서 론
전력계통과 에너지저장장치
CAES 개요
CAES 현황
CAES 시스템 분류 및 특성
추가연소형 CAES(SF-CAES)
무연소형 CAES(NSF-CAES)
CAES 유형별 효율 분석
결 론
서 론
21세기 인류는 4차 산업혁명의 혁신기술로 촉발된 디지털 전환, 탄소중립 실현을 위한 에너지 전환, 그리고 글로벌 전염병 대유행(팬데믹, pandemic)으로 인한 새로운 일상, 즉 뉴노멀로의 전환과 같은 급격한 대전환 시대를 경험하고 있다.
이러한 대전환의 시대는 정치, 사회, 경제, 그리고 산업에 있어 패러다임의 근간을 변화시키고 있으며, 전력산업도 그 변화의 중심 속에서 위기와 기회를 모색해야 하는 상황이다. 특히, 본격적인 에너지 전환 시기를 맞이하고 있는 전력산업이 주목해야 하는 부분은 기존 전원믹스(power mix)의 변화를 넘어, 전체 에너지믹스 최적화와 저효율 소비구조 개선, 에너지 신산업 육성 등을 포괄하는 에너지 산업 전반의 혁신이 이루어지고 있다는 점이다. 이와 같은 에너지 산업 혁신의 배경에는 보다 ‘안전하고 깨끗한 에너지원’을 통해 온실가스 감축이라는 전지구적 환경 문제를 해결해 나가려는 세계적 흐름이 깔려 있다.
에너지 산업 혁신에는 재생에너지와 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 큰 축을 담당하고 있다. 화력 및 원자력과 같은 전통적인 발전원에 대한 정책적 조정은 에너지 정책 변화나 이슈에 따라 언제든지 발생할 수 있는 변수이나, 탈석탄화와 재생에너지 비중 확대는 국제 협약안에서 피할 수 없는 하나의 목표가 되었다. 또한, 유럽과 달리 우리나라는 지정학적으로 전력계통이 고립되어 있어 주변국과 전력 이동이 불가능한 상황이며, 국내 계통 상으로는 특정 지역에 편중된 재생에너지의 비중 확대와 전력계통 보강 지연은 안정적인 전력공급을 위협하는 요인으로 작용하고 있다. 최근 발생하고 있는 전남 지역 내 전압불안정 현상이나 제주지역 내 재생에너지 출력제한 사례는 에너지 전환과 전력공급의 안정성이 양립할 수 있는 대안이 필요함을 강력하게 시사하고 있다.
본 총설에서는 에너지 산업 혁신과 국가적 에너지 안보 솔루션의 역할을 담당할 수 있는 에너지신산업으로서 CAES에 대한 이해를 돕기 위해 필요성, 개요, 현황, 시스템 분류 그리고 그 특징을 중심으로 설명하고자 한다.
전력계통과 에너지저장장치
ESS는 전기에너지를 저장이 가능한 에너지 형태와 그 운영 방식에 따라 분류할 수 있다. 저장 가능한 에너지 형태로의 변환 방식에 따라 전기화학적 ESS와 위치, 운동, 압력, 열에너지 등과 같은 물리적 에너지로 변환하는 非전지 기반 ESS로 구분할 수 있다. 전기화학적 ESS에는 LiB, NaS, 레독스흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)와 같은 2차 전지(rechargeable battery)가 대표적이며, 非전지 기반 ESS로는 양수발전, 중력에너지저장, 플라이휠, 카르노배터리, 그리고 CAES 등이 있다. 또한, ESS를 운영방식(충방전 시간)에 따라 단주기 에너지저장장치(SD ESS, Short Duration ESS)와 장주기 에너지저장장치(LD ESS, Long Duration ESS)로 분류할 수도 있다.
ESS가 제공할 수 있는 전력계통 내 서비스는 연결되는 각 계통단, 즉발전원, 변전, 송배전, 수용가 등에 따라 에너지도매, 계통보조, 재생에너지통합, 송배전보완 등 다양하며, 각 서비스 시장에서 요구하는 사양에도 차이가 있다. 미국 EPRI(Electric Power Research Institute)는 ESS가 전력계통과 연계시 적용할 수 있는 다양한 시장 종류와 각 시장별 일반적 성능사양과 요구사항인 출력, 방전시간, 사용 빈도, 기대수명 등에 대한 범위를 제시하였다(Table 1). 보다 정확한 수치는 각 국가의 상황, 계통 운영 정책 및 규정에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.
Table 1.
General Energy Storage Application Requirements (Rastler, 2010)
ESS 특성(충방전 시간, 에너지저장 용량, 수명 등)을 고려할 때 CAES는 양수발전과 함께 계통에 연계하여 운영할 수 있는 발전원 규모(utility scale)의 대용량 장주기 ESS로서 특히 재생에너지 통합 시장(renewables integration) 경쟁력이 있다.
재생에너지 확산 단계에 따라 계통에 미치는 영향을 등급화한 자료가 발표된 바 있다(Fig. 1). 이 자료를 기준으로 국내 계통 영향을 살펴보면, 2020년 기준 국내 발전설비 용량 대비 변동성 자원인 재생에너지 비중은 16%를 차지하여 2단계에서 3단계로 진입하는 상황이다. 3단계로 진입하게 되면, 계통 관점에서는 수급균형의 변동폭이 커짐에 따라 유연성 자원의 확보가 더욱 시급해지고 있다. 기존 발전기 운영 관점에서는 재생에너지의 출력변동성으로 인하여 순부하 변동성이 커져 운영패턴에 큰 차이가 발생하므로 기존 발전기 운전이 지속적으로 감소하게 된다. 전력망 관점에서는 지역간 기상 조건의 차이로 인하여 전력망 전체의 전력조류 패턴에 상당한 변화를 초래한다. 결국 이러한 전력계통에서 벌어질 수 있는 문제의 해결을 위해서는 유연성 자원(flexibility resources)을 확보함으로써 극복이 가능하다.
