[논문]지하 열에너지 저장 기술 및 스웨덴 암반공동내 열수 저장 사례

박도현; 김형목; 류동우; 최병희; 선우춘; 한공창

doi:10.7474/tus.2012.22.1.001

지하 열에너지 저장 기술 및 스웨덴 암반공동내 열수 저장 사례
Technologies of Underground Thermal Energy Storage (UTES) and Swedish Case for Hot Water 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.1 = no.96, 2012년, pp.1 - 11

박도현 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 김형목 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 류동우 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 최병희 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 선우춘 (한국지질자원연구원 지반안전연구부) , 한공창 (한국지질자원연구원 지반안전연구부)

초록
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열에너지 저장은 고온 또는 저온의 열에너지를 임시 저장하는 것으로서 에너지 수요와 공급 사이의 불균형을 줄일 수 있고, 이를 통해 에너지를 절약하고 에너지 이용효율을 향상시킬 수 있다. 특히 간헐적으로 에너지를 생산하는 신재생에너지의 경우 에너지 저장 장치와의 조합은 필수적이다. 또한 지하 암반의 낮은 열전도도와 높은 열용량을 이용하여 지하에 열에너지를 저장하는 경우 열손실을 최소화하여 추가적인 효율 향상이 기대된다. 본 고에서는 지하 열에너지 저장 기술을 조사 분석하고 스웨덴에 암반공동내 열에너지 저장 사례를 소개하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal energy storage is defined as the temporary storage of thermal energy at high or low temperatures for later use in need. The energy storage can reduce the time or rate mismatch between energy supply and demand, and thus it plays an important role in conserving energy and improving the efficiency of energy utilization, especially for renewable energy sources which provide energy intermittently. Underground thermal energy storage (UTES) can have additional advantages in energy efficiency thanks to low thermal conductivity and high heat capacity of surrounding rock mass. In this paper, we introduced the technologies of underground thermal energy storage and rock caverns for hot water storage in Sweden.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 열에너지를 지하에 저장하기 위한 기술과 스웨덴의 대규모 암반공동 저장 사례를 소개하였다. 기존의 지하 열에너지 저장 사례로부터 100℃ 이하의 열에너지 저장은 기술적으로 큰 문제가 없으나, 100℃이상의 열에너지를 저장하기 위해서는 저장재료, 기계, 지반공학, 수리화학 등과 관련된 문제점들이 해결되어야 하는 것을 알 수 있었다.
본 고에서는 지하에 열에너지를 저장하는 원리와 방법, 해결해야 할 문제점 등에 대해서 기술하였고, 스웨덴 Lyckebo 지역에 대규모 암반공동내 열에너지 저장 사례를 소개하였다.

제안 방법

열에너지 저장 관련 최초 실험은 미국 Alabama의 Auburn 대학에서 수행되었고, 깊이 40-62 m의 피압대수층(confined aquifer)에 온수를 두 단계에 걸쳐 주입하였다(Molz 외, 1979). 1 단계에서는 37℃의 물(부피 7,570 m³)을 36.6일 동안 저장하여 67%의 열에너지 회수율을 보였고, 2 단계에서는 55℃의 물(부피 54,800 m³ )을 79일 동안 저장하여 65%의 열에너지 회수율을 기록하였다. 이 실험에서 발견한 기술적 문제점은 주입정 주변의 클로깅(clogging) 현상이었으며, 이는 열에너지 주입시 점토광물의 팽창을 유발하는 담수 (freshwater)를 사용하여 발생한 것으로 밝혀졌다.

대상 데이터

Lyckebo 열에너지 저장시설은 Fig. 9와 같이 토러스 (torus) 형태의 구조로서 내부 직경 35 m, 외부 직경 75 m이며, 지하 30 m에 저장시설 천단부가 위치하고 있다. 저장공동의 단면 폭은 18 m, 높이는 31 m로서 저장소의 종횡비는 약 1.
수직구는 직경 1 m이고 상향식으로 전단면 굴착되었다. 저장공동 굴착을 위한 진입 터널(access tunnel)은 Fig. 10과 같이 저장공동 상부, 중간, 바닥부에 각 1개씩 굴착되었다. 서비스 터널은 Fig.

이론/모형

암반공동의 굴착은 3붐 천공장비를 이용한 재래식 발파공법으로 이루어졌으며, top heading method에 의해 분할 굴착되었다. 분할 굴착 단면은 top heading이 이루어진 7 m 높이의 상부 단면, 8 m 높이의 3개 벤치단면으로 구성되었고, 두 개의 막장에서 동시 굴착을 수행하였으며 암반은 록볼트와 숏크리트로 보강되었다.

성능/효과

본 고에서는 열에너지를 지하에 저장하기 위한 기술과 스웨덴의 대규모 암반공동 저장 사례를 소개하였다. 기존의 지하 열에너지 저장 사례로부터 100℃ 이하의 열에너지 저장은 기술적으로 큰 문제가 없으나, 100℃이상의 열에너지를 저장하기 위해서는 저장재료, 기계, 지반공학, 수리화학 등과 관련된 문제점들이 해결되어야 하는 것을 알 수 있었다.
6일 동안 저장하여 67%의 열에너지 회수율을 보였고, 2 단계에서는 55℃의 물(부피 54,800 m³ )을 79일 동안 저장하여 65%의 열에너지 회수율을 기록하였다. 이 실험에서 발견한 기술적 문제점은 주입정 주변의 클로깅(clogging) 현상이었으며, 이는 열에너지 주입시 점토광물의 팽창을 유발하는 담수 (freshwater)를 사용하여 발생한 것으로 밝혀졌다. 1987년 저장온도 180℃에 대한 실험은 프랑스 ThivervalGrignon 지역에 지하 500 m 대수층을 대상으로 수행되었으나 실험은 성공적이지 못하였다.
표로부터 Lyckebo 시설의 암석은 편마암의 일반적인 열전도 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 지하수 흐름을 분석하기 위해 시추공 조사를 수행하였고, 저장공동 주변에 지하수 흐름속도가 매우 낮은 것으로 분석되었다. 열에너지 주입전 초기 암반의 온도는 6-8℃이었다.

