한국기계연구원(이하 기계연)이 태양광, 풍력 등 재생에너지의 출력변동성을 효율적으로 제어하는 에너지저장시스템 핵심기술을 개발했다.
기계연 에너지저장연구실 박준영 책임연구원팀은 대용량·장주기 에너지저장시스템 인 액체공기 에너지저장시스템(LAES)의 핵심 기자재인 터보팽창기 및 콜드박스 기술을 독자 개발하고 이를 활용한 공기액화 실증에 성공했다.
액체공기 에너지저장시스템은 잉여 전력으로 공기를 액체 상태로 만들어 저장 후 전력 수요가 높을 때 저장한 액체공기를 이용해 발전하는 장치다.
기술 원리는 압축기로 공급한 고압 공기가 고속 회전하는 터보팽창기에 의해 냉각, 콜드박스에서 열교환 및 팽창으로 영하 175℃(98K) 이하 액체공기로 전환하는 방식이다.
기존 대용량·장주기 에너지저장시스템인 양수발전과 압축공기 에너지저장시스템은 고저차가 큰 산악지대나 고압을 견디는 대형 지하공동구 등 특정 입지조건이 필요하고 환경문제로 인해 설치에 제약이 있었다.
반면 액체공기 에너지저장시스템은 액체공기를 대기압 상태로 저장하기 때문에 입지 제한이 없고, 전력 저장, 냉난방 공급, 산업현장 폐열 활용 등이 가능해 에너지 종합 솔루션을 제공할 수 있다.
연구팀이 개발한 액체공기 에너지저장용 터보팽창기는 정압베어링을 적용해 분당 10만 회 이상의 안정적인 고속 회전을 실현했다.
여기에 단열재와 중공구조를 적용한 회전축으로 온도 차이에 따른 열손실도 방지했다.
콜드박스는 압축기로에서 공급된 고압의 공기를 터보팽창기에 의해 냉각된 공기와 열교환하고 팽창시켜 액체공기를 생산한다. 외부 열유입을 차단하기 위해 다층박막 단열재와 10⁻⁵mbar 이하의 진공단열 구조를 적용했다.
특히 발전과정에서 발생하는 액체공기의 냉열을 액화 공정에도 재활용토록 해 액화효율을 높였다.
연구팀은 이 기술로 하루 10톤 규모 액체공기 생산을 실증했다.
아울러 터보팽창기의 설계·제작·조립·시험 기술과 콜드박스의 액화공정 설계·제작·운전제어 기술을 모두 내재화하는 데 성공했다.
터보팽창기와 콜드박스를 자체 개발해 액체공기 생산을 실증한 것은 국내 최초다.
박 책임연구원은 “재생에너지 보급 확대에 따라 대용량·장주기 에너지저장시스템의 필요성이 커지고 있다”며 “지리적 설치 제약과 환경문제가 없는 액체공기 에너지저장시스템이 우리나라 환경에 적합한 솔루션”이라고 설명했다.
이어 “이번 터보팽창기와 콜드박스 개발 성과는 대용량·장주기 액체공기 에너지저장시스템의 상용화와 보급 확산에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 기계연 탄소중립기계연구소 에너지저장연구실, 액체수소플랜트연구센터, 김해극저온기계실증연구센터의 협업으로 진행됐고, 기계연 기본사업 ‘대용량 액체공기 에너지저장 핵심기계기술 개발’ 과제를 통해 수행됐다.
