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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 formula_2가 일정한 과정의 경우, 압축에 필요한 작업(음수) 또는 팽창에 의해 수행되는 작업(양수)은 다음과 같다.
여기서 formula_4이므로 formula_5이다.
여기서 formula_6는 절대 압력, formula_7는 압축된 기체의 (알 수 없는) 부피, formula_8는 용기의 부피, formula_9은 기체의 물질량(mol), formula_10은 이상기체 상수이다.
용기 외부의 압력이 초기 압력 formula_11와 같은 일정한 압력이라면, 외부 압력의 양의 일은 활용 가능한 에너지(음수 값)를 감소시킨다. 이로 인해 위 방정식에 항이 추가된다.
주변 압력이 일 때, 의 압력으로 1m3 저장 용기에 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있을까? 이 경우 공정 작업은 다음과 같다.
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. 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.
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.
공압 모터 또는 압축 공기 엔진은 압축 공기의 팽창을 사용하여 엔진의 피스톤을 구동하고 차축을 회전시키거나 터빈을 구동한다.
다음 방법들은 효율을 높일 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.&lt;ref name='new.scientist.com/vol.195 no.2623 p. 45'&gt;&lt;/ref&gt; 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.
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.
요베쓰촌(余別村)은 한때 홋카이도 샤코탄군에 있던 촌.
플라이휠 에너지 저장(Flywheel energy storage, FES)은 로터(플라이휠)를 회전시키고 시스템의 에너지를 회전 에너지 형태로 유지하는 방식으로 작동한다. 시스템에서 에너지가 추출되면, 에너지 보존 법칙에 따라 플라이휠의 회전 속도가 감소한다. 시스템에 에너지를 추가하면 플라이휠의 속도가 증가한다. 일부 시스템은 낮은 질량/고속 로터를 사용하는 반면, 다른 시스템은 200톤과 같은 매우 무거운 로터를 사용하며 그에 따라 훨씬 낮은 회전 속도를 사용하는데, 이를 계통 규모 플라이휠 에너지 저장이라고 한다.
대부분의 FES 시스템은 전기를 사용하여 플라이휠을 가속 및 감속하지만, 역학적 에너지를 직접 사용하는 장치도 개발되고 있다.
첨단 FES 시스템은 고강도 탄소섬유 복합재로 만든 로터를 사용하며, 자기 베어링으로 지지되어 진공 용기 안에서 20,000rpm에서 50,000rpm 이상의 속도로 회전한다. 이러한 플라이휠은 몇 분 만에 속도를 올릴 수 있으며, 다른 형태의 저장 방식보다 훨씬 빠르게 에너지 용량에 도달한다.
일반적인 시스템은 전동 발전기에 연결된 구름 베어링으로 지지되는 플라이휠로 구성된다. 플라이휠과 때로는 전동 발전기가 마찰 및 에너지 손실을 줄이기 위해 진공 챔버에 밀봉될 수 있다.
1세대 플라이휠 에너지 저장 시스템은 기계식 베어링 위에서 회전하는 대형 강철 플라이휠을 사용한다. 최신 시스템은 강철보다 인장 강도가 높고 동일한 질량에 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 탄소 섬유 복합 로터를 사용한다.
마찰력을 줄이기 위해 때때로 기계식 베어링 대신 자기 베어링이 사용된다.
초전도 베어링의 미래 활용 가능성.
냉동 비용 때문에 저온 초전도체는 자기 베어링에 사용되는 것이 조기에 기각되었다. 그러나 고온 초전도체 (HTSC) 베어링은 경제적일 수 있으며 에너지를 경제적으로 저장할 수 있는 시간을 연장할 수 있다. 하이브리드 베어링 시스템이 먼저 사용될 가능성이 높다. 고온 초전도체 베어링은 역사적으로 더 큰 설계에 필요한 양력을 제공하는 데 문제가 있었지만, 안정화력을 쉽게 제공할 수 있다. 따라서 하이브리드 베어링에서는 영구 자석이 하중을 지지하고 고온 초전도체가 이를 안정화하는 데 사용된다. 초전도체가 하중 안정화에 잘 작동하는 이유는 완벽한 반자성체이기 때문이다. 로터가 중심에서 벗어나려고 하면 자기 선속 고정으로 인한 복원력이 로터를 제자리로 되돌린다. 이를 베어링의 자기 강성이라고 한다. 저강성과 댐핑으로 인해 회전축 진동이 발생할 수 있으며, 이는 초전도 자석의 고유한 문제로, 플라이휠 응용 분야에 완전히 초전도 자기 베어링을 사용하는 것을 방해한다.
자기 선속 고정은 안정화 및 양력을 제공하는 데 중요한 요소이므로 HTSC는 다른 용도보다 플라이휠 에너지 저장에 훨씬 더 쉽게 만들 수 있다. 자기 선속 고정이 강하면 HTSC 분말은 임의의 형태로 형성될 수 있다. 초전도체가 FES 시스템에 완전한 양력을 제공하기 전에 극복해야 할 과제는 초전도 재료의 자기 선속 흐름으로 인해 작동 중 부상력 감소와 로터의 점진적인 낙하를 억제하는 방법을 찾는 것이다.