Fig. 1.
Characteristics and key transition challenges in different phases of integration of renewables (IEA, 2018).
계통에 공급하는 유연성 자원으로는 크게 공급측, 수요측, 에너지저장 및 변환 장치, 전력망 인프라 등에서의 자원으로 구분할 수 있다(Table 2). 특히, 계통에 연계 운영할 수 있는 발전원 규모의 ESS인 CAES 도입은 유연성 자원으로서 중요한 솔루션을 제공할 수 있다.
Table 2.
Solutions that unlock the system’s flexibility (modified from IRENA, 2019)
CAES 개요
CAES는 가스터빈(gas turbine) 기술로부터 파생된 에너지저장장치의 일종이다. 저장단계(충전)에서는 수전하여 압축기(compressor)의 구동력으로 공기를 압축한 후 별도의 저장공간에 저장한다. 발전단계(방전)에서는 저장된 압축공기를 공급하여 터빈의 구동력으로 전기를 생산하는 방식이다.
CAES는 외기(外氣)와의 열교환 유무에 따라 비단열시스템(diabatic system)과 단열시스템(adiabatic system)으로 구분할 수 있으며, 그 외 액분사 혹은 액체 피스톤을 적용하여 등온압축/등온팽창 과정을 유도하는 등온시스템(isothermal system)이 있다. 뒤에서 설명하겠지만, 최근에서는 화석연료의 연소 여부에 따라 SF-CAES(Supplementary Fired CAES)와 NSF-CAES(Non-Supplementary Fired CAES)로 분류하기도 한다.
그 외 다른 분류 방식으로는 발전 시(방전 시) 저장된 압축공기의 압력변화 유무에 따라 변압 저장(variable pressure storage)과 정압 저장(constant pressure storage)으로 구분할 수 있으며, 압축공기 저장 방식에 따라서는 지질 조건을 활용하는 방식(geologic storage)과 인공구조물을 활용하는 방식(LRC 및 LRS)1)으로 분류할 수 있다(Fig. 2). 정압저장은 지하수나 해수의 정수압 상태를 활용하는 방식과 정수압 유지를 위해 별도의 지상 저수지와 통수갱을 통해 비압축성 유체인 물로 압축공기 배출에 따른 저장 탱크 내 체적 변화를 보상하는 방식으로 구분한다.
Fig. 2.
Storage options for CAES (Sopher et al., 2019; Hydrostor, 2023; Engineering.com, 2023; Crotogino et al., 2001; KIGAM, 2014)
최근에는 배출가스를 없애는 방식으로 가스터빈 대신 수소터빈(혼소/전소)을 결합하거나 A-CAES(Adiabatic CAES)를 적용하고, 입지 유연성(site flexibility) 측면에서 유리한 암반굴착형 저장공동 방식도 고려하고 있다. 또한 CAES의 시스템적 특성을 활용하여 발전원 효율 향상 및 냉난방 열에너지 공급과 같은 복합 서비스에 대한 활용모델도 제안되고 있다.
CAES 현황
CAES는 일반적으로 알려진 것보다도 훨씬 긴 역사를 가진다(Fig. 3). 전기에너지를 압축공기로 변환하여 저장하는 기본 아이디어는 1940년대 초로 거슬러 올라간다. 이 시기에 Gay(1945)가 “발전을 위한 유체 저장 수단”이라는 미국 특허를 출원하였음에도 불구하고 1960년대 후반까지 전력 계통에서 에너지 저장 필요성이 크게 대두되지는 않았기 때문에 CAES가 과학이나 산업 분야에 본격적으로 등장하지는 않았다.
Fig. 3.
Timeline of compressed air usage, CAES R&D and principal industrial efforts (modified from Evans et al., 2018).
1960년대에 원자력 및 석탄 화력이 기저부하 발전원으로서 도입되면서 기저부하 발전원으로부터 저렴한 오프피크(off peak) 전력을 저장하고 피크부하 시간에 전력을 공급함으로써 경제적 편익을 얻는 기회가 생기게 되었고, 이를 계기로 차익거래시장(arbitrage)이 활성화되었다. 양수발전(PHES, Pumped-Hydro Energy Storage)은 이 시장을 대상으로 보급되어 활용되기 시작하였으나 지형 조건이 산악 지역으로 제한되는 단점이 있었다.
CAES는 유럽에서 먼저 상용화가 이루어졌다. 1969년 독일 북부에 Unterweser 원자력 발전소가 건설되었으며, 이 지역에 원자력 발전소의 자체기동서비스2)(black start) 및 피크 수요에 대응하기 위해 대용량 ESS가 필요하게 되었다.
한 가지 흥미로운 사실은 Huntorf 플랜트 건설을 결정한 독일 북서부 발전사(NKW, Nordwestdeutsche Kraftwerke)는 이 신기술 이름으로 ASSET(Air Storage System Energy Transfer plant)이라는 약어를 사용했다는 점이다. 반면에 기술 공급업체인 BBC(현재 Alstom)에서는 가스터빈 기술에서 파생되었음을 강조하기 위해 “가스터빈 공기저장 피킹 플랜트”(gas turbine air storage peaking plant)라는 용어를 대신 제시하기도 했다.
최근 EU에서는 2개의 165 MW 파워 트레인(power train)으로 구성된 330 MW급 D-CAES(Diabatic CAES) 플랜트 구축 계획을 추진하였다. 북아일랜드 Larne에 건설할 예정으로 지하 암염층을 대용량 압축공기저장조로 활용하는 방식이다. 영국, 독일, 덴마크 및 네덜란드 등 EU 국가들은 CAES의 입지 타당성이 확인된 지역들을 제시한 바 있다.
