열저장 시스템 개요

제1장 열저장 개요

 

○ 열저장시스템은 열에너지를 저장하였다가 공급하는 시스템으로서 열에너지의 공급과 수
요사이에 나타날 수 있는 시간적 또는 양적 격차를 해소하는 역할을 수행한다.

○ 축열시스템은 저장되는 열의 온도에 따라 저온, 중온, 고온 열저장으로 분류될 수 있으
며, 열저장 기간에 따라 단기, 장기 열저장으로도 구분할 수 있다. 그러나 열저장 방법을
분류하는 가장 일반적인 방법은 저장하는 열에너지의 형태에 따라 현열축열, 잠열축열,
그리고 화학축열로 구분하는 방법이다.

 

제1절 에너지저장의 필요성

○ 열, 전기 또는 기계적인 형태로 발생하는 에너지는 발생형태 그대로 또는 다른 형태의
에너지로 변환되어 공급되며 사용처의 용도에 맞도록 적당한 형태나 에너지수준으로 바
뀌어 사용된다. 이러한 에너지 발생, 에너지 수송, 에너지 사용의 과정에서 에너지의 공
급측과 에너지의 사용측간에 시간적, 질적, 양적으로 볼일치가 발생하여 많은 에너지가
비효율적으로 낭비된다.

○ 에너지 저장 시스템은 에너지 공급측과 사용 측의 중간에 위치하면서 다음과 같은 역할
을 수행하게 된다.
(1) 공급측의 시간적 또는 질적변동에 대해 안정하고 균일한 에너지를 수요측에 공급
(2) 에너지 이용 측의 급격한 또는 일시적 변동에 대해서 공급측에 과대한 부하가 걸리는
것을 방지
(3) 에너지 공급측과 수요측 사이에 존재하는 시간적 위상차를 조절
(4) 저급에너지 및 분산된 에너지를 고급화, 집중화하여 수요측에 공급

 

 

제2절 에너지 저장방법

○ 에너지의 저장방법은 열적저장 (Thermal storage), 화학적 저장 (Chemical storage), 기계
적 저장 (Mechanical storage) 및 전기 • 자기적 저장 (Electrical and magnetic storage)
방법으로 나타낼 수 있으며, 이는 그림과 같이 개괄적으로 나타낼 수 있다.

 

 

[그림 1] 에너지 저장 종류

 

 

○ 열에너지를 그대로 저장하는 열저장 방법은 에너지의 형태변환에 따르는 열역학적 제한
에 의한 에너지 손실이 없으나 단열이 가장 큰 문제가 된다. 또한 에너지 사용처에서 전
기척 또는 기계적 형태의 에너지를 필요로 할 경우 각 단위 에너지 필요량에 대하여 몇
배의 열에너지 저장이 필요하기 때문에 에너지 사용처에 열에너지 형태의 에너지를 필
요로 할 경우에 열저장 방법을 사용한다.

○ 현재 가장 널리 보급되고 있는 축열기술은 물, 자갈 및 세라믹 등을 사용하는 현열 축열
법이 보편적으로 이용되고 있으나 단위체적당 열용량이 작기 때문에 축열시설을 위해서
는 많은 공간이 요구되는 단점이 있다· 따라서 이와 같은 단점올 해결할 수 있는 방안의
하나로 잠열 혹은 화학열 이용 등에 대한 연구가 주목을 받고 있다.

○ 잠열 축열은 상변화 물질을 이용하여 열에너지를 저장한 후 필요시 이를 추출하여 사용하
는 방법으로 과열 빛 과냉을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 일정한 온도에서 상변화가 일어
나는 특징이 있다. 그러나 잠열축열은 방열과정에서 축열온도 보다 낮은 상변화 온도까지
승온이 가능하나 상변화 온도 이하에서는 장기간 열저장을 할 수 있는 단점이 있다.

