초록 ▼

□ 최종(연차) 목표
○ 맞춤형 단열복합구조에 대한 성능 평가
○ 지하암반 저장시스템 실험·해석 검증 및 압축공기 상용플랜트 운용 핵심기술 개발

□ 개발내용 및 결과
○ 열성층도의 정량화 기법 분석 및 최적 기법 선정
○ 안정성과 열적 성능을 고려한 열저장 공동의 최적 형상 설계법 제안
○ 다중 열저장 공동의 적정 배치간격 제시
○ 열에너지 저장효율 분석을 통한 지하 열저장의 타당성 및 열저장 개념의 활용 비즈모델의 타당성 평가
○ 온도에 따른 암반의 열물성 변화 시험, 열

□ 최종(연차) 목표
○ 맞춤형 단열복합구조에 대한 성능 평가
○ 지하암반 저장시스템 실험·해석 검증 및 압축공기 상용플랜트 운용 핵심기술 개발

□ 개발내용 및 결과
○ 열성층도의 정량화 기법 분석 및 최적 기법 선정
○ 안정성과 열적 성능을 고려한 열저장 공동의 최적 형상 설계법 제안
○ 다중 열저장 공동의 적정 배치간격 제시
○ 열에너지 저장효율 분석을 통한 지하 열저장의 타당성 및 열저장 개념의 활용 비즈모델의 타당성 평가
○ 온도에 따른 암반의 열물성 변화 시험, 열환경 조건에서 암반의 역학적 특성 시험 및 평가
○ 암석시료에 대한 균열 및 손상거동의 실험적 분석, 입자결합모델을 이용한 T-M 연계 장기간 균열·손상거동 평가
○ 저장공동의 장기간 균열·손상거동 평가를 위한 T-H-M 연계 수치 코드(FRACOD) 개발 및 검증
○ 고온 저장환경 조건(100℃ 이상)에서 현지암반 특성(지하수, 절리, 전도-대류-기화 등)을 고려한 T-H-M 해석 및 저장환경 영향권 분석
○ 발파손상대 평가를 위한 수치모델링 기법 제안 및 실험적 검증
○ 동적 안정성 관련 영향인자 도출, 해석 입력자료의 적정성 및 적용성 확인
○ CAES 파일럿플랜트 운용 실험을 통한 암반거동 계측 및 분석, 고압대응 내조시스템의 성능 평가
○ CAES 파일럿플랜트 수압시험에 대한 수치해석적 검증

□ 기대효과
○ 태양열에너지, 산업폐열의 대용량 저장을 통한 에너지 이용효율 증대(지상탱크 저장방식 대비 30% 효율 향상 기대)
○ Zero Carbon, Energy Building 보급에 기여
○ 2020년 장주기 및 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: 요약서 - 개발결과 요약 3p )

Abstract ▼

IV. Results of the Work
In this study, we investigated and compared the existing methods which have been used to characterize the thermal stratification in heat storage containers, and the methods are broadly categorized as (1) graphical methods, (2) those using thermal stratification indices, an

IV. Results of the Work
In this study, we investigated and compared the existing methods which have been used to characterize the thermal stratification in heat storage containers, and the methods are broadly categorized as (1) graphical methods, (2) those using thermal stratification indices, and (3) those based on the first and second laws of thermodynamics. The results of a case study on a CTES example demonstrated that the methods using thermal stratification indices are more useful to quantitatively assess the degree of thermal stratification in rock caverns than other methods.

To develop the shape design technology of underground TES caverns, we numerically investigated the mechanical stability and thermal performance of a rock cavern for hot-water storage with different aspect ratios (height-to-width ratios) of the cavern and stress ratios in the surrounding rock mass. The investigation results showed that the stability of the cavern decreased with increases in the aspect ratio and stress ratio, whereas the thermal stratification in the cavern improved as the aspect ratio increased. These numerical results suggest that the shape of rock caverns used for TES should be designed by considering both their mechanical stability and thermal performance. Based on these contrasting behaviors, we proposed a design approach for determining the optimal aspect ratio of rock caverns for TES. In addition, we proposed a numerical approach for designing the arch shape of the cavern roof.

The optimal distance between multiple caverns used for large-scale TES was investigated through coupled T-M numerical simulations, and it was found that the distance (i.e., pillar width) between multiple caverns with the same storage volume per cavern should be greater than the single cavern’s width (diameter).

We presented a conceptual model for large-scale high-temperature TES combined with AA-CAES, which is based on a packed-bed storage system, and the heat losses through the walls of a rock-cavern type storage and an above-ground type storage were compared using three-dimensional numerical models. The comparison results showed that the amount of cumulative heat loss in the rock-cavern type storage over a period of ten-year operation was 69.2% of that in the above-ground type storage, because of rock heating and thus reduction in the temperature gradient between the surrounding rock and the heat storage material.
In terms of long-period operation, the heat loss rate of the rock-cavern type TES was found to be less sensitive to the performance of thermal instdators than the above-ground type TES.

We experimentally investigated the temperature-dependent thermo-mechanical properties of rocks using Hwangdeung granite and Danyang limestone in Korea.
The thermal conductivity of these two rocks decreased linearly with the increase of temperature, whereas the coefficient of thermal expansion increased linearly with the increase of temperature. The coefficient of thermal expansion for the limestone showed distinct anisotropy depending on the direction of foliation. However, the thermal conductivity of the limestone and the thermal conductivity and coefficient of thermal expansion of the granite were not direction-dependent. The mechanical properties, such as unconfined compressive strength, tensile strength, Young’s modulus, Poisson’s ratio, and fracture toughness of each rock type were measured at temperatures of up to 100℃. These measured properties varied slightly with temperature, but did not show significant differences from those measured at room temperature. The temperature dependency of mechanical properties for rocks will be confirmed after completing laboratory tests at a maximum temperature up to 250℃.

