압축공기 에너지 저장

압축공기 에너지 저장(Compressed-air energy storage, CAES)은 압축공기를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위해 에너지 저장하는 방법이다. 공익사업 규모에서는 수요가 적은 기간 동안 생성된 에너지를 최대 부하 기간 동안 방출할 수 있다.

최초의 공익사업 규모 CAES 프로젝트는 엘스플레트의 훈토르프 발전소에서 시작되었으며,  현재까지 가동 중이다. 훈토르프 발전소는 처음에는 화력 발전소에서 생산된 전력의 부하 분산 장치로 개발되었으나, 재생 가능 에너지로의 세계적인 전환으로 인해 CAES 시스템에 대한 관심이 다시 높아졌다. 이는 태양광 발전 및 풍력 발전과 같이 매우 간헐적인 에너지원이 변동하는 전력 수요를 충족시키는 데 도움이 되기 때문이다.

대규모 설계의 지속적인 과제 중 하나는 열 에너지 관리이다. 공기 압축은 원치 않는 온도 상승을 야기하여 작동 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 손상을 초래할 수도 있기 때문이다. 다양한 아키텍처의 주요 차이점은 열 공학에 있다. 한편, 소규모 시스템은 오랫동안 광산 기관차의 추진을 위해 사용되어 왔다. 기존 배터리와 비교할 때, 압축 공기 시스템은 더 긴 시간 동안 에너지를 저장할 수 있으며 유지 보수 비용이 적게 든다.

 유형 
섬네일 |햇빛과 같은 에너지원에서 에너지를 사용하여 공기를 압축하고, 이를 통해 위치 에너지를 부여한다. 저장된 위치 에너지는 나중에 전력으로 변환되어, 원래의 에너지원을 사용할 수 없을 때에도 전력망에 공급된다.
공기를 압축하면 열이 발생한다. 공기는 압축 후에 더 따뜻해진다. 팽창하면 열이 제거된다. 추가적인 열이 가해지지 않으면 공기는 팽창 후에 훨씬 더 차가워진다. 압축 중에 발생한 열을 저장하여 팽창 중에 사용할 수 있다면 저장 효율이 상당히 향상된다. CAES 시스템이 열을 처리하는 방법에는 여러 가지가 있다. 공기 저장은 단열, 단열 손실, 등온 또는 준등온 방식이 될 수 있다.

 단열 
단열 저장(Adiabatic storage)은 압축으로 생성된 에너지를 계속 저장하고, 전력을 생성하기 위해 공기가 팽창할 때 그 에너지를 공기로 되돌린다. 이는 진행 중인 연구 주제이며, 2015년 현재 상업적 규모의 발전소는 없다. 단열 저장의 이론적인 에너지 효율은 완벽한 단열 상태에서 100%에 가깝지만, 실제로는 왕복 효율이 70%로 예상된다. 열은 콘크리트나 돌과 같은 고체 또는 고온 오일(최대 300°C)이나 용융염 용액(600°C)과 같은 유체에 저장할 수 있다. 뜨거운 물에 열을 저장하면(100°C?) 약 65%의 효율을 얻을 수 있다.

충전층은 단열 시스템의 열 저장 장치로 제안되었다. 한 연구는 충전층 열 에너지 저장을 사용하는 단열 압축 공기 에너지 저장 시스템을 수치적으로 시뮬레이션했다. 연속 운전 시 시뮬레이션된 시스템의 효율은 70.5%에서 71% 사이로 계산되었다.

단열 CAES의 발전은 압축 과정에서 발생하는 열을 포착하고 재사용하는 고효율 축열 시스템의 개발을 포함한다. 이러한 혁신은 시스템 효율을 70% 이상으로 높여, 기존 단열 손실 시스템보다 훨씬 높은 수준을 달성했다.

 단열 손실 
단열 손실 저장(Diabatic storage)은 인터쿨러를 사용하여 압축열의 대부분을 대기로 폐기물로 발산시킨다(따라서 거의 등온 압축에 가까워진다). 이는 본질적으로 압축 작업에 사용된 에너지를 낭비하는 것이다. 저장소에서 공기를 빼낼 때, 이 압축 공기의 온도는 이 공기에 남아있는 저장 에너지의 양을 나타내는 유일한 지표이다. 결과적으로, 공기 온도가 에너지 회수 과정에 너무 낮다면, 공기는 터빈에서 팽창하여 발전기를 구동하기 전에 상당량 재가열되어야 한다. 이러한 재가열은 공익사업 규모 저장의 경우 천연가스를 연료로 사용하는 버너로, 또는 가열된 금속 덩어리로 달성할 수 있다. 재생 에너지원이 조용할 때 회수가 가장 필요한 경우가 많기 때문에, 낭비된 열을 보충하기 위해 연료를 태워야 한다. 이는 저장-회수 사이클의 효율을 저하시킨다. 이 방법은 비교적 간단하지만, 연료 연소는 회수된 전기 에너지의 비용을 증가시키고 대부분의 재생 가능 에너지원과 관련된 생태학적 이점을 저해한다. 그럼에도 불구하고, 이것은 현재까지 상업적으로 구현된 유일한 시스템이다.

매킨토시 (앨라배마주), CAES 발전소는 에너지 출력 1 MJ당 2.5 MJ의 전력과 1.2 MJ의 저위발열량(LHV) 가스를 필요로 하며, 이는 약 27%의 에너지 회수 효율에 해당한다. 제너럴 일렉트릭 7FA 2x1 복합 화력 발전소는 운전 중인 천연가스 발전소 중 가장 효율적인 발전소 중 하나로, 1 MJ 생성당 1.85 MJ (LHV)의 가스를 사용하여 54%의 열효율을 달성한다.

