축열 기술: 지속 가능한 미래를 위한 에너지 활용

에너지 수요 증가와 시급한 환경 문제로 정의되는 시대에 지속 가능한 에너지 솔루션 추구는 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 탐색되고 있는 다양한 전략 중에서 축열(TES)은 우리가 에너지를 관리하고 활용하는 방식을 혁신할 잠재력을 가진 유망한 기술로 두드러집니다. 이 종합 가이드는 TES의 원리, 기술, 적용 분야 및 이점을 심층적으로 다루며, 보다 지속 가능한 미래를 구축하는 데 있어 그 역할에 대한 글로벌 관점을 제공합니다.

축열(TES)이란 무엇인가?

축열(Thermal energy storage, TES)은 열에너지(열 또는 냉기)를 저장하여 나중에 사용할 수 있게 하는 기술입니다. 이는 에너지 공급과 수요 사이의 격차를 해소하여, 수요가 적거나 공급이 풍부한 기간(예: 낮 동안의 태양 에너지)에 에너지를 저장했다가 수요가 많거나 공급이 적을 때 방출할 수 있게 합니다. 이러한 시간적 분리는 에너지 효율을 크게 향상시키고, 비용을 절감하며, 재생 에너지원의 통합을 강화할 수 있습니다.

기본적으로 TES 시스템은 열에너지를 저장 매체로 전달하여 작동합니다. 이 매체는 물, 얼음, 암석, 토양 또는 특수 상변화 물질(PCM)을 포함한 다양한 물질이 될 수 있습니다. 저장 매체의 선택은 특정 적용 분야, 온도 범위 및 저장 기간에 따라 달라집니다.

축열 기술의 종류

TES 기술은 사용되는 저장 매체 및 방법에 따라 크게 분류할 수 있습니다:

현열 축열

현열 축열은 상을 변화시키지 않고 저장 매체의 온도를 높이거나 낮춤으로써 에너지를 저장하는 것을 포함합니다. 저장된 에너지의 양은 온도 변화와 저장 물질의 비열 용량에 정비례합니다. 일반적인 현열 축열 물질은 다음과 같습니다:

• 물: 높은 비열 용량과 가용성으로 인해 널리 사용됩니다. 난방 및 냉방 적용 분야 모두에 적합합니다. 예로는 가정용 온수 저장 및 지역 냉방용 냉수 저장이 있습니다.
• 암석/토양: 대규모 저장에 비용 효율적입니다. 종종 지중 축열(UTES) 시스템에 사용됩니다.
• 오일: 집광형 태양광 발전(CSP) 플랜트와 같은 고온 적용 분야에 사용됩니다.

잠열 축열

잠열 축열은 상변화(예: 용융, 응고, 비등, 응축) 중에 흡수되거나 방출되는 열을 이용하여 에너지를 저장합니다. 이 방법은 상전이 동안 일정한 온도에서 상당한 양의 에너지가 흡수되거나 방출되므로 현열 축열에 비해 더 높은 에너지 저장 밀도를 제공합니다. 잠열 축열에 가장 일반적으로 사용되는 물질은 상변화 물질(PCM)입니다.

상변화 물질(PCM): PCM은 상이 변할 때 열을 흡수하거나 방출하는 물질입니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 얼음: 특히 에어컨 시스템과 같은 냉방 적용 분야에 일반적으로 사용됩니다. 빙축열 시스템은 비수요 시간대에 물을 얼리고 수요가 많은 시간대에 녹여 냉방을 제공합니다.
• 염수화물: 다양한 용융 온도를 제공하며 다양한 난방 및 냉방 적용 분야에 적합합니다.
• 파라핀: 우수한 열적 특성과 안정성을 가진 유기 PCM입니다.
• 공융 혼합물: 일정한 온도에서 녹거나 어는 두 가지 이상의 물질 혼합물로, 맞춤형 상변화 온도를 제공합니다.