다른 전기 저장 방식과 비교할 때 FES 시스템은 수명이 길고(거의 또는 전혀 유지보수 없이 수십 년 지속)(플라이휠의 전체 사이클 수명은 105에서 107회 이상의 사용으로 언급됨), 비에너지가 높으며 (100–130 W·h/kg, 또는 360–500 kJ/kg), 최대 전력 출력이 크다. 플라이휠의 에너지 효율(입력 에너지 대비 출력 에너지 비율)은 왕복 효율이라고도 불리며 최대 90%에 달할 수 있다. 일반적인 용량은 3 kWh에서 133 kWh이다. 시스템의 급속 충전은 15분 이내에 이루어진다. 플라이휠과 함께 자주 언급되는 높은 비에너지는 상업적으로 구축된 시스템의 비에너지가 훨씬 낮기 때문에 약간 오해의 소지가 있을 수 있다. 예를 들어 11 W·h/kg 또는 40 kJ/kg이다.
에너지 저장 형태.
여기서 formula_1은 플라이휠 질량의 적분이고, formula_2은 회전 속도(초당 회전수)이다.
플라이휠 로터의 최대 비에너지는 주로 두 가지 요인에 따라 달라진다: 첫째는 로터의 형상, 둘째는 사용되는 재료의 특성이다. 단일 재료, 등방성 로터의 경우 이 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.
형상(형상 계수).
플라이휠 로터의 형상 계수에 대한 최고 가능한 값은 formula_9이며, 이는 이론적인 등응력 원반 형상으로만 달성될 수 있다. 일정한 두께의 원반 형상은 formula_10의 형상 계수를 가지며, 일정한 두께의 막대의 경우 값은 formula_11이다. 얇은 실린더는 formula_12의 형상 계수를 가진다. 샤프트가 있는 대부분의 플라이휠의 경우 형상 계수는 formula_13 이하 또는 그 정도이다. 샤프트 없는 설계는 일정한 두께의 원반과 유사한 형상 계수(formula_14)를 가지며, 이는 두 배의 에너지 밀도를 가능하게 한다.
에너지 저장을 위해서는 고강도 및 저밀도 재료가 바람직하다. 이러한 이유로 복합 재료가 고급 플라이휠에 자주 사용된다. 재료의 비강도는 Wh/kg (또는 Nm/kg)으로 표현될 수 있으며, 특정 복합 재료는 400 Wh/kg 이상의 값을 달성할 수 있다.
로터 재료.
몇몇 현대 플라이휠 로터는 복합 재료로 만들어진다. 예를 들어, 비콘 파워 코퍼레이션(Beacon Power Corporation)의 탄소섬유 복합 플라이휠과 필립스 서비스 인더스트리(Phillips Service Industries)의 파워스루(PowerThru) 플라이휠이 있다. 다른 한편, 캘네틱스(Calnetix)는 플라이휠 제작에 항공우주 등급의 고성능 강철을 사용한다.
이러한 로터의 경우 재료 특성, 형상 및 에너지 밀도 사이의 관계는 가중 평균 접근법을 사용하여 표현될 수 있다.
인장 강도와 파괴 모드.
플라이휠 설계의 주요 한계 중 하나는 로터의 인장 강도이다. 일반적으로 디스크가 강할수록 더 빠르게 회전할 수 있으며 시스템이 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. (강도 증가 없이 플라이휠을 더 무겁게 만들면 파열 없이 플라이휠이 회전할 수 있는 최대 속도가 느려지므로 플라이휠이 저장할 수 있는 총 에너지량이 증가하지는 않는다.)
복합 플라이휠의 외부 바인딩 커버의 인장 강도가 초과되면 바인딩 커버가 파손되고 바깥쪽 휠 압축이 전체 원주를 따라 손실되면서 휠이 산산조각 나며 저장된 모든 에너지가 한 번에 방출된다. 이를 일반적으로 "플라이휠 폭발"이라고 하는데, 휠 조각들이 총알과 맞먹는 운동 에너지를 가질 수 있기 때문이다. 층층이 감겨 붙어 있는 복합 재료는 먼저 서로 얽히고 속도를 늦추는 작은 직경의 필라멘트로 빠르게 분해된 다음, 뜨거운 붉은색 가루로 변한다. 주조 금속 플라이휠은 고속 파편의 큰 덩어리를 튕겨낸다.
주조 금속 플라이휠의 경우 파괴 한계는 다결정 성형 금속의 결정립계의 결합 강도이다. 특히 알루미늄은 피로에 시달리며 반복적인 저에너지 신축으로 미세 균열이 발생할 수 있다. 각도 힘으로 인해 금속 플라이휠의 일부가 바깥쪽으로 구부러져 외부 격납 용기에 끌리거나 완전히 분리되어 내부에서 무작위로 튀어 다닐 수 있다. 나머지 플라이휠은 이제 심하게 불균형 상태가 되어 진동으로 인한 베어링의 급속한 고장과 플라이휠의 큰 부분의 갑작스러운 충격 파손으로 이어질 수 있다.
기존의 플라이휠 시스템은 안전 예방 조치로 강력한 격납 용기를 필요로 하며, 이는 장치의 총 질량을 증가시킨다. 파괴로 인한 에너지 방출은 젤라틴 또는 캡슐화된 액체 내부 하우징 라이닝으로 완화될 수 있는데, 이는 끓어 파괴 에너지를 흡수할 것이다. 그럼에도 불구하고 대규모 플라이휠 에너지 저장 시스템의 많은 고객들은 격납 용기를 벗어날 수 있는 물질을 막기 위해 이를 땅속에 매설하는 것을 선호한다.
