전력 전자의 기술 동향 - 플로우(Flow) 배터리 -

 

차세대 배터리 기술 중 하나인 플로우(Flow) 배터리 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

플로우 배터리 종류중 하나인 레독스 플로우 배터리

 

- 플로우 (Flow) 배터리 소개 -

 

플로우 배터리는 별도의 탱크에 저장된 양극과 음극의 두 가지 전해질 용액을 사용하는 충전식 배터리의 한 유형입니다. 전해질은 반응 셀을 통해 펌핑되어 화학반응을 거쳐 전기 에너지를 생성합니다. 기존 배터리와 달리 플로우 배터리는 고정된 전극과 유동적인 전해질을 가지고 있어 전력과 에너지를 분리할 수 있습니다. 즉, 플로우 배터리는 단기간에 많은 양의 전력을 공급하거나 장기간에 걸쳐 적은 양의 전력을 공급할 수 있으므로 그리드 수준의 에너지 저장, 재생 에너지 통합, 전기 자동차와 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합합니다.

 

플로우 배터리의 종류

 

플로우 배터리에는 다음과 같은 여러 유형이 있습니다:

1.레독스 플로우 배터리

서로 다른 레독스 상태를 가진 두 개의 전해질을 사용하여 전기 에너지를 생산합니다.

2.하이브리드 플로우 배터리

단일 시스템에서 두 개 이상의 서로 다른 전기 화학 커플을 사용합니다. 높은 에너지 밀도와 높은 전력 밀도를 제공할 수 있지만 작동이 더 복잡합니다.

3.아연-브롬 흐름 배터리

두 전해질 용액에 아연과 브롬을 활성 물질로 사용합니다. 에너지 밀도가 높고 사이클 수명이 길다는 장점이 있습니다.

4.철-크롬 플로우 배터리

두 전해질 용액에 철과 크롬을 활성 물질로 사용합니다. 전력 밀도가 높으며 대규모 에너지 저장 애플리케이션용으로 개발되고 있습니다.

5.바나듐 레독스 흐름 배터리

두 전해질 용액에 바나듐 이온을 사용합니다. 수명이 길고 에너지 밀도가 높기 때문에 에너지 저장 애플리케이션에 적합합니다.

유기 흐름 배터리

전해질 용액에 유기 분자를 활성 물질로 사용합니다. 대용량 에너지 저장 애플리케이션을 위해 개발되고 있습니다.

플로우 배터리의 대표적인 두 종류  레독스 플로우 배터리와 하이브리드 플로우 배터리의 차이점은 에너지를 저장하고 전력을 생산하는 방식입니다. 레독스 플로우 배터리에서 사용되는 두 가지 전해질은 일반적으로 산화 상태가 다른 바나듐, 철 또는 아연과 같은 금속 이온입니다. 작동 중에 전해질은 셀을 통해 흐르며 화학반응을 일으켜 전기를 생산합니다. 레독스 흐름 배터리의 화학 반응은 가역적이며 여러 주기에 걸쳐 반복될 수 있습니다. 반면에 하이브리드 플로우 배터리는 단일 시스템에서 두 개 이상의 서로 다른 전기 화학 커플을 사용하며, 종종 레독스 플로우 배터리의 특징과 다른 배터리 화학을 결합합니다. 따라서 기존의 레독스 플로우 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 전력 밀도를 얻을 수 있습니다.

또 다른 주요 차이점은 하이브리드 플로우 배터리는 일반적으로 레독스 플로우 배터리보다 작동이 더 복잡하다는 것입니다. 하이브리드 플로우 배터리는 각 전해질의 유속을 세심하게 제어하고 충전 상태와 시스템 상태를 모니터링해야 합니다. 이러한 복잡성은 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

요약하면, 레독스 플로우배터리와 하이브리드 흐름 배터리 모두 두 개 이상의 전해질 용액을 사용하여 에너지를 저장하지만, 주요 차이점은 화학 반응의 특성과 시스템의 복잡성에 있습니다. 레독스 플로우 배터리는 설계가 간단하고 비용이 저렴하며 광범위한 에너지 저장 애플리케이션에 적합한 반면, 하이브리드 흐름 배터리는 에너지 밀도와 전력 밀도가 높지만 작동이 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

