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NEMS 기술에 일반적으로 사용되는 많은 재료는 탄소 기반, 특히 다이아몬드, 탄소 나노튜브 및 그래핀이었다. 이는 주로 NEMS의 요구를 직접적으로 충족시키는 탄소 기반 재료의 유용한 특성 때문이다. 탄소의 기계적 특성(예: 큰 영률)은 NEMS의 안정성에 필수적이며, 탄소 기반 재료의 금속성 및 반도체 전도성은 이들이 트랜지스터로 기능할 수 있게 한다.
그래핀과 다이아몬드 모두 높은 영률, 낮은 밀도, 낮은 마찰, 극히 낮은 기계적 소산, 및 넓은 표면적을 나타낸다. CNT의 낮은 마찰은 거의 마찰이 없는 베어링을 가능하게 하며, 따라서 나노모터, 개폐기 및 고주파 발진기와 같은 NEMS의 구성 요소로서 CNT의 실제 응용에 대한 큰 동기가 되었다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 물리적 강도는 일반적인 재료가 파괴될 수 있는 더 높은 응력 요구 사항을 충족할 수 있도록 하여 NEMS 기술 개발의 주요 재료로서의 사용을 더욱 지지한다.
탄소 기반 재료의 기계적 이점과 함께, 탄소 나노튜브 및 그래핀의 전기적 특성은 NEMS의 많은 전기 부품에 사용될 수 있도록 한다. 나노트랜지스터는 탄소 나노튜브 및 그래핀 모두를 위해 개발되었다. 트랜지스터는 모든 전자 장치의 기본 구성 요소 중 하나이므로, 사용 가능한 트랜지스터를 효과적으로 개발함으로써 탄소 나노튜브와 그래핀은 NEMS에 매우 중요하다.
나노기계 공진기는 종종 그래핀으로 만들어진다. NEMS 공진기의 크기가 작아짐에 따라, 표면적 대 부피 비율에 반비례하여 품질 계수가 감소하는 일반적인 경향이 있다. 그러나 이러한 어려움에도 불구하고, 2400에 달하는 품질 계수를 달성하는 것이 실험적으로 입증되었다. 품질 계수는 공진기 진동의 음색 순도를 설명한다. 또한, 모든 측면에서 그래핀 막을 고정하면 품질 수가 증가할 것이라고 이론적으로 예측되었다. 그래핀 NEMS는 또한 질량, 힘, 및 위치 센서로도 기능할 수 있다.
금속성 탄소 나노튜브.
탄소 나노튜브 (CNT)는 원통형 나노구조를 가진 탄소의 동소체이다. 이들은 말린 그래핀으로 간주될 수 있다. 특정하고 이산적인("카이랄") 각도로 말리면, 말린 각도와 반지름의 조합에 따라 나노튜브가 밴드갭을 갖는지(반도체성) 또는 밴드갭이 없는지(금속성) 결정된다.
금속성 탄소 나노튜브는 높은 전류 밀도를 전달할 수 있기 때문에 나노전자 상호연결용으로도 제안되었다. 이는 전류를 전달하는 전선이 모든 전기 시스템의 또 다른 기본 구성 요소이므로 유용한 특성이다. 탄소 나노튜브는 NEMS에서 매우 많이 사용되어, 매달린 탄소 나노튜브를 다른 나노구조에 연결하는 방법이 이미 발견되었다. 이를 통해 탄소 나노튜브는 복잡한 나노전자 시스템을 형성할 수 있다. 탄소 기반 제품은 적절하게 제어될 수 있고 상호연결 및 트랜지스터로 작용할 수 있기 때문에 NEMS의 전기 부품에서 근본적인 재료 역할을 한다.
CNT 기반 NEMS 스위치.
MEMS 스위치에 비해 NEMS 스위치의 주요 단점은 MEMS의 마이크로초 범위 스위칭 속도 제한으로, 고속 응용 분야의 성능을 저해한다는 것이다. 스위칭 속도 및 작동 전압의 한계는 장치를 마이크로에서 나노미터 스케일로 축소함으로써 극복할 수 있다. 탄소 나노튜브(CNT) 기반 NEMS 스위치와 CMOS 스위치의 성능 매개변수 비교 결과, CNT 기반 NEMS 스위치는 더 낮은 에너지 소비 수준에서 성능을 유지했으며, CMOS 스위치보다 수백 배 더 작은 문턱 이하 누설 전류를 가졌다. 이중 클램핑 구조를 가진 CNT 기반 NEMS는 플로팅 게이트 비휘발성 메모리 응용 분야의 잠재적 솔루션으로 추가 연구되고 있다.
