기계硏, 액체공기 에너지저장시스템 핵심 기자재 독자 개발

태양광이나 풍력과 같은 재생에너지 도입 확대에 따라 전력망 안정화와 출력변동성 완화의 중요성이 증대되는 가운데 액체공기 에너지저장시스템을 구성하는 핵심기술이 국내에서 개발됐다. 해당 기술은 입지 조건이 자유롭고 환경 영향을 최소화한 차세대 에너지저장 솔루션으로 평가된다.

국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 한국기계연구원(원장 류석현) 탄소중립기계연구소 에너지저장연구실 박준영 책임연구원 연구팀은 대용량·장주기 에너지저장시스템 중 하나인 액체공기 에너지저장시스템(Liquid Air Energy Storage, LAES)의 핵심 기자재인 터보팽창기 및 콜드박스 기술을 독자 개발하고 이를 활용한 공기액화 실증에 성공했다.

액체공기 에너지저장시스템은 잉여 전력으로 공기를 액체 상태로 만들어 저장한 후 전력 수요가 높을 때 저장한 액체공기를 이용해 발전하는 방식이다. 압축기에서 공급된 고압의 공기가 고속으로 회전하는 터보팽창기에 의해 냉각되고 콜드박스에서 열교환 및 팽창하여 영하 175℃(98K) 이하의 액체공기로 전환된다.

기존의 대용량·장주기 에너지저장시스템인 양수발전과 압축공기 에너지저장시스템은 고저차가 큰 산악지대나 고압을 견딜 수 있는 대형 지하 공동구 등 특정 입지 조건이 필요하고 환경문제로 인해 설치에 제약이 있었다. 반면 액체공기 에너지저장시스템은 액체공기를 대기압 상태로 저장하기 때문에 입지 제한이 없으며, 전력 저장, 냉난방 공급, 산업현장의 폐열 활용 등이 가능해 에너지 종합 솔루션을 제공할 수 있다.

기계연구원 연구팀이 개발한 액체공기 에너지저장용 터보팽창기에는 정압베어링을 적용해 분당 십만 회 이상의 안정적인 고속 회전을 구현했다. 단열재와 중공 구조를 적용한 회전축으로 온도 차이에 따른 열손실도 방지했다. 콜드박스는 압축기로부터 공급된 고압의 공기를 터보팽창기에 의해 냉각된 공기와 열교환하고 팽창시켜 액체공기를 생산했다. 외부 열유입을 차단하기 위해 다층박막 단열재(Multi-Layer Insulation)와 10⁻⁵ mbar 이하의 진공단열 구조를 적용했다. 특히 발전 과정에서 발생하는 액체공기의 냉열을 액화 공정에도 재활용하도록 하여 액화효율을 높였다.

연구팀은 이번 기술로 하루 10톤 규모의 액체공기 생산이 가능함을 실증하였다. 또한 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.

기계연구원 에너지저장연구실 박준영 책임연구원은 “재생에너지 보급 확대에 따라 대용량·장주기 에너지저장시스템의 필요성이 커지고 있다”며 “지리적 설치 제약이 없고 환경문제가 없는 액체공기 에너지저장시스템이 우리나라 환경에 적합한 솔루션”이라고 말했다.

또한 “이번 터보팽창기와 콜드박스 개발 성과는 대용량·장주기 액체공기 에너지저장시스템의 상용화와 보급 확산에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.