 

 

제3절 현열저장

○ 현열을 이용하는 열저장 방법은 축열재료의 열용량(Heat capacity)을 이용하여 열을 저
장하는 방법이다. 잠열저장 방법이나 화학적 저장방법에 비하여 축열밀도 즉, 축열재의
체적 또는 중량당 저장할 수 있는 에너지의 양이 적은 점과 축열 중에 열손실이 많아진
다는 결점이 있어 장기적, 대용량의 축열 방법으로서는 문제가 있으나 축열 원리가 단순
하여 예로부터 많이 사용되어 온 축열 방법이다. 근간에는 폐열을 이용한 축열장치, 심
야 잉여전력을 이용한 축열장치, 태양열 축열장치 등에 이용되는 한편 대규모 장기간의
열저장을 위하여 지하 열저장 방법이 연구되고 있다.

 

1. 액체축열

○ 액체 측 열재료 중에서 가장 많이 이용되고 있는 것은 물이다. 물은 열용량이 크고 가격
이 싸고 안정성이 높은 물질이며, 열저장과 열수송을 축열재인 물 자체 이외의 별도의
열교환 매체가 필요 없어서 열저장 시스템의 설계 및 재질선택이 용이하다. 물을 사용하
는 경우의 문제점으로는 비점과 융점이 낮으므로 사용범위가 제한된다는 점. 많은 양의
에너지를 저장하기 위해서는 상당히 큰 부피가 필요하다는 점. 열손실을 억제하기 위하
여 단열이 매우 중요하다는 점 및 미생물의 증식억제, 동결방지 등의 대책이 필요하다는
점을 들 수 있다.

○ 물을 이용한 간단한 축열시스템으로는 야간의 값싼 잉여전력을 이용하여 물을 끓인 후
이를 난방 또는 생활용수로 사용하는 방법이 있다. 또한 태양열을 이용한 주택난방시스
템에도 물이 많이 이용되고 있다. 펌프에 의해 가열된 물이 저장조로 유입되고 냉각된
물이 집열판으로 이동된다. 가열된 물을 저장하는 축열조는 내부를 균일한 온도로 하여
열을 저장하는 완전 혼합형(확산형) 축열조와 , 윗부분은 온도가 높고 아래 부분은 온도
를 낮게하여 찬물과 더운물이 서로 섞이지 않고 층을 유지한 상태로 열을 저장하는 온
도성층형 축열조가 있다.

○ 물은 고온에서 증기압이 높기 때문에 고온축열을 위해서 고온에서도 증기압이 낮은 열
매체의 사용이 연구되고 있다 유기물질, 액체금속, 용융염 등이 현재 사용 되고 있다.

2. 고체축열

○ 뜨거운 바위나 벽난로의 벽돌들은 고대로부터 열저장 수단으로 이용되어 왔다. 이러한
방법은 현대에도 공업용 로나 빵 굽는 오븐 등에 이용되어 심야의 값싼 전기를 사용하
여 열을 저장하는 수단으로 사용되고 있다.

 

○ 현열저장에 사용되는 고체로는 모래, 자갈, 암석, 벽돌, 감람석, Chrome, Feolite,
Magnesite, 내화물질, Concrete, 철광석 등이 있으며 열의 출입, 변동이 심한 경우 열응
답성을 고려하여 전열특성이 좋은 축열재료로서 주철 등 금속의 이용도 검토되고 있다.
일정한 열량을 저장하는 경우 내화물질은 금속에 비해 부피가 반으로 줄어들며 가격은
1/2〜1/3로 줄일 수 있다. Concrete는 열특성을 다양하게 만들 수 있으며 가격이 싸고
헌장에서 시공이 가능하기 때문에 흥미 있는 축열재료로서 주목되고 있다. 영국의 ECRC
에서 개발된 Feolite는 Fe2O2가 주성분으로서 70℃까지의 온도범위에서도 사용이 가능하
며 가격이 싼 철광석을 이용한 축열재는 Tenemax라는 품명으로 상품화 되어 있다.

○ 고체 축열재를 이용한 축열법은 비교적 단순하여 신뢰성이 있으나 고체 축열재를 동시
에 열매체로서 사용하기는 곤란하므로 액체 또는 기체를 열매체로 사용한다.