단열 손실 CAES 시스템의 효율을 개선하기 위해 현대적인 설계는 압축 중 폐열을 포착하는 열회수 장치를 통합하여 에너지 손실을 줄이고 전체 성능을 향상시킨다.

 등온 
등온 압축 및 팽창 방식은 환경과의 지속적인 열교환을 통해 작동 온도를 유지하려고 한다. 왕복 압축기에서는 지느러미가 달린 피스톤과 낮은 사이클 속도를 사용하여 이를 달성할 수 있다. 효과적인 열교환기의 현재 과제는 낮은 전력 수준에서만 실용적이라는 것을 의미한다. 등온 에너지 저장의 이론적 효율은 환경에 대한 완벽한 열 전달의 경우 100%에 가깝다. 실제로는 완벽한 열역학적 사이클을 얻을 수 없으며, 일부 열 손실은 불가피하여 거의 등온 과정이 된다. 등온 CAES의 최근 개발은 압축 및 팽창 중에 일정한 공기 온도를 유지하여 에너지 손실을 최소화하고 시스템 효율을 향상시키는 고급 열 관리 기술 및 재료에 중점을 둔다.

 준등온 
준등온 압축(및 팽창)은 열 흡수 및 방출 구조물(HARS) 또는 물 분사와 같이 크고 비압축성인 열 덩어리에 매우 가깝게 가스를 압축하는 과정이다. HARS는 일반적으로 일련의 평행 핀으로 구성된다. 가스가 압축되면 압축열이 열 덩어리로 빠르게 전달되어 가스 온도가 안정화된다. 그런 다음 외부 냉각 회로를 사용하여 열 덩어리의 온도를 유지한다. 등온 효율(Z)는 이 과정이 단열 과정과 등온 과정 사이 어디에 놓이는지를 측정하는 척도이다. 효율이 0%이면 완전히 단열 과정이고, 효율이 100%이면 완전히 등온 과정이다. 일반적으로 준등온 과정에서는 90-95%의 등온 효율을 기대할 수 있다.

 하이브리드 CAES 시스템 
하이브리드 압축 공기 에너지 저장(H-CAES) 시스템은 풍력이나 태양 에너지와 같은 재생 가능 에너지원을 기존 CAES 기술과 통합한다. 이러한 통합을 통해 수요가 적은 기간 동안 생성된 잉여 재생 가능 에너지를 저장하고, 최대 수요 시기에 방출하여 전력망 안정성을 향상시키고 화석연료에 대한 의존도를 줄일 수 있다. 예를 들어, 텍사스주의 Apex CAES 발전소는 풍력 에너지를 CAES와 결합하여 일관된 에너지 출력을 제공함으로써 재생 가능 에너지원의 간헐성을 해결한다.

 기타 
등온 CAES의 한 가지 구현 방식은 고압, 중압, 저압 피스톤을 직렬로 사용한다. 각 단계 다음에는 공기 대 공기(또는 공기 대 해수) 열교환기를 통해 주변 공기를 끌어들이는 에어 블라스트 벤투리 펌프가 이어진다. 초기 압축 공기 어뢰 설계는 유사한 방식을 사용했지만, 공기 대신 해수를 사용했다. 벤투리는 이전 단계의 배기가스를 따뜻하게 하고 이 예열된 공기를 다음 단계로 들여보낸다. 이 방식은 H. K. 포터의 광산 기관차와 트램과 같은 다양한 압축 공기 차량에 널리 채택되었다. 여기서 압축열은 사실상 대기(또는 바다)에 저장되었다가 나중에 회수된다.

 압축기와 팽창기 
압축은 전기로 작동하는 터보 압축기를 사용하여 수행할 수 있으며, 팽창은 터보 팽창기 또는 에어 엔진을 사용하여 발전기를 구동하여 전기를 생산할 수 있다.

 저장 
공기 저장 용기는 저장의 열역학적 조건과 사용되는 기술에 따라 다양하다.

 정량 저장(현장 침출법 광산 동굴, 지상 용기, 대수층, 자동차 응용 분야 등)
 정압 저장(수중 압력 용기, 하이브리드 양수 발전/압축 공기 저장)

 정량 저장 
이 저장 시스템은 특정 경계를 가진 챔버를 사용하여 많은 양의 공기를 저장한다. 이는 열역학적 관점에서 볼 때 이 시스템이 정량 및 가변 압력 시스템임을 의미한다. 이로 인해 압축기와 터빈에 일부 작동 문제가 발생하므로 압력 변화는 특정 한계 이하로 유지되어야 하며, 저장 용기에 가해지는 응력도 마찬가지이다.

저장 용기는 종종 소금 암염층에 용액 채굴법 (소금을 물에 용해시켜 추출)으로 생성된 동굴을 이용하거나, 폐광을 사용하기도 한다. 천연가스 매장지에서 발견되는 것과 같이 다공성 및 투과성 암석층(액체나 공기가 통과할 수 있는 상호 연결된 구멍이 있는 암석)의 사용도 연구되었다.

일부 경우에는 지상 파이프라인이 저장 시스템으로 시험되어 좋은 결과를 얻었다. 분명히 시스템 비용은 더 높지만, 설계자가 원하는 곳에 배치할 수 있는 반면, 지하 시스템은 특정 지질 형성(염분 돔, 대수층, 고갈된 가스전 등)이 필요하다.

 정압 저장 
이 경우 저장 용기는 일정한 압력으로 유지되는 반면, 가스는 가변 부피 용기에 담긴다. 여러 유형의 저장 용기가 제안되었으며, 일반적으로 액체 변위를 이용하여 등압 작동을 달성한다. 이러한 경우 저장 용기는 지상에서 수백 미터 아래에 위치하며, 저장 용기 위의 수주(水柱)의 정수압(수두)이 압력을 원하는 수준으로 유지한다.