에너지 저장 효율.
기계식 베어링을 사용하는 플라이휠 에너지 저장 시스템은 두 시간 동안 에너지의 20%에서 50%를 손실할 수 있다. 이 에너지 손실의 주된 마찰은 지구의 회전으로 인해 플라이휠이 방향을 바꾸는 것(이는 푸코의 진자에서 보이는 것과 유사한 효과)에서 발생한다. 이 방향 변화는 플라이휠의 각운동량이 가하는 자이로스코프 힘에 의해 저항을 받으며, 따라서 기계식 베어링에 힘을 가한다. 이 힘은 마찰을 증가시킨다. 이는 플라이휠의 회전축을 지구의 회전축과 평행하게 정렬함으로써 피할 수 있다.
반대로, 자기 베어링과 고진공을 사용하는 플라이휠은 97%의 기계적 효율과 85%의 왕복 효율을 유지할 수 있다.
차량 내 각운동량의 영향.
차량에 사용될 때 플라이휠은 자이로스코프 역할도 한다. 왜냐하면 플라이휠의 각운동량이 일반적으로 움직이는 차량에 작용하는 힘과 비슷한 크기이기 때문이다. 이러한 특성은 회전하거나 험한 길을 주행할 때 차량의 핸들링 특성에 해로울 수 있다. 경사면으로 주행하면 플라이휠이 측면으로 기울어지는 힘에 저항하여 바퀴가 부분적으로 지면에서 떨어질 수 있다. 반면에 이 특성을 활용하여 급회전 시 차량의 균형을 유지하여 전복을 방지할 수 있다.
플라이휠이 에너지 저장보다는 차량의 자세에 미치는 영향만을 위해 사용될 때, 이를 반작용 휠 또는 제어 모멘트 자이로스코프라고 부른다.
각도 기울어짐에 대한 저항은 짐벌 세트에 플라이휠을 적절히 장착함으로써 거의 완전히 제거할 수 있으며, 플라이휠이 차량에 영향을 미치지 않고 원래 방향을 유지할 수 있게 한다(자이로스코프의 속성 참조). 이는 짐벌 록의 복잡성을 피하지 못하므로, 짐벌 수와 각도 자유도 사이의 절충이 필요하다.
플라이휠의 중앙 축은 단일 짐벌 역할을 하며, 수직으로 정렬되면 수평면에서 360도의 요잉을 허용한다. 그러나 예를 들어 오르막길을 주행하려면 두 번째 피치 짐벌이 필요하며, 경사면을 주행하려면 세 번째 롤 짐벌이 필요하다.
완전 동작 짐벌.
플라이휠 자체는 평평한 링 형태일 수 있지만, 차량 내부에서 자유롭게 움직이는 짐벌 마운트는 플라이휠이 자유롭게 회전할 수 있도록 구형 부피를 필요로 한다. 차량 내에서 회전하는 플라이휠은 자체적으로 지구의 자전을 따라 천천히 세차 운동하며, 지구의 곡면을 따라 장거리를 이동하는 차량에서는 더욱 세차 운동한다.
완전 동작 짐벌은 플라이휠이 하루에 한 번 완전히 뒤집혀 지구 회전에 따라 세차 운동할 수 있으므로 플라이휠 안팎으로 동력을 전달하는 방법에 대한 추가적인 문제가 있다. 완전한 자유 회전을 위해서는 각 짐벌 축 주위에 전력 도체를 위한 슬립링이 필요하여 설계 복잡성을 더욱 증가시킨다.
제한된 동작 짐벌.
공간 사용을 줄이기 위해 짐벌 시스템은 제한된 움직임 디자인을 사용할 수 있으며, 충격 흡수 장치를 사용하여 특정 각도 범위 내의 갑작스러운 빠른 움직임을 완화하고 점진적으로 플라이휠이 차량의 현재 방향을 채택하도록 강제한다. 이는 링 모양의 플라이휠 주위의 짐벌 움직임 공간을 전체 구형에서 짧고 두꺼운 실린더로 줄여 예를 들어 플라이휠 주위의 모든 방향에서 ±30도 피치 및 ±30도 롤을 포함한다.
각운동량의 균형 잡기.
이 문제에 대한 대안적인 해결책은 서로 반대 방향으로 동기적으로 회전하는 두 개의 연결된 플라이휠을 사용하는 것이다. 이들은 총 각운동량이 0이고 자이로스코프 효과가 없을 것이다. 이 해결책의 문제점은 각 플라이휠의 운동량 차이가 0이 아닌 경우 두 플라이휠의 하우징이 토크를 나타낸다는 것이다. 각속도를 0으로 유지하려면 두 휠 모두 동일한 속도로 유지되어야 한다. 엄밀히 말하면, 두 플라이휠은 축을 구부리려는 엄청난 돌림힘 모멘트를 중심점에 가할 것이다. 그러나 축이 충분히 강하면 자이로스코프 힘이 밀폐된 용기에 순 영향을 미치지 않으므로 토크가 감지되지 않을 것이다.
힘의 균형을 더욱 맞추고 변형을 분산시키기 위해 단일 대형 플라이휠은 양쪽에 두 개의 절반 크기 플라이휠로 균형을 맞출 수 있거나, 플라이휠을 줄여 반대 방향으로 회전하는 일련의 교번 층이 될 수 있다. 그러나 이는 하우징 및 베어링 복잡성을 증가시킨다.