열화학적 축열

열화학적 축열은 가역적인 화학 반응을 통해 에너지를 저장하는 것을 포함합니다. 이 방법은 가장 높은 에너지 저장 밀도와 최소한의 에너지 손실로 장기 저장이 가능하다는 잠재력을 제공합니다. 그러나 열화학적 축열 기술은 일반적으로 현열 및 잠열 축열보다 더 복잡하고 비쌉니다.

열화학적 축열 물질의 예로는 금속 수소화물, 금속 산화물 및 화학염이 있습니다.

축열의 적용 분야

TES 기술은 다음을 포함한 광범위한 분야에서 응용됩니다:

건물 난방 및 냉방

TES 시스템은 에너지 효율을 개선하고 피크 수요를 줄이기 위해 건물 HVAC 시스템에 통합될 수 있습니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 빙축열 에어컨: 비수요 시간대(예: 전기 요금이 저렴한 야간)에 물을 얼음으로 얼리고, 피크 시간대(예: 냉방 수요가 높은 낮)에 얼음을 녹여 냉방을 제공합니다. 이는 전력망의 부하를 줄이고 에너지 비용을 낮춥니다. 전 세계적으로 사무실, 병원, 쇼핑몰과 같은 상업용 건물에서 널리 사용됩니다. 예: 일본 도쿄의 한 대형 오피스 단지는 더운 여름철 피크 전력 소비를 줄이기 위해 빙축열을 활용합니다.
• 냉수 축열: 비수요 시간대에 생산된 냉수를 저장하여 피크 냉방 기간 동안 사용합니다. 이는 빙축열과 유사하지만 상변화가 없습니다.
• 온수 저장: 태양열 집열기나 다른 열원에서 생산된 온수를 저장하여 나중에 공간 난방이나 생활용 온수 공급에 사용합니다. 주거용 건물과 지역 난방 시스템에서 일반적으로 사용됩니다. 예: 그리스와 스페인과 같이 일사량이 높은 지중해 국가에서는 축열 탱크가 있는 태양열 온수 시스템이 보편적입니다.
• PCM 강화 건축 자재: 벽, 지붕, 바닥과 같은 건축 자재에 PCM을 통합하여 열관성을 개선하고 온도 변동을 줄입니다. 이는 열 쾌적성을 향상시키고 난방 및 냉방 부하를 줄입니다. 예: 독일의 건물에서는 열 성능을 개선하고 에너지 소비를 줄이기 위해 PCM 강화 석고보드가 사용됩니다.

지역 난방 및 냉방

TES는 여러 건물이나 전체 커뮤니티에 중앙 집중식 난방 및 냉방 서비스를 제공하는 지역 난방 및 냉방(DHC) 시스템에서 중요한 역할을 합니다. TES는 DHC 시스템이 더 효율적으로 작동하고, 재생 에너지원을 통합하며, 피크 수요를 줄일 수 있도록 합니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 지중 축열(UTES): 지하 대수층이나 지질 구조에 열에너지를 저장합니다. UTES는 열 또는 냉기의 계절적 저장에 사용될 수 있으며, 여름철에 초과 열을 포집하여 겨울철에 방출하거나 그 반대의 경우도 가능합니다. 예: 캐나다 오코톡스의 드레이크 랜딩 솔라 커뮤니티는 태양열 에너지를 사용하여 연중 내내 공간 난방을 제공하기 위해 보어홀 축열(BTES)을 활용합니다.
• 대규모 수조: 대형 단열 수조를 사용하여 지역 난방 또는 냉방 네트워크를 위한 온수 또는 냉수를 저장합니다. 예: 덴마크와 스웨덴과 같은 많은 스칸디나비아 국가들은 지역 난방 시스템에서 대규모 온수 저장 탱크를 활용하여 열병합 발전(CHP) 플랜트 및 산업 공정에서 발생하는 초과 열을 저장합니다.

