데이터 센터에 사용되는 리튬 이온 배터리의 장점과 단점

지금까지 VRLA 배터리에 대한 경제적으로 실용적인 대안은 없었기 때문에 설계 기술자들은 이러한 VRLA 배터리의 단점을 감내해야 했다. 하지만 리튬-이온 배터리 덕분에 최근에는 상황이 변하였다. 지금까지는 가격, 에너지, 용량, 안전성, 신뢰성 사이에서 합리적인 균형을 찾을 수 없었기 때문에 데이터 센터의 무정전 전원공급 시스템에서 리튬-이온 배터리를 사용하는 것은 가능하지 않았다. 하지만 전기차 분야에서 이룩한 발전 덕분에 이러한 문제가 해결되었다. 2016년에는 리튬-이온 배터리에 의해 전원을 공급받는 최초의 무정전 전원공급 시스템이 시장을 강타하였다. 현재 업계의 선두주자들은 모두 이러한 시스템을 공급하고 있으며, 오늘날 이 방식은 가장 유망한 것으로 간주되고 있다. 블룸버그의 뉴 에너지 파이낸스(New Energy Finance) 보고서에 따르면 2025년까지 리튬-이온 솔루션은 데이터 센터에서 사용되는 시중의 UPS 중 40%를 차지할 것으로 예상된다.

리튬이온 배터리의 장점

가전제품을 제조하는 기업들은 대개 수 암페어시의 용량을 가지고 있는 리튬-이온 코발트 배터리를 사용한다. 이 무정전 전원공급 시스템에는 직사각형의 리튬 망간 셀이 적용된다. 이것의 설치 용량은 60 암페어시(ampere hours)로서, 이 배터리는 사용 수명이 훨씬 더 길며 뛰어난 장애 보호(failure protection) 기능을 갖추고 있다. 각각의 모듈(때로는 각각의 셀)은 온도, 전압, 전류와 같은 주요 성능 파라미터를 모니터링하는 역할을 한다. 때때로 배전함이나 심지어 전체 시스템이 이러한 모니터링 과정을 맡을 수도 있다. 배터리의 충전 및 방전 과정을 완전하게 제어함으로써 치명적인 발열이나 비가역적인 화학적 변성이 일어나는 것을 방지하기 위해서는 배터리의 모니터링이 필요하다. 리튬-이온 배터리는 기존 배터리보다 더 높은 에너지 밀도(Wh/kg)와 더 높은 출력 밀도(W/kg)를 가지고 있다. 비슷한 에너지 저장 용량에서 이 배터리는 기존의 납축전지보다 약 3 배 더 가볍기 때문에, 이 배터리를 사용하면 시스템의 총 중량을 약 60-80% 감소시키는데 도움이 된다.

최근에 데이터 센터는 공간이 제한되어 있으며 더 효율적인 운용이 요구되는 상황에서 전력 밀도를 증가시키기 위해 노력하였다. 가용 공간의 더 효율적인 사용은 데이터 센터의 소유자들에게 가장 중요한 과제 중 하나이다. 소형의 리튬-이온 배터리는 무정전 전원공급 시스템이 차지하는 공간을 50-80% 정도 감소시켜 준다. 또한 이 배터리는 충전에 더 적은 시간이 필요하고 자기 방전률이 더 낮으며, 이와 같은 특성들은 잦은 정전이 발생하는 경우에 특히 중요하다. 시스템이 유휴상태일 때 리튬-이온 배터리는 한 달에 충전량의 약 1-2% 정도를 방전한다. 이 배터리의 가장 중요한 장점은 긴 사용 수명이다. 납축전지의 수명은 상당히 짧은 편으로서 3 ~ 6 년 정도이다. 하지만 리튬-이온 배터리는 약 10년 정도 사용할 수 있다. 화학, 기술, 온도 등의 조건에 따라 이 배터리는 최대 5,000 배터리 사이클의 충전 효율을 제공할 수 있으며 번거로운 유지보수가 필요 없다. 이에 반해 납축전지의 평균 충전 효율은 약 700 사이클에 불과하다.

