초록 ▼

□ 최종(연차) 목표
○ 지하암반환경을 고려한 맞춤형 암반단열 복합체 선정 및 물성평가 장치 개발
○ 지하암반 저장시스템 형상설계 및 압축공기 파일럿플랜트 실증실험

□ 개발내용 및 결과
○ 암반단열용 복합체 재료(미네랄울, 스틸라이닝, 콘크리트라이닝, 방수층 조합) 및 저장매질(100°C 미만 열에너지 저장: 물, 100-400℃ 열에너지 저장: 콘크리트 또는 벽돌) 선정
○ 열에너지 이용효율 최적화를 위한 저장공동 형상설계 기술
○ 암반 및 단열복합체의 열적·역학적 물성을 평가하기 위한 시험

□ 최종(연차) 목표
○ 지하암반환경을 고려한 맞춤형 암반단열 복합체 선정 및 물성평가 장치 개발
○ 지하암반 저장시스템 형상설계 및 압축공기 파일럿플랜트 실증실험

□ 개발내용 및 결과
○ 암반단열용 복합체 재료(미네랄울, 스틸라이닝, 콘크리트라이닝, 방수층 조합) 및 저장매질(100°C 미만 열에너지 저장: 물, 100-400℃ 열에너지 저장: 콘크리트 또는 벽돌) 선정
○ 열에너지 이용효율 최적화를 위한 저장공동 형상설계 기술
○ 암반 및 단열복합체의 열적·역학적 물성을 평가하기 위한 시험장치 구축 및 국내 화강암·석회석에 대한 열적·역학적 물성 측정
○ 열환경 하에서 암석의 미소균열 발생특성 평가
○ H-T-M 연계 해석코드(FRACOD) 개발 및 검증
○ 열에너지 저장시 주변 환경에 영향을 미치는 영향인자 도출 및 민감도 분석
○ 저장공동 주변 암반의 열-수리 환경변화 예측기법 개발(100°C 이하)
○ 저장공동 주변의 연약대/발파손상대 평가 및 동적 안정성 영향인자 분석, 저장공동 굴착패턴 기본설계
○ 400°C 열에너지 저장시 주변 암반의 온도분포 분석
○ TOUGH-FLAC을 이용한 CAES 파일럿플랜트의 안정성 및 기밀성에 대한 수치해석적 검증
○ CAES 파일럿플랜트의 주입·토출 시험을 통한 내조시스템의 성능 평가 및 운영기술

□ 기대효과
○ 태양열에너지/산업폐열의 대용량 저장을 통한 에너지 이용효율 증대(지상탱크 저장방식 대비 30% 효율 향상 기대)
○ Zero Carbon/Energy Building 보급에 기여
○ 2020년 장주기/대형 에너지저장 세계시장 점유율 30% 달성

□ 적용분야
○ AA-CAES 연계형 CTES
○ CAES 발전(풍력, 원자력/화력 등 기저전력 저장)
○ 태양열/산업폐열/원자로열 연계형 CTES

(출처 : 연차보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

IV. Results of the Work
Investigation of global markets and technology development trends for TES showed that solar power generation has strong advantages over other renewable resources due to its stability and cost-effectiveness in power production. Thus, the solar power generation is considered

IV. Results of the Work
Investigation of global markets and technology development trends for TES showed that solar power generation has strong advantages over other renewable resources due to its stability and cost-effectiveness in power production. Thus, the solar power generation is considered as a promising renewable energy industry in the future. Furthermore, packaged power stations, in combination with solar power generation and TES, have great potential in the global power plant market. The investigation results also indicates that industrial waste heat from various industries is available for TES.

From case studies of domestic and overseas TES, it was found that up to date, there have been only two types of rock caverns for TES (Avesta and Lyckebo CTESs in Sweden) although there is an in-ground type TES in Germany, and some European countries, including Finland and Sweden, have been recently planning new UTES projects.

We investigated TES techniques applied to Adele AA-CAES project in Germany and other in-ground TES cases. From the detailed investigation on thermal insulation, we selected a composite thermal insulator in combination with mineral wool, steel lining, concrete lining, and waterproof layer. Regarding heat storage materials, water was found to be suitable for TES below 100℃. In contrast, concrete and checker brick are suitable for TES in a temperature range of 100-400℃.

Thermal stratification behaviors of stored energy in rock caverns and key factors influencing the thermal behaviors were examined through heat transfer simulations using a CFD (computational fluid dynamics) code. The results of these CFD simulations demonstrated that better thermal stratification can be achieved by increasing the height-to-width ratio (the aspect ratio) of rock caverns and an aspect ratio of 3.5 is most preferable for torus-shaped rock caverns for TES. In addition, the heating of the surrounding rock mass dominates the thermal stratification in rock caverns and heat loss to the surroundings.

Temperature variations around rock caverns when storing thermal energy at a temperature of 400°C were evaluated by heat transfer simulations using the CFD code. The simulation results showed that the temperature of the surrounding rock mass at a distance of larger than 80 m from the cavern was reduced to the initial temperature before commencing thermal energy storage. However, in the case that there is no heat insulation, the temperature of the surrounding rock mass at a distance of less than 25 m from the cavern was greater than 100℃.

We set up laboratory systems for measuring thermal and mechanical properties of rocks and composite thermal insulators, such as thermal conductivity, heat capacity, and thermal diffusivity, under thermal loading and then measured those properties for two types of rocks (granite and limestone). The measured thermal conductivities were not direction-dependant. We made a conceptual design for an AE measurement instrument that can be used for characterizing the crack initiation of rocks under high temperature and triaxial loading conditions, upgraded a crack initiation measurement software, and added system modules for analyzing the crack initiation mechanism of rocks under thermal loading.