1950년대에 자이로버스라고 알려진 플라이휠 동력 버스가 스위스 이베르동과 벨기에 헨트에서 사용되었고, 더 작고 가벼우며 저렴하고 용량이 큰 플라이휠 시스템을 만들기 위한 연구가 진행 중이다. 플라이휠 시스템이 전기 자동차와 같은 이동식 응용 분야에서 기존 화학 전지를 대체할 수 있기를 바라고 있다. 제안된 플라이휠 시스템은 낮은 용량, 긴 충전 시간, 무거운 중량, 짧은 유효 수명과 같은 기존 배터리 전력 시스템의 많은 단점을 제거할 것이다. 플라이휠은 실험용 크라이슬러 패트리어트에 사용되었을 수도 있지만, 이는 논란이 있다.
플라이휠은 또한 연속 가변 변속기에 사용될 것이 제안되었다. 펀치 파워트레인(Punch Powertrain)은 현재 그러한 장치를 개발 중이다.
1990년대에 로젠 모터스는 소형 가스 터빈 엔진이 제공할 수 없는 가속 폭발을 제공하기 위해 55,000rpm 플라이휠을 사용하는 가스 터빈 동력 직렬 하이브리드 자동차 파워트레인을 개발했다. 플라이휠은 또한 회생 제동을 통해 에너지를 저장했다. 플라이휠은 티타늄 허브와 탄소 섬유 실린더로 구성되었으며, 차량 핸들링에 대한 불리한 자이로스코프 효과를 최소화하기 위해 짐벌 장착되었다. 시제품 차량은 1997년에 성공적으로 도로 시험을 마쳤지만 대량 생산되지는 않았다.
2013년, 볼보는 S60 세단 후륜에 플라이휠 시스템을 장착했다고 발표했다. 제동 동작으로 플라이휠이 최대 60,000rpm으로 회전하고 전방 엔진을 정지시킨다. 플라이휠 에너지는 특수 변속기를 통해 차량에 부분적으로 또는 완전히 동력을 공급한다. , 탄소 섬유 플라이휠은 마찰을 없애기 위해 진공 상태에서 회전한다. 4기통 엔진과 결합될 경우, 유사한 성능의 터보 6기통 엔진에 비해 연료 소비를 최대 25% 절감하고, 의 출력을 추가하여 5.5초 만에 에 도달할 수 있다. 볼보는 이 기술을 자사 제품 라인에 포함시킬 구체적인 계획은 발표하지 않았다.
2014년 7월, GKN은 윌리엄스 하이브리드 파워(WHP) 사업부를 인수했으며, 향후 2년 동안 도시 버스 운영업체에 500개의 탄소 섬유 자이로드라이브(Gyrodrive) 전기 플라이휠 시스템을 공급할 계획이다. 이전 개발자 이름에서 알 수 있듯이, 이 시스템은 원래 포뮬러 원 자동차 경주 애플리케이션용으로 설계되었다. 2014년 9월, 옥스포드 버스 컴퍼니는 브룩스 버스(Brookes Bus) 운영에 알렉산더 데니스의 자이로드라이브 하이브리드 버스 14대를 도입한다고 발표했다.
플라이휠 시스템은 작은 전기 기관차에 시험적으로 사용되어 입환 또는 차량 교환에 사용되었다(예: 센티넬-욀리콘 자이로 기관차). 더 큰 전기 기관차(예: 영국 철도 70형)에는 때때로 제3궤조의 간격을 통과할 수 있도록 플라이휠 부스터가 장착되기도 했다. 텍사스 대학교 오스틴의 133 kWh 팩과 같은 첨단 플라이휠은 정지 상태에서 열차를 순항 속도까지 가속시킬 수 있다.
패리 피플 무버는 플라이휠에 의해 구동되는 동차이다. 2006년과 2007년에 잉글랜드 웨스트미들랜즈주의 스토어브리지 타운 지선에서 12개월 동안 일요일마다 시험 운행되었으며, 2대가 주문되면 2008년 12월에 철도 운영사 런던 미들랜드에 의해 정식 서비스로 도입될 예정이었다. 2010년 1월 현재 두 대의 유닛이 모두 운행 중이다.
철도 전철화.
FES는 전철화된 철도 선로변에서 선로 전압을 조절하여 개조되지 않은 전기 열차의 가속을 개선하고 회생 제동 시 선로로 회수되는 에너지 양을 증가시켜 에너지 비용을 절감하는 데 사용될 수 있다. 런던, 뉴욕, 리옹, 도쿄에서 시험이 진행되었으며, 뉴욕 MTA의 롱아일랜드 철도는 현재 LIRR의 웨스트 헴프스테드 지선에 520만 달러를 투자하여 파일럿 프로젝트를 진행하고 있다.
이러한 시험 및 시스템은 네오디뮴-철-붕소 분말이 채워져 영구 자석을 형성하는 탄소-유리 복합 실린더로 구성된 로터에 운동 에너지를 저장한다. 이 로터는 최대 37,800rpm으로 회전하며, 각 장치는 의 재사용 가능한 에너지를 저장할 수 있다. 이는 약 의 무게를 0에서 까지 가속시키는 데 충분한 양이다.
2001년 현재 생산되는 플라이휠 전력 저장 시스템은 배터리와 비슷한 저장 용량과 더 빠른 방전율을 가지고 있었다. 이들은 주로 데이터 센터의 무정전 전원 장치와 같은 대규모 배터리 시스템의 부하 평준화를 제공하는 데 사용되는데, 이는 배터리 시스템에 비해 상당한 공간을 절약할 수 있기 때문이다.