○ 고체를 이용한 현열 축열방법에서는 충진층, 이동층, 유동층 등의 축열장치 내의 열전달
에 대한 해석이 기본적인 문제가 되며, 이와 관련하여 입자의 유효 열전도도, 입자-유체
간의 전열계수, 입자간 또는 입자와 벽사이의 전열계수 등 축열장치 내의 전열특성이 검
토되어야 한다.

3. 지하축열

○ 땅속에 열을 저장하는 방법 역시 오래전부터 사용되어온 열저장수단이다. 예로써 모로코
에서는 땅속에 구멍을 파서 저장된 열을 이용하여 요리를 하기도 하고 겨울에 얼음과
눈을 저장하여 다가오는 여름에 사용하는 것이 오랜 풍습이 되어 있다. 근간에는 장기간
대규모의 열저장을 위하여 지하의 대수층(帶水層)을 이용하는 방법이 연구되고 있다. 여
름과 겨울을 주기로 하여 겨울에는 지하의 열을 이용하여 난방을 하는 한편 외부의 냉
열을 지하에 주입하고, 여름에는 겨울에 저장한 냉열을 회수하여 냉방을 하는 한편 외부
의 온열을 지하에 주입한 후 겨울에 다시 사용하는 순환사용 방법이다.

 

 

제4절 잠열저장

1. 축열재의 조건

○ 최근 현열보다는 상변화 물질의 잠열을 이용한 축열장치의 연구가 많이 수행되고 있다.
이러한 물질들은 단위부피 및 단위무게당 열에너지의 저장용량이 커서 현열장치보다 부
피나 무게를 크게 줄일 수가 있다. 즉 망초(Na2SO4∙10H2O)의 상변화를 이용하여 축열을
하면, 물의 현열을 이용한 장치보다 부피가 1/8로 줄어들며 암석을 이용한 장치보다
1/17로 줄어든다.

○ 또한 상변화 물질의 용융열을 이용한 축열기는 온도성층(Thermocline)현상이 심하지 않
으므로, 사용온도에 알맞은 범위에서 거의 일정한 온도로 축열 및 방열을 할 수 있다.
현열을 이용한 축열기에서는 축열 매체와 열수송 유체간의 온도차이가 22~33℃ 이상은
되어야 충분히 축열을 할 수가 있지만, 용융열을 이용한 축열기에서는 단지 몇 도만 높
아도 된다.

○ 저온의 열에너지를 저장할 수 있는 축열재료에 대하여는 그동안 많은 연구가 되어 상품
화된 것도 있다. 그러나 아직은 축열특성을 향상시키기 위한 개발단계에 있는 것이 대부
분이며, 이러한 상변화 물질들이 산업화 되려면 다음과 같은 조건들을 만족해야한다.

① 단위부피 및 단위 무게당 축열용량이 커야 한다.
일정량의 열에너지를 저장할 때 용융열이 커야 축열 매체의 양이 적게 소모되며, 장치
의 크기도 줄어들어서 전체적인 가격이 저렴하다.
특히 저장된 열에너지를 다른 곳으로 이동시키는 경우에는 이러한 에너지 저장밀도가
더욱 중요하게 된다. 저온의 열에너지를 저장하는 경우 무기염 수화물은 적은 양으로도
많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 일정량의 열에너지를 저장하기 위해서 필요한 축
열매체의 부피를 비교한 것으로 용융열을 이용하면 축열매체의 양을 크게 줄일 수 있
으며, 축열량이 많을수록 그 차이는 더욱 커진다.

② 비열이 커야 한다.
열전달 속도를 크게 향상시키고 축열시스템을 효율적으로 사용하기 위해서는 축열매체
의 용융온도 이하로부터 그 이상에 걸쳐서 운전시켜야 한다. 그러므로 현열에 의한 축
열량도 무시할 수 없으며 전체적으로 축열용량을 크게하기 위해서는 축열매체의 비열
이 커야한다.

③ 증기압이 작아야 좋다.
운전온도 범위에서 상변화 물질의 증기압이 높으면 축열매체를 저장할 용기를 크게하

거나 압력에 견딜 수 있도록 제작해야 하므로 장치제작비가 크게 증가한다. 따라서 증
기압이 1bar 이하로 작은 잠열물질이 적당하다. 현재 저온용 축열매체로 연구되고 있는
잠열물질들은 100℃ 이상의 온도에서 증기압이 1bar가 되지 않는다. 그러므로 이러한
물질에 대하여는 압력용기를 사용할 필요가 없다.

