에너지 연구원은 에너지 생산부터 활용까지 다양한 분야에서 연구를 수행합니다. 그 중 생산된 에너지를 잘 저장하여 사용하고 싶을 때 사용할 수 있도록 하는 일은 매우 중요합니다. 따라서 오늘은 에너지 저장 시스템, 기술, 연구 개발을 정리해 보았습니다.
에너지 저장 시스템
에너지 저장 시스템이 중요한 이유는 에너지가 생산되는 순간 바로 사용하지 않기 때문입니다. 한번에 많이 생산한 에너지를 효율적으로 소비하려면 에너지를 잘 보관하는 것이 중요합니다. 에너지 연구원은 에너지 저장 시스템에 대한 연구를 다양하게 수행합니다. 에너지 생산과 소비 간의 시간, 공간은 불일치를 에너지 저장 시스템으로 극복하여 에너지 소비 효율을 극대화하는 것이 목표입니다.
에너지 종류와 저장 시스템
에너지는 운동 에너지, 전기 에너지, 화학 에너지, 열 에너지로 나눌 수 있고 각 종류에 맞는 저장 시스템이 연구되고 있습니다. 그 중 열 에너지는 국내 에너지 소비의 70% 이상 사용되고 저장할 수 있는 에너지 범위가 크기 때문에 이를 효과적으로 저장하는 것이 중요합니다.
1. 운동 에너지 저장 시스템 - Flywheel Energy system
2. 전기 에너지 저장 시스템 - 리튬 이온 배터리 2차전지
3. 화학 에너지 저장 시스템 - 수소 배터리 고밀도로 저장
4. 열 에너지 저장 시스템 - Sensible, Latent, Thermochemical System
열 에너지 저장 방식
1. Sensible Heat Storage - 온도 차 이용
용량이 작지만 가장 저렴하여 가장 일반적으로 사용되는 저장 시스템으로 온도 차를 이용하여 열을 저장하는 원리입니다. 쉽게 물을 이용해서 열 에너지를 저장하는 방식이 해당되며 대용량의 에너지를 저장할 수 있고 안전하여 상용화가 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만 재료의 부피가 커서 저장할 수 있는 밀도의 한계가 있고 온도차를 높이기 위한 연구가 필요합니다.
이 방식을 이용한 대표적인 예는 수축열 저장기술이 있습니다. 물을 현열방식으로 저장하는 방식으로 안전하지만 저장 밀도가 상대적으로 낮고 큰 부피를 요구하는 단점이 있습니다.
2. Latent Heat Storage - 상변화 잠열 이용
상변화 물질이 상변화 과정에서 일어나는 열에너지(잠열)을 이용하는 저장 방식으로 좁은 온도 구간에서 높은 열을 저장할 수 있지만 저장 밀도의 한계, 열 손실, 소재 불안정 등의 단점이 있습니다. 적절한 상변화를 할 수 있는 재료를 PCM(Phase Change Material)라고 하며 organic, inorganic, eutectic의 종류가 있습니다. PCM 사용했을 때 물을 이용한 Sensible heat storage 방식보다 5배 이상의 열을 저장할 수 있어 저장 밀도가 높다는 장점이 있습니다.
3. Thermochemical Heat Storage - 흡탈착 발열 반응
이 저장 방식은 서로 다른 물질의 흡탈착 반응에 의한 발열 또는 흡열 현상을 이용하는 방식으로 저장 밀도가 높지만 개발 초기단계 비용이 많이 듭니다. 에너지를 저장하는 방법으로는 저장, 흡착제가 물을 흡수하게 되면 열을 방출하게 되는 원리를 이용합니다. 이 방식은 같은 양의 에너지를 저장하는 데 물보다 34배 적은 밀도로 에너지를 저장할 수 있어 저장 밀도가 아주 높다는 장점이 있습니다. 하지만 아직 연구 초기 단계로 반복적인 흡탈착에 따른 안정성, 반응이 빠르게 일어나도록 하는 것이 중요합니다.
최신 기술 현황
1. Sensible Heat Storage - 고온 대용량
가장 많이 사용되고있는 Sensible heat storage 시스템은 고온 대용량의 현열 저장기술 연구가 수행되고 있습니다. 델타T를 높여 저장 밀도를 높이는 목적으로 화산암과 같은 다양한 재료를 적용하여 저장밀도를 높이는 연구를 진행합니다.
2. Latent Heat Storage - 재료 연구
잠열을 효과적으로 사용하기 위해서는 재료, 저장 시스템에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 주요하게 encapsulation, 즉 재료를 캡슐화 시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
3. Thermochemical Heat Storage - 연구 개발 단계
아직 연구 개발 단계인 termochemical heat 시스템은 material level에서 재료에 대한 연구가 진행중이며 closed-type, open-type의 system level에서의 연구가 진행됩니다.
에너지는 전기, 열, 동적 에너지 등 서로 상호 보완적으로 운용되며 에너지 저장 시스템의 효율을 높여 에너지 소비를 잘 하는 것이 중요합니다. 그 중 열 에너지는 많은 범위의 에너지를 포괄할 수 있기 때문에 연구가 활발히 진행되고 있다는 것을 알 수 있었습니다.
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