플라이휠 유지보수는 일반적으로 기존 배터리 UPS 시스템 비용의 절반 정도이다. 유일한 유지보수는 기본적인 연간 예방 유지보수 루틴과 5~10년마다 베어링을 교체하는 것으로, 약 4시간이 소요된다. 최신 플라이휠 시스템은 유지보수가 필요 없는 자기 베어링을 사용하여 회전하는 질량을 완전히 부상시키므로 베어링 유지보수 및 고장을 줄인다.
완전히 설치된 플라이휠 UPS(전력 조절 포함)의 비용은 (2009년 기준) 킬로와트당 약 330달러였다(15초 풀로드 용량 기준).
시험 연구실.
플라이휠 전력 시스템의 오랜 틈새 시장은 회로 차단기 및 유사한 장치를 테스트하는 시설이다. 심지어 작은 가정용 회로 차단기도 암페어 이상의 전류를 차단하도록 정격화될 수 있으며, 더 큰 장치는 또는 암페어의 차단 용량을 가질 수 있다. 이러한 장치가 시뮬레이션된 단락 회로를 차단하는 능력을 입증하기 위해 의도적으로 강제할 때 발생하는 엄청난 과도 부하는 이러한 테스트가 건물 전력에서 직접 수행되면 지역 그리드에 용납할 수 없는 영향을 미 미칠 것이다. 일반적으로 이러한 실험실에는 몇 분에 걸쳐 속도를 높일 수 있는 여러 대형 전동 발전기 세트가 있으며, 회로 차단기를 테스트하기 전에 모터는 분리된다.
물리학 연구실.
토카막 핵융합 실험에는 짧은 시간 동안 매우 높은 전류가 필요하다(주로 대형 전자석에 몇 초 동안 전력을 공급하기 위함).
또한 토카막이 아닌: 러더포드 애플턴 연구소의 님로드 싱크로트론에는 30톤 플라이휠 두 개가 있었다.
항공기 발사 시스템.
제럴드 R. 포드급 항공모함은 플라이휠을 사용하여 함선 전원 공급 장치에서 에너지를 축적하여 전자기 항공기 발사 시스템으로 빠르게 방출할 것이다. 함선 전원 시스템은 항공기를 발사하는 데 필요한 높은 전력 과도 전류를 자체적으로 공급할 수 없다. 4개의 로터는 각각 6400rpm에서 121 MJ (34 kWh)를 저장할 것이다. 이들은 45초 만에 122 MJ (34 kWh)를 저장하고 2~3초 만에 방출할 수 있다. 플라이휠 에너지 밀도는 28 kJ/kg (8 W·h/kg)이며, 고정자와 케이스를 포함하면 18.1 kJ/kg (5 W·h/kg)으로 감소하며 토크 프레임은 제외한다.
미국 항공 우주국 G2 우주선 에너지 저장 플라이휠.
이것은 미국 항공 우주국의 글렌 연구 센터에서 자금을 지원받아 실험실 환경에서 부품 테스트를 위해 설계된 것이다. 자기 베어링에 장착되어 60,000rpm으로 회전하도록 설계된 티타늄 허브가 있는 탄소 섬유 림을 사용했다. 무게는 으로 제한되었다. 저장 용량은 이며 으로 충전 또는 방전할 수 있었고, 이로 인해 비에너지는 5.31 W⋅h/kg, 전력 밀도는 10.11 W/kg이었다. 페이지 상단 사진에 보이는 작동 모델은 2004년 9월 2일에 41,000rpm으로 작동했다.
너츠베리팜의 몬테주마의 복수 롤러코스터는 세계 최초의 플라이휠 발사 롤러코스터이며 미국에서 여전히 운행 중인 유일한 종류의 놀이기구이다. 이 놀이기구는 7.6톤의 플라이휠을 사용하여 4.5초 만에 열차를 시속 55마일(89km/h)로 가속시킨다.
유니버설 아일랜드 오브 어드벤처의 인크레더블 헐크 코스터는 일반적인 중력 낙하 방식 대신 빠르게 가속하는 오르막 발사를 특징으로 한다. 이는 강력한 견인 전동기를 통해 차량을 트랙 위로 던져 올리는 방식으로 이루어진다. 전체 코스터 열차를 오르막에서 최고 속도까지 가속시키는 데 필요한 짧고 매우 높은 전류를 달성하기 위해, 공원은 대형 플라이휠이 장착된 여러 전동 발전기 세트를 활용한다. 이러한 에너지 저장 장치가 없으면 공원은 새로운 변전소에 투자하거나 놀이기구가 발사될 때마다 지역 에너지망의 브라운아웃 위험을 감수해야 할 것이다.
펄스 전원.
보상 펄스 교류 발전기(compulsator)는 높은 에너지 밀도와 전력 밀도로 인해 핵융합 원자로, 고출력 펄스 레이저, 고속 전자기 발사기를 위한 펄스 전원 공급 장치로 가장 인기 있는 선택 중 하나이다.
별도의 플라이휠과 발전기 대신, 낮은 유도계수 교류 발전기의 대형 로터만이 에너지를 저장한다. (또한 단극 발전기 참조).