Huntorf CAES를 산업계 주도로 추진한 유럽과 달리, 미국 에너지부(DOE, Department Of Energy)는 1970년대 후반부터 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL, Pacific Northwest National Laboratory)를 통해 CAES R&D 및 사전 실증 프로그램을 시작하였다.
1980년대 초 R&D 프로그램은 두 가지 주요 현안을 다루었다. 첫 번째는 CAES 운영조건에서 압축공기저장조의 장기 안정성 분야이며, 두 번째는 연소에 필요한 화석연료 사용 최소화를 목표로 A-CAES(Adibatic CAES)를 포함한 2세대 CAES 개념의 기술적 타당성을 확인하는 것이었다. 해당 R&D 프로그램 종료 시점에 추진한 D-CAES의 단기 기술 검토 결과는 상용화를 목표로 미국 전력연구소(EPRI, Electric Power Research Institute)로 이전된 바 있다. 이는 스팀터빈을 개조하여 적용한 기존 D-CAES와 달리 상용 가스터빈을 그대로 활용할 수 있는 새로운 형태의 D-CAES이며, 2010년에 OEM(Original Equipment Manufacturer)인 Dresser-Rand로 기술이전이 되어 “Smart CAES“ 이름으로 제품화된 바 있다(Dresser-Rand, 2023).
당시 하이브리드, A-CAES 혹은 I-CAES(Isothermal CAES)와 같은 차세대 CAES의 개발이 연기되기도 하였으나, 이는 미국에서 비단열 시스템인 D-CAES의 성공적인 구현과도 관련이 있었다. PNNL은 다양한 유형의 차세대 CAES 중에서 A-CAES를 유망 기술로 선정하였으나 EPRI는 고온 열에너지 저장(TES, Thermal Energy Storage) 및 추가 가스 연소를 결합한 하이브리드 CAES 플랜트를 가장 유망한 차세대 솔루션으로 선정하기도 하였다.
미국 Soyland Power Cooperative Inc.는 사전 실증 프로그램으로 정압저장 방식과 재생열교환기를 채택한 220 MW D-CAES을 계약하였지만 1982년 전력 회사에서 건설을 취소한 바 있다. 이는 예상보다 더 완만한 전력 수요 증가와 같은 전력 계통 환경 변화에 기인하였다.
미국 최초의 상업용 CAES 플랜트는 1991년 Alabama주 McIntosh 카운티 부지에 건설되었다. 운영사는 Alabama Electric Cooperative이며 2008년에는 이름이 PowerSouth Electric Coopertative로 변경되었다. McIntosh CAES는 테네시강 유역 개발 공사(Tennessee valley authority) 및 하와이 전기공사(Hawaiian electric co.)와 같은 여러 미국 전력 회사에서 CAES 기술을 검토하게 된 계기가 되었지만, 이후 상용 플랜트의 추가 건설은 이루어지지 않았다. 이후 오하이오주 석회석 광산을 활용하는 Norton 프로젝트(2001), NYSEG(New York State Electric and Gas)가 계획한 Seneca CAES 프로젝트(2012), PG&E(Pacific Gas and Electric Company)는 캘리포니아주에서 추진한 다공성 암반을 활용한 300 MW D-CAES 프로젝트 등이 계획되기도 하였다.
비록 대규모 상업용 CAES 프로젝트들이 실행에 옮겨지지 않았지만, 다양한 실증연구들은 지속적으로 이루어졌다. SMUD(Sacramento Municipal Utility District)는 풍력발전 연계형 15~50 MW D-CAES 관련한 연구를 추진하였고, 뉴욕전력공사(NYPA, New York Power Authority)는 10 MW, 4.5시간 저장용량의 D-CAES에 대한 설계, 성능 및 열역학 연구 등이 진행되었다. 또한, NPPD(Nebraska Public Power District)는 Dakota 다공성 사암층 내 공기를 저장하는 방식의 100–300 MW CAES를 시험 운영 중이다.
미국은 McIntosh CAES 이후 상업용 CAES 플랜트를 운영하고 있지는 않으나, 여전히 그 가능성을 예상하고 다양한 CAES 프로젝트 계획을 수립하여 추진하고 있다(Table 3과 Fig. 4). 이와 같은 최근 CAES의 관심 증가는 전 세계 국가들에서 주력하고 있는 풍력 및 태양광과 같은 재생에너지의 비약적 보급 확대와 관련이 있으며, 과거 Huntorf 및 McIntosh CAES의 추진 배경이나 동인과는 분명한 차이가 있다. 사실 재생에너지의 출력변동성을 관리하여 계통수용성을 향상시키는 CAES의 능력은 이미 1976년과 1981년에도 언급된 바 있으나, 당시에는 그다지 중요하게 인식되지는 않았다. 이는 Huntorf및 McIntosh CAES가 자체기동서비스 및 피크부하 시간대에 전력을 공급함으로써 경제적 이익을 얻는데 목적을 두었기 때문이다. 반면 오늘날에는 변동성 자원인 재생에너지의 계통 수용성 향상과 계통 안정성 확보에 대한 필요성이 시급한 현안으로 등장함에 따라 CAES는 중요한 계통 유연성 자원으로 인식되고 있다.
Table 3.
Worldwide CAES projects (DOE, 2022)
Fig. 4.
Map of compressed air facilities, CAES assessments, projects and operational facilities around the world (modified from Evans et al., 2018).
CAES 시스템 분류 및 특성
추가연소형 CAES(SF-CAES)
SF-CAES는 저장 시 공기의 압축효율을 높이기 위해 2단 혹은 다단 압축과정을 거치며, 이때 각 압축단계에서 발생하는 열을 외기와의 열교환(냉각)을 통해 공기의 밀도를 높이는 한편, 발전 시 열원으로 화석연료의 연소로부터 보충하는 시스템이기 때문에 비단열시스템이라고도 불린다. 따라서 SF-CAES는 방전 과정(discharging process)에서 연소가 필요한 구조이다(Fig. 5).