이러한 구성은 다음을 가능하게 한다.
 저장 시스템의 에너지 밀도 향상: 저장된 모든 공기를 사용할 수 있기 때문이다(압력은 전체 또는 비어 있는 모든 충전 조건에서 일정하므로 터빈이 이를 활용하는 데 문제가 없다. 반면 정량 시스템에서는 압력이 안전 한계 이하로 떨어지면 시스템이 중단되어야 한다).
 팽창 전의 스로틀링 요구 사항 제거.
 축열 시스템에서 다른 온도의 열이 섞이는 것을 방지하여 비가역성을 줄인다.
 일정한 입구 조건에서 작동하는 터보 기계의 효율성 향상.
 CAES 발전소 위치에 다양한 지리적 위치 활용(해안선, 부유식 플랫폼 등).

반면에 이 저장 시스템의 비용은 선택된 저수지(종종 바다) 바닥에 저장 용기를 배치해야 하고 용기 자체의 비용 때문에 더 높다.

다른 접근 방식은 물 대신 수 미터의 모래 아래에 큰 가방을 묻는 것이다.

발전소는 피크 쉐이빙 일일 주기로 운영되며, 밤에 충전하고 낮에 방전한다. 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소는 추출되는 에너지 양을 늘리기 위해 압축 공기를 천연 가스나 지열 열로 가열하는 방법을 연구해 왔다.

압축공기 에너지 저장은 소규모로도 활용될 수 있는데, 예를 들어 에어카와 공기 구동 기관차에서 사용되며, 고강도(예: 탄소섬유) 공기 저장 탱크를 사용할 수 있다. 압축공기에 저장된 에너지를 유지하기 위해서는 이 탱크가 환경으로부터 열적으로 격리되어야 한다. 그렇지 않으면 공기를 압축하면 온도가 올라가기 때문에 저장된 에너지는 열의 형태로 빠져나갈 것이다.

 환경적 영향 
CAES 시스템은 공기 저장용 소금 동굴과 작동 매체로서 주변 공기와 같은 자연 발생 자원에 의존하기 때문에 다른 대규모 에너지 저장 기술에 비해 환경 친화적인 대안으로 종종 간주된다. 리튬 이온 전지와 같이 리튬 및 코발트와 같은 유한 자원의 추출이 필요한 것과 달리, CAES는 수명 주기 동안 환경 발자국이 최소화된다.

그러나 CAES 시설 건설에는 고유한 과제가 따른다. 지하 공기 저장은 염돔과 같은 지질학적 형성이 필요하며, 이는 지리적으로 제한적이다. 부적절한 부지 선정 또는 건설 중 잘못된 관리는 지역 생태계의 교란, 지반 침하 또는 지하수 오염으로 이어질 수 있다.

긍정적인 측면에서, 재생 가능 에너지원과 통합된 CAES 시스템은 최대 수요 시기에 청정 에너지의 저장 및 공급을 가능하게 하여 온실 기체 배출량을 크게 줄이는 데 기여한다. 또한, 고갈된 천연가스 저장시설 또는 기타 지질학적 형성을 공기 저장용으로 재활용하면 환경 영향을 완화하고 기존 인프라의 유용성을 확장할 수 있다.

 경제적 고려사항 
CAES 시스템 구현 비용은 현장의 지질 조건, 시설 규모, 사용되는 CAES 공정 유형(단열과정, 단열 손실 또는 등온과정)에 따라 크게 달라진다. 초기 자본 지출은 상당하며, 대규모 시스템의 경우 종종 kW당 $500에서 $1,200에 이른다. 이 비용에는 주로 지하 저장 동굴 개발, 가스 압축 및 팽창 장비, 축열 장치(고급 시스템용)가 포함된다.

높은 초기 비용에도 불구하고, CAES 시설은 종종 30년 이상에 달하는 긴 운영 수명을 가지며, 주기적인 교체가 필요한 리튬 이온 배터리 저장 시스템에 비해 낮은 유지보수 및 운영 비용을 자랑한다. 이러한 장기적인 비용 효율성은 CAES를 전기 유틸리티 회사 및 전력 계통 운영자에게 특히 매력적으로 만든다.

 정책 및 규제 
시장 동향은 간헐적 에너지원 통합 증가와 전력망 에너지 저장 필요성으로 인해 CAES 기술에 대한 관심이 증가하고 있음을 시사한다. 정부 인센티브와 고효율 압축기 및 터빈과 같은 고급 부품의 비용 하락은 CAES의 경제성을 더욱 높이고 있다.

정부 정책 및 규제 프레임워크는 CAES 채택 및 개발 속도를 결정하는 데 중요하다. 독일 및 미국과 같은 국가는 에너지 저장 기술을 촉진하기 위해 세금 공제 및 보조금을 포함한 다양한 인센티브를 시행해 왔다. 예를 들어, 미국 에너지부의 에너지 저장 그랜드 챌린지는 CAES를 연구 및 개발 자금 지원의 핵심 중점 분야로 포함한다.

CAES의 중요한 규제 장애물 중 하나는 지하 공기 저장 시설에 대한 허가 절차이다. 환경 영향 평가, 토지 사용 승인, 고압 저장 시스템에 대한 안전 표준은 CAES 프로젝트를 지연시키거나 비용을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도시 지역 근처에 위치한 프로젝트는 소음 공해, 대기 질, 고압 공기 저장과 관련된 잠재적 위험에 대한 우려로 인해 추가 조사를 받는 경우가 많다.

국제적으로는 CAES 시스템의 설계, 운영 및 안전 프로토콜을 표준화하기 위한 노력이 진행 중이다. 국제 에너지 기구(IEA)와 유럽 연합과 같은 지역 기관은 현대 에너지 그리드에 CAES 통합을 지원하기 위한 프레임워크 개발에 중요한 역할을 해왔다. 간헐적 에너지원 문제 해결을 목표로 하는 정책은 재생 에너지 채택이 가속화됨에 따라 CAES와 같은 그리드 규모 솔루션을 우선시할 가능성이 높다.