연속 가변 변속기 (CVT)를 사용하여 제동 중 구동계에서 에너지를 회수하여 플라이휠에 저장한다. 이 저장된 에너지는 CVT의 비율을 변경하여 가속 중에 사용된다. 모터스포츠 응용 분야에서는 이 에너지를 이산화탄소 배출량 감소보다는 가속 성능 향상에 사용한다. 물론 동일한 기술을 일반 자동차에 적용하여 연료 효율을 개선할 수도 있다.
매년 르망 24시 경기와 르망 시리즈를 주최하는 오토모빌 클럽 드 웨스트는 현재 "운동 에너지 회수 시스템을 장착할 LMP1에 대한 특정 규정을 연구 중"이다.
윌리엄스 F1 레이싱 팀의 자회사인 윌리엄스 하이브리드 파워(Williams Hybrid Power)는 포르쉐의 911 GT3 R 하이브리드와 아우디의 R18 e-트론 콰트로를 위해 플라이휠 기반 하이브리드 시스템을 공급했다. 아우디가 2012년 르망 24시에서 우승한 것은 하이브리드(디젤-전기) 차량으로는 처음이다.
계통 에너지 저장.
플라이휠은 순간적인 계통 상용 주파수 조절 및 공급과 소비 간의 갑작스러운 변화 균형을 위한 단기 회전 예비력으로 사용되기도 한다. 탄소 배출이 없고, 반응 시간이 더 빠르며, 비수기 시간에 전력을 구매할 수 있다는 점은 천연가스 터빈과 같은 전통적인 에너지원 대신 플라이휠을 사용하는 장점 중 하나이다. 작동은 동일한 응용 분야의 배터리와 매우 유사하며, 그 차이는 주로 경제적이다.
비콘 파워는 2011년 뉴욕주 스테펜타운에 5 MWh(15분 동안 20 MW) 규모의 플라이휠 에너지 저장 발전소를 개설했으며 200개의 플라이휠을 사용하고 2014년에는 헤이즐 타운십, 펜실베이니아주에 유사한 20 MW 시스템을 구축했다.
온타리오 주, 캐나다 민토에 0.5MWh(15분 동안 2 MW) 플라이휠 저장 시설이 2014년에 개장했다. 이 플라이휠 시스템(NRStor 개발)은 자기 베어링에 10개의 회전하는 강철 플라이휠을 사용한다.
앰버 키네틱스(Amber Kinetics, Inc.)는 퍼시픽 가스 앤드 일렉트릭(PG&amp;E)과 캘리포니아 프레즈노에 위치한 20 MW / 80 MWh 규모의 플라이휠 에너지 저장 시설에 대한 계약을 체결했으며, 이는 4시간 동안 방전이 가능하다.
2024년 중국에서는 30 MW 규모의 플라이휠 계통 시스템이 가동을 시작했다.
플라이휠은 비수기 또는 강풍 시 풍력 터빈이 생성하는 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있다.
2010년에 비콘 파워는 캘리포니아 테하차피의 풍력 발전소에서 자사의 스마트 에너지 25(Gen 4) 플라이휠 에너지 저장 시스템을 시험하기 시작했다. 이 시스템은 캘리포니아 에너지 위원회를 위해 수행되는 풍력 발전 및 플라이휠 시연 프로젝트의 일부였다.
많은 장난감 자동차, 트럭, 기차, 액션 장난감 등에 동력을 공급하는 마찰 전동기는 단순한 플라이휠 모터이다.
토글 액션 프레스.
산업 분야에서는 토글 액션 프레스가 여전히 인기가 있다. 일반적인 배열은 매우 강한 크랭크축과 프레스를 구동하는 고성능 커넥팅 로드를 포함한다. 크고 무거운 플라이휠은 전기 모터에 의해 구동되지만, 플라이휠은 클러치가 활성화될 때만 크랭크축을 회전시킨다.
전기 배터리와의 비교.
플라이휠은 온도 변화의 영향을 덜 받으며, 훨씬 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있고, 화학 이차 전지의 많은 일반적인 고장에 영향을 받지 않는다. 또한, 대부분 화학적으로 불활성이거나 무해한 물질로 만들어져 환경에 잠재적으로 덜 해롭다. 플라이휠의 또 다른 장점은 회전 속도를 간단히 측정하여 저장된 에너지의 정확한 양을 알 수 있다는 것이다.
대부분의 배터리가 유한한 기간(예를 들어 리튬 인산철 배터리의 경우 약 10년) 동안만 작동하는 것과는 달리, 플라이휠은 잠재적으로 무한한 작업 수명을 가진다. 제임스 와트 증기 기관의 일부로 만들어진 플라이휠은 200년 이상 연속적으로 작동해 왔다. 아프리카, 아시아, 유럽의 여러 지역에서 주로 제분 및 도예에 사용된 고대 플라이휠의 작동 예시를 찾을 수 있다.
대부분의 현대 플라이휠은 일반적으로 서비스 수명 동안 최소한의 유지보수만 필요한 밀봉된 장치이다. 위에 묘사된 NASA 모델과 같이 진공 인클로저에 있는 자기 베어링 플라이휠은 베어링 유지보수가 필요 없으므로 총 수명 및 에너지 저장 용량 면에서 배터리보다 우수하다. 그들의 유효 서비스 수명은 아직 알려지지 않았기 때문이다. 기계식 베어링이 있는 플라이휠 시스템은 마모로 인해 수명이 제한될 것이다.
