연구목표

ㅇ 카르노 배터리용 5 MWhth 용량의 고온 열저장 모듈 개발 ㅇ 40 bar 이상, 541℃ 이상 스팀 생산 열저장 모듈 기술 개발 ㅇ 6시간 이상 방열 가능 열저장 모듈 기술 개발 ㅇ 누적 20 cycle 이상의 열저장 모듈 축방열 시험 평가

연구범위

[1차년도 개발내용] ㅇ 열저장 모듈 적용 셀 형태 및 전열관-히터 배치 후보군 도출 ㅇ 도출된 셀 구조 후보군 기반 모듈 내 셀 배치 후보군 도출 ㅇ 온도에 따른 전열관 수축,팽창 고려한 설계 방법 도출 및 셀 입/출구 온도에 따른 전열관부 설계 ㅇ 전열관 내부 계장 설비 위치 검토 및 설비 사양 설계 ㅇ 열저장 콘크리트 구조물의 최적 시공 방법 도출 ㅇ 모듈 support(철골)의 최적구조형식 도출 및 신뢰성 평가 ㅇ 열저장 내구성 검사기술 조사/분석 및 계측/분석기술 조사 ㅇ 열저장 매체 및 단열재 열물성 DB 구축 및 열저장 셀 수치해석 모델 개발 [2차년도 개발내용] ㅇ 열저장 셀 실험장치 구축 및 셀 성능 평가(1세부 개발 레시피 활용) ㅇ 열저장 모듈 해석 모델 구축 및 설계/운전방법 도출 ㅇ 열저장 모듈 BOP 부분 설계/제작 및 제어 시스템 구축 지원 ㅇ 모듈 support(철골) 최적구조의 안전성 검증 및 모듈 구조물의 온도변화에 따른 구조안전성 검토 수행 ㅇ 열저장 모듈 성능 신뢰성 검증용 계측기기 설계 및 설치 방안 도출 ㅇ 모듈 비파괴검사 기술 개발 및 전열관 대상 가속시험을 통한 열피로 시험 ㅇ 열저장 셀의 수치해석 모델 검증 및 모듈 해석 모델 개발 [3차년도 개발내용] ㅇ 5MWhth 성능 열저장 모듈 제작 및 모듈 내 전열관, 히터 설치(1세부 개발 레시피 활용) ㅇ 축/방열 후 열저장 모듈 성능 평가 ㅇ 모듈 연결 배관부 상세 설계 및 실증현장 설치 지원 ㅇ 모듈 구조물 시제품 support(철골) 기초 시공 및 구조물 시제품 시공 ㅇ ESS 연계 인터페이스 기술 등 활용한 실시간 상태 모니터링 시스템 구축 ㅇ 열저장 셀의 수치해석 모델 확립 및 검증 [4차년도 개발내용] ㅇ 단일 모듈에 대해 일정 주기(cycle) 축방열 시험 수행 및 성능 변화 측정을 통한 내구성 평가(계속) ㅇ 모듈 운전 방법 차이에 따른 유량범위, 방열 스팀 차이 등 분석 ㅇ 모듈 구조물 연결구조도출, 설계 및 시공/설계 지침안 개발 ㅇ 실시간 파일럿 플랜트 모니터링 시스템 설계/구축 ㅇ 실시간 열 성능(설계/운전) 정합성 검증 기술 개발 및 검증 ㅇ 실증 운전 데이터 이용 모듈 수치해석 모델 개선 및 성능 예측 모델 개발 [5차년도 개발내용] ㅇ 단일 모듈에 대해 일정 주기(cycle) 축방열 시험 수행 및 성능 변화 측정을 통한 내구성 평가(계속) ㅇ 성능/내구성 시험 결과 반영, 모듈 기본 설계 도서(보고서) 생산 ㅇ 열저장 모듈 trouble shooting 방안 및 이상 시 응급조치 방안 도출 ㅇ 모듈 구조물 표준 설계도서 작성 및 유지관리지침안 개발 ㅇ 실시간 열저장 시스템 신뢰성 평가 및 파일럿 플랜트 내구성 및 비파괴검사 진단 ㅇ 열저장 시스템의 수치해석 및 기계학습 모델 이용, 설계 변수 최적화 및 대용량 시스템 고려한 성능 시뮬레이션 수행

