액화 공기 에너지 저장 시스템을 위한 효율적인 냉열 저장소 개발

Abstract

액화 공기 에너지 저장 시스템(Liquid Air Energy Storage system, LAES)이란 전기에너지를 액화 공기의 형태로 저장하는 시스템으로 대용량의 에너지 저장(수백 MWh)이 가능하다. 이 시스템의 선행연구인 파일럿 플랜트를 사용한 실험 논문에서의 총 효율 (Round-trip efficiency)은 약 8% 정도에 불과하였다. 이는 액화 공기 에너지 저장 시스템의 공정 도중 액체 공기가 증발하며 내놓는 냉열을 효과적으로 재활용하지 못했기 때문이다. 본 논문에서는 그 효율을 개선하고자 냉열 저장소의 설계와 냉열 저장 물질에 대한 연구를 진행하였고 그 결과에 대해 기술하였다. 냉열 저장 물질로는 저장 탱크의 구조적 안정성과 열역학적 성능을 고려하여 디메틸 설폭사이드 (Dimethyl sulfoxide, DMSO) 20% 수용액을 사용하였다. 디메틸 설폭사이드 20% 수용액과 공기 사이의 열 교환을 위한 냉열 저장소는 수치해석을 통해 설계하였다. 설계한 냉열 저장소를 액화 공기 에너지 저장 시스템을 모사한 성능 검증 장치에 설치하여 실험결과를 통해 냉열 재활용 효율을 도출하였다. 액화 공정을 모사한 실험 조건은 압력과 질량 유량이 27 bar, 0.3 g/s 이다. 전력 생산 공정을 모사한 실험 조건은 30 bar, 0.018 g/s 이다. 냉열 재활용(Cold recycled)은 평균 354.5 kJ/kg 이었다. 위 결과를 공정 분석 소프트웨어에 적용하고 공급한 냉열 대비 냉열 재활용의 비율을 고려하여 총 효율을 평가하였고 그 결과는 11.8 % 이다. 본 연구에서 수행한 실험은 액화 공기 에너지 저장 시스템의 스타트업(start-up) 이후 첫 사이클을 모사한 것이므로 사이클이 반복되며 공급한 냉열 대비 냉열 재활용의 비율은 상승할 것이고 총 효율 또한 24.9 % 까지 증가할 것이다. 본 연구는 안전하고 효율적인 냉열 저장 물질을 제안하고 실험값을 바탕으로 총 효율을 도출한 데 의의가 있다. 냉열 저장소를 최적화하여 내부 전도 열전달에 의한 손실과 열교환 과정에서의 엔트로피 발생을 최소화하여 비효율성에 의한 손실을 줄인다면 냉열 저장소의 성능 향상을 기대할 수 있다.