플로우 배터리의 실제 사용 사례

 

 

플로우 배터리는 아직 비교적 새로운 기술이지만, 실제 사용 사례는 몇 가지 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다:

1.퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소

이 연구소는 최대 8시간의 에너지를 저장할 수 있는 바나듐 레독스 플로우 배터리를 개발했습니다. 이 배터리는 현재 워싱턴주의 데이터 센터에 백업 전력을 공급하는 데 사용되고 있습니다.

2.길드마이스터 에너지 설루션

이 독일 회사는 대규모 에너지 저장 프로젝트에 사용되는 레독스 흐름 배터리를 생산합니다. 한 가지 예로 독일에 설치된 5㎿/20㎿h 시스템을 통해 잉여 풍력 에너지를 저장할 수 있습니다.

3.유니에너지 테크놀로지스

이 회사는 그리드 규모의 에너지 저장에 사용되는 바나듐 레독스 흐름 배터리를 생산합니다. 이 회사는 워싱턴주의 2㎿/8㎿h 시스템을 포함하여 여러 지역에 시스템을 설치했습니다.

4.레드플로우

이 호주의 회사는 오프그리드 에너지 저장에 사용되는 아연-브롬 흐름 배터리를 생산합니다. 이 배터리는 아프리카의 태양열 휴대폰 타워를 포함하여 여러 외딴 지역에 설치되었습니다.

5.룽케 파워

이 중국 회사는 그리드 규모의 에너지 저장에 사용되는 바나듐 레독스 플로우 배터리를 생산합니다. 후베이성에 있는200MW/800 MWh시스템을 포함하여 중국 내 여러 지역에 시스템을 설치했습니다.

전반적으로 플로우 배터리는 아직 신흥 기술이지만, 특히 대규모 에너지 저장 및 재생 에너지원의 그리드 통합을 위해 점점 더 많은 실제 애플리케이션에서 사용되고 있습니다.

 

- 플로우(Flow) 배터리 기술의 역사와 기술 동향 -

 

플로우 배터리는 1930년대 독일 과학자 프리드리히 쿨만이 액체 브롬 전극을 사용한 최초의 플로우 배터리를 발명했을 때로 거슬러 올라가는 비교적 오랜 역사를 가지고 있습니다. 그러나 당시에는 납산이나 니켈 카드뮴과 같은 다른 배터리 화학이 더 효율적이고 비용 효율적이었기 때문에 이 기술은 널리 채택되지 않았습니다.
1970년대에 NASA는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 제공하는 플로우 배터리를 우주 애플리케이션용으로 연구하기 시작했습니다. NASA의 연구는 우주 왕복선 프로그램에 사용된 최초의 바나듐 레독스 플로우 배터리의 개발로 이어졌습니다. 1980년대와 1990년대에도 플로우 배터리에 대한 연구는 계속되었고, 철-크롬과 아연-브롬을 비롯한 여러 가지 새로운 화학 물질이 개발되었습니다. 그러나 플로우 배터리의 높은 비용과 복잡성, 그리고 기존 배터리 기술의 낮은 비용으로 인해 플로우 배터리는 틈새 기술로 남아있었습니다.
2000년대 초, 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지원이 널리 보급되면서 플로우 배터리에 대한 관심이 높아지기 시작했습니다. 플로우 배터리는 잉여 에너지를 생산할 때 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있기 때문에 간헐성 문제에 대한 잠재적인 해결책으로 여겨졌습니다.

플로우 배터리는 현재 연구와 개발이 활발한 분야로, 몇 가지 트렌드가 나타나고 있습니다.

