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열배터리 성능 2배 향상시킨 열에너지 저장기술로 냉난방비 부담 줄인다 - 향후 제로하우스 등 에너지 자립화 가능성 기대
  • 기사등록 2018-10-31 12:01:50
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[기계신문] 만약 한여름 뜨거운 태양열을 배터리에 저장했다가 한겨울 난방에 활용할 수 있다면? 또 한겨울 얼음과 눈의 차가운 냉기를 배터리에 저장했다가 한여름 냉방에 활용할 수 있다면?


이러한 아이디어에서 출발한 ’열 배터리(termal battery)’ 기술은 최근 이상기후로 인한 폭염, 블랙아웃 등에 대비할 수 있는 차세대 대체 에너지 관련 핵심 연구 중 하나다.


최근 국내 연구진이 냉난방비 부담을 크게 줄이고 삶의 질을 높일 수 있는 열에너지 저장기술인 열 배터리 기술을 발표해 주목 받고 있다.



▲ KIST 도시에너지연구단 신유환 박사(가운데)와 신동호 박사(우)가 열배터리 탱크 안의 상변화 물질에 레이저를 비춘 후 카메라로 내부 물질의 거동을 확인하고 있다.



한국과학기술연구원(KIST) 도시에너지연구단 신유환 박사 연구팀은 지난 수년간 도시 에너지로 활용 가능한 열 배터리 기술의 성능을 세계 최고 수준으로 올리기 위한 연구를 수행해왔으며, 최근 열 배터리의 핵심 요소 기술인 ‘열량제어장치’를 개발·실증하여 열 배터리 성능을 크게 증가시켰다고 밝혔다.


열 배터리 기술의 핵심 소재는 바로 저온 상변화 물질(low temperature phase change material)이다. 이 물질은 고체에서 액체로 상변화 시 주변의 열을 흡수하고, 반대로 액체에서 고체가 될 때에는 그 열을 주변으로 방출한다.



▲ 열 배터리 시스템 모식도. 축․방열을 하는 상변화물질 캡슐이 보관된 잠열축열조가 병렬적 구조로 연결되어 큰 열저장 탱크를 형성한다.



처음에 액체 상태인 손난로 내부에 들어있는 동전 모양의 스위치를 ‘똑딱’ 하고 건드리면, 내부 액체가 하얗게 굳으며 뜨거운 열을 방출하는 휴대용 손난로가 대표적인 예다. 손난로 사용 후, 재사용하기 위해 물에 넣고 끓이면 그 열을 흡수하여 다시 액체 상태로 돌아간다.


이와 마찬가지로 열 배터리는 한낮의 태양열을 저온 상변화 물질을 이용하여 ‘잠열축열조’라는 탱크에 저장한 후, 사용하고 싶을 때 스위치를 켜 발열시킴으로써 물을 데워 사용하는 원리이다.


연구팀은 최근 항공·우주선에 쓰이던 형상기억합금과 플라즈마 제어 기술을 열 배터리 시스템에 접목하여 뛰어난 성능을 보이는 ‘자동열량제어장치’를 개발했다. 이번에 개발된 ‘자동열량제어장치’는 주변 온도에 반응하여 형상이 변하는 형상기억합금의 특성을 이용한 것이 핵심이다.



▲ 센티스케일의 마이크로 캡슐형 저온 상변화 물질이 저장된 열 배터리



이를 응용 개발한 특수 파이프가 열 배터리 탱크에 적용됨으로써 주변 온도에 따라 관의 지름이 유동적으로 바뀌게 된다. 이를 통해 열 전달 부하를 효과적으로 제어하는 것이 가능하여, 열 배터리가 방출하는 열의 온도를 날씨와 상관없이 온수 공급온도인 45℃로 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 이는 불안정한 공급온수의 온도와 부족했던 온수공급 시간 등의 열배터리 문제점을 획기적으로 개선시켜주는 시스템이다.


또한 연구팀은 플라즈마 제어 기술 중 하나인 ‘코로나 방전’ 기술을 열교환기에 성공적으로 접목시킨 공랭식 열교환기를 개발하였다. 이 기술은 코로나 방전에 의해 발생하는 유동을 적절히 제어함으로써 공급 용수의 온도를 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 팬을 이용하던 기존 공랭 시스템을 크게 진보시킨 기술로, 손톱만한 크기로 소형화가 가능하며 기존 팬보다 1/100 정도의 사용전력으로 구동 가능하다.



▲ 이번에 새로 개발한 자동열량제어장치와 `코로나 방전` 플라즈마 제어기술이 탑재된 열배터리 탱크를 선보인 KIST 도시에너지연구단 신유환 박사(좌)와 신동호 박사



연구팀은 이번 응용 기술을 통해 열 배터리 탱크 관내 열 손실은 최대 56% 감소하며, 탱크 내 저장 열량이 기존 온수 저장 탱크 대비 2.2배 증가함을 밝혔다. 또한 온수 발생 시 운전시간이 응용기술 적용 전보다 70분 이상 증가하는 것을 실험을 통해 증명했다.


신유환 박사는 “이번 연구결과는 도시에너지 해결을 위한 차세대 냉난방 시스템의 명확한 발전 방향을 제시한 것”이라며 “향후 상용화 실증단계를 거쳐 제로하우스 등 건물 에너지 자립화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘Energy Conversion and Management’ 최신호에 게재되었다.


최우석 기자 choiws@100m.co.kr

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