NEMS 기술에 유용한 탄소 나노튜브와 그래핀의 모든 특성에도 불구하고, 이들 제품 모두 구현에 몇 가지 장애물이 있다. 주요 문제 중 하나는 실제 환경에 대한 탄소의 반응이다. 탄소 나노튜브는 산소에 노출될 때 전자적 특성에 큰 변화를 보인다. 마찬가지로, 탄소 기반 재료의 전자적 및 기계적 속성에 대한 다른 변화는 특히 주변 환경과 쉽게 반응할 수 있는 높은 표면적 때문에 구현 전에 완전히 탐색되어야 한다. 탄소 나노튜브는 또한 처리 시 나선성에 따라 금속성 또는 반도체성으로 다양한 전도도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 이 때문에 모든 나노튜브가 적절한 전도도를 갖도록 처리 시 특별한 처리를 해야 한다. 그래핀은 또한 에너지 밴드갭이 없고 본질적으로 전자가 그래핀 기반 장치를 통해 이동하는 방식에 대한 모든 규칙을 변경하기 때문에 전통적인 반도체에 비해 복잡한 전기 전도도 특성을 갖는다. 이는 전통적인 전자 장치 구성이 작동하지 않을 가능성이 높으며, 이러한 새로운 전자 장치에는 완전히 새로운 아키텍처가 설계되어야 함을 의미한다.
나노전기기계 가속도계.
그래핀의 기계적 및 전자적 특성은 NEMS 가속도계, 예를 들어 심장 모니터링 시스템 및 모바일 동작 캡처를 위한 소형 센서 및 액추에이터에 통합하는 데 유리하게 작용했다. 그래핀의 원자 규모 두께는 가속도계가 마이크로 스케일에서 나노 스케일로 축소되면서 시스템에 필요한 감도 수준을 유지할 수 있는 경로를 제공한다.
실리콘 시험 질량을 이중층 그래핀 리본에 매달아, 현재 생산되는 가속도계의 변환기 기능을 갖춘 나노스케일 스프링-질량 및 압저항 변환기를 만들 수 있다. 스프링 질량은 더 높은 정확도를 제공하며, 그래핀의 압저항 특성은 가속으로 인한 변형을 가속도계의 전기 신호로 변환한다. 매달린 그래핀 리본은 동시에 스프링과 압저항 변환기를 형성하여 NEMS 가속도계의 성능을 향상시키면서 공간을 효율적으로 활용한다.
폴리다이메틸실록세인 (PDMS).
높은 접착력과 마찰로 인한 고장은 많은 NEMS에서 우려 사항이다. NEMS는 잘 특성화된 미세가공 기술 때문에 실리콘을 자주 활용하지만, 본질적인 강성은 움직이는 부품을 가진 장치의 기능을 종종 방해한다.
오하이오 주립 연구원들이 수행한 연구는 PDMS 코팅된 단결정 실리콘의 접착 및 마찰 매개변수를 비교했다. PDMS는 기계적으로 조절 가능하며, 화학적으로 불활성이고, 열적으로 안정하며, 기체에 투과성이 있고, 투명하며, 비형광성이고, 생체 적합성이 있으며, 무독성인 실리콘 엘라스토머이다. 폴리머에 본질적인 특성으로, PDMS의 영률은 폴리머 사슬의 가교 정도를 조작하여 두 자릿수 범위에서 변할 수 있으므로 NEMS 및 생물학적 응용 분야에서 실행 가능한 재료가 된다. PDMS는 실리콘과 밀착될 수 있으므로 NEMS 기술에 쉽게 통합되어 기계적 및 전기적 특성을 모두 최적화할 수 있다. PDMS와 같은 폴리머는 비교적 저렴하고, 단순하며, 시간 효율적인 프로토타이핑 및 제조 덕분에 NEMS에서 주목받기 시작하고 있다.
휴지 시간은 접착력과 직접적인 상관관계가 있는 것으로 특성화되었으며, 상대 습도가 증가하면 친수성 폴리머의 접착력이 증가한다. 접촉각 측정 및 라플라스 힘 계산은 PDMS의 소수성 특성을 지지하며, 이는 예상대로 실험적으로 검증된 상대 습도와의 독립성과 일치한다. PDMS의 접착력은 휴지 시간과도 독립적이며, 다양한 상대 습도 조건에서 다용도로 수행할 수 있고, 실리콘보다 낮은 마찰 계수를 갖는다. PDMS 코팅은 슬라이딩 방지와 같은 고속 문제를 완화하는 데 도움이 된다. 따라서 접촉 표면의 마찰은 상당히 높은 속도에서도 낮게 유지된다. 실제로 미세 규모에서는 마찰이 속도 증가에 따라 감소한다. PDMS의 소수성과 낮은 마찰 계수는 다양한 상대 습도 및 높은 상대 슬라이딩 속도에서 수행되는 NEMS 실험에 더 통합될 가능성을 불러일으켰다.
PDMS 코팅 압저항 나노전기기계 시스템 다이어프램.
PDMS는 NEMS 기술에서 자주 사용된다. 예를 들어, 다이어프램에 PDMS 코팅은 클로로포름 증기 감지에 사용될 수 있다.