 역사 
기원후 1870년부터 압축공기를 통해 기계적 동력을 직접 전달하는 도시 규모의 압축공기 에너지 시스템이 구축되었다. 프랑스 파리, 영국 버밍엄, 독일 드레스덴, 노이쾰른, 오펜바흐, 아르헨티나 부에노스아이레스와 같은 도시들이 이러한 시스템을 설치했다. 빅토르 팝은 매분 공기 펄스를 보내 시계의 바늘을 바꾸는 방식으로 시계를 작동시키는 최초의 시스템을 구축했다. 이 시스템은 빠르게 발전하여 가정과 산업에 전력을 공급하게 되었다. 1896년 기준으로 파리 시스템은 경공업 및 중공업 모터를 위해 50km의 공기 파이프라인에 550kPa로 2.2MW의 전력을 분배했다. 사용량은 입방미터로 측정되었다. 이 시스템은 당시 가정에 공급되는 에너지의 주요 원천이었으며, 치의학 의사, 재봉사, 인쇄 시설, 빵집의 기계에도 전력을 공급했다.

최초의 상업적 규모 단열 손실 압축공기 에너지 저장 프로젝트는 1978년 독일에서 개설된 290메가와트 훈토르프 발전소로, 용량 의 염돔 동굴을 사용했으며 효율은 42%였다.

최대 를 저장할 수 있는(26시간 동안 최대 를 생산) 발전소가 1991년 매킨토시 (앨라배마주)에 건설되었다. 앨라배마 시설의 6,500만 달러 비용은 전력 용량 kW당 590달러, 저장 용량 kW⋅h당 약 23달러에 해당한다. 이 시설은 의 용액 채굴 염동굴을 사용하여 최대 의 공기를 저장한다. 압축 단계의 효율이 약 82%임에도 불구하고, 팽창 단계는 동일한 양의 전기를 54% 효율로 생산하는 가스 터빈의 1/3에 해당하는 천연 가스 연소를 필요로 한다.

2012년, 제너럴 컴프레션(General Compression)은 게인즈군에 2메가와트 규모의 준등온 프로젝트를 완료했는데, 이는 세계에서 세 번째로 이러한 유형의 프로젝트였다. 이 프로젝트는 연료를 전혀 사용하지 않는다. 이 프로젝트는 2016년에 가동을 중단한 것으로 보인다.

2017년 몰타 대학교의 FLASC는 몰타 섬의 그랜드 하버에 등온 압축 에너지 저장 프로토타입을 배치했다. 이 프로토타입은 11.5bar에서 작동하는 300W 및 530Wh 규모의 소규모 테스트였으며, 96% 이상의 열 효율을 달성했다. 현재 네덜란드에서 해상 풍력 에너지 저장을 위한 시스템을 구축하고 있으며, 그리스 오이누세스에서 시범 운영될 소규모 섬을 위한 재생 에너지 및 저장 "원스톱 상점" 프로젝트가 진행 중이다.

2022년 장쑤성에 60% 효율의 60MW, 300MWh 규모의 시설이 염동굴을 이용하여 가동을 시작했다.

2022년 사르데냐에서 2.5MW, 4MWh 이산화 탄소 압축 에너지 저장 폐쇄형 시설이 가동을 시작했다.

2022년, 장자커우시는 중국 북부에 세계 최초의 100MW급 에너지 저장 시스템을 전력망에 연결했다. 이 시스템은 초임계 열 저장, 초임계 열교환, 고부하 압축 및 팽창 기술을 사용한다. 이 발전소는 400MWh를 70.4% 효율로 저장할 수 있다. 2억 8백만 달러를 들여 350MW, 1.4GWh 염동굴 프로젝트가 산둥성에서 시작되어 2024년에 64% 효율로 가동될 예정이다. 그리고 4시간 동안 700MW, 2.8GWh 규모의 시설 건설이 2024년 중국에서 시작되었다.

 최대 CAES 시설 

+ 저장 용량별 10대 압축 공기 저장 발전소 이름 시운전 날짜 에너지 (MWh) 전력 (MW) 지속 시간 (시간)  효율 % 유형 국가 위치/좌표 참조잉청시20251500300570염동굴중국산둥성2024140035064염동굴중국장자커우시2022400100470중국장쑤성202230060560염동굴중국

 프로젝트 
2009년 미국 에너지부는 캘리포니아주 컨군의 베이커즈필드 근처에서 개발 중인 염수 다공성 암석층을 사용하는 300MW, 3억 5,600만 달러 규모의 퍼시픽 가스 앤드 일렉트릭 컴퍼니 설비의 1단계에 2,490만 달러의 매칭 펀드를 지급했다. 이 프로젝트의 목표는 고급 설계를 구축하고 검증하는 것이었다.

2010년, 미국 에너지부는 이베르드롤라가 뉴욕주 왓킨스 글렌에서 개발 중인 150MW 규모의 염분 기반 프로젝트의 예비 작업에 2,940만 달러를 지원했다. 이 목표는 스마트 그리드 기술을 통합하여 재생 가능한 간헐적 에너지원의 균형을 맞추는 것이다.

최초의 단열 프로젝트인 200메가와트 규모의 ADELE 시설은 2013년 독일에서 건설될 예정이었으며, 100바의 압력에서 의 공기를 사용하여 70%의 효율을 목표로 했다. 이 프로젝트는 2016년까지 미공개 이유로 지연되었다.

스토어일렉트릭(Storelectric Ltd)은 영국 체셔주에 800MWh의 저장 용량을 가진 40MW의 RE100 파일럿 발전소를 건설할 계획이었다(2017년).