10년(데이터 센터의UPS의 평균 수명)의 기간 동안의 총 소유비용(TCO)은 납축전지를 사용할 경우에 비하여 39% 감소된다. 별다른 문제없이 리튬-이온 배터리가 제대로 활용된다면 10 % 이상의 절약이 보장된다. 하지만 리튬-이온 배터리는 단 한가지 중대한 결점을 가지고 있다. 그것은 초기 투자비용이 매우 높다는 것이다. 이러한 높은 초기 투자비용 때문에 이러한 새로운 솔루션의 도입에서는 대규모 데이터 센터들이 개척자가 될 수밖에 없다. 이러한 시설들에게는 총 소유 비용을(TCO)을 감소시키는 것이 단기적인 이익을 얻는 것보다 훨씬 더 중요하며, 이러한 경우에는 적은 비율의 금전적 절약만으로도 큰 도움이 된다. 또한 작은 배터리 크기 덕분에 가용 공간을 더 효율적으로 사용할 수 있으며, 신뢰성 높은 모니터링 시스템은 더 뛰어난 안전성과 안정적 성능을 보장한다. 리튬-이온 배터리는 에너지 저장 용량을 희생하지 않고도 VRLA보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있으므로, 냉각 시스템의 부하를 감소시킬 수 있다. 물론 리튬 이온 배터리가 장착된 단상 UPS도 있다. 가장 큰 규모의 데이터 센터부터 시작하여 산업적 용도, 소규모 서버 룸, 그리고 개인 서버 랙까지 다양한 응용 분야를 위한 모델이 제공된다.

교체의 편의성

결국 모든 최종 고객들이 궁금해하는 가장 중요한 의문은 “지금이 무정전 전원공급 시스템을 리튬-이온 배터리로 업그레이드할 적기인가?”이다. 이러한 의문에 답하기 위해서 고려해야 할 첫 번째 사항은 배터리 사용의 기술적인 가능성이다. 새로운 배터리들을 모든 UPS 모델에 사용할 수 있는 것이 아니며 중요한 하드웨어 및 내장 소프트웨어 업그레이드가 필요할 수도 있다. 동일한 공칭 전압에서도 배터리 충전 및 방전 특성은 서로 다를 것이다.

데이터 센터의 일반적인 UPS 시스템의 예상 수명은 대개 10-15 년이다. 납축전지는 3-6년 동안 작동되는 반면에 리튬-이온 배터리는 10년 또는 그 이상의 기간동안 지속된다. UPS 시스템의 사용 초반에는 (즉 가동된 때로부터 5년 미만) 대개 납축전지의 상당 부분을 교체하는 것이 유용할 것이다. 하지만 리튬-이온 배터리의 수명은 UPS 시스템의 수명이 거의 다하는 날까지 지속될 가능성이 높다. 무정전 전원 시스템의 사용 수명이 거의 중간 정도에 다다른 경우에는 배터리 사용 수명이 시스템 수명보다 더 길어질 수도 있으며, 이러한 경우에는 대부분 배터리를 교체하는 것이 합리적이지 않다. 사용 수명의 막바지에 다다르면 전체 UPS 시스템을 새로운 리튬-이온 배터리 솔루션으로 교체하는 것을 고려해 보아야 한다. 하지만 오래된 UPS 시스템조차도 값비싼 배터리를 설치하는 것이 상책일 수도 있다. 따라서 배터리 가격의 꾸준한 하락세를 고려할 뿐만 아니라 오래된 시스템의 유지보수 비용과 시스템의 전체 교체 비용을 비교하여 따져보아야 한다.

예측 및 전망

리튬-이온 배터리를 통해 전력을 공급받는 UPS 시스템에서는 운영비와 총 소유비용이 감소되기는 하지만, 많은 고객들이 여전히 VRLA-time-tested solution을 사용한다. 그 이유는 특히 리튬-이온 배터리의 사용이 장기적인 관점에서만 이익이 되기 때문이라고 설명할 수 있다. 하지만 이것은 자본 비용을 크게 증가시킨다. 어찌됐든 해가 갈수록 혁신에 대한 고객의 관심은 높아지고 있으며 앞으로도 계속 높아질 것이다. 대규모 데이터 센터의 경우에는 리튬-이온 배터리를 통한 절약의 규모가 막대할 수 있으므로, 기업의 리튬-이온 배터리 시스템 사용은 점점 더 증가할 것이다. 그리고 리튬-이온 화학기술 역시 계속 발전하고 있다. 시간이 갈수록 새로운 솔루션과 기술이 출현할 것이며 리튬-이온 배터리의 가격은 더욱 낮아질 것이다.

▼ 데이터 센터에서 사용되는 배터리 구성의 예: VRLA 배터리 vs Li-ion 배터리