고성능 플라이휠은 폭발하여 고속 파편으로 주변 사람들에게 부상을 입힐 수 있다. 이러한 위험을 줄이기 위해 플라이휠은 지하에 설치될 수 있다. 배터리는 화재를 일으키고 독성 물질을 방출할 수 있지만, 일반적으로 주변 사람들이 대피하고 부상을 피할 시간이 있다.
배터리의 물리적 배열은 다양한 구성에 맞게 설계될 수 있지만, 플라이휠은 최소한 특정 면적과 부피를 차지해야 한다. 왜냐하면 저장하는 에너지가 회전 관성과 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문이다. 플라이휠이 작아질수록 질량도 감소하므로 속도는 증가해야 하며, 따라서 재료에 가해지는 응력이 증가한다. 치수가 제약이 되는 경우(예: 기차 섀시 아래) 플라이휠은 실현 가능한 해결책이 아닐 수 있다.
선형 아세틸렌 탄소(linear acetylenic carbon, LAC), 카바인(carbyne) 또는 선형 탄소 사슬(Linear Carbon Chain, LCC)로도 알려진 이 물질은 단일 및 삼중 결합이 번갈아 나타나는 반복 단위를 갖는 화학 구조 를 갖는 탄소의 동소체이다. 따라서 이것은 폴리아인 계열의 궁극적인 구성원이 될 것이다.
이 중합체성 카바인은 나노 기술에 상당한 관심을 끌고 있는데, 그 이유는 영률이 로 다이아몬드의 40배에 달하기 때문이다. 그러나 이 놀라운 수치는 구조가 차지하는 공간과 일치하지 않는 단면적의 새로운 정의를 기반으로 한다. 카바인은 또한 성간 공간에서 발견되었지만, 최근에는 응축상에서의 존재가 논란이 되고 있다. 이러한 사슬은 서로 접근하면 발열적으로(그리고 아마도 폭발적으로) 교차 결합할 것이기 때문이다.
역사와 논란.
이 동소체의 첫 발견 주장은 1960년에 나왔고 1978년에 반복되었다. 1982년에 여러 이전 보고서의 샘플을 재검토한 결과, 원래 카바인으로 attributed되었던 신호가 사실은 샘플의 규산염 불순물 때문인 것으로 밝혀졌다. 카바인 결정이 없어서 순수한 카바인 조립 고체를 직접 관찰하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있는데, 이는 잘 정의된 구조와 충분한 크기를 가진 카바인 결정이 현재까지는 이용 가능하지 않기 때문이다. 이것은 실제로 카바인이 진정한 탄소 동소체로 일반적으로 받아들여지는 데 주요 장애물이다. 신비로운 카바인은 가능한 비범한 특성으로 과학자들을 여전히 매료시켰다.
지난 35년 동안 카바인의 제조 및 그 구조, 특성, 잠재적 응용에 대한 실험적 및 이론적 연구가 과학 문헌에 점점 더 많이 발표되었다.
1968년, 리스 분화구(독일 바이에른주 뇌르틀링겐)의 흑연질 편마암에서 은백색의 새로운 광물이 발견되었다. 이 물질은 전적으로 탄소로 구성되어 있었으며, 육각형 세포 치수는 러시아 과학자들이 이전에 카바인에 대해 보고한 것과 일치했다. 이 새로운 형태의 천연 탄소인 카오아이트는 고온과 고압의 복합 작용, 아마도 운석 충돌로 인해 흑연에서 생성된 것으로 결론지어졌다. 곧이어 이 "흰색" 탄소는 진공 상태에서 열분해 흑연을 승화시켜 합성되었다.
1984년, 엑손 그룹은 탄소 증발 실험에서 30에서 180 사이의 짝수 탄소 원자를 가진 클러스터를 발견했으며, 이를 폴리아인 탄소에 기인한다고 보고했다. 그러나 이 클러스터들은 나중에 풀러렌으로 확인되었다.
1991년, 카바인은 성형작약탄에 의해 생성된 충격파로 기화되고 급냉된 비정질 카본 블랙 샘플에서 다른 여러 탄소 동소체들 사이에서 발견된 것으로 알려졌다.
1995년에는 탄소 300개 이상의 카바인 사슬의 제조가 보고되었다. 사슬 말단의 알카인이 수소 원자 대신 불활성 그룹(예: 터트-뷰틸 또는 트라이플루오로메틸)으로 캡핑되어 있는 한, 습기와 산소에도 상당히 안정적이라고 주장되었다. 이 연구는 데이터가 풀러렌과 같은 구조보다는 카바인과 같은 구조를 구체적으로 나타낸다고 주장했다. 그러나 H. 크로토에 따르면, 이 연구들에서 사용된 특성과 합성 방법은 풀러렌의 생성과 일치한다.
또 다른 1995년 보고서는 실온에서 알칼리 금속 아말감에 담근 고체 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론)이 반응하여 형성된 약 두께의 탄화물 층에서 불확정 길이의 카바인 사슬을 발견했다고 주장했다 (수소 함유 종은 존재하지 않았다). 가정된 반응은 다음과 같았다.
여기서 M은 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이다. 저자들은 사슬 사이에 있는 금속 불화물 나노결정이 중합을 방해했다고 추측했다.