싱가포르 국립 대학의 연구원들은 상온에서 클로로포름 증기를 감지하기 위해 실리콘 나노와이어(SiNW)가 내장된 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 코팅 나노전기기계 시스템 다이어프램을 발명했다. 클로로포름 증기가 존재하면 마이크로 다이어프램의 PDMS 필름이 증기 분자를 흡수하여 팽창하고, 이는 마이크로 다이어프램의 변형으로 이어진다. 마이크로 다이어프램 내에 심어진 SiNW는 휘트스톤 브리지로 연결되어 변형을 정량적 출력 전압으로 변환한다. 또한 이 마이크로 다이어프램 센서는 저전력 소비로 저비용 처리를 시연한다. 확장성, 초소형 설치 공간 및 CMOS-IC 공정 호환성에 큰 잠재력을 가지고 있다. 증기 흡수 폴리머 층을 변경함으로써 이론적으로 다른 유기 증기를 감지할 수 있는 유사한 방법을 적용할 수 있다.
재료 섹션에서 논의된 PDMS의 고유한 특성 외에도, PDMS는 클로로포름을 흡수하는 데 사용될 수 있으며, 그 효과는 일반적으로 마이크로 다이어프램의 팽창 및 변형과 관련이 있다. 이 연구에서는 다양한 유기 증기도 측정되었다. 우수한 노화 안정성과 적절한 포장으로, 열, 빛 및 방사선에 대한 PDMS의 분해 속도를 늦출 수 있다.
바이오하이브리드 NEMS.
바이오-하이브리드 시스템의 신흥 분야는 생의학 또는 로봇 응용 분야를 위해 생물학적 및 합성 구조 요소를 결합한다. 바이오-나노전기기계 시스템(BioNEMS)의 구성 요소는 DNA, 단백질 또는 나노구조 기계 부품과 같은 나노스케일 크기이다. 예로는 티올-엔 폴리머를 용이하게 상향식 나노구조화하여 교차 결합되고 기계적으로 견고한 나노구조를 생성한 다음 단백질로 기능화하는 것이 포함된다.
컴퓨터 시뮬레이션은 NEMS 장치에 대한 실험 연구의 중요한 부분이었다. 연속체 역학 및 분자동역학(MD)을 통해 실험에 착수하기 전에 전산 모델링을 통해 NEMS 장치의 중요한 동작을 예측할 수 있다. 또한, 연속체 및 MD 기술을 결합하면 엔지니어는 초미세 메시 및 시간 소모적인 시뮬레이션에 의존하지 않고도 NEMS 장치의 안정성을 효율적으로 분석할 수 있다. 시뮬레이션에는 다른 장점도 있다. NEMS 장치 제작과 관련된 시간과 전문 지식이 필요하지 않다. 다양한 전기기계적 효과의 상호 관련 역할을 효과적으로 예측할 수 있다. 실험적 접근 방식에 비해 매개변수 연구를 상당히 쉽게 수행할 수 있다. 예를 들어, 전산 연구는 NEMS 장치의 전하 분포 및 "풀인" 전기기계적 반응을 예측했다. 시뮬레이션을 사용하여 이러한 장치의 기계적 및 전기적 동작을 예측하면 NEMS 장치 설계 매개변수를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
NEMS의 신뢰성과 수명 주기.
신뢰성과 과제.
신뢰성은 지정된 제품 수명 동안 고장 없이 구성 요소의 무결성과 성능을 정량적으로 측정하는 척도이다. NEMS 장치의 고장은 기계적, 전기적, 화학적, 열적 요인과 같은 다양한 원인에 기인할 수 있다. 고장 메커니즘 식별, 수율 향상, 정보 부족 및 재현성 문제는 NEMS 장치의 더 높은 신뢰성 수준을 달성하는 데 주요 과제로 확인되었다. 이러한 과제는 제조 단계(예: 웨이퍼 처리, 패키징, 최종 조립)와 제조 후 단계(예: 운송, 물류, 사용) 모두에서 발생한다.
패키징 문제는 MEMS 및 NEMS 전체 비용의 75–95%를 차지하는 경우가 많다. 웨이퍼 다이싱, 장치 두께, 최종 방출 순서, 열팽창, 기계적 응력 격리, 전력 및 열 소산, 크리프 최소화, 매체 격리, 보호 코팅과 같은 요인이 MEMS 또는 NEMS 구성 요소의 설계와 일치하도록 패키징 설계에 고려된다. 박리 분석, 운동 분석 및 수명 테스트는 웨이퍼 수준 캡슐화 기술(예: 캡-투-웨이퍼, 웨이퍼-투-웨이퍼 및 박막 캡슐화)을 평가하는 데 사용되었다. 웨이퍼 수준 캡슐화 기술은 마이크로 및 나노 장치 모두에서 신뢰성을 향상시키고 수율을 높일 수 있다.