기대효과

ㅇ 예상되는 연구개발 주요 성과 - 카르노배터리용 열저장 셀 시스템과 단열부 해석 및 기본 설계기술 - 열저장 셀 실험장치 제작과 이를 통한 cycle 테스트 및 내구성 평가 기술 - 열저장 모듈 타입 및 내부 구조에 대한 기본 방식 선정 - 열저장 모듈 전열부 및 배관부 설계기술 - 열저장 모듈 콘크리트 구조물 설계 기술 - 수치해석을 통한 셀 및 열저장 모듈 모델 개발 및 축/방열 성능 해석 기술 - 카르노배터리 파일럿 플랜트 적용을 위한 모듈 BOP 선정 및 설계 기술 - 열저장 모듈 시험을 통한 성능 검증 및 모듈 운전 최적화 기술 ㅇ 연구개발성과 활용방안 - 폐지 석탄화력 발전소의 카르노배터리 리트로핏 - 재생전력 흡수 및 계통 안정화에 기여할 수 있는 대용량 ESS - 향후 고온 히트펌프 기술과 결합하여 산업 공정 및 폐열 재활용을 통한 전력 낭비 예방 및 에너지 효율 향상 - 발전플랜트의 기동/정지 및 부하변동을 위한 에너지 저장 장치로써 활용 - 저장된 열의 산업용 열공급을 통한 산업단지 RE100/CF100 달성 기여 - AI 데이터센터 전력 공급 안정화를 위한 열 ESS로 활용 가능할 뿐만 아니라, 향후 데이터센터의 서버에서 발생하는 폐열을 저장한 후 전력으로 재활용하여 서버 냉각을 위해 소요되는 전력 낭비 예방 ㅇ 과학/기술적 측면 기대효과 - 고온(550℃ 이상) 환경에서 장기간 사용 가능한 모듈 소재의 물성 DB를 구축하여, 장주기 에너지 저장장치의 신뢰성 평가 핵심 기술 확보 - 기존 고비용·저안전성 화학적 배터리를 대체할 수 있는 열에너지 기반 에너지 저장 기술(열ESS) 개발 - 재생에너지 증가에 따른 열에너지 기반 장주기 에너지 저장장치 기반 기술 확보 - 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지와 연계하여 에너지 자립형 스마트인프라 구축 가능 - 세계최초 발전소 연계 열저장 기술 적용 Track-Record 확보를 통한 비리튬계 에너지 저장 산업 기반 마련 ㅇ 경제/사회적 측면 기대효과 - 재생전력 확대에 따라 증가하는 글로벌 ESS 시장의 선점 및 해외 수출 기회 창출 - 화석연료발전소의 가동 부담을 줄임으로써 탄소중립 달성 및 재생에너지 활성화 기여 - 해외에서 수입하는 리튬·코발트 등 배터리 원자재의 의존도 저감을 통한 국가 에너지 안보 강화 - 폐지석탄화력 좌초자산 최소화를 통한 경제/사회적 손실 최소화 및 지역경제 유지 - 재생에너지의 간헐성 대응을 통한 공급측 전력망 안정화 ㅇ 인프라 측면 기대효과 - 콘크리트 기반 카르노 배터리를 활용하여 잉여 재생전력을 저장함으로써 전력망 안정화 및 효율 향상 - 전력 사용량 증가에 따른 기존 전력망 추가 확장을 최소화하여 전력망 구축 비용 절감 - 전력수요/공급 불균형뿐만 아니라 열수요/공급 불균형 대응용으로 활용 가능하여 지역별 엔어지 자립 기여 - 재생전력 확대에 따른 잉여전력 흡수 ESS로 활용하여, AI 데이터센터 증가로 인한 전력 수요 증가 대응

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