④ 열전도도가 커야 한다.
열전도도는 축열 및 방열과정의 열전달 속도와 관련이 있으며 전체 시스템의 효율에
직접적인 영향을 미친다. 특히 방열과정에서 열전달이 발생하는 표면에 붙어있는 고체
는 열전달을 크게 방해할 수 있으므로 축열매체의 열전도도는 클수록 좋다.

⑤ 경정화 속도가 크고 과냉각 현상이 작아야 한다.
용융상태의 축열매체를 냉각시킬 때 결정화 속도가 느리고 자신의 용융온도에서 고체
상태로 되지 못하고 과냉각이 발생하면 결국은 유리체를 형성하게 되어 저장된 열에너
지를 회수할 수 없게 된다. 대개의 무기염 수화물 상변화 물질 등은 냉각현상을 나타내
고 있으며, 과냉각 현상을 억제하고 결정속도를 신속하게 하기 위해서는 일반적으로 조
혁제(Nucleanting agent)를 사용하거나 축열용기 속에 “Cold finger”를 만들어 물리적
결정화를 촉진 시킬 수 있다.

⑥ 일정한 온도에서 상변화가 이루어져야 한다.
용융-결정화가 넓은 온도범위에 걸쳐서 발생하게 되면 상변화 물질의 고체와 액체간의
밀도차이로 인하여 상분리가 일어나고 축열매체의 조성이 변화할 수가 있다. 또한 일정
한 온도에서 축열, 방열을 할 수가 없으므로 이용면에서도 비효율적으로 된다. 상분리
를 방지할 수 있는 첨가제를 사용하는 경우가 대부분이나 잠열재의 열적특성을 크게
변화시켜서는 않된다.

⑦ 상변화에 따른 부피변화가 작아야 한다.
축열매체들은 대부분 상변화가 이루어질 때 부피가 변하는데, 부피팽창의 정도가 크면,
축열용기를 파손시킬 수가 있다. 대체로 0℃ 이하의 용융점을 갖는 냉방용 축열매체들
은 응고되면서 5～10% 정도의 부피 팽창을 하고, 0℃ 이상의 용융점을 갖는 무기염 수
화물은 용융할 때 10% 정도까지 팽창한다.

⑧ 독성이나 인화성이 없어야 한다.
축열매체는 항상 누출될 우려가 있으므로 인체에 해가 없어야 하며 화재를 일으킬 염
려가 없는 물질이어야 한다.

⑨ 화학적으로 안정하고 부식성이 없어야 한다.

저온의 축열 매체에서는 큰 문제가 되지 않을 수 있지만 고온 축열매체의 경우에는 화
학반응속도가 커지고, 용기의 부식도 크다. 일반적으로 구하기도 쉽고 값이 싼 물짙을
축열매체의 용기도 사용할 수 있어야 하며, 축열매체는 이 용기의 재질과 반응하여 부
식을 일으키거나 온도에 따른 열분해 현상을 발생시키지 않아야 한다. 태양열을 이용하
는 경우 축열장치의 수명은 대체로 20년 정도 되어야 경제성이 있으므로 반복되는 축
열과 방열과정에도 다른 물질로 분해되거나 그 기능이 저하되지 않아야한다

⑩ 상변화 온도가 사용온도 범위와 일치해야한다.
축열매체의 용융온도와 열을 회수할 열운송 유체의 온도차이는 열전달 효율에 큰 영향
을 준다. 일반적으로 태양열을 이용하여 난방을 하고자하는 경우 45~60℃, 냉방용은
5~15℃ 범위이며 공기조화를 하려면 80℃ 이상이 적당하다.

⑪ 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 물질이어야 한다.
상변화 물질의 가격이 저렴해야 경제성이 있지만 가격이 고가일지라도 월등한 축∙방열
기능으로 전체적인 축열시스템의 가격이 낮아지는 경우도 있으므로 반드시 가격이 절
대적인 것은 아니다.