SF-CAES는 가스터빈 발전기의 압축과정과 팽창과정을 분리한 이론에 기반한다. 일반적으로 가스터빈의 압축기와 터빈은 동시에 작동하는 반면(Fig. 6), SF-CAES는 분리되어 독립적으로 작동하는 차이가 있다. 가스터빈의 압축기가 주변공기(ambient air)를 압축하는데 터빈의 동력을 소모하는 반면, SF-CAES는 공기 압축과정에서 터빈에서 생산된 동력을 사용할 필요가 없다.
Fig. 6.
Gas turbine (Wikimedia, 2023) and block diagram of a simple gas turbine power plant (modified from Shanthini, 2006).
SF-CAES는 앞서 언급한 독일 Huntorf 플랜트와 미국 McIntosh 플랜트가 대표적이다. 두 상용 CAES 플랜트 모두 SF-CAES인 D-CAES로서 압축공기저장은 용해채굴로 형성된 암염 공동을 이용하는 공통된 특징을 가지며 현재까지 성공적으로 운영되고 있다. 본 절에서는 Huntorf 및 McIntosh 플랜트의 기술적 특징을 살펴보고자 한다.
Huntorf 플랜트
Huntorf 플랜트는 주변공기를 2개의 독립된 터보 압축기와 하나의 인터쿨러(inter-cooler)를 통해 최대 72기압까지 압축한다. 압축공기저장소에 저장되기 전에 후냉각기(after-cooler)를 통해 재냉각된다(Fig. 7).
압축공기저장소로 활용되는 용해채굴로 형성된 두 개의 암염 공동은 총 체적 310,000 m3을 가지며, 두 개의 주입정(well head)의 위치는 Fig. 8에서 확인할 수 있다.
압축공기저장조는 두 개의 암염 공동으로 구성되어 있으며, 하나가 유지보수에 들어가더라도 플랜트 운전이 가능하다. 일반적으로 운영 압력 범위는 46~72기압이며, 비상 운전 시 46기압 이하로 운영할 수도 있다 압축과정과 마찬가지로 팽창과정은 각각 독립적으로 직렬 연결된 두 개의 팽창기로 구현된다. 팽창과정(방전)에서 압축공기는 저장공동에서 배출되어 고압 연소실(high pressure combustion chamber)에 들어가기 전 먼저 약 42기압의 압력 수준으로 감압된다(Fig. 9)(Herbst et al., 1978). 고압 연소실에서 나온 고온 압축공기는 고압 터빈(HP turbine, High Pressure turbine)을 통해 출구압력 약 10기압까지 팽창한다. 압력 수준으로 저압 터빈(LP turbine, Low Pressure turbine)에 들어가기 전 다시 저압 연소실에서 가열된다. 연소실과 팽창기 구성요소는 모두 전통적인 가스터빈 기술에 기반하였다.
Fig. 9.
View of the machine hall (left) and the model of components (right) of the Huntorf CAES plant (modified from Huntorf power station, 2023).
28년 동안 운영 뒤 2006년에 팽창기 트레인(expander train)에 대한 개조작업(retrofit)이 이루어졌다. 개조작업은 이전 입구 압력을 유지한 채 고압 터빈의 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)를 550°C에서 490°C로 낮췄다. 반면, 저압 연소실에서 공정변수(process parameter)를 10기압/825°C에서 13기압/945°C로 증가시켰다. 결과적으로 출력을 기존 290 MW에서 321 MW로 상승시킬 수 있었다.
압축 및 팽창과정을 구현하는 각 압축기와 팽창기는 전동기(모터 및 발전기)와 동축으로 연결되어 있다(Fig. 9).
전기모터와 발전기 기능을 하는 전동기(electrical device)는 압축단과 팽창단 양측에 위치한 터보기기 트레인(turbomachinery train)과 클러치로 각각 연결되어 있다. 또한, 고압 압축기가 적정 회전 속도로 작동되도록 기어박스가 장착되어 있다(BBC, 1986).
당초 Huntorf 플랜트는 자체기동서비스를 위해 운영되었으며, 최근에는 3차 예비력(reserve)을 제공하기 위한 발전원으로 운영되고 있다. 또한, 양측 클러치를 열어 충전이나 방전하지 않는 경우도 무효전력3)(reactive power)과 주파수 조정4)(FR, Frequency Regulation) 기능을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로 동기식 기계는 계통과 병렬로 공회전하여 작동할 수도 있다.
Huntorf 플랜트는 최초의 CAES 플랜트로서 처음 구현되는 다음과 같은 기능적 특징을 가진다(Radgen, 2008):
1) 용해채굴로 형성된 암염 동굴 활용
2) 가스터빈용 고압 연소실
3) 고속 기동 능력을 갖춘 고압 가스 터빈
4) 1~5의 전력비를 가지는 모터/발전기
당시 기준으로는 높은 수준의 혁신 기술이 적용되었음에도 폭넓은 가용성을 가지고 안전하게 플랜트를 운영할 수 있었다(Radgen, 2008).
McIntosh 플랜트
Huntorf 플랜트 완공 후 13년 뒤인 1991년 미국 알라바마주 McIntosh 카운티에 두 번째 D-CAES 플랜트가 건설되었다. 모터/발전기를 단일 축(single shaft)으로 연결한 Huntorf 플랜트와 기본 배치는 동일하다(Collins, 1993).
Huntorf 플랜트와 달리 압축공기저장조는 538,000 m3의 단일 암염 공동을 활용하였다(Nakhmkin et al., 1992). Huntorf 플랜트와 가장 큰 차이 및 진보성은 재생열교환기(recuperator)를 적용한 점이다. 재생열교환기는 높은 온도 370 °C의 저압 터빈 배기열을 회수하여 압축공기저장조로부터 나온 압축공기를 고압 연소실로 들어가기 전에 약 295°C로 재가열하는 기능을 한다.