NEMS의 제조 공정 초기 단계에서 신뢰성을 평가하는 것은 수율 개선에 필수적이다. 접착력 및 정전기력과 같은 표면 힘의 형태는 표면 지형 및 접촉 기하학에 크게 의존한다. 나노 질감 표면의 선택적 제조는 접촉 면적을 줄여 NEMS의 접착 및 마찰 성능을 모두 향상시킨다. 또한, 엔지니어링된 표면에 나노포스트를 구현하면 소수성을 증가시켜 접착력과 마찰력을 모두 줄인다.
접착력과 마찰력은 NEMS 장치의 적절한 응용을 위해 표면 거칠기를 조절하기 위한 나노패터닝으로도 조작할 수 있다. 오하이오 주립 대학교의 연구원들은 원자/마찰력 현미경(AFM/FFM)을 사용하여 두 가지 유형의 패턴화된 요철(낮은 종횡비 및 높은 종횡비)을 가진 친수성 폴리머에 대한 나노패터닝이 소수성, 접착력 및 마찰에 미치는 영향을 조사했다. 친수성 표면과 소수성 표면의 거칠기는 각각 반비례 및 정비례 관계를 갖는 것으로 밝혀졌다.
큰 표면적 대 부피 비율과 감도 때문에 접착력과 마찰력은 NEMS 장치의 성능과 신뢰성을 저해할 수 있다. 이러한 마찰학적 문제는 이러한 도구의 자연적인 축소로 인해 발생하지만, 구조 재료, 표면 필름 및 윤활유의 조작을 통해 시스템을 최적화할 수 있다. 비도핑 Si 또는 폴리실리콘 필름과 비교하여 SiC 필름은 가장 낮은 마찰 출력을 가지므로 스크래치 저항성이 향상되고 고온에서 기능성이 향상된다. 단단한 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 낮은 마찰, 높은 경도 및 내마모성 외에도 화학적 및 전기적 저항성을 나타낸다. 습윤을 줄이고 소수성을 높이는 요인인 거칠기는 접촉각을 높여 습윤을 줄이고 장치의 낮은 접착력 및 환경과의 상호작용을 허용함으로써 최적화될 수 있다.
재료 특성은 크기에 따라 달라진다. 따라서 NEMS 및 나노 스케일 재료의 고유한 특성을 분석하는 것은 NEMS 장치의 신뢰성과 장기적인 안정성을 유지하는 데 점점 더 중요해진다. 나노 재료의 경도, 탄성 계수 및 굽힘 테스트와 같은 일부 기계적 특성은 가공 공정을 거친 재료에 나노 인덴터를 사용하여 결정된다. 그러나 이러한 측정은 장치가 산업에서 장기간 또는 주기적인 응력 및 변형 하에서 어떻게 작동할지 고려하지 않는다. 세타 구조는 독특한 기계적 특성을 나타내는 NEMS 모델이다. Si로 구성된 이 구조는 높은 강도를 가지며 나노 스케일에서 응력을 집중시켜 재료의 특정 기계적 특성을 측정할 수 있다.
잔류 응력.
구조적 무결성의 신뢰성을 높이려면 재료 구조와 고유 응력의 특성화를 적절한 길이 스케일에서 수행하는 것이 점점 더 중요해진다. 잔류 응력의 영향에는 골절, 변형, 박리 및 나노 크기 구조 변화가 포함되지만 이에 국한되지 않으며, 이는 작동 실패 및 장치의 물리적 열화를 초래할 수 있다.
잔류 응력은 전기적 및 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 다양한 광전지 및 발광 다이오드(LED) 응용 분야에서 반도체의 밴드갭 에너지는 잔류 응력의 영향에 따라 조정될 수 있다.
원자간력 현미경(AFM) 및 라만 분광법을 사용하여 힘 볼륨 이미징, 지형 및 힘 곡선 측면에서 박막의 잔류 응력 분포를 특성화할 수 있다. 또한, 잔류 응력은 시차 주사 열량계(DSC) 및 온도 의존성 X선 회절(XRD)을 사용하여 나노 구조의 녹는점을 측정하는 데 사용될 수 있다.
현재 많은 NEMS 장치의 상업적 적용을 막고 있는 주요 장애물에는 낮은 수율과 높은 장치 품질 변동성이 포함된다. NEMS 장치를 실제로 구현하기 전에 탄소 기반 제품의 합리적인 통합이 이루어져야 한다. 최근 이 방향으로의 한 단계는 다이아몬드에서 시연되었으며, 실리콘과 비슷한 수준의 처리 수준을 달성했다. 초점은 현재 실험 작업에서 이러한 새로운 장치를 구현하고 이점을 얻을 실용적인 응용 및 장치 구조로 이동하고 있다. 극복해야 할 다음 과제는 이러한 탄소 기반 도구의 모든 특성을 이해하고 이러한 특성을 사용하여 낮은 고장률로 효율적이고 내구성 있는 NEMS를 만드는 것이다.