하이드로스토어(Hydrostor)는 온타리오주 고데리치에서 최초의 상업용 A-CAES 시스템을 완공하여 2.2MW / 10MWh의 저장 용량을 온타리오 그리드에 공급했다(2019년). 이는 수십 년 만에 상업 운영에 성공한 최초의 A-CAES 시스템이었다.

유럽 연합이 자금을 지원하는 오스트리아의 RICAS (단열) 프로젝트는 압축 과정에서 발생하는 열을 저장하여 효율을 높이기 위해 부순 돌을 사용할 예정이었다 (2020). 이 시스템은 70-80%의 효율을 달성할 것으로 예상되었다.

Apex는 2016년에 텍사스주 앤더슨군에 발전소를 가동할 계획이었다. 이 프로젝트는 2020년까지 지연되었다.

캐나다 회사인 하이드로스토어는 토론토, 고데리치, 안가스, 로사몬드에 4개의 어드밴스드 발전소를 건설할 계획이었다 (2020년). 일부는 부분적으로 물에 열을 저장하여 효율을 65%까지 높였다.

2022년 현재, 로사몬드 (캘리포니아주) 컨군의 Gem 프로젝트는 500MW / 4,000MWh의 저장을 제공할 예정이었다. 샌루이스오비스포의 Pecho 프로젝트는 400MW / 3,200MWh로 계획되었다. 호주 뉴사우스웨일스주의 브로큰힐 프로젝트는 200MW / 1,600MWh였다.

2023년, 앨리언트 에너지는 콜럼비아군 (위스콘신주)에 사르데냐 시설을 기반으로 하는 200MWh 규모의 압축 이산화탄소 시설을 건설할 계획을 발표했다. 이는 미국에서 처음으로 건설되는 종류의 시설이 될 것이다.

북아일랜드의 해저 동굴에 압축 공기 에너지를 저장할 수도 있다.

 저장 열역학 

대부분의 에너지가 시스템에 저장되고 회수될 수 있도록 손실을 무시할 수 있는 거의 열역학적 가역 과정을 달성하기 위해서는 거의 가역적인 등온과정 또는 등엔트로피 과정이 바람직하다.

 등온 저장 
등온 압축 과정에서 시스템 내의 기체는 전체적으로 일정한 온도로 유지된다. 이는 기체와의 열 교환을 필연적으로 요구한다. 그렇지 않으면 충전 중에는 온도가 상승하고 방전 중에는 온도가 하강할 것이다. 이 열 교환은 압축기, 조절기 및 탱크의 연속적인 단계 사이에서 열교환기(중간 냉각)를 통해 달성할 수 있다. 에너지 낭비를 피하려면 중간 냉각기는 높은 열전달과 낮은 압력 강하에 최적화되어야 한다. 소형 압축기는 압축 챔버의 상대적으로 높은 표면적-부피비와 그 결과 압축기 자체의 열 방출 개선으로 인해 중간 냉각 없이도 등온 압축에 근접할 수 있다.

완벽한 등온 저장(및 방전)을 달성하면 과정은 "가역적"이라고 한다. 이는 주변과 기체 사이의 열 전달이 무한히 작은 온도 차이를 통해 발생해야 함을 의미한다. 이 경우 열 전달 과정에서 엑서지 손실이 없으므로 압축 작업이 팽창 작업으로 완전히 회수될 수 있다. 즉, 100% 저장 효율을 달성한다. 그러나 실제로는 모든 열 전달 과정에서 항상 온도 차이가 발생하므로 모든 실제 에너지 저장은 100%보다 낮은 효율을 얻는다.

등온 과정에서 압축/팽창 작업을 추정하기 위해 압축 공기가 이상기체 법칙을 따른다고 가정할 수 있다.

초기 상태 A에서 최종 상태 B까지, 절대 온도 가 일정한 과정의 경우, 압축에 필요한 작업(음수) 또는 팽창에 의해 수행되는 작업(양수)은 다음과 같다.


여기서 이므로 이다.

여기서 는 절대 압력, 는 압축된 기체의 (알 수 없는) 부피, 는 용기의 부피, 은 기체의 물질량(mol), 은 이상기체 상수이다.

용기 외부의 압력이 초기 압력 와 같은 일정한 압력이라면, 외부 압력의 양의 일은 활용 가능한 에너지(음수 값)를 감소시킨다. 이로 인해 위 방정식에 항이 추가된다.


 예시

주변 압력이 일 때, 의 압력으로 1m3 저장 용기에 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있을까? 이 경우 공정 작업은 다음과 같다.

  =
 = 7.0 MPa × 1 m3 × ln(0.1 MPa/7.0 MPa) + (7.0 MPa − 0.1 MPa) × 1 m3 = −22.8 MJ.

음의 부호는 주변이 기체에 일을 한다는 것을 의미한다. (열 전달과 같은) 공정의 비가역성은 팽창 과정에서 회수되는 에너지가 압축 과정에 필요한 에너지보다 적게 만들 것이다. 예를 들어, 환경이 일정한 온도라면, 중간 냉각기의 열 저항은 압축이 주변 온도보다 약간 높은 온도에서 발생하고 팽창은 주변 온도보다 약간 낮은 온도에서 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 완벽한 등온 저장 시스템은 달성 불가능하다.

 단열(등엔트로피) 저장 
단열 과정은 유체와 주변 사이에 열 전달이 없는 과정이다. 즉, 시스템이 열 전달에 대해 단열되어 있다. 이 과정이 내부적으로 가역적이라면 (이상적인 한계까지 마찰이 없다면), 추가적으로 등엔트로피 과정이 된다.