McIntosh 플랜트와 Huntorf 플랜트의 팽창과정에 대한 온도-엔트로피 도표를 통해 재생열교환기의 효과를 확인할 수 있다(Fig. 10).
Huntorf 플랜트 개조작업 이전과 이후의 공정변수 변화도 Fig. 10에서 확인할 수 있다. Fig. 9(a)에서 점선 화살표는 McIntosh 플랜트에 적용된 재생열교환기를 통해 나온 배기열 qrec이 암염 공동에서 배출된 차가운 입구 공기를 예열하는 과정(①에서 ②)을 나타낸다. 이를 통해 배기열 295°C과 고압 터빈 입구 온도 490°C의 차이만큼 남은 엔탈피는 천연가스 연소로부터 제공되는데, 이는 연료 절감으로 이어진다. 재생열교환기가 적용되지 않은 Huntorf 플랜트의 경우 팽창과정(회색 선)에 배기열 회수가 전혀 표시되지 않았다.
Fig. 10의 두 온도-엔트로피 도표를 비교하면 Huntort 플랜트(회색 선)의 저압 터빈 입구 온도는 개조작업을 통해 McIntosh 플랜트(검은 선)의 터빈 입구 온도보다 낮아졌다. 반면 고압 터빈 입구 온도는 McIntosh 온도보다 약 70°C 정도로 높아졌으며, 이를 통해 터빈 출력을 높일 수 있었다.
Fig. 10.
T, s-diagrams of the expansion process of McIntosh (black line) and Huntorf (grey line) before (a) and after (b) the Huntorf retrofit (Wolf, 2011).
Huntorf 플랜트와 McIntosh 플랜트의 주요 제원 및 정보는 Table 4와 같다.
Table 4에서 알 수 있듯이 McIntosh 플랜트의 싸이클 효율은 Huntorf 플랜트에 비해 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 재생열교환기를 적용하여 배기열을 재활용하기 때문이다.
Table 4.
Comparison of technical parameters of the McIntosh and Huntorf CAES plant (Eckroad et al., 2003; Nakhamkin et al., 1992; Pollak, 1994; Radgen, 2008)
한편 충전 및 방전 시간에서는 McIntosh 플랜트가 주 단위로 부하 이동(load shift)을 수행하도록 설계된 반면, 상대적으로 짧은 충전 및 방전 시간을 가진 Huntorf 플랜트는 사이클 효율이 중요하지 않은 예비 전력 및 자체기동서비스 기능을 제공하도록 설계되었음을 확인할 수 있다(BBC, 1986; Goodson, 1992).
무연소형 CAES(NSF-CAES)
NSF-CAES는 SF-CAES와 달리 열 재생 기술(heat regeneration technology)에 기반하며, 발전 시 터빈으로 들어가는 압축공기 가열을 위해 압축열을 회수, 저장, 재사용하는 개념이다.
NSF-CAES 시스템에는 1단 혹은 다단 단열 압축 시 발생하는 열에너지를 회수·저장 후 재활용하는 방식의 단열 CAES과 등온 압축과정 및 팽창과정을 유도하는 등온 CAES로 분류할 수 있다. A-CAES는 고온형, 중온형, 저온형으로 구분할 수 있다.
고온형 A-CAES(high temperature adiabatic CAES)
고온형 A-CAES의 개념적 구성은 Fig. 11과 같다.
1단 압축과정으로부터 회수된 고온의 열을 저장하는 TES를 활용하는 고온형 A-CAES의 개념은 D-CAES 개발 당시 논의가 되었으나 기술적 경제적 이유로 개발이 보류된 바 있다(Glendenning et al., 1979; Kreid, 1976). 이후 고온형 시스템은 2003년에 AA-CAES(Advanced Adiabatic CAES)이란 이름으로 유럽 연구 프로젝트에 의해 다시 선택되었다(Bullough et al., 2004; Jakiel et al., 2007).
고온형 A-CAES 구성도에서 주변공기를 2.4기압으로 압축한 다음 다시 냉각시키는데, 이 시점에서 온도 관련 압축공기 엑서지5)는 대기로 배출된다(Fig. 11). 첫 번째 압축단계에서 냉각시키는 이유에는 두 가지가 있다. 첫 번째 이유는 두 번째 압축단계의 입구 온도를 조정하는 목적으로, 이는 저장온도에 직접적인 영향을 미치고 이어지는 과정을 주변 조건과 분리할 수 있기 때문이다. 두 번째 이유는 재냉각을 통해 최종 압력까지 압축 시 소모되는 에너지를 최소화시켜 사이클 효율을 높이기 위해서이다. 재냉각 과정이 없다면 공기역학의 비가역성(irreversibilities)으로 인하여 팽창과정 후 팽창기(expander)의 출구 온도가 주변 온도 보다 상당히 높게 된다. 따라서 엑서지 손실은 필연적이며, 첫 번째 압축단계 후 온도 관련 엑서지를 버리는 것이 전체 엑서지 측면에서 가장 선호되는 방식이라 볼 수 있다. 최종 압력 수준인 65기압까지의 압축은 추가적인 냉각과정이 없이 단일 압축과정을 통해 이루어지며, 압축공기 온도는 약 580°C까지 도달한다. 이렇게 생성된 고온의 압축공기가 적층식(packed bed) TES를 통과하면서 온도 관련 엑서지는 고체 열저장 매질로 전달된다. 이후 압축공기는 설정된 온도와 압력으로 냉각기를 통해 압축공기저장조에 저장된다. 방전 과정(discharging process)은 배출된 공기가 반대 방향으로 동일한 TES를 거쳐 약 570°C의 온도까지 가열된다. 가열된 압축공기는 발전기와 연결된 터빈에서 주변 압력 수준으로 팽창된다(Fig. 12).