 

2. 저온축열의 특성

1) 상분리 현상과 증점제

○ 축열매채로 이용될 수 있는 대개의 무기염 수화물질들은 상분리현상을 나타내고 있다.
상분리 현상이 발생하는 주요원인은 비조화응융점율 갖고 있기 때문이다. 조화용융점이
란 용융점에서 상전이가 일어날 뿐만 아니라 모든 수화염이 결정수에 용해될 수 있는
온도를 말한다.

○ LiClO3∙3H2O, NaOH∙3.5H2O, KF∙4H2O, Mg(NO3)2∙6H2O, NaOH∙H2O 등은 조화용융점을
지니고 있으며 이러한 물질들이 축열매체로서 사용하기에 적합하다. 그러나 Na2HPO4
12H2O는 용융점보다 약간 온도를 올려 주어야만 모든 무수염이 결정수에 용해될 수 있
다. 이러한 성질을 지닌 물질들의 용융점을 반조화용융점이라고 한다. 그러나 Na2SO4
10H2O는 본래의 용융점 이상으로 온도를 상승시켜 주어도 모든 무수염이 결정수에 용
해되지 않는 비조화 용융점을 지니고 있는 물질이다. 이와 같이 용해되지 못한 무수염은
비중이 커서 축열용기의 밑에 침전하게 되는데 축열과 방열을 계속할수록 침전량은 많
아지므로 축열기의 용량은 줄어든다.

○ 비조화용융점을 갖는 물질들의 상분리 현상을 방지하기 위해서는 증점제를 사용한다.

○ 펄프나 전분계통은 가격이 저렴한 물질이지만 박테리아나 효소에 의해 분해가되므로 포

름알데히드와 같은 방부제를 사용해야 하는데 그 효과에 대해서는 아직 실험적으로 밝
혀지지 않고 있다. 또한 polyvinyl alcohol, hydroxyethyl cellulose, methyl cellulose 등의
유지물질도 증점제로 사용이 가능하지만 가격이 비싸다. Thixotropic gel을 형성할 수 있
는 clay같은 무기물질도 증점제로 사용될 수 있다. Thixotropic 물질을 강력하게 저어 주
거나 흔들면 점도가 낮아져서 축열용기에 쉽게 투입할 수 있으며, 가만히 놓아두면 gel
구조를 형성하여 상분리를 억제한다.

 

2) 과냉각현상과 조핵제

○ 과냉각이란 용융염이 용융점 이하로 온도가 감소하여도 결정의 석출 등으로 상변화가
일어나지 않고, 잠열도 방출하지 않는 현상을 말한다. 과냉각 상태에서 일단 결정핵이
생성되면 온도가 용융점으로 올라가면서 결정은 급격하게 성장하기 시작한다. 방열과정
에서 이러한 과냉각 현상으로 용액의 온도는 열에너지의 사용온도보다도 내려갈 수가
있으며, 축열기를 효과적으로 사용하는데 방해요인이 된다.

○ 고체와 액체간의 상변화에 따라서 두 상의 농도변화가 생기지 않는 열역학적인 용융점
인 Tm(Solid-liquid equilibrium temperature)이 주로 관찰 보고되어 왔으나 실제로는 용
융점보다 낮은 온도에서 결정이 녹는 pre-melting 현상이 있을 수도 있고, 용융액을 냉
각시키는 경우에 있어서도 용융점에서 고체로 되지 못하고 과냉각 상태로 되는 경우가
있다. 즉 결정이 형성되고 이 결정이 대형 결정으로 성장되어야 하는 두 가지 기구 중
어느 하나라도 만족되지 않으면 용융액은 과냉각되게 된다.

○ 과냉온도가 증가함에 따라 열역학적 추진력(Driving force)인 ⊿G(Differential Gibbs Free
Energy)가 계속 증가하여 결정핵 형성과 성장에 필요한 활성화 에너지를 극복할 수 있
다면 Tm보다 낮은 Ts(Solidification temperature)에서 결정이 성장하게 된다. 그러나 ⊿G
의 변화가 아무리 과냉온도에 대하여도 활성화 에너지를 능가하지 못하면 계속 과냉하
여 유리상태로 되므로 용융잠열의 활용이 불가능하게 된다.

