What is Energy Storage System (ESS) and its role in Grid?

Energy Storage System (ESS)

 Methods of generating electricity by renewable energy such as wind power and solar power, rather than the methods by conventional power plants are becoming important  both politically and technically not only in Korea but also around the world. In the case of Korea, the importance of renewable energy is emphasized as the country pushes for the "2050 carbon neutrality" policy. However, there are certainly drawbacks to renewable energy. Wind power and solar power are the representative sources of renewable energy. Wind power generators are affected by wind speed, and photovoltaic generators by solar radiation. Because of this inherent nature of renewable energy, the amount of power output from renewable energy is highly volatile. Many studies to reduce this volatility are going on , and in this post, we will first learn about ESS and how it is typically utilized to decrease bad natures of renewable energy and eventually to help stabilize power grid. 

1. ESS Type

( Source: Paper 'Review of energy storage systems
for electric vehicle applications: Issues and challenges)
Types of ESS

 First, the types of ESS vary widely, as shown in the figure above. Most of the ESSs that will be used in my postings later will be battery-based energy systems (BESS), but let's take a look at the types of ESSs. ESS can be classified as pumped water power generation, compressed air ESS, flywheel ESS, and battery families such as lead batteries, lithium-ion batteries and NaS batteries (sodium-sulphur battery). The previous three are physical storage devices, which convert and store electrical energy into potential energy or kinetic energy, and then back to electrical energy. On the other hand, lead batteries, lithium-ion batteries, or NaS batteries are chemical storage devices, where electrical energy is stored, and converted into power using chemical reactions. Lead batteries are considered to be the most complete battery technology and have the lowest price. However, it has the disadvantage of battery performance degradation at low and high temperatures, relatively short life spans, and low energy density. Lithium-ion batteries have good output characteristics and efficiency, but their unit cost is high, which is advantageous for short-term storage methods such as frequency regulation for grid, while NaS batteries can make large capacity, which is advantageous for high-capacity batteries, low-cost materials, and excellent economic feasibility.

( Source: Soo Kyung Chemical Co.. Ltd )
Charging discharge of lithium-ion batteries

2. Utilize ESS in the power system

 As shown in the figure below, when ESS is utilized within the power system, it consists of energy storage devices (ES), power conversion system (PCS), and related power management system (PMS). Energy storage devices must be charging a certain amount to charge and discharge for a certain period of time. PMS is intended for charging and discharging control via ES and PCS, and is equipped with monitoring and control algorithms. ESS in these configurations can be used for significant power quality(power factor) improvements, frequency regulation, and load transfer purposes.

ESS components and concepts

2-1. Power Quality

 In bus voltage and load current, voltage and current distortions such as harmonic and instantaneous voltage drops occur, which adversely affect power quality. Power quality is very important in cases such as semiconductor processes that require normal factory operation with good power quality. As a countermeasure, flywheels or battery-based ESSs with fast reactivity are used, and battery-based ESSs have long discharge times, making them suitable for using ESSs for improving power quality.

2-2. Frequency Adjustment

 The power system has a specified frequency range near 60 Hz. Unstable frequencies can cause generator trips, load shedding, and system instability. Therefore, the ESS can provide additional effective power to solve the frequency problems that can occur in the power system. ESS facilities that are suitable for frequency adjustment include flywheel, SMS, and batteries.

ESS charging, discharging according to frequency adjustment

 2-3. Load Shifting

 As mentioned earlier, renewable energy is characterized by high volatility. In power systems, this nature must be suppressed or predicted to balance generation and demand. Otherwise, even if renewable energy generators are prepared for the connection to the power system by meeting the grid code, there will be restrictions on the connection. The ESS can shift the energy generated from renewable power sources from low demand area to high demand area, which is called load shifting.

 In order to see the effect of shifting the load, the capacity of the ESS must be determined by considering output and its volatility of the renewable power plant or the size of the peak demand. Also, charging and discharge time in batteries must be long, ranging from minutes to hours. Suitable storage devices include CAES, pumped water power generation, and batteries.

( Source: Paper 'PEAK SHAVING CONTROL METHOD FOR ENERGY STORAGE' )
ESS charging, discharging following load shifting

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Energy Storage System (ESS)

 기존 전통적인 방법인 화력 발전소를 이용한 전기 사용이 아닌 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지를 활용한 전력 발전방법이 한국 뿐만 아니라 전세계적으로 각광받고 있다. 한국의 경우에는 국가적으로 '2050 탄소중립' 정책을 추진함에 따라, 신재생에너지의 중요성이 강조되고 있다. 하지만 신재생에너지에도 단점이 분명 존재한다. 대표적인 신재생 에너지원인 풍력과 태양광만 봐도 그렇다. 풍력 발전기는 바람의 영향을, 태양광 발전기는 일사량의 영향을 받는다. 이와 같은 신재생에너지의 내재적인 특성때문에 그로부터 발생하는 전력 출력량은 변동성이 큰 특징을 갖는다. 변동성을 줄이기 위한 방법은 계속해서 연구되고 있고, 이 포스팅에서는 먼저 ESS에 대해서 알아보고, 이러한 흐름 속에서 대표적으로 ESS가 어떻게 활용되는지 알아볼 것이다.