고온형 A-CAES와 관련하여 ‘ADELE6)’(2010-2013) 및 ‘ADELE-ING7)’(2013-2016) 프로젝트를 통해 AA-CAES 실증연구 개발이 이루어진 바 있다(Zunft, 2015). AA-CAES의 최대 강점은 최대 70%의 높은 싸이클 효율이지만, 상용화를 위해서는 반드시 극복해야 할 기술 장벽이 있다. 하나는 580°C의 고온 열과 65기압의 압력의 고온고압 조건을 견딜 수 있는 고온형 TES가 필요하며, 이를 만족시킬 수 있는 특수 재료 개발과 복합한 시스템 엔지니어링이 필수적이다(Dreißigacker et al., 2013). 또한, 출구 온도 580°C에서 운영될 수 있는 압축기 기성제품이 없다는 점도 경제적 측면에서 장벽이 될 수 있다.
모든 형태의 A-CAES에서 공기 중 수분은 TES 및 열교환기에서 응축되는데, 이때 발생하는 응축수 엔탈피는 충전과 방전의 열 균형에 상당한 영향을 미쳐 시스템 출력 최적화에 장애가 될 수 있다. 따라서 방전 과정에서 적절한 방식의 응축수 재주입이 필요하다.
중온형 A-CAES
2단계 TES(two stage TES)를 조합한 A-CAES 개념은 CAES 개발 초기부터 논의되었다(Glendenning et al., 1979; Hobson, 1981; Nakhamkin, 1988). 온도 관련 엑서지를 TES로 두 번 전달함으로써 압축열을 400°C 이하로 낮출 수 있다(Fig. 13).
중온형 A-CAES는 고온형보다 약간 낮은 효율을 지니지만 압축기 기성제품을 적용할 수 있고 용융염(molten salt)이나 열매체유(thermal oil) 등을 TES의 열저장 매체로 적용할 수 있다는 장점 때문에 충분히 고려할 수 있는 개념이다(Gil et al., 2010). 또한 높은 열부하로 인한 10~15분의 빠른 기동시간(start-up time)은 운영 측면에서 장점으로 작용한다. 이러한 특장점으로 인해 중온형 A-CAES 연구도 활발히 이루어졌다(Freund et al., 2012; Wolf, 2011).
Fig. 13과 같은 중온형 A-CAES는 주변공기를 첫 번째 단계에서 2.4기압으로 압축하고 중간 재냉각 후 두 번째 단계에서 추가로 19기압까지 압축한다(Fig. 14). 이때 공기 온도는 약 380°C에 도달하며, 첫 번째 TES에서 열 교환을 통해 저장되고 후냉각기에서 재냉각된다. 이후 공기는 최종 압력인 150기압으로 압축되어 다시 약 380°C로 상승한 다음 두 번째 TES 장치에서 열 교환을 거쳐 압축공기저장조에 저장된다. 방전 과정은 두 개의 TES를 통해 압축공기가 가열된 후 두 번의 팽창과정을 통해 발전하게 된다(Barbour et al., 2015; Wolf, 2011).
저온형 A-CAES
기본적으로 200°C 이하 압축열을 활용하는 개념은 새롭지 않지만, 최근 연구들은 저온형 A-CAES에 대한 상세 개념을 제시하고 있다(Wolf and Budt, 2014; Buffa et al., 2013; Millazzo, 2008; Grazzini and Milazzo, 2008a, 2008b, 2012).
저온형 A-CAES의 주요 장점은 액체를 열저장 매체로 사용하는 TES를 사용한다는 점이다. 이런 장점으로 인해 열저장 매체의 이송이 가능하고, 압축기 및 팽창기 기성제품을 적용할 수 있다. 허용범위의 에너지 밀도(공기 압력)를 유지하면서 낮은 저장온도의 열을 회수하기 위해 모든 단계에서 각각 압축열을 회수하여 저장한다(Fig. 15). 저온형 A-CAES는 저온에서 구동하기 때문에 기동시간을 5분 이내로 단축할 수 있기 때문에 다른 형태의 계통 서비스 시장에도 참여할 수 있다.
저온형 A-CAES는 액체형 열저장 매질을 가지고 온열과 냉열을 저장할 수 있는 두 개의 TES를 가진다(Fig. 15). 충전 시에는 온열 TES 내 액체 상태로 저장되고, 방전 시에는 냉열 저장 탱크 내 저장되는데 이는 충전상태에 따라 다르다. 충전과 방전 과정에는 열저장 매체인 액체를 열교환기(heat exchanger)를 통해 펌핑하여 공기를 냉각 혹은 예열한다. 이러한 능동 TES 시스템은 수동 시스템에 비해서 보다 정밀한 제어가 필요하지만, 이는 열 교환 프로세스를 제어할 수 있다는 기능적 장점을 제공한다.
Fig. 15는 압축기와 팽창기의 각각 5단 압축기와 5단 팽창기 구성된 개념도로 각 단에서 열 교환이 일어난다. 각 단에서의 압력비는 같고, 최종 200기압에서 최대 132°C의 저장온도로 저장된다(Fig. 16)(Grazzini and Milazzo, 2008a).
등온 CAES(isothermal CAES)
등온 CAES은 충전 과정에서 압축기 내 온도 상승과 방전 과정에서 팽창기 내 온도 저하를 억제하여 등온압축과 등온팽창을 구현하는 등온과정(isothermal process)에 기초한다. 모든 등온 CAES 개념은 왕복동 장치(reciprocal device)를 활용한다. 이는 왕복동 기기가 실린더 내부에서 충분한 열 교환을 일어날 수 있을 정도로 매우 느린 압축과정과 팽창과정을 구현할 수 있기 때문이다.