탄소 기반 재료는 뛰어난 기계적 및 전기적 특성 때문에 NEMS 사용을 위한 주요 재료로 사용되었다.
최근, 칼코게나이드 유리의 나노와이어는 영률의 능동 변조가 가능하여 조절 가능한 NEMS를 설계하는 핵심 플랫폼으로 밝혀졌다.
NEMS의 세계 시장은 2022년까지 1억 888만 달러에 이를 것으로 전망된다.
나노전기기계 기반 외팔보.
캘리포니아 공과대학교의 연구원들은 매우 높은 주파수(VHF)까지 기계적 공진을 갖는 NEM 기반 외팔보를 개발했다. 압저항 박막 금속 필름을 기반으로 한 전자식 변위 변환기가 통합되어 명확하고 효율적인 나노 장치 판독을 가능하게 한다. 대상 종에 대한 높은 분배 계수를 가진 얇은 폴리머 코팅을 사용하여 장치 표면을 기능화하면 NEMS 기반 외팔보가 아토그램 미만의 질량 분해능으로 상온에서 화학흡착 측정을 제공할 수 있다. NEMS 기반 외팔보의 추가 기능은 센서, 스캐닝 프로브 및 매우 높은 주파수(100 MHz)에서 작동하는 장치 응용 분야에 활용되었다.
메탄올 경제(Methanol economy)는 메탄올과 다이메틸 에터가 에너지 저장 수단, 지상 운송 연료, 합성 탄화수소 및 그 제품의 원재료로서 화석연료를 대체하는 미래 경제를 제안하는 것이다. 이는 제안된 수소경제 또는 에탄올 경제에 대한 대안을 제공하지만, 이러한 개념들이 서로 배타적인 것은 아니다. 메탄올은 화석 연료(천연가스, 석탄, 오일 셰일, 타르 샌드 등)뿐만 아니라 농산물 및 쓰레기, 목재 및 다양한 바이오매스를 포함한 다양한 원료에서 생산될 수 있다. 또한 이산화 탄소의 화학적 재활용을 통해 만들 수도 있다.
노벨상 수상자 조지 앤드루 올라는 메탄올 경제를 옹호했다.
메탄올은 열기관과 연료전지의 연료이다. 높은 옥테인값으로 인해 기존의 내연기관을 사용하는 플렉스 연료 차량 (하이브리드 전기차 및 플러그인 하이브리드 차량 포함)에 연료로 직접 사용될 수 있다. 메탄올은 다른 액체 연료처럼 다른 종류의 엔진에서 연소되거나 열을 공급하는 데 사용될 수도 있다. 연료전지는 직접 메탄올 연료전지 (DMFC)에서 직접 메탄올을 사용하거나 (개질을 통해 수소로 전환된 후) 개질 메탄올 연료전지 (RMFC)에서 간접적으로 사용할 수 있다.
그린 메탄올.
그린 메탄올은 이산화 탄소와 수소를 (CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O) 압력과 열 아래에서 촉매와 결합하여 생산되는 액체 연료이다. 이는 탄소 포집 및 재활용을 재활용하는 방법이다. 메탄올은 액체 수소 및 암모니아가 액체 상태를 유지하기 위해 많은 에너지를 사용해야 하는 것과 비교할 때, 표준 온도 압력에서 경제적으로 수소를 저장할 수 있다. 2023년에는 로라 머스크가 메탄올 연료로 운행되는 최초의 컨테이너선이 되었다. 중서부의 에탄올 공장은 아이오와주, 미네소타주 및 일리노이주에 풍부한 풍력 및 원자력 에너지를 사용하여 순수한 탄소 포집과 수소를 결합하여 그린 메탄올을 만드는 데 좋은 장소이다. 메탄올은 낮에는 보이지 않는 불꽃을 내고 연기를 방출하지 않는 반면, 에탄올은 눈에 보이는 옅은 노란색 불꽃을 내므로 메탄올에 에탄올을 혼합하면 메탄올을 더 안전한 연료로 사용할 수 있다. 70% 효율의 그린 수소 생산과 그로부터 70% 효율의 메탄올 생산은 49%의 에너지 효율이 될 것이다.
메탄올은 이미 오늘날 다양한 화학 물질과 제품을 생산하는 데 대규모로 사용되고 있다. 2015년 기준으로 화학 원료로서 메탄올의 전 세계 수요는 연간 약 4,200만 톤에 달했다. 메탄올-가솔린(MTG) 공정을 통해 가솔린으로 전환될 수 있다. 메탄올-올레핀(MTO) 공정을 사용하여 메탄올은 또한 석유화학 산업에서 가장 많이 생산되는 두 가지 화학 물질인 에틸렌과 프로펜으로 전환될 수 있다. 이들은 필수 고분자(LDPE, HDPE, PP) 생산의 중요한 구성 요소이며 다른 화학 중간체와 마찬가지로 현재 주로 석유 원료에서 생산된다. 따라서 메탄올에서 이들을 생산하면 석유 의존도를 줄일 수 있다. 또한 화석 연료 매장량이 고갈될 때에도 이러한 화학 물질을 계속 생산할 수 있게 할 것이다.