○ 적절한 조핵제를 사용하면 과냉각의 정도를 상당히 줄일 수 있다. 온도변화 반복과정의
한 주기 내에서 축열매체로부터 열이 방출되는 시간도 적절한 조핵제로 조절될 수 있다.

 

3. 저온 축열재

○ 일반적으로 100℃ 이하의 열에너지는 주로 주거 및 민생용으로 사용되는데 이러한 온도
범위의 열에너지를 저장할 수 있는 축열매체로는 무기염 수화물이 많으며, 파라핀이나
고급지방산의 유기물도 사용이 가능하다. 단위무게당 열에너지 저장 용량은 서로 비슷하
지만, 단위부피당 저장용량은 무기수화물이 월등히 크다.

 

○ 대체로 모든 수화물은 과냉각(Supercooling) 현상을 보이며, 많은 수화물들이 비조화 용
융(Incongruent melting)현상으로 상분리가 두드러지게 일어난다. 이러한 두 가지 현상들
은 용융열을 원활하게 이용하지 못하게 하는 가장 큰 원인으로서 상변화 물질의 축열기
능을 점차 감소시킨다.

○ 그동안 이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔지만 아직 정확한 메카
니즘은 규명되지 않고 있다. 부분적으로 이러한 현상을 이론적으로 설명하려는 시도가
있기는 하지만 지금까지의 주된 연구방향은 시행착오법(Trial-and-error method)으로 진
행되고 있다.

○ 한편, 냉방용 축열재료들은 밀도가 비교적 작아서 0.95~1.2g/㎤ 정도이다. 그러나 0℃ 이
상의 용융점을 갖는 무기염 수화염들은 밀도가 1.5~2.0g/㎤ 정도이며, 비열은
0.3~0.5cal/g℃의 범위이다. 열전도도는 MgCl2∙6H2O가 가장 커서 고체의 경우 0.005
cal/cm∙s∙K이다. 그러나 종래에 연구가 많이 되어왔던 CaCl2∙6H2O는 고체의 경우 0.0026
cal/cm∙s∙K로 작은 편이다. 무기염의 수화물들은 그 종류에 따라 단위 부피당 용융잠열
량이 크게 다르지만, 파라핀계통은 100〜150J/㎤이고 파라핀 이외의 유기물질들도
150~250J/㎤ 정도로 큰 차이가 없다. 무기물의 수화염중에서는 Na2HPO4∙12H2O와
LiClO3∙3H2O의 용융잠열량이 큰 편이다.

1) 무기염 수화물

○ 무기염의수화물은 일반적으로 용융잠열과 열전도도가 크며, 열역학적 특성이 축열매체로
서는 적합한 물질이다. 그러나 과냉각과 상분리 현상이 있는 단점이 있다.

2) 파라핀 및 유기물

○ 파라핀이나 유기물은 취급이 쉽고, 온도범위가 다양하며, 과냉각이나 상분리 현상이 거
의 없는 물질이다. 그러나 증기압이 높고 축열용량이 무기염의 수화물보다 대체로 작다
는 단점을 가지고 있다.

 

 

제2장 열저장 시스템 계통도

 

 

 

참고문헌
1. 과학기술부/특정연구채발사업의 연구보고서, 한국과학기술연구원, 잠열축열재를 이용한 냉난방 겸용
시스템 개발, 2001
2. 과학기술부, 출연연구사업의 연구보고서: 한국과학기술연구원, 열저장 시스템의 개발에 관한 연구,
1987
3. 국토해양부의 도시재생사업단에서 지원, 한국태양에너지학회, 축열시스템의 종류 및 열에너지 공급시
스템에서의 역할
4. 과학기술부, 이동원 외, 에너지(열)저장 기술개발 연구기획 사업, 1999
5. 과학기술처, 박원훈 외, 열저장 시스템의 개발에 관한 연구, 1987
6 김영호: 수요개발 현황 및 방향, 98 수요관리기술 세미나, 한국전력공사 영업처, 1998

 

 

열저장 시스템 개요 

EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼

 

 

 

 

 

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