단열 저장 시스템은 압축 과정 중에 중간 냉각을 없애고, 압축 중에 가스가 가열되고 팽창 중에 냉각되도록 단순히 허용한다. 이는 열 전달과 관련된 에너지 손실이 방지되므로 매력적이지만, 단점은 저장 용기가 열 손실에 대해 단열되어야 한다는 것이다. 또한 실제 압축기와 터빈은 등엔트로피적이지 않으며, 대신 약 85%의 등엔트로피 효율을 갖는다는 점도 언급해야 한다. 그 결과 단열 시스템의 왕복 저장 효율 또한 완벽하지 않다.

 대규모 저장 시스템 열역학 
에너지 저장 시스템은 종종 대규모 동굴을 사용한다. 이는 매우 큰 부피와 그에 따른 작은 압력 변화로 많은 양의 에너지를 저장할 수 있기 때문에 선호되는 시스템 설계이다. 가스는 온도 변화가 거의 없이(가역 등온 시스템에 가까워지도록) 단열 압축되며, 열 손실도 적다(등엔트로피 시스템에 가까워지도록). 이러한 장점은 가스 저장 시스템 건설 비용이 저렴하다는 점 외에도 지하 벽을 사용하여 압력을 유지하는 데 도움이 된다는 점에 있다. 동굴 공간은 효율을 향상시키기 위해 단열할 수 있다.

대규모 동굴 저장과 유사한 열역학적 특성을 가진 해저 단열 에어백이 제안되었다.

 차량 응용 분야 

 운송의 실제적 제약 
차량이나 항공기에서 공기 저장을 실용적인 육상 또는 항공 운송에 사용하려면 에너지 저장 시스템이 작고 가벼워야 한다. 에너지 밀도와 비에너지는 이러한 원하는 특성을 정의하는 공학적 용어이다.

 비에너지, 에너지 밀도, 효율 
위 가스 저장의 열역학 섹션에서 설명한 바와 같이 공기를 압축하면 가열되고 팽창하면 냉각된다. 따라서 실용적인 공기 엔진은 과도하게 높거나 낮은 온도를 피하기 위해 열교환기를 필요로 하며, 그럼에도 불구하고 이상적인 정온 조건이나 이상적인 단열 상태에 도달하지 못한다.

그럼에도 불구하고 위에서 언급했듯이 등온 사례를 사용하여 저장 가능한 최대 에너지를 설명하는 것이 유용하며, 이는 약 100kJ/m3 [ ln(PA/PB)] 정도이다.

따라서 대기 중 1.0m3의 공기를 5L 병에 의 압력으로 매우 천천히 압축하면 저장되는 잠재 에너지는 530kJ이다. 매우 효율적인 공기 모터는 초기 20MPa 압력에서 100kPa(대기압에서 병이 완전히 "비어 있음")까지 공기를 팽창시키는 데 성공하면 이 에너지를 운동 에너지로 변환할 수 있다. 높은 효율을 달성하는 것은 주변 환경으로의 열 손실과 회수 불가능한 내부 가스열 때문에 기술적으로 어려운 과제이다.실제 시스템의 열 손실은 저장 섹션에 설명되어 있다. 위의 병을 1MPa로 비우면 모터 축에서 추출 가능한 에너지는 약 300kJ이다.

표준 20 MPa, 5 L 강철 병의 질량은 7.5 kg이고, 우수한 것은 5 kg이다. 고강도 섬유(예: 탄소섬유 또는 케블라)는 이 크기에서 2 kg 미만이며, 법적 안전 규정에 부합한다. 표준 온도 압력에서 20 °C의 공기 1입방미터는 1.204 kg의 질량을 갖는다. 따라서 이론적인 비에너지는 일반 강철 병의 경우 모터 축에서 약 70 kJ/kg, 고급 섬유 감김 병의 경우 180 kJ/kg이며, 동일한 용기에 대한 실제 달성 가능한 비에너지는 40에서 100 kJ/kg이다.

 안전 
대부분의 기술과 마찬가지로 압축 공기도 안전 문제가 있으며, 주로 탱크의 파괴적인 파열이 발생할 수 있다. 안전 규정은 더 높은 무게와 압력 릴리프 밸브와 같은 추가 안전 기능을 비용으로 하여 이러한 발생을 드물게 만든다. 규정은 강철 병의 경우 파열 압력의 40% 미만(안전 계수 2.5), 섬유 감김 병의 경우 20% 미만(안전 계수 5)으로 법적 작동 압력을 제한할 수 있다. 상업용 설계는 ISO 11439 표준을 채택한다. 고압 병은 상당히 강하여 일반적으로 차량 충돌 시 파열되지 않는다.

 배터리와의 비교 
첨단 섬유 강화 병은 충전식 납 축전지와 에너지 밀도 측면에서 유사하다. 배터리는 충전 수준 전체에 걸쳐 거의 일정한 전압을 제공하는 반면, 압력 용기는 가득 찬 상태에서 비어 있는 상태까지 사용되는 동안 압력이 크게 변한다. 넓은 압력 범위에서 높은 효율과 충분한 동력을 유지하도록 공기 엔진을 설계하는 것은 기술적으로 어려운 일이다. 압축 공기는 매우 높은 플럭스 속도로 동력을 전달할 수 있으며, 이는 특히 하이브리드 자동차의 운송 시스템의 주요 가속 및 감속 목표를 충족한다.

압축공기 시스템은 기존 배터리에 비해 압력 탱크의 수명이 길고 재료 독성이 낮다는 장점이 있다. 리튬 인산철 배터리 화학을 기반으로 하는 것과 같은 새로운 배터리 설계는 이러한 문제 중 어느 것도 겪지 않는다. 압축 공기 비용은 잠재적으로 낮지만, 고급 압력 용기는 개발 및 안전 테스트 비용이 많이 들고 현재 대량 생산되는 배터리보다 비싸다.