오늘날 대부분의 메탄올은 합성가스를 통해 메테인으로부터 생산된다. 트리니다드 토바고는 세계 최대의 메탄올 생산국으로, 주로 미국으로 수출한다. 메탄올 생산을 위한 원료는 천연가스에서 나온다.
메테인으로부터 메탄올을 얻는 전통적인 방법은 수증기 개질과 부분 산화를 결합하여 (또는 결합하지 않고) 합성가스를 생성하는 과정을 거친다. 메테인을 메탄올로 전환하는 대체 방법도 연구되었다. 여기에는 다음이 포함된다.
이러한 모든 합성 경로는 온실 기체인 CO2를 배출한다. 이를 완화하기 위해 CO2 배출을 최소화하는 방식으로 메탄올을 만들 수 있다. 한 가지 해결책은 바이오매스 가스화로 얻은 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 것이다. 이를 위해 목재, 목재 폐기물, 풀, 농작물 및 그 부산물, 동물 폐기물, 수생 식물 및 도시 폐기물을 포함한 모든 바이오매스를 사용할 수 있다. 옥수수, 사탕수수, 밀에서 에탄올을 생산하는 경우처럼 식량 작물을 사용할 필요가 없다.
메탄올은 화석연료와 바이오매스를 포함한 어떤 원천의 탄소와 수소로부터도 합성될 수 있다. 화석 연료 연소 발전소 및 기타 산업에서 배출되는 CO2, 그리고 궁극적으로 심지어 공기 중에 포함된 CO2도 탄소의 원천이 될 수 있다. 또한 카본 리사이클링 인터내셔널이 첫 상업 규모 플랜트에서 입증한 것처럼 이산화 탄소의 화학적 재활용을 통해 만들 수도 있다. 초기에는 화석 연료 연소 발전소의 CO2가 풍부한 연도 가스 또는 시멘트 및 기타 공장의 배기가스가 주요 원천이 될 것이다. 그러나 장기적으로 화석 연료 자원의 고갈과 그 활용이 지구 대기에 미치는 영향을 고려할 때, 대기 중 낮은 농도의 CO2 자체도 포집하여 메탄올을 통해 재활용될 수 있으며, 이로써 자연의 광합성 주기를 보완할 수 있다. 식물의 능력을 모방하여 대기 중 CO2를 포집하는 효율적인 새로운 흡착제가 개발되고 있다. 따라서 CO2를 새로운 연료 및 물질로 화학적으로 재활용하는 것이 가능해져, 인간의 시간 척도에서 재생 가능하게 될 수 있다.
메탄올은 또한 수소가 물 전기분해를 통해 얻어진 H2를 이용한 CO2의 촉매 수소화에 의해 CO2로부터 대기압에서 생산될 수 있다. 이것이 아이슬란드의 카본 리사이클링 인터내셔널이 사용하는 공정이다. 메탄올은 전력이 있다면 CO2 전기화학적 환원을 통해서도 생산될 수 있다. 탄소 중립이 되기 위해 이러한 반응에 필요한 에너지는 풍력, 수력 및 태양광과 같은 재생 에너지원과 원자력 발전에서 나올 것이다. 사실상 이 모든 것들은 자유 수소에 에너지를 저장하려는 시도 대신, 수소와 이산화탄소에서 즉시 만들어지는 쉽게 운송 가능한 메탄올에 자유 에너지를 저장할 수 있게 한다.
또는 전기 에너지와 함께:
합계:
필요한 CO2는 화석 연료 연소 발전소 및 시멘트 공장을 포함한 다른 산업 연도 가스에서 포집될 것이다. 화석 연료 자원의 감소와 그에 따른 CO2 배출량 감소를 고려하면, 대기 중 CO2 함량도 활용될 수 있다. 대기 중 CO2의 낮은 농도(0.04%)를 고려할 때, CO2를 흡수하기 위한 개선되고 경제적으로 실현 가능한 기술이 개발되어야 할 것이다. 이러한 이유로, 물에 용해된 CO2의 농도가 더 높기 때문에 물에서 CO2를 추출하는 것이 더 실현 가능할 수 있다. 이는 CO2의 화학적 재활용을 가능하게 하여 자연의 광합성을 모방할 것이다.
