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내포지식산업센터 ESS 개발

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  4. 내포지식산업센터 ESS 개발

참여기업: 퓨처이브이, 에코캡, 한양전공, 업텍

연구책임자 이윤구 교수

01과업의 개요

배경 및 필요성

  • 탄소중립(Net-zero) 및 재생에너지 확대 정책 확산에 따라 태양광 등 재생에너지의 간헐성·불규칙성을 보완할 고신뢰성 차세대 에너지저장장치(ESS) 기술의 개발·실증이 필수적으로 대두.
  • 국내 ESS 화재사고 반복 발생으로 고에너지밀도뿐 아니라 구조적 안정성, 열관리, 조기진단 알고리즘이 통합된 고안전성 차세대 ESS 개발 필요성 증대.
  • 충남도의 산업단지·지식산업센터 중심 분산형 에너지 시스템 도입 정책에 대응하여, 지역 실증 기반의 안전한 ESS 시스템 및 관련 산업 생태계 조성 요구.

목적

KAIST 모빌리티연구소(내포지식산업센터)에 설치된 203kW급 태양광 발전 설비와 연계하여, 계통 연동이 가능한 안전성 기반 차세대 ESS 시스템을 개발·실증하고 Net-zero 및 RE100 구현을 지원.

연구 내용 개념도 – 안전성 기반 차세대 ESS, 태양광발전설비, KAIST 모빌리티연구소
[그림 1. 연구 내용 개념도 (안전성 기반 차세대 ESS – 태양광발전설비 – KAIST 모빌리티연구소)]

02태양광 연계 ESS 플랫폼 설계

설치 부지 및 규정 검토

  • KAIST Mobility Inst. 내 옥외 부지를 활용해 40ft 컨테이너 기반의 고정형 ESS 시스템을 구축하고, 태양광 발전과 심야전기를 저장하고 활용할 수 있는 하이브리드 운영 체계를 수립하고자 함.
  • ESS 설치 규정
    • [외부] 지면으로부터 높이: 0.3 m
    • [외부] 주차라인, 도보 길 사이의 거리: 1.5 m
    • [내부] Rack 간 마주보는 상황: 1 m
    • [내부] Rack 간 폭 간격: 0.8 m
[그림 2. KAIST 모빌리티 연구소 내 ESS 설치 예정 부지]
[그림 3. KESC 전기설비 검사점검 기준]

ESS 용량 및 구축 전략 수립

  • ESS 설치 용량 선정
    • KAIST Mobility 연구소 태양광 용량: 203 kW
    • KAIST Mobility 연구소 태양광 발전 용량: 710.5 kWh/day
    • ESS 설치 용량: 710.5 kWh / 70% = 710.5 kWh ÷ 0.7 ≈ 1 MWh
  • ESS 구축 (내부 구성) 전략
    • 1차 시제: 상용 인증 ESS 설치 (~100 kWh)
    • 2차 시제: 개발 액침형 ESS 설치
    • 컨테이너에 1차 및 2차 시제 동시 설치 (독립 운용)

운영 데이터 분석

203kW 태양광 설비는 하루 평균 약 3.5시간 발전 기준 710.5kWh 발전량 확보 가능하며, 현재 공실 상태로 대부분 ESS 저장 또는 계통 송전 중. 9~11월 3개월 전력 소비·발전 데이터 분석 결과, Peak 제어보다 심야 저가 전력을 충전 후 주간 활용하는 스케줄 제어 방식이 효율적인 것으로 판단.

KAIST 모빌리티 연구소의 1일 전기 소비 전력량 및 태양광 생산량
[그림 4. KAIST 모빌리티 연구소의 1일 전기 소비 전력량(파랑) 및 태양광 생산량(주황)]

컨테이너 내부 구조 최적화

  • ESS 배치 후보 (ESS 공간 60% / PCS-EMS-PMS 40% 기준)
    • 1안: 600 kWh
    • 2안: 1400 kWh (Rack 간 거리가 0.55mm로 공간 협소 및 컨테이너 공간 초과)
    • 3안: 800 kWh (이동로를 위한 Rack과 벽 간 거리가 0.35mm로 공간 협소)
ESS 컨테이너 내부 구조 후보
[그림 5. ESS 컨테이너 내부 구조 후보]
  • 최적의 ESS 배치를 위한 최종 후보군 2개를 도출하였으며, 이 중 공간 활용 효율을 높이면서도 작업자의 접근성과 유지보수 편의성을 향상시킬 수 있는 1안을 최종 선정하였음.
    • 1안: 430 kWh, 876 V (2 Rack, 20 Module × 12 Cell per Rack)
    • 2안: 860.1 kWh, 876 V (4 Rack, 20 Module × 12 Cell per Rack)
선정된 ESS 컨테이너 내부 구조도 (430 kWh)
[그림 6. 선정된 ESS 컨테이너 내부 구조도 (430 kWh)]