전기 저장 기술과 마찬가지로 압축 공기는 저장하는 에너지원의 "청정성"만큼만 "청정"하다. 전과정 평가는 전력망의 특정 생성 혼합과 결합된 특정 에너지 저장 기술의 전반적인 배출량 문제를 다룬다.

 엔진 

공압 모터 또는 압축 공기 엔진은 압축 공기의 팽창을 사용하여 엔진의 피스톤을 구동하고 차축을 회전시키거나 터빈을 구동한다.

다음 방법들은 효율을 높일 수 있다.
 고효율의 연속 팽창 터빈
 다단 팽창
 폐열 활용, 특히 하이브리드 열기관 설계에서
 환경열 활용

고효율의 배열은 고압, 중압, 저압 피스톤을 직렬로 사용하며, 각 단계 뒤에는 주변 공기를 공기 대 공기 열교환기 위로 끌어들이는 에어 블라스트 벤투리가 이어진다. 이는 이전 단계의 배기가스를 따뜻하게 하고 이 예열된 공기를 다음 단계로 들여보낸다. 각 단계의 유일한 배기가스는 차가운 공기이며, 이는 만큼 차가울 수 있다. 이 차가운 공기는 자동차의 공기조화에 사용될 수 있다.

추가 열은 1904년 화이트헤드 어뢰처럼 연료를 연소하여 공급할 수 있다. 이는 추가 연료 비용으로 주어진 탱크 부피에 대해 사용 가능한 사거리와 속도를 향상시킨다.

 자동차 

1990년경부터 여러 회사에서 압축 공기 자동차를 개발하고 있다고 주장했지만, 아직 시판된 것은 없다. 일반적으로 주장되는 주요 장점은 도로변 오염 없음, 저렴한 비용, 식용유를 윤활유로 사용, 통합형 공기조화 등이다.

방전된 탱크를 다시 채우는 데 걸리는 시간은 차량 적용에 중요하다. "부피 이동"은 미리 압축된 공기를 고정식 탱크에서 차량 탱크로 거의 즉시 이동시킨다. 또는 고정식 또는 온보드 가스 압축기가 필요할 때 공기를 압축할 수 있으며, 이는 몇 시간이 걸릴 수 있다.

 선박 
대형 선박용 디젤 엔진은 압축 공기를 사용하기 시작했으며, 일반적으로 20~30 bar 사이의 대형 병에 저장된 공기가 특수 시동 밸브를 통해 피스톤에 직접 작용하여 연료 분사를 시작하기 전에 크랭크축을 회전시킨다. 이러한 배열은 전기 시동 모터보다 더 작고 저렴하며, 선박의 발전기 및 배전 시스템에 과도한 부하를 주지 않고 필요한 매우 높은 동력을 즉시 공급할 수 있다. 압축 공기는 일반적으로 더 낮은 압력으로 엔진을 제어하고 실린더 배기 밸브에 작용하는 스프링 힘으로 사용되며, 때로는 공압 PID 제어기를 포함하여 다른 보조 시스템 및 선상 공기 도구를 작동하는 데 사용된다. 이 접근 방식의 한 가지 장점은 전력 차단 시 저장된 압축 공기로 구동되는 선박 시스템이 중단 없이 계속 작동할 수 있으며, 전기 공급 없이 발전기를 재시동할 수 있다는 것이다. 또 다른 장점은 공압 도구가 일반적으로 습한 환경에서 감전 위험 없이 사용될 수 있다는 것이다.

 하이브리드 차량 

공기 저장 시스템은 비교적 낮은 출력 밀도와 차량 주행 거리를 제공하지만, 높은 효율은 기존 내연기관을 주 동력원으로 사용하는 하이브리드 차량에 매력적이다. 공기 저장은 회생 제동에 사용될 수 있으며, 모든 출력/RPM 수준에서 효율이 동일하지 않은 피스톤 엔진의 사이클을 최적화하는 데 사용될 수 있다.

보쉬와 PSA 푸조 시트로엥은 압축 질소 탱크로 에너지를 전달하고 회수하는 방식으로 유압을 사용하는 하이브리드 시스템을 개발했다. 연료 소비가 최대 45% 감소했다고 주장하며, 이는 푸조 208과 같은 소형 차체의 경우 NEDC에서 2.9L/100km(81mpg, 69g CO2/km)에 해당한다. 이 시스템은 경쟁 전기 및 플라이휠 KERS 시스템보다 훨씬 저렴하다고 주장되며, 2016년까지 도로 차량에 적용될 것으로 예상된다.

 에어 엔진의 역사 
섬네일|위 H. K. 포터 사가 제작한 압축 공기 기관차. 1928년부터 1961년까지 홈스테이크 광산에서 사용되었다.
공기 엔진은 19세기부터 중앙 집중식 도시 수준의 분배를 통해 광산 기관차, 펌프, 드릴, 트램에 동력을 공급하는 데 사용되었다. 경주용 자동차는 압축 공기를 사용하여 내연기관을 시동하고, 대형 디젤 엔진은 시동용 공압 모터를 가질 수 있다.

 시스템 유형 
 하이브리드 시스템 
브레이턴 사이클 엔진은 내연기관에 적합한 연료로 공기를 압축하고 가열한다. 예를 들어, 천연가스 또는 바이오가스를 연소하여 압축 공기를 가열한 다음, 기존 가스 터빈 엔진 또는 제트 엔진의 후방 부분이 팽창하여 일을 생성한다.

압축 공기 엔진은 전기 배터리를 충전할 수 있다. 분명히 기능이 정지된 Energine은 자사의 Pne-PHEV 또는 공압 플러그인 하이브리드 전기차 시스템을 홍보했다.

