불이라고 생각해도 좋을 것이다. 그러나 이 시스템에도 문제점은 발생한다.

첫째, 태양광 패널에서의 직류전기를 교류로 변환하기 위해서는 10~20% 정도의 에너지 손실이 발생한다. 둘째, 자연에너지인 태양광은 불안정하기 때문에 계통 제휴한 경우 태양전지로 만든 에너지가 어느 정도 이용되었는지는 불명확하다.

위의 두 가지 문제는 태양전지 출력을 직류로 축전해 직류로 이용하는 것으로 해결된다. 그리고 저렴한 가격으로 실시할 수 있다면 현재의 태양전지 이용효율은 적어도 20% 이상 향상하는 동시에 보급도 가속화 될 것이라고 생각한다.

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그림 1. 태양전지 출력의 리튬이온 2차 전지로의 직접급전과 직류이용시스템. 태양전지에서 발전한 전력을 리튬이온 2차 전지 유닛에 직류로 축전하면서 12V 및 24V 직류출력을 각 2계통으로 공급한다.

리튬이온전지를 이용한 태양전지의 고효율 이용

토호쿠대학과 NEC토킨 등이 공동 개발한 그림 1의 시스템은 태양전지에서 발전한 전력을 리튬이온 2차 전지 유닛에 직류로 축전하면서 12V 및 24V 직류출력을 각 2계통으로 공급하는 시스템이다. 교류사양의 가전제품은 DC-AC 컨버터를 이용해 가동시켰다. 그림 2는 그림 1의 시스템 전체 사진이다. 본 시스템의 상세한 내용을 그림 1에 나타낸다.

태양전지는 1장당 45Wh인 셀 6장을 직렬로 해 그것을 1유닛으로 한다. 본 시스템에서는 2유닛에 12장의 셀을 이용하고 있다. 1유닛 당 최대출력은 270Wh, 전압 36~45V이다. 리튬이온 2차 전지 유닛은 정격용량 4.3Ah, 공칭전압 25.9V인 것을 4개 사용했다. 본 리튬이온전지는 NEC토킨의 24V계 표준전지 팩을 기준으로 한 것이다.

태양전지에서 발전한 직류전력은 전압이 36~45V이기 때문에 DC-DC 컨버터로 압력을 낮춰 입력전압 29V 이하로 리튬이온 2차 전지에 공급한다. 리튬이온 2차 전지의 출력은 자동차에서도 이용되고 있는 전압 DC24V와 DC12V로 했다. 이는 시판되고 있는 자동차용 액세서리를 이용하기 위해서이다.

실험에는 액정 텔레비전, DVD 플레이어, 실내용 LED 조명등, 옥외용 LED 조명등의 4종류의 기기를 준비했다. 이 가운데 액정 텔레비전은 본체에의 입력이 직류 12V였기 때문에 전지로부터의 12V 직류 출력 유닛을 이용했다. DVD 플레이어는 AC-DC 변환을 기기 내에서 실시하고 있기 때문에 시판되는 차재용 DC-AC 변환기로 축전 출력의 직류 12V를 교류 100V로 변환해 공급했다. 실험에서 이용한 부하전력은 액정 텔레비전과 DVD 플레이어를 합쳐 대략 70Wh이다. 그 내역은 액정 텔레비전의 소비전력이 45Wh, DVD 플레이어가 25Wh 정도이다. 한편, 실내용 LED 조명등은 직류 24V로 공급하는 유닛으로부터 직접 급전했다. 조명등은 220개의 LED를 갖추고 있으며, 소비전력은 18W이다.

옥외에 설치한 LED 2,000개의 조명등은 전지 유닛으로부터 거리가 100m 이상 떨어져 있기 때문에, 이번에는 리튬이온 2차 전지의 24V 출력 단자로 시판되는 직류 24V를 교류 100V으로 변환하는 장치를 구입하여 전력공급을 실시했다.

본 실험 결과, 태양전지 출력의 직류축전은 흐린 날씨 등으로 미약한 전력밖에 발전하지 못하는 경우에도 리튬이온 2차 전지로 축전할 수 있어 에너지 이용이 가능하다는 것을 확인했다. 따라서 계통전력에 역 조류 시킨 현재의 가정용 태양광발전 시스템과 비교해서 직류-교류 변환 손실이 없는 점, 더욱이 흐린 날씨에도 축전이 진행된 점으로부터 태양전지의 이용효율은 높아지고 있다고 생각한다. 본 장치는 미약한 에너지를 회수하는 리튬이온 2차 전지 유닛의 개발 등도 실시해 직류급전과 편성된 토호쿠대학 에코하우스(2010년 3월 완성예정)에 설치하고 규모를 확대해 실증실험을 실시할 예정이다.

그림 2. 리튬이온 2차 전지를 이용한 직류이용시스템의 전체 사진. 본 시스템은 흐린 날씨 등으로 전력 발전이 미약한 경우에도 리튬이온 2차 전지로 에너지를 축전해 이용 가능하다.

새로운 개념의 전력시스템의 등장

리튬이온 2차 전지의 축전설비는 태양전지 패널로부터의 전력을 매전하지 않는 동시에 가정에서도 이용이 가능하다. 이에 따라 태양광에너지를 전기에너지로 실제 이용해 수치상으로 이산화탄소 삭감효과를 명료히 할 수 있다. 또한 대형 축전설비가 전기 자동차 사회와 함께 보급이 진행되면 야간 전력의 축전에 따른 주간의 전기요금을 절약하는 것도 가능하다. 그리고 최종적으로는 가정에서 사용하는 에너지를 100% 축전지로부터 공급하는 것도 가능하게 된다. 더욱이 화재 시의 비상전원, 전기에너지 생산량의 균일화, 우리 주변에 있는 이용하지 않는 작은 전기에너지도 이용할 수 있게 된다. 이것은 지금까지 찾아 볼 수 없었던 전력시스템의 제안이다.

이러한 과학기술과 더불어 우리들이 지금까지 의식하지 않았던 옛날 생활의 지혜나 자연을 어떤 식으로 얻을까라는 생각, 즉 자연(태양광이나 바람의 흐름 등)을 활용하는 에너지와 천연자원의 사용을 최소한으로 모아, 환경에 부담이 없는 자연에너지 기반의 쾌적한 생활, 지속가능한 저탄소사회가 실현된다고 생각한다. 본 연구는 환경성 지구온난화 대책기술개발사업 ‘미약에너지 축전형 에코하우스에 관한 에너지절약 기술개발’ 프로젝트 2008년도 채택에 의해 실시된 것이다.

참고문헌

(1) “직류급전, 에너지 절약의 비장 수단으로”, 닛케이일렉트로닉스, 12월 29일호, pp.36-55 (2008)

(2) “태양전지를 활용한 ‘직류’”, 닛케이비즈니스, 4월 27일호, pp.100-102 (2009)

(3) 닛케이 사이트

http://release.nikkei.co.jp/detail.cfm?relID=208054&lindID=5

(4) 닛케이 BP계 사이트

http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20081218/321692/

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20081217/162999/

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20081227/163410/

(5) 닛케이에코로미 사이트

http://eco.nikkeibp.co.jp/release/article.aspx?id=RSP208054%2017122008

(6) 그 외