1999년, 아세틸렌화 구리(I)()는 공기 또는 구리(II) 이온에 노출되어 부분적으로 산화된 후 염산으로 분해되면, n=2–6의 사슬의 스펙트럼 신호를 가진 "탄소질" 잔류물을 남긴다고 보고되었다. 제안된 메커니즘은 아세틸렌화물 음이온 의 산화 중합으로 카바인형 음이온 또는 큐물렌형 음이온 을 형성하는 것이다. 또한, 진공 상태에서 아세틸렌화 구리의 열분해는 플라스크 벽에 미세 탄소 분말의 솜털 같은 침전물을 생성했으며, 이는 스펙트럼 데이터를 기반으로 흑연이 아닌 카바인으로 주장되었다. 마지막으로, 암모니아 용액에서 아세틸렌화 구리의 산화 (글레이저 반응)는 잔류 구리(I) 이온으로 캡핑된 "폴리아세틸렌화물" 음이온으로 구성되었다고 주장되는 탄소질 잔류물을 생성한다.
잔류 구리량에 따라 평균 단위 n은 약 230으로 추정되었다.
2004년에 합성된 선형 탄소 동소체를 분석한 결과, 선형 카바인의 교번 삼중-단일 패턴 대신 sp-혼성 탄소 사슬을 따라 연속적인 이중 결합이 있는 큐물렌 전자 구조를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
2016년에는 최대 6,000개의 sp-혼성 탄소 원자로 이루어진 선형 사슬의 합성이 보고되었다. 이 사슬들은 이중벽 탄소 나노튜브 내에서 성장했으며, 숙주에 의해 보호되어 매우 안정적이다.
폴리아인.
순수한 중성 탄소 물질에서 "카바인" 사슬의 존재 여부는 여전히 논란의 여지가 있지만, 짧은 사슬은 더 큰 분자(폴리아인)의 하부 구조로 잘 확립되어 있다. 2010년 현재, 안정적인 분자에서 가장 긴 사슬은 부피가 큰 말단 그룹으로 안정화된 22개의 아세틸렌 단위를(총 44개의 원자) 가지고 있었다.
이 형태의 탄소 원자는 각각 sp 혼성 궤도를 가진 선형 기하학적 구조를 갖는다. 결합 길이는 (삼중)과 (단일)로 추정된다.
탄소 원자 사슬에 대한 다른 가능한 구성으로는 이중 결합만 있는 폴리큐물렌(폴리에틸렌-다이일리덴) 사슬()이 있다. 이 사슬은 파이얼스 전이 갭이 로 약간 더 높은 에너지를 가질 것으로 예상된다. 그러나 짧은 분자의 경우 폴리큐물렌 구조가 선호되는 것으로 보인다. n이 짝수일 때, 에너지적으로 매우 가까운 두 개의 기저 상태 구성이 공존할 수 있다: 하나는 선형이고 다른 하나는 순환(능형)이다.
카바인 사슬의 유연성 한계는 8개의 아세틸렌 단위를 주사슬로 하는 합성 폴리아인으로 설명되는데, 이 사슬은 고체 상태에서 인접 분자의 부피가 큰 말단 그룹을 수용하기 위해 이상(각 탄소에서 약 )으로 구부러져 있는 것으로 밝혀졌다.
대칭성이 높은 카바인 사슬은 각 단일-이중쌍의 결합 신축으로 인해 Σg 대칭성을 갖는 단일 라만 활성 모드만 가질 것으로 예상되며, 그 빈도는 일반적으로 1800에서 사이이며, 주변 환경에 영향을 받는다.
카바인 사슬은 밀도당 알려진 가장 강한 물질이라고 주장되었다. 계산에 따르면 카바인의 비인장 강도(강도를 밀도로 나눈 값)는 로 그래핀(), 탄소 나노튜브(), 다이아몬드()를 능가한다. 영률을 밀도로 나눈 값인 비모듈러스는 약 로, 그래핀의 약 보다 두 배 높다.
카바인을 10% 늘리면 전자 밴드갭이 로 변한다. 사슬 끝에 분자 손잡이를 장착하면 밴드갭을 조절하기 위해 비틀 수도 있다. 끝에서 끝까지 를 비틀면 카바인은 자기 반도체로 변한다.
2017년, 이중벽 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 36개에서 6000개 탄소 원자로 구성된 선형 탄소 사슬(LCC)의 밴드갭이 처음으로 결정되었는데, 라만 주파수와 선형 관계를 따르며 의 범위에 있었다. 이 하한선은 현재까지 관찰된 선형 탄소 사슬의 가장 작은 밴드갭이다. 2020년, 선형 탄소 사슬(LCC)의 강도(영률)는 실험적으로 약 로 계산되었는데, 이는 그래핀 및 탄소 나노튜브와 같은 다른 탄소 재료보다 훨씬 높다. 기상 또는 용액 상태의 짧은 사슬에 대해 얻은 실험 데이터와의 비교는 DWCNT 캡슐화의 효과를 보여주며, 이는 밴드갭의 본질적인 하향 이동으로 이어진다.
이중벽 탄소 나노튜브 내부의 LCC는 (8,3) 카이랄성을 가진 튜브의 내부 튜브의 광발광(PL) 신호를 최대 6배까지 증가시킨다. 이러한 행동은 내부 튜브에서 탄소 사슬로의 국부적인 전하 이동 때문일 수 있으며, 외부 튜브에 의해 유도되는 퀜칭 메커니즘의 균형을 맞춘다.
카바인 사슬은 에너지 및 수소 저장에 적합할 수 있는 측면 분자를 취할 수 있다.