1. ESS 종류 

( 출처 : 논문 'Review of energy storage systems
for electric vehicle applications: Issues and challenges)
ESS의 종류

 먼저 ESS의 종류는 위의 그림처럼 매우 다양하다. 앞으로 포스팅에서 사용될 ESS는 대부분 배터리를 이용한 ESS(BESS: Battery Energy System)일 테지만, ESS의 종류에 대해서 한번 알아보자. ESS는 양수발전, 압축공기 ESS, 플라이휠 ESS, 그리고 납 배터리, 리튬이온전지와 NaS 전지(나트륨황 전지) 같은 배터리 계열의 ESS로 분류할 수 있다. 앞의 세 개는 물리적 저장 장치로, 전기에너지를 위치에너지, 또는 운동에너지로 변환, 저장하였다가 다시 전기에너지로 변환하여 사용된다. 반면 납 배터리, 리튬이온전지나 NaS 전지는 화학적 저장 장치로, 전기에너지를 화학반응을 이용하여 변환, 저장하여 전력으로 변환하여 사용하는 경우이다. 납 배터리는 배터리 기술 중 가장 완성도가 높고 가격도 저렴한 것으로 평가된다. 하지만 저온 및 고온에서 성능이 저하되고 상대적으로 수명이 짧으며 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 리튬이온전지는 출력 특성과 효율이 좋지만, 단가가 높아 주파수 조정과 같은 단기 저장 방식에 유리하고, 반면 NaS 전지는 용량을 크게 만들 수 있어 대용량의 전지 성에 유리하며, 저렴한 재료로, 경제성 또한 우수한 특징이 있다.

( 출처 : Soo Kyung Chemical Co.. Ltd )
리튬이온전지의 충방전

2. 전력 계통 내 ESS 활용

  아래 그림과 같이 ESS가 전력 계통 내에서 활용될 때, 크게 에너지 저장 장치(ES), 전력변환설비(PCS), 관련제어설비(PMS)로 구성된다. 에너지 저장 장치는 일정시간 동안 충, 방전하기 위해 일정량을 충전하고 있어야 한다. PMS는 ES와 PCS를 통해 충, 방전 제어를 위한 것으로, 감시 및 제어 알고리즘이 탑재되어 있다. 이러한 구성의 ESS는 크게 전력품질 향상, 주파수 조정, 부하이전의 목적으로 사용될 수 있다.

ESS 구성 요소와 개념

2-1. 전력 품질

 모선전압과 부하전류에서 고조파, 순간적인 전압강하와 같은 전압, 전류의 왜곡 현상이 발생하는데, 이는 전력 품질에 악영향을 준다. 좋은 품질의 전력을 공급받아 정상적인 공장 가동이 이뤄저야 하는 반도체 공정과 같은 경우에 전력 품질은 매우 중요하다. 이에 대한 대책으로 빠른 응동성을 가지는 플라이휠이나 배터리 계열 ESS가 사용되고, 배터리 계열 ESS는 장시간의 방전시간을 가져 전력 품질 향상 목적으로의 ESS 사용에 적합하다.

2-2. 주파수 조정

 전력 계통은 60Hz를 기준으로 일정 범위의 규정 주파수가 존재한다. 서로간의 주파수가 안맞다보면 발전기 트립이나, 부하차단, 계통 불안정성을 야기하게 된다. 따라서 ESS에서 추가적으로 유효전력을 공급해주면서 전력계통에서 발생할 수 있는 주파수 문제를 해결할 수 있다. 주파수 조정에 적합한 ESS 설비로는 플라이휠, SMES, 배터리 등이 있다.

주파수 조정에 따른 ESS 충, 방전

2-3. 부하 이전 

 앞서 말한 대로 신재생에너지는 변동성이 큰 특징이 있다. 전력 계통에서는 이 변동성을 억제하거나 예측하여 발전과 수요의 균형을 맞춰야 한다. 그렇지 못할 경우에는 계통과의 연결이 준비된 신재생 에너지원이더라도 연계에 있어서 제약이 발생하게 된다. 신재생 발전원에서 발생하는 에너지를 전력수요가 낮은 시간에서 높은 시간으로 옮기는 것은 ESS에 의해서 수행될 수 있는데, 이를 부하이전이라 한다.

 부하이전의 효과를 보기 위해서는 신재생 발전설비 용량이나 피크수요 크기를 고려하여 ESS의 설비 용량을 결정해야 하며, 충, 방전시간도 수분에서 수 시간 정도의 긴 시간이어야 한다. 이에 적합한 저장 장치로는 CAES, 양수발전, 배터리 등이 존재한다.

( 출처 : 논문 'PEAK SHAVING CONTROL METHOD FOR ENERGY STORAGE' )
부하 이전에 따른 ESS 충, 방전