대규모 재생 메탄올은 주로 발효된 바이오매스 및 쓰레기 (바이오 메탄올)와 재생 전기 (e-메탄올)에서 생산된다. 재생 메탄올의 생산 비용은 현재 바이오 메탄올의 경우 톤당 300~1000달러, 재생 가능한 원천의 이산화탄소로 만든 e-메탄올의 경우 톤당 800~1600달러, 그리고 직접공기포집 이산화탄소로 만든 e-메탄올의 경우 톤당 1100~2400달러 정도이다.
e-메탄올 생산 및 사용 효율.
전기를 사용하여 CO2와 물로 생산되는 메탄올을 e-메탄올이라고 한다. 일반적으로 수소는 물의 전기분해로 생산되며, 이는 다시 CO2와 함께 메탄올로 변환된다. 현재 전기에 의한 수소 생산 효율은 75~85%에 달하며 2030년까지 93%까지 잠재력이 있다. 수소와 이산화탄소의 메탄올 합성 효율은 현재 79~80%이다. 따라서 전기와 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 효율은 약 59~78%이다. CO2를 직접 얻을 수 없고 직접공기포집으로 얻는 경우, 전기 사용에 의한 메탄올 생산 효율은 50~60%에 달한다. 메탄올이 메탄올 연료전지에 사용될 때 연료전지의 전기 효율은 약 35~50%이다 (2021년 기준). 따라서 직접 사용 가능한 CO2로 e-메탄올을 생산하고 이 e-메탄올을 전기 에너지로 전환하는 전체 전기 효율은 약 21~34%이며, 직접공기포집으로 얻은 CO2로 e-메탄올을 생산하는 경우 약 18~30%이다.
폐열이 고온 전기분해에 사용되거나 전기분해, 메탄올 합성 및 연료전지의 폐열이 사용되면 전체 효율은 전기 효율을 훨씬 초과하여 크게 증가할 수 있다. 예를 들어, 전기분해 또는 후속 메탄올 합성으로 e-메탄올을 생산하여 얻은 폐열을 사용하면 (예: 지역 난방용으로) 86%의 전체 효율에 도달할 수 있다. 연료전지의 폐열을 사용하면 85~90%의 연료전지 효율에 도달할 수 있다. 폐열은 예를 들어 차량이나 가정의 난방에 사용될 수 있다. 또한 냉장 장치를 사용하여 폐열로 냉각을 생성하는 것도 가능하다. 폐열을 광범위하게 사용하면 e-메탄올 생산 및 연료전지에서의 후속 e-메탄올 사용에 대해 70~80%의 전체 효율에 도달할 수 있다.
주변 장치(예: 음극 압축기, 스택 냉각)의 모든 손실을 포함한 전기 시스템 효율은 RMFC 유형의 메탄올 연료전지의 경우 약 40~50%이고, LT-PEMFC 유형의 수소 연료전지의 경우 40~55%에 달한다.
아라야 외 연구진은 수소 경로와 메탄올 경로(직접 사용 가능한 CO2로부터의 메탄올)를 비교했다. 여기서 연료 전지를 통한 전력 공급에서 전력 전달까지의 전기 효율은 전력 관리, 조절, 송전, 전기분해를 통한 수소 생산, 메탄올 합성 또는 수소 압축, 연료 운송, 연료 전지 등의 중간 단계를 거쳐 결정되었다. 메탄올 경로의 효율은 23~38%로 조사되었고, 수소 경로의 효율은 24~41%로 조사되었다. 수소 경로에서는 수소 압축 및 수소 운송으로 인해 에너지의 상당 부분이 손실되는 반면, 메탄올 경로에서는 메탄올 합성에 에너지가 필요하다.
헬머스 외 연구진은 차량의 유정에서 바퀴까지 (WTW) 효율을 비교했다. WTW 효율은 화석 휘발유로 작동하는 내연기관 차량의 경우 10~20%, 화석 휘발유로 작동하는 완전 전기 하이브리드 내연기관 차량의 경우 15~29%, 화석 경유로 작동하는 내연기관 차량의 경우 13~25%, 화석 CNG로 작동하는 내연기관 차량의 경우 12~21%, 연료전지 자동차 (예: 화석 수소 또는 메탄올)의 경우 20~29%, 배터리식 전기자동차의 경우 59~80%로 결정되었다.
독일 연구 "아고라 에네르기벤데"에서는 연료 생산을 위해 재생 전기를 사용하는 다양한 구동 기술을 조사했으며, 내연기관 차량(폴리옥시메틸렌 다이메틸 에터와 같은 합성 연료로 작동)의 WTW 효율은 13%, 연료전지 차량(수소로 작동)의 경우 26%, 배터리식 전기자동차의 경우 69%로 결정되었다.
재생 가능한 수소가 사용되는 경우, 수소 연료 전지 자동차의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 14~30%에 달한다.
재생 가능한 e-메탄올이 직접 사용 가능한 CO2로부터 생산될 경우, 이 e-메탄올로 작동하는 내연기관 차량의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 11~21%이고, 이 e-메탄올로 작동하는 연료전지 차량의 경우 약 18~29%이다. 재생 가능한 e-메탄올이 직접공기포집 CO2로부터 생산될 경우, 이 e-메탄올로 작동하는 내연기관 차량의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 9~19%이고, 이 e-메탄올로 작동하는 연료전지 차량의 경우 약 15~26%이다 (2021년 기준).