산업 공정 가열 및 냉각

TES는 난방이나 냉방이 필요한 산업 공정의 효율성을 개선하는 데 사용될 수 있습니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 폐열 회수: 산업 공정에서 발생하는 폐열을 포집하여 다른 공정이나 공간 난방에 나중에 사용하기 위해 저장합니다. 예: 한국의 한 철강 제조 공장은 용광로에서 발생하는 폐열을 포집하여 재료를 예열하는 데 사용하는 축열 시스템을 사용하여 에너지 소비와 배출을 줄입니다.
• 피크 삭감: 비수요 시간대에 열에너지를 저장하고 피크 시간대에 사용하여 전기 수요와 비용을 줄입니다. 예: 호주의 한 식품 가공 공장은 냉장을 위한 피크 전기 수요를 줄이기 위해 빙축열 시스템을 사용합니다.

재생 에너지 통합

TES는 태양광 및 풍력과 같은 간헐적인 재생 에너지원을 에너지 그리드에 통합하는 데 필수적입니다. TES는 재생 에너지 생산량이 많을 때 초과 에너지를 저장하고 생산량이 적을 때 방출하여 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 에너지 공급을 보장할 수 있습니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 집광형 태양광 발전(CSP) 플랜트: 용융염이나 다른 고온 저장 물질을 사용하여 태양열 집열기에서 생성된 열에너지를 저장합니다. 이를 통해 CSP 플랜트는 태양이 비치지 않을 때도 전기를 생산할 수 있습니다. 예: 모로코의 누르 우아르자자트 태양광 발전소는 용융염 축열을 활용하여 하루 24시간 전기를 공급합니다.
• 풍력 에너지 저장: TES를 사용하여 풍력 터빈에서 생성된 초과 전기를 저장합니다. 이 에너지는 물이나 공기를 가열하는 데 사용되거나 열 엔진을 사용하여 다시 전기로 변환될 수 있습니다. 예: 여러 연구 프로젝트에서 독일과 덴마크의 풍력 터빈과 함께 TES를 사용하는 방안을 모색하고 있습니다.

축열의 이점

TES 기술의 채택은 경제적, 환경적, 사회적 차원에 걸쳐 다양한 이점을 제공합니다:

• 에너지 비용 절감: 에너지 소비를 피크 시간대에서 비수요 시간대로 이동시킴으로써 TES는 특히 시간대별 요금제를 사용하는 지역에서 에너지 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
• 에너지 효율 향상: TES는 폐열이나 초과 에너지를 포집하고 저장하여 에너지 손실을 최소화하고 가용 자원의 활용을 극대화함으로써 에너지 사용을 최적화합니다.
• 전력망 안정성 향상: TES는 에너지 공급과 수요 사이의 완충 역할을 하여 전력망을 안정시키는 데 도움을 주며, 피크 발전소의 필요성을 줄이고 정전 위험을 최소화합니다.
• 재생 에너지 통합: TES는 태양광 및 풍력과 같은 간헐적인 재생 에너지원의 통합을 촉진하여 초과 에너지를 저장하고 필요할 때 방출함으로써 보다 안정적이고 지속 가능한 에너지 공급을 보장합니다.
• 온실가스 배출 감소: 에너지 효율을 개선하고 재생 에너지 통합을 가능하게 함으로써 TES는 온실가스 배출을 줄이고 기후 변화를 완화하는 데 기여합니다.
• 에너지 안보 증진: TES는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 에너지원을 다양화하여 에너지 안보를 강화합니다.
• 최대 부하 이전: TES는 전력의 피크 수요를 이전하여 그리드에 가해지는 부담을 줄입니다.

과제와 기회

수많은 이점에도 불구하고 TES 기술의 광범위한 채택은 몇 가지 과제에 직면해 있습니다:

• 높은 초기 비용: TES 시스템의 초기 투자 비용은 상대적으로 높을 수 있으며, 이는 일부 적용 분야에 장벽이 될 수 있습니다.
• 공간 요구 사항: TES 시스템, 특히 대규모 저장 탱크나 UTES 시스템은 상당한 공간을 필요로 합니다.
• 성능 저하: PCM과 같은 일부 TES 재료는 반복적인 상변화로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있습니다.
• 열 손실: 저장 탱크 및 파이프라인에서의 열 손실은 TES 시스템의 전반적인 효율성을 감소시킬 수 있습니다.

