산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2022.1 특집 요약 (p24-27)

공기를 압축해서 전력을 저장
효율 70~80%, 폐갱 이용으로 일본에서의 적용 가능성

압축공기를 이용한 에너지저장시스템 ‘CAES’(Compressed Air Energy Storage)는 ‘충전’할 때 컴프레서를 이용해 전력을 압축공기로 변환하고, 발전할 때는 압축공기가 팽창하는 힘을 이용해 터빈을 회전시켜 발전한다. 1978년 첫 실용화 이후 40여년이 지난 지금, 쇄신의 움직임이 시작되었다.

기존의 CAES에는 (1)암염층이 있는 지역에서밖에 사용할 수 없다, (2)압축공기를 화력발전소의 가스터빈의 연소 효율 향상에 사용하는 것을 전제로 배기가스가 나온다, (3)압축 시에 상당량의 열을 잃기 때문에 발전 효율이 40%대로 낮다, 등의 과제가 있었다. 현재, 이들 과제를 개선한 차세대 CAES에 착수하는 기업이 속속 등장하며 이용 가능성이 확산되고 있다.

차세대 CAES는 기존의 과제를 다음과 같이 개선한다. (1)입지 제약은 탱크나 물의 정수압을 활용한 저장 설비, 기존의 인공 동굴 등을 이용하여 완화한다. (2)의 배기가스 등의 과제는 화력발전이 아니라 압축공기의 팽창력으로 발전하는 전용 터빈을 이용해 해소한다. (3)의 효율은, 압축 시에 발생하는 열을 열매(熱媒)에 저장했다가 발전 시의 팽창에 이용함으로써 70%대까지 향상했다. 또한 압축공기보다 콤팩트한 액화공기로 저장하는 기술도 등장했다.

-- 폐갱에 압축 공기를 ‘수봉(water seal)’ --
일본에는 암염층이 거의 없지만 압축공기를 지하 저장할 수 있는 곳은 있다. 폐갱이다. 전력중앙연구소 서스테너블 시스템 연구본부의 스에나가(末永) 연구원에 따르면, 일부 폐갱은 콘크리트 등으로 포장하지 않아도, 그대로의 상태로 압축공기의 저장 장소로서 사용할 수 있다고 한다.

주요 필요 조건은 2가지다. 첫째, 내벽이 결정도가 높은 화성암으로 되어 있어야 하고, 둘째, 상부에 지하 대수층이 있어 피압되어 있어야 한다. 전력중앙연구소 에서는 이것을 ‘수봉식 CAES’라고 부른다. 화성암은 결정도는 높지만 암염층만큼의 기밀성이 없다. 그래서 저장 공간에 지하수의 압력을 보조적으로 가해 누설을 막는 것이다.

전력중앙연구소는 2002년까지 기후현 가미오카광산에서 수봉식 CAES의 실증 실험을 실시했고, 1.87MPa의 압축공기를 저장할 수 있다는 것을 확인했다. 연구를 일시 중단했었지만, 재생가능 에너지가 관심을 받으면서 14년경부터 입지 조건이나 기술 과제 조사를 재개했다.

가미오카광산을 포함해 적어도 5곳이, 갱도장이나 수리 상황으로 미루어 수봉식 CAES에 적용 가능하다는 것을 확인했다. 재생가능 에너지용으로 송전선망이 증강되면, 도시 지역에서 떨어진 장소에 적지가 많은 CAES에 순풍으로 작용할 것으로 보인다.

기존 인프라를 CAES로 전용하는 노력은 해외에서도 진행되고 있다. 스위스 ALACAES는 17년의 실증실험에서 알프스 산맥을 지나는 폐터널을 리모델링하여 길이 120m, 직경 5m, 용량 1MWh의 CAES 설비를 건설했다. 7M~10MPa로 압축한 공기를 터널 깊숙이 보내고, 공기 마개용 뚜껑을 덮어서 저장한다. 압축할 때 발생하는 열은 자갈에 모았다가 발전할 때 활용한다. 발전 효율은 72%라고 한다.

-- 공기가 아닌 물로 발전 --
이스라엘 Augwind는 압축공기를 저장한 탱크를 통째로 지하에 묻어 토지의 점유 면적을 억제하는 전략을 쓴다. 예를 들면 지상에 태양광 발전 패널을 설치하고, 지하에 이 탱크를 묻는 배치가 가능하다고 한다. 게다가 이 회사의 저장 발전 시스템에는, 스스로 ‘순수한 CAES가 아니다’라는 독자적 기술이 포함되어 있다.

