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- 초과 전기를 질산염에 저장
- 질산염의 용융 및 결정화는 열의 형태로 에너지를 흡수하고 방출
- 시스템의 핵심은 2입방미터(㎥)의 질산염으로 만든 잠열 저장 장치
- 고온 열 펌프는 이 소금을 150도까지 가열하기 위해 저장된 전기 사용
- 약 10년 내에 시장에 출시될 것으로 예상

에너지침체기에 카르노(Carnot) 배터리로
태양열 및 풍력 발전용으로 테스트된 질산염 용해 기반 저장

밤에 태양광 발전? 바람이 없는 풍력 에너지? 

소위 카르노(Carnot) 배터리는 미래에 두려운 "어두운 에너지 침체기"를 피할 수 있게 한다. 이 배터리는 초과 전기를 질산염에 저장하는데, 질산염의 용융 및 결정화는 열의 형태로 에너지를 흡수하고 방출한다. 독일 항공 우주 센터(German Aerospace Center)의 연구팀은 현재 이것이 얼마나 잘 작동하고 어떤 구성 요소가 이러한 카르노(Carnot) 배터리에 가장 적합한지 테스트하고 있다.

▲ Carnot 배터리는 태양열 및 풍력 에너지의 변동을 보상하는 데 사용할 수 있다. © DLR/CC-by-nc-nd 3.0

태양과 바람의 발전량은 변동한다. 따라서 에너지 전환의 핵심 과제는 전력망을 안정적으로 유지하고 저장 또는 피크 부하로 인한 정전을 방지하는 것이다. 이를 위해서는 초과 전기를 흡수하고 필요에 따라 다시 방출할 수 있는 에너지 저장 장치가 필요하다. 이를 위한 가능한 기술은 광산 또는 수심 바닥에 있는 새로운 유형의 양수 저장, 대형 배터리 및 소위 상변화 물질을 기반으로 하는 열을 저장하는 것이다.

상 변화의 에너지 저장

이 열 기반 에너지 저장 시스템의 한 형태는 Carnot 배터리다. 이 배터리는 전기 열 펌프를 사용해 초과 전기를 열로 변환한 다음 결정 저장 매체를 녹인다. 그런 다음 에너지가 다시 필요하면 재료를 냉각하고 방출된 결정화 열을 사용하여 전기를 생성한다. 예를 들어 Carnot 배터리는 최대 1천 MW 시간의 전기 에너지를 저장할 수 있어 슈투트가르트와 같은 도시에 안정적인 전기 공급을 제공할 수 있다.

"Carnot 배터리는 에너지 전환을 위한 중요한 구성요소가 될 가능성이 있다"고 Stuttgart에 있는 DLR 기술 열역학 연구소의 앙드레 테스(André Thess)는 설명한다. "왜냐하면 이러한 열 저장 시스템은 태양열 및 풍력 에너지로부터 전력 생산의 시간적 및 국부적 변동을 보상하고 피크 부하를 충당하기 위해 미래의 그리드 및 에너지 시스템에 구체적으로 통합될 수 있기 때문이다." 사용되는 재료로 인해 기존 배터리보다 환경친화적이다.

질산염 기반 카르노 배터리

유럽 ​​프로젝트의 일환으로 DLR 연구원들은 이제 그러한 Carnot 배터리가 실제로 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다. 이를 위해 슈투트가르트에서 Carnot 배터리를 설계하고 시운전했다. 시스템의 핵심은 2입방미터(㎥)의 질산염으로 만든 잠열 저장 장치다. 고온 열 펌프는 이 소금을 150도까지 가열하기 위해 저장된 전기를 사용한다.

DLR 프로젝트 매니저인 Maike Johnson은 "공급된 열의 일부는 소금 결정의 결합이 느슨해지면서 분명히 숨겨진다. 염류에 따라 잠열 축열기는 용융 과정 없이 축열기보다 약 2배의 에너지를 흡수할 수 있다. 어큐뮬레이터를 방전하기 위해 두 번째 회로가 열을 발전기로 터빈을 구동하는 열 엔진으로 전달한다. 이러한 방식으로 생성된 전기는 기후 중립적인 방식으로 그리드에 다시 공급될 수 있다. 이러한 Carnot 배터리의 일반적인 저장 시간은 몇 시간에서 며칠이다. 

▲ Carnot 배터리의 건설. © DLR/CC-by-nc-nd 3.0 (Waermerspeicher:열저장기, Hochtemperatur-Waermerpumpe; 고온 열펌프, Waereme-Kraft-Maschine:열에너지기계)

테스트 중인 파일럿 플랜트

Johnson은 "우리는 이 기술을 산업적으로나 실제로 사용할 수 있도록 최적화하기 위해 노력하고 있다"고 말했다. 열펌프와 저장 장치, 그리고 열 엔진으로의 안정적인 열전달을 위해서는 모든 구성 요소가 시간 측면에서 올바른 출력과 상호 작용해야 한다. 필요한 냉각수의 양은 얼마일까? 소금은 얼마나 빨리 가열되고 냉각될 수 있을까? 스토리지에서 어떤 성능을 얻을 수 있을까?”

지난 몇 달 동안 연구원들은 카르노(Carnot) 배터리의 모든 구성 요소와 보관 주기의 각 프로세스를 개별적으로 테스트했다. DLR 열저장 시스템의 특별한 점은 열교환기다. 특별히 설계된 이 튜브에는 냉매를 위한 두 개의 채널이 있다. 하나는 충전용이고 다른 하나는 축열기 배출용이다. 이를 통해 저장 시스템의 서로 다른 프로세스 부품을 연결하기 위해 서로 다른 냉매로 작동할 수 있다.

▲ 열교환기의 특별한 모양은 잠열 저장 장치의 질산염과 가능한 가장 큰 접촉 면적을 가능하게 한다. © DLR/CC-by-nc-nd 3.0

증기 회로와 소금 사이의 효율적인 에너지 전달을 위해 연구원들은 눈송이를 닮은 늑골 모양의 단면을 가진 열교환기를 개발했다. 이것은 소금에 대한 가능한 가장 큰 접촉 표면을 조성한다. 과학자들은 현재 시스템 한계를 탐색하기 위해 파일럿 플랜트에서 다양한 부하 시나리오, 열 흐름 및 온도 프로파일을 테스트하고 있다.

약 10년 만에 산업 규모의 공장

DLR 기술 열역학 연구소(DLR Institute of Technical Thermodynamics)의 안드레아 구티에레즈(Andrea Gutierrez)는 "카르노 배터리는 지속 가능한 에너지 경제에서 널리 사용될 가능성이 있다. 산업 시스템은 약 10년 내에 시장에 출시될 것으로 예상한다. 그런 다음 더 긴 저장 시간과 수 메가와트의 출력을 위해 설계되었다”고 말했다.

Carnot 배터리의 가장 큰 장점은 전기와 열을 동시에 제공할 수 있다는 것이다. 섹터 커플링에서는 다른 에너지 시스템에 쉽게 연결할 수 있다. 이것은 저장된 열이 많은 산업 공정에서 직접 사용될 수 있기 때문에 산업 분야에서 특히 중요하다.
출처: 독일 항공 우주 센터(DLR)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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