 기존 하이브리드 시스템 
독일 훈토르프는 1978년에, 미국 매킨토시 (앨라배마주)는 1991년에 하이브리드 발전소를 가동했다. 두 시스템 모두 비피크 시간 에너지를 공기 압축에 사용하고, 전력 생산 단계에서 압축 공기 내에서 천연가스를 연소시킨다.

 미래의 하이브리드 시스템 
아이오와 저장 에너지 공원(ISEP)은 동굴 저장 대신 대수층 저장을 사용했을 것이다. ISEP는 2015년 아이오와주 디모인 근처에 가동될 예정이었던 혁신적인 270메가와트, 4억 달러 규모의 압축 공기 에너지 저장(CAES) 프로젝트였다. 이 프로젝트는 미국 에너지부에 따르면 부지 지질학적 한계로 인해 8년간의 개발 끝에 종료되었다.

오하이오주 노턴에 추가 시설이 개발 중이다. 애크런 (오하이오주)의 전력 회사인 퍼스트에너지는 2009년 11월 2,700MW 규모의 노턴 프로젝트 개발권을 획득했다.

RICAS2020 프로젝트는 폐광을 단열 CAES에 열회수와 함께 사용하려고 시도한다. 압축열은 느슨한 돌로 채워진 터널 섹션에 저장되어 압축 공기가 주 압력 저장실로 들어갈 때 거의 차갑다. 차가운 압축 공기는 표면 터빈을 통해 다시 방출될 때 돌에 저장된 열을 되찾아 전반적인 효율성을 높인다. 2단계 과정은 이론적으로 약 70%의 더 높은 효율을 갖는다.

 수중 저장 

 백/탱크 
깊은 호수와 바다의 물은 고압 용기나 시추 없이도 압력을 제공할 수 있다. 공기는 플라스틱 백과 같은 저렴하고 유연한 용기에 들어간다. 장애물로는 적합한 위치의 제한된 수와 표면과 용기 사이의 고압 파이프라인 필요성이 포함된다. 용기의 저렴한 비용을 감안할 때, 큰 압력(및 깊이)은 그렇게 중요하지 않을 수 있다. 이러한 시스템의 주요 이점은 충전 및 방전 압력이 깊이의 일정한 함수라는 것이다. 카르노 비효율성은 여러 충전 및 방전 단계를 사용하고 강물에서 오는 차가운 물이나 태양열 연못에서 오는 뜨거운 물과 같은 저렴한 열원 및 싱크를 사용하여 증가시킬 수 있다.

 수력 전기 
압축 가스를 사용하여 수력 전기 시스템을 구동함으로써 거의 등압 솔루션이 가능하다. 이 솔루션은 육상에 대형 압력 탱크(및 수중 에어백)를 필요로 한다. 수소 가스는 다른 가스가 상대적으로 적당한 깊이(~500미터)에서도 상당한 정수압을 겪기 때문에 선호되는 유체이다.

유럽의 전력 회사 E.ON은 해저 공기 저장 백을 개발하기 위해 140만 유로(110만 파운드)의 자금을 제공했다. 캐나다의 하이드로스토어(Hydrostor)는 1~4MW 규모로 시작하여 압축 공기 에너지 저장을 위한 수중 저장 "축전기" 상업 시스템을 개발하고 있다.

 부표 
해상 풍력 터빈에서 잉여 풍력 에너지를 사용할 수 있을 때, 스풀에 묶인 부표를 수면 아래로 밀어 넣을 수 있다. 전력 수요가 증가하면 부표가 수면으로 떠오르도록 하여 전력을 생산한다.

 거의 등온 압축 
섬네일|upright=1.5|거의 등온 압축기 및 팽창기의 개략도. 왼쪽은 피스톤이 완전히 후퇴된 상태, 오른쪽은 피스톤이 완전히 삽입된 상태.
여러 가지 거의 등온 압축 방법이 개발되고 있다. Fluid Mechanics는 왕복 피스톤에 부착된 열 흡수 및 방출 구조물(HARS)을 갖춘 시스템을 보유하고 있다. Light Sail은 왕복 실린더에 물 스프레이를 분사한다. SustainX는 반맞춤형 120rpm 압축기/팽창기 내부에 공기-물 거품 혼합물을 사용한다. 이 모든 시스템은 압축 속도에 비해 높은 열확산도로 공기가 압축되도록 보장한다. 일반적으로 이러한 압축기는 최대 1000rpm의 속도로 작동할 수 있다. 높은 열확산도를 보장하기 위해 가스 분자가 열 흡수 표면으로부터의 평균 거리는 약 0.5mm이다. 이러한 거의 등온 압축기는 거의 등온 팽창기로도 사용될 수 있으며, CAES의 왕복 효율을 향상시키기 위해 개발되고 있다.

 같이 보기 
 대체 연료 차량
 무화력 기관차
 전력망 에너지 저장
 유압식 축압기
 에너지 저장 발전소 목록
 공압
 무공해 차량
 극저온 에너지 저장
 공기 모터

 각주 

 외부 링크 

 파리의 압축 공기 시스템 – 기술 노트 1부 2부 3부 4부 5부 6부 (특별 보충, 사이언티픽 아메리칸, 1921)
 일부 국가의 에너지 문제 해결책은 그저 뜨거운 공기에 불과할지도 모른다 (샌디아 국립 연구소, 미국 에너지부).
 MSNBC 기사, 도시, 풍력 발전 저장하여 나중에 사용, 2006년 1월 4일
 전력 저장: 갇힌 바람
 병 속에 바람을 가두다 중서부 유틸리티 그룹이 잉여 풍력 발전을 지하에 저장할 발전소를 건설 중이다
 뉴욕 타임스 기사: 기술; 압축 공기를 이용한 전력 저장
 압축 공기 에너지 저장, 엔트로피 및 효율

분류:에너지 저장