후속연구

100℃ 이상의 고온 열에너지를 저장하기 위해서는 용융염과 같은 상변화물질을 사용해야 하므로 상변화 재료의 열역학적 특성, 장기 저장으로 인한 재료 변질 및 저장공간의 부식 특성, 열에너지 회수를 위한 방열기술 등에 대한 연구가 필요할 것이다. 또한 열에너지 이용효율은 저장공간내 열성층화 정도와 직접적인 관련이 있기 때문에 최적 열성층화를 위한 지하 저장공간의 형상 및 배치에 대한 연구가 필요하며, 저장된 열에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 주변 지하수 유동과 연계한 저장 효율 분석이 필요할 것이다.
100℃ 이상의 고온 열에너지를 저장하기 위해서는 용융염과 같은 상변화물질을 사용해야 하므로 상변화 재료의 열역학적 특성, 장기 저장으로 인한 재료 변질 및 저장공간의 부식 특성, 열에너지 회수를 위한 방열기술 등에 대한 연구가 필요할 것이다. 또한 열에너지 이용효율은 저장공간내 열성층화 정도와 직접적인 관련이 있기 때문에 최적 열성층화를 위한 지하 저장공간의 형상 및 배치에 대한 연구가 필요하며, 저장된 열에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 주변 지하수 유동과 연계한 저장 효율 분석이 필요할 것이다. 환경적인 측면에서는 고온의 열에너지 저장시 지하수 오염과 함께 열전달에 의한 지상 및 지하에 화학적, 미생물학적, 생태학적 환경변화 등이 발생할 수 있으므로 열에너지 저장공간 주변의 환경변화에 대한 예측, 모니터링, 위험 대응 기술이 개발되어야 할 것이다.
신병철 외(1987)에 따르면, 축열 특성 및 화학적 안정성 등을 고려할 때 상변화물질로서 용융염(molten salt)이 가장 적합한 물질이라고 할 수 있으며, 실용화를 위해서는 장기 운영으로 인한 저장매체의 변질, 저장공간의 부식문제가 해결되어야 한다. 또한 열에너지 회수 과정에서 열전달 표면에 생긴 고체는 열전달을 크게 방해하므로 열을 효과적으로 방열시킬 수 있는 기술도 개발되어야 한다. 잠열에너지는 식 (2)와 같이 계산되며, 상변화물질을 이용하는 경우 일반적으로 Fig.
또한 열에너지 이용효율은 저장공간내 열성층화 정도와 직접적인 관련이 있기 때문에 최적 열성층화를 위한 지하 저장공간의 형상 및 배치에 대한 연구가 필요하며, 저장된 열에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 주변 지하수 유동과 연계한 저장 효율 분석이 필요할 것이다. 환경적인 측면에서는 고온의 열에너지 저장시 지하수 오염과 함께 열전달에 의한 지상 및 지하에 화학적, 미생물학적, 생태학적 환경변화 등이 발생할 수 있으므로 열에너지 저장공간 주변의 환경변화에 대한 예측, 모니터링, 위험 대응 기술이 개발되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하 열에너지 저장의 개념은?	지하 열에너지 저장(UTES, underground thermal energy storage)은 암반의 낮은 열전도 특성을 활용하여 지하 공간에 열에너지를 저장하는 개념으로서 저장되는 열에너지는 온도에 따라 소규모 주거용 에너지 또는 대규모 전력발전용 에너지로 활용가능하다. 즉 100℃ 이하의 열에너지는 주거용으로 사용가능하며, 100-250℃범위의 열에너지는 주거용 및 산업용, 250℃ 이상의 열에너지는 발전용으로 사용가능하다(신병철 외, 1987).
	열에너지 저장이란?	열에너지 저장은 고온 또는 저온의 열에너지를 임시 저장하는 것으로서 에너지 수요와 공급 사이의 불균형을 줄일 수 있고, 이를 통해 에너지를 절약하고 에너지 이용효율을 향상시킬 수 있다. 특히 간헐적으로 에너지를 생산하는 신재생에너지의 경우 에너지 저장 장치와의 조합은 필수적이다.
	100℃이상의 열에너지를 저장하기 위해서 구체적으로 어떤것이 필요한가?	100℃ 이상의 고온 열에너지를 저장하기 위해서는 용융염과 같은 상변화물질을 사용해야 하므로 상변화 재료의 열역학적 특성, 장기 저장으로 인한 재료 변질및 저장공간의 부식 특성, 열에너지 회수를 위한 방열기술 등에 대한 연구가 필요할 것이다. 또한 열에너지 이용효율은 저장공간내 열성층화 정도와 직접적인 관련이 있기 때문에 최적 열성층화를 위한 지하 저장공간의 형상 및 배치에 대한 연구가 필요하며, 저장된 열에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 주변 지하수 유동과 연계한 저장 효율 분석이 필요할 것이다. 환경적인 측면에서는 고온의 열에너지 저장시 지하수 오염과 함께 열전달에 의한 지상 및 지하에 화학적, 미생물학적, 생태학적 환경변화 등이 발생할 수 있으므로 열에너지 저장공간 주변의 환경변화에 대한 예측, 모니터링, 위험 대응 기술이 개발되어야 할 것이다.

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