‘충전’할 때는 재생가능 에너지로 펌프를 구동해 물을 저수 탱크로 보내고, 수위 상승을 이용해 내부 공기를 압축해 나간다. 이 때 압축 속도를 충분히 느리게 함으로써 공기의 발열을 모두 물로 이동시켜 등온 변화가 되도록 한다. 즉, 물은 압축과 냉매의 2개의 역할을 한다.

발전 시에는 압축공기 탱크에서 공기를 고압 방출해서 저수 탱크를 가압한다. 그러면 물이 방출되면서 수력 터빈이 회전하며 발전하는 구조다. 물이 축적한 열도 거의 100% 발전으로 변환된다고 한다. 기술의 자세한 내용은 비공개지만, 대형 플랜트 건설 계획이 있으며, 2022년에는 이스라엘 국내에서 120MWh의 플랜트가 완성될 것으로 보인다. 발전 효율은 70~80%. 국외로 사업을 전개하는 것도 검토 중이라고 한다.

지하 600m에 인공 동굴을 조성해 그곳에 압축공기를 쌓아둔다는 장대한 계획도 진행되고 있다. 미국 Hydrostor는 호주에서 25년까지 출력 200MW, 용량 1.6GWh, 미국 캘리포니아주에서 26년까지 500MW, 4GWh의 설비를 건설할 계획을 세우고 있다. Hydrostor의 기술의 특징은 지상에 있는 저수지의 정수압을 이용해, 지하 동굴 내의 공기 압력을 ‘충전’율에 관계없이 항상 일정하게 유지한다는 점이다.

즉, 충전 시에는 6MPa의 압축공기를 보내 물을 지상으로 올려보내고, 방전 시에는 방출한 공기와 같은 부피의 물이 강하한다. 충전율이 낮을 때에도 항상 6MPa의 고압 공기를 꺼낼 수 있기 때문에 공압 터빈의 발전 효율을 높게 유지할 수 있다. 이는 암염층에 저장하는 기존 CAES에는 없는 장점이다.

-- 물밑 저장으로 비용을 대폭 줄이다 --
정수압을 이용해서 탱크 내의 압력을 유지하는 CAES는 다른 기업도 주력하고 있다. 이스라엘 Arothron은 수심 200~400m의 호수나 바다에 탱크를 설치하는 CAES를 기술 제안하고 있다. 저장 설비 자체는 육상의 토지를 점유하지 않고, 굴착 작업 등도 필요하지 않기 때문에 LCOE(균등발전원가)가 6.8~9.1엔/kWh으로 매우 싸다고 어필한다. 저장할 때의 압력은 2M~5MPa로, 컴프레서에 특단의 파워는 필요 없다.

영국의 Highview Power는 공기를 액화하는 에너지 저장 ‘LAES’(Liquid Air Energy Storage)로 도전한다. LAES의 장점은 CAES보다도 컴팩트하게 공기를 모을 수 있다는 점이다. ‘도시에 설치하기 적합한 시스템’이라고 한다.

‘충전’할 때는 히트 펌프와 마찬가지로 공기의 압축→열교환→단열 팽창을 반복하며 온도를 내린다. 최종적으로 -190℃로 하여 액화한다. 상압 공기의 1/700의 부피가 된다.

압축 시에 발생하는 열은 용융염을 열매로 해서 저장한다. 발전할 때는 액화공기를 가열해 팽창시켜, 증기 터빈을 개량한 발전기를 구동한다. 팽창 시의 냉기는 부동액과 자갈에 보존해 두었다가 액화 시의 열교환에 이용해 전체 에너지 효율을 높인다. 발전 효율은 55~60%가 된다. 단, 이 LAES와 병설한 플랜트에서의 배열 이용을 상정한 경우에는 65~70%로 향상된다.

LCOE는 이용 조건에 따라서 폭이 있다. 닛케이 크로스테크의 추정에 따르면, 최저가인 경우가 9.7엔/kWh으로, 최근의 리튬이온 2차전지와 거의 동등하다. 영국에서는 출력 50MW, 용량 250MWh의 상용 플랜트가 23년에 가동을 시작할 예정. 24년 이후에 스미토모중기계공업과 함께 일본에 데모기를 설치할 계획이다.

 -- 끝 --

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