 

플로우 배터리의 트렌드

1.에너지 밀도 개선

연구자들은 현재 다른 배터리 기술보다 낮은 플로우 배터리의 에너지 밀도를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 플로우 배터리의 에너지 밀도를 높이고 기존 배터리 기술과의 경쟁력을 높이기 위해 새로운 화학 물질과 전극 재료가 개발되고 있습니다.

2.비용 절감

플로우 배터리의 광범위한 채택을 가로막는 주요 장벽은 비용이었습니다. 연구원들은 더 저렴한 재료를 사용하고, 제조 공정을 개선하고, 시스템의 효율성을 높여 플로우 배터리의 비용을 낮추기 위해 노력하고 있습니다.

3.재생 에너지원과의 통합

플로우 배터리는 잉여 에너지를 생산할 때 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있기 때문에 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지원과 통합하는 데 적합합니다. 재생 에너지원의 사용이 증가함에 따라 플로우 배터리에 대한 수요도 증가할 가능성이 높습니다.

4.안전성 향상 

플로우 배터리는 작동 중에 열을 발생시키지 않고 열 폭주 현상이 적기 때문에 일반적으로 다른 배터리 기술보다 더 안전한 것으로 간주됩니다. 그러나 연구자들은 새로운 소재와 안전 시스템을 개발하여 플로우 배터리의 안전성을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

5.하이브리드 플로우 배터리

앞서 언급했듯이 하이브리드 플로우 배터리는 두 가지 이상의 서로 다른 전기화학 커플의 장점을 단일 시스템에 결합한 새로운 유형의 플로우 배터리입니다. 에너지 및 전력 밀도를 개선하고 비용을 절감하는 것을 목표로 하이브리드 플로우 배터리에 대한 연구가 진행 중입니다.

전반적으로 플로우 배터리는 연구 개발이 활발한 분야이며, 대규모 에너지 저장 및 재생 에너지원의 그리드 통합에 플로우 배터리를 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

- 플로우 (Flow) 배터리 기술의 한계점들 -

 

플로우 배터리는 널리 채택되는 데 방해가 되는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 다음은 몇 가지입니다:

1.낮은 에너지 밀도

플로우 배터리는 리튬 이온 배터리와 같은 다른 배터리 기술보다 에너지 밀도가 낮습니다. 즉, 동일한 양의 에너지를 저장하기 위해 더 많은 공간과 무게가 필요하며, 이는 일부 애플리케이션에서 제한이 될 수 있습니다.

2.더 높은 비용

플로우 배터리는 일반적으로 구성에 사용되는 재료의 가격이 비싸기 때문에 다른 배터리 기술보다 더 비쌉니다. 이로 인해 많은 애플리케이션에서 플로우 배터리의 채택이 제한되었습니다.

3.복잡한 시스템

플로우 배터리는 전해액을 순환시키기 위해 펌프, 탱크 및 기타 구성 요소가 필요하기 때문에 다른 배터리 기술보다 더 복잡합니다. 따라서 설치 및 유지 관리가 더 어려울 수 있습니다.

4.제한된 수명

 모든 배터리와 마찬가지로 플로우 배터리는 수명이 제한되어 있으며, 시간이 지남에 따라 전해질이 저하됩니다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 에너지 저장 용량이 감소할 수 있습니다.

5.환경 문제

바나듐 및 기타 금속과 같이 플로우 배터리에 사용되는 재료는 환경에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 소재의 채굴과 정제는 자원 집약적일 수 있으며 폐기물을 생성할 수 있습니다.

6.낮은 전력 밀도

플로우 배터리는 일반적으로 다른 배터리 기술보다 전력 밀도가 낮기 때문에 고전력 애플리케이션에서 사용이 제한될 수 있습니다.

이러한 한계에도 불구하고 플로우 배터리는 특히 대규모 에너지 저장 애플리케이션에서 다른 배터리 기술에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. 이러한 한계를 해결하고 플로우 배터리의 성능과 비용 효율성을 개선하기 위해 지속적인 연구와 개발이 진행되고 있습니다.

이상, 차세대 배터리 기술 중 하나인 플로우(Flow) 배터리 대하여 포스팅을 마치겠습니다.