ESS 컨테이너 설계 및 인증 비용

  • 컨테이너 기반 고정형 ESS 시스템 구축을 위해, 공사업체 선정과 예산, 시스템 구성 전략에 대한 세부 검토를 진행함.
  • 공사비 측면에서의 주요 이슈: 소규모 ESS 설치 프로젝트 특성상 시공 가능 업체가 제한적이며, 업체 선정에 어려움이 있었으나 대형 업체에 컨테이너 규격 및 사양에 대한 견적을 요청한 결과, 40 ft 컨테이너 가격만 1억~1억5천만원으로 확인함.
  • 소방설비 관련 비용 이슈
    • 소방인증이 없는 배터리 팩 사용 시, 스프링클러가 필수로 요구됨
    • 40 ft 컨테이너 기준 스프링클러 2기 설치 시 약 1억 원의 추가 비용이 발생. 반면, 소방인증된 배터리 팩 사용 시 스프링클러 설치 면제 가능, 비용 절감 효과가 기대됨.
  • 공간 효율성 및 단열 요구 고려
    • 40 ft 컨테이너 단일 구조에 1 MWh 설치 시 공간 활용도 낮고 전기·냉난방이 비효율적임.
    • 특히, 단열재 설치 등 열환경 조건 고려 시 추가 구조적 제약 존재.
  • 컨테이너 구성 방식에 대한 구조적 대안 제시: 외부에서 1개의 컨테이너로 보이지만, 실제로는 2개의 컨테이너를 연결하는 방식이 시공 유연성과 예산 효율 측면에서 더 합리적임.
  • 설비 구성 및 운용 전략
    • PCS 1개(25 kW) 당 배터리 랙 1개씩 연동하는 구성 기본안 검토.
    • PCS 1개당 최대 100 kWh 이상 연결 가능성도 고려하여 설계.
  • 모니터링 시스템 연계 계획: 향후 시스템 구성 시, BMS, BPDU 등의 용량 검토와 함께 국내외 유사 제품 사례를 벤치마킹하여 통합 모니터링 시스템 설계.

03차세대 배터리 시스템 개발 및 실증

온도 측정 방법 검토

  • 열화상카메라(IR): 아크릴·유리 투과 불가로 액침 용기 내부 셀 온도 측정에 한계 확인.
  • 접촉식 온도센서 (K-type Thermocouple): 고분해능 장비로 교체 (Max6675 → Max31856)하여 노이즈 없는 정밀 온도 데이터 확보.
온도 측정 모듈 교체 전후 수집된 온도 그래프
[그림 7. 온도 측정 모듈 교체 전(왼쪽)과 후(오른쪽)의 수집된 온도 그래프]

액침형 배터리 실험 장치 구성

비순환식 액침 냉각 시스템(알루미늄 프레임 + 투명 아크릴 챔버) 설계·제작. 원통형 셀 고정 구조, 개별 전류·전압 계측 모듈, 절연유 저장부를 포함한 통합 모니터링 체계 구축.

액침 냉각을 위한 실험 시스템 세팅
[그림 8. 액침 냉각을 위한 실험 시스템 세팅]

시뮬레이션 기반 냉각 성능 분석

  • 6×2 각형 셀 배터리 팩 모델을 대상으로 (1) 비순환 vs 순환 냉각, (2) C-rate(0.5C/1C/2C)별 발열, (3) 절연유 유속(0~2.5 m/s)별 온도 분포를 정량 분석.
  • 비순환 냉각 시 최고 온도 47.97℃까지 상승하였으나, 순환형 냉각 적용 시 32.62℃로 저감되고 셀 간 온도 편차도 약 0.77℃로 크게 개선.
  • 2C-rate 고속 방전 조건에서 절연유 유속을 0→2.0m/s로 증가시켰을 때 최고 온도가 69.76℃→47.64℃로 약 22℃ 감소했으나, 유속 2.5m/s 이상에서는 개선 폭이 둔화되어 유로 구조 최적화의 필요성 확인.
C-rate에 따른 온도 분포 분석
[그림 9. C-rate에 따른 온도 분포 분석: 0.5C(왼쪽) vs 1.0C(중앙) vs 2.0C(오른쪽)]
유체 유속에 따른 냉각 효과 결과
[그림 10. 유체 유속에 따른 냉각 효과 결과]

04인증 및 제작 비용 검토

액침형 ESS 상용화를 위한 인증 비용 검토

  • 액침형 ESS 시스템의 상용화를 위해 KC 62619, KBIA-10104-03, NFSC 607 등 3개 인증 시험이 요구됨.
  • 인증 시험은 셀·모듈·랙 단위의 시험 샘플이 필요하며, 인증 셀 사용 여부에 따라 전체 시험 비용에 차이가 발생함.
  • 미인증 셀 사용 시 전체 인증 비용이 약 억 천만원 소요되나, 인증 셀 사용 시 약 6억 4천만원으로 절감 가능함.