예를 들면 액체 피스톤과 공기와 액체의 표면적에서 발생하는 열 교환을 활용하거나(Gouda, et al., 2021; Lemofouet- Gatsi, 2006), 일반적인 피스톤 기계(왕복동 장치)의 플러그 실(plug room) 내부로 액체를 뿌려주거나 미리 혼합된 폼(foam)을 압축하는 방식이 제안되었다(Bollinger, 2015).
초기 등온 CAES는 유공압 에너지저장(hydro-pneumatic energy storage)의 형태로 제안되었는데, 이때 사용된 장치들은 기체를 압축하기 위해 액체를 사용하였다. 폐쇄 행정 유공압 에너지저장(C-HyPES, Closed cycle Hydro-Pneumatic Energy Storage)은 유압유와 같은 액체를 저장 탱크에 펌핑하여 작동하는데, 이는 저장 탱크에서 기체 체적을 줄이면서 기체 압력을 증가시키는 방식이다(Fig. 17).
방전 시 펌프 터빈(P/T)을 통해 액체가 역방향으로 흐르게 함으로써 압축 공기가 배출되고, 펌프 터빈은 발전기를 구동하는 터빈으로 기능이 전환된다. C-HyPES의 주요 단점은 낮은 에너지 밀도이며, 이러한 이유로 아직 상업적으로 적용되지는 않고 실험실 규모로만 구현되고 있다(Lemofouet-Gatsi, 2006).
C-HyPES와 달리 개방 행정 유공압 에너지저장(O-HyPES, Open cycle Hydro-Pneumatic Energy Storage)은 공기-공기 시스템의 높은 에너지 밀도 특성과 액체를 작동 매체로 작동하는 장점을 결합한 시스템이다. O-HyPES 시스템에서 공기는 압축공기저장조에 들어가기 전에 액체 피스톤에 의해 고압으로 압축된다(Fig. 17). 이 개념은 액체를 펌프로 주입하고 배출할 수 있는 두 개의 교차 실린더와 주기적으로 공기의 주입과 배출을 조정하는 밸브 시스템으로 구현할 수 있다.
C-HyPES와는 대조적으로, O-HyPES는 실험실 규모뿐만 아니라 유틸리티 규모의 저장 장치로도 개발되고 있다. 2 MW 정격 전력의 첫 번째 파일럿 플랜트가 텍사스에 건설되어 12년부터 시험 가동 중이다(Marcus, 2011).
두 개념에서 충전 및 방전 전력은 가스와 접촉하는 액체 표면에 의해 형성된 열 교환 표면에 의해 제한된다. 고출력에서는 온도 구배가 증가하여 더 이상 등온과정을 유지하기 어렵기 때문에 싸이클 효율은 감소하게 된다. 이러한 한계를 해결하기 위해 압축실(compression chamber)에 물을 분사하여, 보다 큰 접촉면을 형성시키는 방식을 적용할 수 있다(Brody, 2012). 이러한 방식에서는 효율적인 열전달이 가능하고 일반적인 피스톤 기술을 적용할 수 있다. 피스톤 방식의 압축기/팽창기는 실린더 내부의 수분을 견딜 수 있도록 개조해야 하는데, 관련 연구 결과는 열전달을 더욱 증가시키기 위해 사전 혼합된 폼(foam)을 압축하는 방식으로 접근하고 있다(McBride et al., 2013).
CAES 유형별 효율 분석
지금까지 기술한 다양한 유형의 CAES 개념은 효율, 에너지 밀도 및 기동시간과 같은 정량적 기술 제원뿐만 아니라 개발 상태 및 적용 분야에서도 차이가 있다(Table 5).
2차 전지와 같은 전기화학적 에너지저장과 D-CAES의 효율을 직접 비교하는 것은 몇 가지 전제 조건으로 적절하지 않다. D-CAES는 팽창과정에서 열 형태의 추가적인 에너지 공급이 필요하며, 이는 보통 천연가스나 경유의 연소과정을 통해 공급받기 때문이다. 즉, 압축기를 구동하는 전기에너지 Ein, el와 방전 과정에서 팽창하기 전 압축공기 가열에 투입되는 열에너지 Ein, th를 함께 고려해야 한다. 따라서, 수전하여 저장한 압축공기를 모두 활용하기 때문에 열에너지가 전기에너지로 전환되는 효율을 어떻게 반영하느냐에 따라 사이클 효율을 다르게 평가할 수 있다.
D-CAES의 사이클 효율을 계산하기 위해 다음 식과 같이 두 가지 형태의 투입 에너지를 고려하는 방식을 적용할 수 있다:
Table 4에서 D-CAES 플랜트의 싸이클 효율은 McIntosh 플랜트의 경우로 𝜂cyc_eff = 0.54이다. McIntosh 플랜트에서 1 kWh의 전기에너지를 생산하기 위해 압축기 구동에 투입되는 전기에너지 Ein, el는 0.69 kWh이며, 압축공기 가열에 투입되는 열에너지는 1.17 kWh이다(Pollak, 1994). 이를 적용하면 McIntosh 플랜트의 싸이클 효율은 다음과 같이 계산된다:
투입되는 열에너지 Ein, th 가 전기에너지로의 변환효율을 100%로 가정하여 적용한 값8)이며, 열원으로 투입되는 천연가스의 열량에 대한 전기에너지 변환효율을 고려하기 위해 다음 식을 적용할 수 있다:
여기서, EffNG는 천연가스의 전기에너지 변환효율이다. 가스터빈을 활용하는 화력발전소 유형에는 simple cycle과 combined cycle로 나누어지며, 각각 40%와 60%의 발전효율을 달리한다. 따라서 천연가스의 변환효율, EffNG을 어떻게 고려하느냐에 따라 D-CAES의 싸이클 효율을 다르게 평가할 수 있다.
