오프그리드 이동통신 기지국을 위한 VRFB 하이브리드 전원공급장치

한국정보통신설비학회 하계학술대회 논문

한국정보통신설비학회는 최근 ‘2015 하계 정보통신설비 학술대회’를 개최했다. 이번 학술대회에서 발표된 주요 논문을 요약해 소개한다.

오프그리드 이동통신 기지국을 위한 VRFB 하이브리드 전원공급장치
<바나듐 레독스흐름전지>

저 자 : ㈜에이치투 허지향·김유종·문은용·한신

전세계적으로 이동통신 기지국의 증가추세 중 개발도상국의 오프그리드 이동통신 기지국이 점차 증가하고 있다.

이 기지국들은 디젤발전기를 주요 에너지원으로 사용하는데 경제적, 물류적, 환경적 문제점들이 도출되고 있다.

문제점의 개선을 위해 보다 경제적이고 친환경적이며 수명이 긴 바나듐레독스흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)를 에너지저장장치(ESS)로, 디젤발전기 또는 태양광발전(PV)을 결합한 하이브리드 전원공급장치 방식은 많은 이점을 가져다줄 수 있다.

전세계 이동통신 기지국 시장은 급격히 성장 중이며, 특히 개발도상국의 가입자가 급증하고 있다.

개발도상국의 기지국은 대부분 전력망과 연동되지 않은 오프그리드(off-grid) 또는 전력망과 연계되나 전력품질이 좋지 않은 배드그리드(bad-grid)가 많다.

2014년 현재 오프그리드 기지국은 약 32만 1백개, 배드그리드 기지국은 약 70만 1천개 정도이며, 2020년까지 약 16% 증가할 것으로 예측된다. 디젤발전기 중심의 현황이 유지된다면 2020년 기지국용 디젤 소모량은 연간 1.5억 배럴 이상, 이산화탄소 발생량은 연간 4500백만 톤 이상이 될 것으로 예측된다.

친환경적인 하이브리드 전력원 도입 시 디젤 소모량 및 이산화탄소 배출량을 감축하고, 연료비 및 유지보수비용을 감소시켜 기지국의 경제성의 증가가 가능하다.

대표적 흐름전지인 바나듐 레독스흐름전지는 양극과 음극 전해질로 바나듐을 사용하며 전해질의 산화, 환원 반응에 의해 충방전이 일어나는 이차전지이다.

외부 탱크의 별도 저장 전해질을 스택 내부로 순환시키며 충방전이 이루어지는 점이 기존의 이차전지와 차별되는 점이다. 이러한 구조는 출력과 에너지용량을 완벽히 분리해 설계가 가능한 장점이 있다.

현존 이차전지 중 가장 긴 수명인 2만 사이클 이상의 반영구적 수명과 친환경의 장점을 갖기 때문에, VRFB는 배터리기반 ESS 중 가장 낮은 총수명주기비용을 갖는다.

디젤발전기 전력원과 하이브리드 전력원의 경제성 비교를 위해 평균 소비전력이 2㎾ 가량인 BTS(Base Transceiver Station, 이동통신 기지국)을 모델로 분석해 보았다.

디젤발전기는 15kVA, PCS의 효율은 93%, VRFB ESS는 5㎾/24㎾h를 사용했을 때, 디젤발전기 주 전원방식은 낮시간(12시간) 32.84L, 밤시간(12시간) 15.74L로 일 연료소비량 48.58L로 분석된다.

반면, VRFB+디젤발전기 하이브리드 전원공급장치는 VRFB 효율 85%로 설정하고, VRFB 충전 및 기지국 가동을 위해 낮 6.6시간 동안 10㎾로 디젤발전기를 운전하고, 나머지 5.4시간 동안 기존과 동일한 15kVA로 발전하며 나머지 밤시간(12시간)은 냉각기와 발전기를 끄고 VRFB의 저장전력으로 BTS와 기타 장치 필요 전력을 공급할 경우 낮시간(12시간) 26.5L, 밤시간(12시간) 14.67L로 일 연료소비량 41.17L로 분석된다.

이는 디젤발전기 주 전원방식보다 일 6.41L의 연료를 절감할 수 있으며, 연간 6톤의 이산화탄소 배출을 감축할 수 있다.

VRFB와 디젤발전기 그리고 태양광발전 하이브리드 전원공급장치는 15㎾p의 태양광 패널과 15㎾ 디젤발전기를 발전원으로 5㎾/20㎾h의 VRFB ESS를 모델로 분석했고 Homer사의 Homer Pro Microgrid Analysis S/W를 사용해 운영 알고니즘을 최적화했다.

태양광발전의 발전량은 오프그리드 이동통신 기지국 시장이 급격히 성장하는 미얀마를 기준으로 했고, 나사(NASA)의 기후조건 데이터를 이용했다.

그 결과, 태양광의 평균 부하는 5.5㎾, 디젤발전기의 평균 부하량은 7.1㎾로 일 연료소비량은 41.17L로 분석된다.

초기투자비용(CAPEX)은 VRFB+PV+디젤발전기 하이브리드가 가장 높으나 유지비는 가장 적고, 운영비를 감안한 투자비용 회수기간은 VRFB+디젤발전기 2.9년으로 가장 짧게 나타난다.

VRFB와 태양광발전을 연계한 오프그리드 기지국은 연간 약 27톤의 이산화탄소 배출을 절감하는 효과가 있다.

오프그리드 이동통신 기지국과 하이브리드 전원공급장치 도입은 VRFB와 디젤발전기의 결합으로 약 30%의 연간운영비용 절감이 가능하며, 태양광 발전을 추가할 경우 약 60% 가량의 연간운용비용을 절감할 수 있다.

또한 두 경우 각각 연간 6톤과 27톤의 이산화탄소 배출 절감효과를 보인다.

화석연료와 환경문제에 대한 가격증가와 규제를 고려할 때 VRFB ESS를 결합한 하이브리드 전원공급장치는 기존의 전원공급장치를 대체할 대인으로 대두될 수 있다.