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2013년 5월 21일 화요일

압축 공기로 에너지를 저장한다 ?




 압축공기로 에너지를 저장한다고 말하면 보통은 이전에도 소개드린 압축 공기 추진 자동차 등을 떠올리게 만들지만 미 에너지부 (DOE, Department of Energy) 소속의 태평양 북서부 국립 연구소 (Pacific Northwest National Laboratory  PNNL) 의 과학자들과 보네빌 전력 당국 (Bonneville Power Administration BPA) 은 새로운 타입의 압축 공기 저장 발전소를 건설해서 이 지역의 다른 신재생 에너지인 풍력 에너지와 시너지 효과를 거둘수 있을지를 연구하고 있습니다.


 사실 압축공기로 에너지를 저장하는 것 자체는 오래된 아이디어이고 이미 독일 (Huntorf, Germany) 과 미국 (Mclntosh, Alabama) 에 암염 채광굴에 압축 공기 발전 플랜트가 건설된 바 있습니다. 이것이 하는 기능은 우리나라에서 흔히 사용되는 양수력 발전과 비슷합니다. 즉 전기가 남아돌 때 공기를 압축해서 에너지를 저장했다가 다시 전기가 필요할 때 압축 공기로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 


 다만 이것 자체는 실제로 에너지를 만들어내는 발전소가 아니고 단가를 고려했을 때 보조적인 용도로 사용되는 것이지 널리 사용되기는 다소 어려운 점이 존재합니다. 그래서 현재까지 이런 압축 공기 저장 발전소 (compressed air energy storage plants ) 는 몇개 되지 않습니다. 이런 플랜트 건설 비용 자체가 사실 진짜 발전소 만큼 든다는 것도 부담되는 점이겠죠. 


 하지만 PNNL 과 BPA 의 연구팀은 새로운 접근 방법을 생각하고 있습니다. 미 북동부에는 상당한 양의 풍력 에너지가 존재하지만 24 시간 같은 세기로 바람이 부는 게 아니라는 문제가 있습니다. 특히 전력 소모가 적은 밤에 전력 생산이 많다는 딜레마가 존재합니다. 전기는 정작 필요할 때 충분한 전력 예비량이 없다면 블랙 아웃이라는 사태를 피하기 어렵게 됩니다. 이런 문제는 태양에너지에도 존재하며 이것이 신재생 에너지가 미래 에너지의 주력으로 사용되는 것을 막는 장애 요인이라고 하겠습니다.


 이 문제를 해결하기 위해서 밤에 남아도는 에너지를 저장했다가 전력 수요가 급증하거나 혹은 풍력 에너지를 사용할 수 없을 때의 백업 용도의 전력 생산이 필요합니다. 연구팀은 이미 건설된 압축 공기 저장 발전소와는 다른 접근 방식을 생각하고 있습니다. 이들은 암염 채광굴 대신 현무암등 암석 사이에 이를 저장하는 방식을 고려하고 있습니다. 필요한 지층을 더 쉽게 확보할 수 있지만 기술적으로 진짜 장기간 압축 공기를 보관했다가 필요할 때 꺼내 사용할 수 있을 지는 앞으로 검증해야 하는 부분이 많을 것으로 생각됩니다.


 현재 연구팀이 물색한 후보지는 2 곳으로 주위에 천연가스 자원을 사용 가능한 Columbia Hills Site 와 천연 가스 자원을 사용할 수 없는  Yakima Minerals Site 입니다. 연구팀은 서로 다른 방식을 시험할 계획을 가지고 있습니다. (아래 그림 참조) 



( 두 테스트 사이트의 발전 메카니즘  Enough Northwest wind energy to power about 85,000 homes each month could be stored in porous rocks deep underground for later use, according to a new, comprehensive study. (Credit: PLLN)


 천연 가스 저원을 이용 가능한 컬럼비아 힐에는 이를 연계한 하이브리드 압축 공기 발전 시설을 고려 중에 있습니다. 압축된 공기를 쉽게 빼내기 위해서는 결국 열을 가해야 하는데 천연 가스를 이용해서 이를 연소 시키는 방식을 고려 하는 것입니다. 이 경우 안전성 및 다른 환경 오염의 가능성을 고려해야 할 것입니다.


 압축 공기는 팽창하는 과정에서 온도를 떨어뜨리게 되기 때문에 에너지를 추출하는 과정에서 문제가 되곤 합니다. 그러나 암염 동굴 이나 지하의 부피가 큰 장소에서는 약간의 압력 차이로도 많은 에너지를 저장할 수 있어 이점이 아주 큰 문제가 되지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 압축 공기를 원할하게 지표로 빼내기 위해서는 온도를 높여서 팽창시키는 것이 더 유리합니다. 물론 그 열에너지 자체도 발전에 기여하게 됩니다. 따라서 천연 가스 - 압축 공기 하이브리드 방식이 그냥 압축 공기 방식 보다 더 유리합니다.  


 두번째 야키마의 경우 주변에 천연 가스를 끌어올 곳이 마땅치 않으므로 천연 가스 대신 지열을 이용해서 공기를 팽창시키는 geothermal 방식을 사용할 계획입니다. 매우 독창적인 이 아이디어는 지표로 깊이 들어가면 온도가 상승하는 효과를 이용한 것입니다. 이 방식은 환경 오염의 가능성이 적고 온실 가스 배출이 없다는 장점이 있습니다. 물론 실제로 얼마나 효과적일진 아직 검증되진 않았습니다. 


 현재는 타당성 검토 단계라고 할 수 있으며 계획으로는


Columbia Hills Site
• Location: north of Boardman, Ore., on Washington side of Columbia River
• Plant type: Conventional, which pairs compressed air storage with a natural gas power plant.
• Power generation capacity: 207 megawatts
• Energy storage capacity: 231 megawatts
• Estimated levelized power cost: as low as 6.4 cents per kilowatt-hour
• Would work well for frequent energy storage
• Continuous storage for up to 40 days

Yakima Minerals Site
• Location: 10 miles north of Selah, Wash.
• Plant type: Hybrid, which pairs geothermal heat with compressed air storage
• Power generation capacity: 83 megawatts
• Energy storage capacity: 150 megawatts
• Estimated levelized power cost: as low as 11.8 cents per kilowatt-hour
• No greenhouse gas emissions
• Potential for future expansion


를 고려 중에 있습니다.


 보다 자세한 자료는 : http://www.pnnl.gov/news/release.aspx?id=985
                              : http://caes.pnnl.gov/pdf/PNNL-22235.pdf

 에서 구할 수 있습니다.


 아이디어는 그럴 듯 하지만 - 특히 지열 방식은 재생 에너지를 저장하는 것 뿐 아니라 재생 에너지를 얻는 또 다른 방식이라고 할 수 있습니다. - 실제로 현실에서는 어떨지 궁금해지는 부분이 있습니다. 이론적으론 그럴 듯 해도 실제로는 별 효용성이 없는 경우도 드물지 않으니까 말이죠. 물론 재생 에너지에 새로운 돌파구가 되지 말란 법도 없습니다. 아무튼 공학적인 시도는 흥미롭네요.  




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