메탄올 경제 vs. 수소 경제 비용 비교.
연료 비용.
메탄올은 수소보다 저렴하다. 대량(탱크)의 화석 메탄올 가격은 약 0.3~0.5 USD/L이다. 1리터의 메탄올은 0.13 kg의 수소와 동일한 에너지 함량을 가진다. 0.13 kg의 화석 수소 가격은 현재 대량의 경우 약 1.2~1.3 USD이다 (수소 충전소에서는 약 9.5 USD/kg). 중규모 양(1000L 메탄올 IBC 컨테이너 배달)의 경우 화석 메탄올 가격은 보통 0.5~0.7 USD/L, 바이오 메탄올은 약 0.7~2.0 USD/L, CO2에서 얻은 e-메탄올은 약 0.8~2.0 USD/L에 IBC 컨테이너 보증금이 추가된다. 중규모 양의 수소(가스 실린더 묶음)의 경우 0.13 kg의 화석 수소 가격은 보통 5~12 USD에 실린더 대여료가 추가된다. 메탄올에 비해 수소 가격이 훨씬 높은 것은 특히 수소의 복잡한 물류 및 저장 때문이다. 바이오 메탄올과 재생 가능한 e-메탄올은 유통업체에서 구할 수 있지만, 그린 수소는 일반적으로 아직 유통업체에서 구할 수 없다. 재생 가능한 수소와 재생 가능한 메탄올 가격은 미래에 감소할 것으로 예상된다.
미래에는 승용차의 상당 부분이 완전 전기 배터리 차량이 될 것으로 예상된다. 유틸리티 차량 및 트럭의 완전 전기 배터리 차량 비율은 승용차보다 훨씬 낮을 것으로 예상된다. 나머지 차량은 연료 기반이 될 것으로 예상된다. 메탄올 인프라(주유소 1만 개)는 약 0.5~20억 달러가 소요될 것이지만, 수소 인프라(주유소 1만 개)는 수소 주유소의 수소 처리량에 따라 약 16~1400억 달러가 소요될 것이다.
메탄올 연료 내연기관 차량의 경우 가솔린 연료 차량에 비해 크게 추가되는 비용은 없지만, 메탄올 연료 전지 승용차의 경우 수소 연료 전지 승용차에 비해 약 -600에서 2400 USD의 추가 비용이 발생할 수 있다 (주로 개질기, 플랜트 균형 구성 요소 및 아마도 스택에 대한 추가 비용에서 수소 탱크 비용 및 수소 고압 기기 비용을 제외).
광합성 과정에서 녹색 식물은 햇빛 에너지를 사용하여 물을 자유 산소(방출됨)와 자유 수소로 분리한다. 수소를 저장하려고 시도하기보다는, 식물은 즉시 공기 중의 이산화탄소를 포집하여 수소가 이를 탄화수소(식물성 기름 및 테르펜)와 폴리알코올(글리세롤, 설탕 및 녹말)과 같은 저장 가능한 연료로 환원할 수 있게 한다. 메탄올 경제에서는 유사하게 자유 수소를 생산하는 모든 과정이 이를 즉시 "포획적으로" 사용하여 이산화탄소를 메탄올로 환원할 것을 제안한다. 메탄올은 광합성으로 생산된 식물성 제품처럼 자유 수소 자체보다 저장 및 운송에 큰 이점이 있다.
메탄올은 상온에서 액체 상태이므로 휘발유 및 경유와 마찬가지로 쉽게 저장, 운송 및 분배할 수 있다. 또한 탈수 과정을 통해 다이메틸 에터로 쉽게 변환될 수 있는데, 이는 세테인값 55의 디젤 연료 대체제이다.
메탄올은 수용성이다: 환경에 메탄올이 우발적으로 유출되면 유사한 휘발유 또는 원유 기름 유출보다 훨씬 적은 피해를 입힌다. 이러한 연료와 달리 메탄올은 생분해성이며 물에 완전히 용해되므로 미생물이 생분해를 시작하기에 충분히 낮은 농도로 빠르게 희석된다. 이러한 효과는 이미 수처리 시설에서 활용되고 있으며, 메탄올은 이미 탈질 및 박테리아 영양분으로 사용되고 있다. 지하수 오염을 유발하는 우발적 유출은 아직 철저히 연구되지 않았지만, 상대적으로 빠르게 진행될 것으로 예상된다.
수소와의 비교.
수소경제에 비해 메탄올 경제의 장점:
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.
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 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.
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.
공기 저장 용기는 저장의 열역학적 조건과 사용되는 기술에 따라 다양하다.
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.
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.
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.
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.
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.