초기 셀 인증 확보와 최적 랙 구성을 통한 비용 효율화

  • 시제품 제작비는 랙 및 모듈 수에 비례하여 증가하며, 초기 단계에서 인증 셀을 확보하고 요구 용량에 적합한 랙 수를 선정하는 것이 인증 및 제작 비용 절감에 중요함.
  • 향후 시스템 확장성과 화재 안전성을 고려하여 인증 시험 사양을 반영한 랙 설계가 필요하고, 이에 유사 액침형 ESS 사례 벤치마킹을 통해 설계 타당성과 기술적 안정성을 사전에 검토할 필요가 있음.
개발 ESS 인증에 필요한 샘플 제작 및 시험 비용 요약 테이블
Sample 수량 Cell 미인증 제품 사용시 Cell 인증 제품 사용시
Cell Module System (Rack) Sample 제작비 인증 시험 비용 Sample 제작비 인증 시험 비용
ESS 인증 시험 KC 62619 24 - 4 ₩301,456,000 ₩54,150,000 ₩299,200,000 ₩43,500,000
KBIA-10104-03 41 2 2 ₩235,254,000 ₩40,000,000 ₩231,400,000 ₩25,000,000
NFSC 607 3 10 - ₩33,782,000 ₩60,000,000 ₩33,500,000 ₩60,000,000
Sample 수량 합계 68 12 6 ₩570,492,000 ₩154,150,000 ₩564,100,000 ₩128,500,000
[표 1. 개발 ESS 인증에 필요한 샘플 제작 및 시험 비용 요약]
ESS용 Battery Rack 제작을 위한 견적 검토 요약 테이블
Energy Capacity (kWh) 1 Rack System 2 Rack System 3 Rack System 4 Rack System
Module 수 (Qty) 20 40 60 80
Module 전압 (V) 38.4 38.4 38.4 38.4
Module 전류 (A) 280 280 280 280
Rack 전압 (V) 768 768 768 768
Rack 전류 (A) 280 560 840 1,120
Rack Energy (kWh) 215 430 645 860
시제품 제작 비용 (KRW) 225,480,000 363,360,000 501,240,000 639,120,000
[표 2. ESS용 Battery Rack 제작을 위한 견적 검토 요약]

05기대효과 및 활용방안

  • 고안전성 ESS 플랫폼 확보: 액침 냉각 적용으로 셀 간 온도 편차 완화 및 열폭주 위험 저감, 대용량 ESS 상용화의 안전성 기반 마련.
  • 국내 인증 기반 상용화: KC 62619 등 국내 인증 요구사항에 부합하는 모듈/팩 구조 확보로 제품화 및 실증사업 연계 기반 마련.
  • 기술 차별화: 공랭·수랭 대비 액침 냉각의 구조 단순화 및 발열 해소 우위 확보로 고출력·고에너지밀도 ESS 시장 경쟁력 확보
  • 지역 실증·기술이전 연계: 지자체·공공기관 실증 확대 및 중소·중견기업 대상 배터리 모듈·랙·BMS·냉각장치 기술이전 추진.
  • 응용 확장: 전기차 배터리팩, 모바일 ESS, 항공·방산용 에너지 시스템 등으로 열관리 기반 기술 확장 적용 가능.

06결론

  • 본 연구는 KAIST 모빌리티연구소(내포지식산업센터)의 203kW급 태양광 발전 설비를 기반으로 액침 냉각 방식의 고안전성 차세대 ESS 플랫폼을 설계·실증하였다. 접촉식 정밀 온도센서와 시뮬레이션 기반 열관리 분석을 통해 순환형 액침 냉각이 열폭주 위험 저감에 효과적임을 확인하였으며, 국내 인증체계에 부합하는 랙 구조 및 비용을 사전 조사함.
  • 향후 실증 데이터 기반 표준 랙 설계 지침 마련, 국내외 인증 대응 모듈화, 지역 기반 실증사업 확대를 통해 충남도 내 ESS 산업 육성 및 RE100 구현에 기여할 수 있을 것임.
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