그러나 TES 기술의 추가 개발 및 배치를 위한 중요한 기회도 있습니다:

• 기술 발전: 지속적인 연구 개발 노력은 TES 재료 및 시스템의 성능을 향상시키고, 비용을 절감하며, 수명을 연장하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
• 정책 지원: 세금 공제, 보조금, 규제와 같은 정부 정책 및 인센티브는 TES 기술의 채택을 촉진하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
• 전력망 현대화: 스마트 그리드 및 고급 계량 인프라 구축을 포함한 전력망의 현대화는 TES 및 기타 분산 에너지 자원의 통합을 용이하게 할 수 있습니다.
• 인식 제고: 소비자, 기업 및 정책 입안자들 사이에서 TES의 이점에 대한 인식을 높이면 수요를 촉진하고 채택을 가속화할 수 있습니다.

축열 구현의 글로벌 사례

TES 기술은 전 세계 다양한 국가 및 지역에서 구현되어 그 다재다능함과 적응성을 보여주고 있습니다.

• 덴마크: 덴마크는 지역 난방의 선두 주자로, 재생 에너지원을 통합하고 시스템 효율성을 향상시키기 위해 대규모 온수 저장 탱크를 광범위하게 사용합니다. 많은 도시에서 해수를 축열에 사용합니다.
• 독일: 독일은 에너지 효율을 개선하고 난방 및 냉방 부하를 줄이기 위해 PCM 강화 건축 자재를 적극적으로 연구하고 개발하고 있습니다.
• 캐나다: 캐나다 오코톡스의 드레이크 랜딩 솔라 커뮤니티는 태양열 에너지의 계절적 저장을 위한 보어홀 축열(BTES)의 효과를 입증합니다.
• 모로코: 모로코의 누르 우아르자자트 태양광 발전소는 용융염 축열을 활용하여 하루 24시간 전기를 공급합니다.
• 일본: 일본은 피크 전력 수요를 줄이기 위해 상업용 건물에 빙축열 에어컨 시스템을 널리 채택했습니다.
• 미국: 미국의 많은 대학과 병원에서는 냉방을 위한 피크 전력 소비를 줄이기 위해 냉수 저장을 사용합니다.
• 호주: 호주의 일부 식품 가공 공장과 데이터 센터는 냉장 및 냉방을 위한 피크 전력 수요를 줄이기 위해 축열을 사용합니다.
• 중국: 중국은 증가하는 에너지 수요에 대응하고 대기 질을 개선하기 위해 UTES 시스템과 PCM 강화 건축 자재를 적극적으로 배치하고 있습니다.

축열의 미래

축열은 글로벌 에너지 환경에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 에너지 수요가 계속 증가하고 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 필요성이 더욱 시급해짐에 따라 TES는 에너지 효율을 개선하고, 비용을 절감하며, 재생 에너지원을 통합할 수 있는 강력한 경로를 제공합니다. 지속적인 연구 개발 노력은 TES 기술의 성능을 향상시키고, 비용을 절감하며, 적용 분야를 확장하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 지속적인 혁신과 정책 지원을 통해 TES는 우리가 에너지를 관리하고 활용하는 방식을 변화시켜 보다 지속 가능하고 회복력 있는 미래를 위한 길을 열어줄 잠재력을 가지고 있습니다.

결론

축열 기술의 핵심은 에너지 공급과 수요 사이의 격차를 해소하는 능력에 있으며, 에너지 효율을 향상시키고, 재생 에너지원을 통합하며, 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 강력한 도구를 제공합니다. 건물 난방 및 냉방에서부터 지역 에너지 시스템 및 산업 공정에 이르기까지 TES 기술은 광범위한 분야에서 우리가 에너지를 관리하고 활용하는 방식을 변화시키고 있습니다. 우리가 보다 지속 가능한 미래로 나아감에 따라 축열은 의심할 여지 없이 다음 세대를 위한 더 깨끗하고, 더 회복력 있으며, 더 효율적인 에너지 시스템을 형성하는 데 중추적인 역할을 할 것입니다. TES를 수용하는 것은 단지 선택 사항이 아니라 지속 가능한 지구를 위한 필수 사항입니다.