D-CAES의 싸이클 효율 산정 방식을 논외로 하더라도 McIntosh 플랜트처럼 충전에 투입된 전기에너지보다 더 많은 전기를 공급할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 D-CAES 플랜트가 첨두부하 시 에너지 공급과 에너지저장이라는 복합기능을 제공할 수 있음을 의미한다.
D-CAES를 제외한 나머지 NSF-CAES는 방전 시 열에너지 투입이 필요치 않아서 전기화학적 ESS처럼 입출력 에너지만을 고려하여 사이클 효율을 계산할 수 있다:
한편 CAES의 에너지저장 밀도 수치가 넓은 범위로 제시됨을 확인할 수 있다(Table 5). D-CAES와 NSF-CAES의 에너지 저장 밀도를 비교할 때 앞서 사이클 효율 계산과 마찬가지의 문제가 있다. CAES 플랜트의 에너지 저장 밀도 𝜌en는 저장 관련 체적 Vs과 최대 방전 전기에너지양 Eout, max, el의 비로 정의할 수 있다(Succar and Williams, 2008). A-CAES의 경우 열에너지저장의 체적 VTES과 압축공기저장의 체적 VCAS으로 구성할 수 있다:
Table 5.
Comparison of technical parameters for different CAES concepts (Eckroad et al., 2003; Hobson, 1981)
열에너지저장이 필요가 없는 D-CAES는 VCAS만 고려하면 된다. 그러나 천연가스 공급은 외부 프로세스로 간주하여 천연가스 저장에 필요한 체적은 에너지저장 밀도의 계산에 포함하지 않는다. 이것이 D-CAES가 A-CAES에 비해 더 높은 에너지 저장 밀도를 가지는 이유이다. 두 번째 이유는 A-CAES에 비해 높은 터빈 입구 온도를 가지는 D-CAES는 이용할 수 있는 엔탈피 차이가 커서 높은 출력을 제공할 수 있다
에너지 밀도는 저장공간의 규모와 밀접한 관계가 있으며, CAES의 계통 내 용도에 따라 CAES의 유형을 결정하는 주요한 근거가 될 수 있다.
등온 CAES인 C-HyPES 및 O-HyPES는 주로 낮은 소음, 적당한 작동 온도 및 빠른 기동 속도로 인해 도시 환경에서 중소형 분산 전원으로 적용하기에 유리하다. 반면 D-CAES 및 A-CAES는 출력 규모와 에너지저장 용량 등을 고려할 때 발전원 규모의 ESS로서 첨두부하용 발전원이나 대규모 재생에너지와 연계하여 계통 안정을 위한 용도로 적용하는 것이 적합하다.
결 론
지금까지 CAES의 개발 역사 및 세계 현황, 시스템 측면에서의 유형별 특징 등을 살펴보았다. CAES는 가스터빈 기술에서 유래되었지만, 기자재 산업의 발전으로 시스템 구성의 다양성이 확보되고 있다.
SF-CAES인 D-CAES는 기존 스팀터빈을 개조하여 사용하는 대신 시스템 구성을 단순화시키고 싸이클 효율을 높이기 위해 상용 가스터빈을 직접 적용하는 2세대 방식으로 발전하였다. 또한, 화석연료 연소로 인한 온실가스 배출을 해결하는 방안으로 수소·암모니아 혼소/전소 가스터빈 적용도 고려할 수 있다. 한편, 압축 열을 회수-저장-재활용하기 위해 TES를 적용하는 A-CAES와 등온과정에 기반한 I-CAES 등 NSF-CAES에 대한 연구들도 소규모 실증 사업이나 실험실 규모에서 활발히 연구되고 있다.
기술 성숙도를 고려할 때 NSF-CAES는 여전히 극복해야 할 기술적 난제들이 남아있으나, 발전원 규모의 ESS 시장이 보다 활성화되면 다양한 기술적 선택지를 제공할 것이다.
한편, CAES가 재생에너지 통합(renewables integration) 시장에서 강력한 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 암염공동과 같은 특정 지질조건으로 제한된 입지 제약을 극복해야만 한다. 따라서, LRC/LRS와 같은 방식은 비용적 측면과 입지 유연성 측면을 적절하게 trade-off 시킴으로써 하나의 대안이 될 수 있다.
오랜 운영 경험을 통한 기술 신뢰성, 에너지 저장과 발전의 복합적 기능, 열에너지 기반 시스템의 독특한 특성, 입지제약을 극복하기 위한 다양한 기술 옵션 등 CAES가 지닌 기술적 특장점과 함께 기자재, 발전 플랜트 및 건설 산업 분야가 융합된 산업적 특징을 고려하여 에너지 신산업적 가치에 대한 재평가가 이루어질 필요가 있다.
급변하는 에너지 전환 시기에 재생에너지 중심의 전원믹스를 실현하기 위해서는 재생에너지의 계통 수용성 향상과 전력피크 기여도 제고와 같은 계통 운영 현안을 해결해야만 한다. 따라서, 재생에너지 보급 정책 이행에 따라 ESS 믹스를 함께 고려해야 할 시기가 가까운 미래에 도래할 것이며, 국가 차원의 ESS 포트폴리오를 준비해야 한다. 이를 위해 이차전지 기반 ESS뿐만 아니라 非전지 기반 ESS인 CAES 기술에 대한 지속적인 R&D 투자와 함께 실증사업을 통한 산업화 시점을 앞당길 필요가 있다.
끝으로 CAES는 대용량 장주기 ESS로서 재생에너지 보급에 따른 계통 불확실성을 줄이는 ‘에너지 안보 솔루션’(Energy Security Solution, ESS)과 재생에너지의 전력피크 기여도를 높이는 ‘에너지 가치 크리에이터’(Energy Value Creator)의 역할이 기대된다.