Sensitivity analysis of potential factors affecting the temperature variations of the surrounding rock mass was performed using the numerical code iTOUGH2. As a result, the thermal conductivity and permeability of the surrounding rock mass were found to be key factors. A simulation technique reflecting a cyclic storage and production schedule of CAES were proposed based on a one-dimensional axisymmetric numerical model using the numerical code TOUGH2. Field test equipment for characterizing excavation-damaged zone (EDZ) and weak zone around rock caverns for TES was upgraded. Also, blasting patterns for efficiently excavating the rock caverns were proposed.

Stresses in the concrete lining of the KIGAM's CAES pilot plant were numerically investigated at different stiffnesses of EDZ. The investigation result demonstrated that as the stiffness of EDZ became larger, tensile stress and deformation in the concrete lining tended to decrease. This result implies that a compliant condition between the concrete lining and the surrounding rock mass will be favorable for ensuring the stability and air-tightness of CAES rock caverns. Accordingly, a compliant condition should be applied to the lining system of rock caverns for CAES.

Maintenance works were carried out to improve the inner containment system and air tank door installed in the CAES pilot cavern (PC2). The air-tightness of the cavern was checked by air leak testing at an internal pressure of 3.5 bar. In the second-year study, hydrostatic testing at an internal pressure of 60 bar will be performed to assure the safety of the structures of the cavern, which include plug, air tank door and weld zone. Subsequently, if the facility passes the inspection, long-term and periodic injection/discharge tests will be carried out.

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 연차보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 15
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 17
• 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 17
• 1. 연구개발의 목적 ... 17
• 2. 연구개발의 필요성 ... 17
• 제2절 연구개발 범위 ... 18
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 21
• 제1절 열에너지 저장 기술 ... 21
• 1. 개요 ... 21
• 2. 열에너지 저장 방법 ... 22
• 제2절 열에너지 저장 시스템의 종류와 특징 ... 25
• 제3절 국내외 시장현황 분석 ... 28
• 1. 태양열에너지 현황 ... 28
• 2. 산업폐열 현황 ... 37
• 제4절 국내외 기술현황 분석 ... 60
• 1. 국내외 기술동향 및 분석 ... 60
• 2. 해외 CTES 개발 사례 ... 70
• 3. 기술 분석 및 전망 ... 75
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 79
• 제1절 열에너지 저장 국내외 사례조사 ... 79
• 1. 국내 폐광산의 UTES 실증연구에의 활용가능성 조사 ... 79
• 2. 국외 UTES 실용화 사례조사 ... 84
• 제2절 단열복합체 및 저장매질 적합성 평가 ... 95
• 1. 단열복합체 및 열저장 개념 탐색 ... 95
• 2. 열에너지 저장매질 조사 및 저장 효율성 평가 ... 97
• 제3절 에너지 저장효율 최적화를 위한 저장공동 형상설계기술 개발 ... 115
• 1. 대규모 저장공동의 형상설계 인자 도출 ... 115
• 2. 열에너지 저장 암반공동의 열성층화 거동 및 최적 형상 분석 ... 127
• 제4절 암반의 열적 및 역학적 특성시험 ... 145
• 1. 암석의 열물성 특성 ... 145
• 2. 열환경 하에서의 암반의 역학적 특성 시험 ... 159
• 3. 화강암과 석회암의 열물성 측정 ... 167
• 4. 열환경 하에서 코어시료에 대한 균열특성 평가 ... 169
• 5. H-T-M 연계 해석코드(FRACOD) 개발 및 검증 ... 181
• 제5절 저장환경 영향인자 분석 및 저장공동 주변 EDZ 평가 ... 190
• 1. 저장환경 영향인자에 대한 민감도 해석 ... 190
• 2. 저장공동 주변암반의 열-수리 환경변화 예측기법 개발 ... 194
• 3. 저장공동 주변암반의 발파손상대 평가 및 굴착패턴 기본설계 ... 206
• 4. 저장공동의 동적 안정성 영향인자 분석 ... 217
• 5. 저장공동 주변암반의 온도변화 분석 ... 238
• 제6절 CAES 파일럿플랜트를 이용한 운용기술 실증실험 ... 248
• 1. 파일럿플랜트 안정성 및 기밀성의 수치해석적 검증 ... 248
• 2. 파일럿플랜트 내조시스템의 성능평가 및 운영기술 개발 ... 266
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 281
• 제1절 목표달성도 ... 281
• 1. 최종 연구목표의 달성도 ... 281
• 2. 당해연도 목표의 달성도 ... 282
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 283
• 1. 기술적 측면 ... 283
• 2. 경제·산업적 측면 ... 283
• 3. 정책적 측면 ... 283
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 285
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 287
• 제1절 기술 개발 ... 287
• 1. 시장 환경 및 정책 ... 287
• 2. 에너지저장 활용 사례 ... 289
• 제2절 특허 및 동향 분석 ... 292
• 1. 열에너지저장 분야 연도별 특허동향 ... 292
• 2. 특허로 살펴본 연구개발 방향의 변화 ... 294
• 3. 전 세계 국가별 주요 출원인 ... 296
• 4. 기술 분류별 특허동향 ... 300
• 제3절 논문 ... 303
• 제7장 참고문헌 ... 307
• 부록 ... 319
• 부록 A. 응력-변형률 그래프와 Mohr 파괴포락선 ... 321
• 부록 B. 지점별 횡축 지오폰 수신자료 ... 333
• 부록 C. 저장공동별 굴착순서도 ... 335
• 끝페이지 ... 349