Through the AE (acoustic emission) measurement on heated rock core and block samples, the temperatures that thermal cracks initiated were estimated to be 35℃ and 32℃ for the granite and limestone considered in this study, respectively.
The temperatures generating continuous thermal cracking were estimated at 69℃ and 49 ℃ for the granite and limestone, respectively. In heating experiments at temperatures of up to 250℃, the total number of AE events occurred in the granite samples was three times larger than that in the limestone samples.

The environmental change of the rock mass around TES rock caverns was investigated by coupled thermal-hydrological-mechanical analysis using the TOUGH2-FLAC3D simulator. The key concerns were focused on the long-term characteristics of hydro-thermal multiphase flow and heat transport in the rock mass around thermal storage caverns, effects of conduction, convection and evaporation of groundwater, thermo-mechanical stability of storage cavern and rock mass, and thermal impact on environment up to near ground surface according to the level of storage temperature.

From literature review, we derived the relationships between temperature and the thermal properties (i.e., thermal conductivity, specific heat, diffusivity, and coefficient of thermal expansion) of typical rocks. The effects of these thermal properties' variations with temperature on the heat transfer in the surrounding rock mass were examined using theoretical solutions.

A numerical analysis for estimating the blast-damaged zone around storage caverns was performed using the commercial numerical codes PFC3D and LS-DYNA which are widely used for blasting simulation. A small-scale explosivity testing was conducted with a high-speed camera system to verify the results of the numerical analysis.

The validity of input parameters and modeling methodology for simulating the dynamic behavior of rock mass was examined and their applicability to practical design was demonstrated using the finite element analysis code MIDAS-GTS. Based on the developed modeling methodology, the dynamic responses of the surrounding rock mass were investigated with different shapes and depths of rock caverns.

The operating test of the CAES pilot plant was conducted to evaluate the pressure-resisting and air-tightness performance of the LRC (lined rock cavern) structures used for CAES and to examine their construction quality. To settle the problems that occurred in construction phase, the performance improvement work for the LRC was carried out before the operating test. The quality of this improvement work was carefully checked using ultrasonic testing which is most commonly used in NDT (non-destructive testing) inspection. The stability and soundness of the LRC structures were verified through hydrostatic tests at a maximum pressure up to 3.5 MPa. During the hydrostatic tests, the displacements induced in the plug and the surrounding rock mass were converged to less than 2.0 mm. Permanent ground displacements took place within a radial distance of 1 m from the excavation boundary of the LRC and this was attributable to the elasto-plastic behaviors in the EDZ (excavation damaged zone) around the LRC.
From ground behavior monitoring during the hydrostatic tests, we could observe that the displacement, strain, and pore pressure in the surrounding rock mass were highly correlated with the storage pressure of compressed air. A numerical analysis was carried out to verify the monitoring results of ground behaviors, and the displacements and strains predicted in the numerical analysis showed quite similar trends to the monitoring results in a qualitative manner. For more quantitative comparison, further detailed evaluations should be performed with re-estimated input parameters and boundary conditions.

( 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
• 세부 연구주제 1: 열에너지 저장공동의 레이아웃 설계기술 개발 ... 18
• 세부 연구주제 2: 암반 및 단열복합체의 열적·역학적 특성 평가 ... 19
• 세부 연구주제 3: 암반의 열-수리 환경변화 예측기술 개발 ... 19
• 세부 연구주제 4: CAES 파일럿플랜트 운용기술 실증실험 및 수치해석적 검증 ... 19
• 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 특허조사를 통한 국내외 기술현황 분석 ... 60
• 1. 개요 ... 60
• 2. 단열구조 및 단열재 ... 61
• 3. 열저장 매질 및 열교환 방식 ... 69
• 4. 요약 및 연구개발 방향 ... 75
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 77
• 제1절 열에너지 저장공동의 레이아웃 설계기술 개발 ... 77
• 1. 열저장소내 열성충화의 정량화 기법 조사 및 비교 분석 ... 77
• 2. 열저장 암반공동의 형상별 역학적 안정성 평가 ... 90
• 3. 열저장 암반공동의 형상별 열성충화 및 열손실 평가 ... 103
• 4. 역학적 안정성과 열적 성능을 고려한 열저장 공동의 최적 형상 결정 ... 121
• 5. 다중 열저장 공동의 적정 이격거리 분석 ... 128
• 6. 열에너지 저장효율 분석을 통한 지하저장 타당성 평가 ... 138
• 7. 열저장 개념의 활용 비즈모델의 타당성 분석 ... 158
• 제2절 암반의 열적·역학적 물성 평가 ... 160
• 1. 암반의 열물성 시험 및 평가 ... 160
• 2. 열환경하에서 암반의 역학적 특성 시험 및 평가 ... 167
• 3. 암종별 열물성 특성 ... 174
• 4. 현지암반 특성을 고려한 물성변화 영향인자 분석 ... 185
• 제3절 암반 및 단열복합체의 열균열·손상거동의 실험적 평가 및 검증 ... 193
• 1. 코어 및 모델시료에 대한 균열 및 손상거동 평가 ... 193
• 2. 입자결합모델을 이용한 장기적 균열 및 손상거동 평가 ... 206
• 3. 저장공동의 균열 및 손상거동 평가를 위한 수치코드 개발 및 검증 ... 218
• 제4절 수치모델링에 의한 열-수리 환경변화 예측기술 개발 및 저장공동의 동적 안정성 평가 ... 240
• 1. 저장온도 100℃ 이상 열-수리 환경변화 예측기술 개발 ... 240
• 2. 암석 열물성의 온도 의존성 및 열전파 양상에 미치는 영향 해석 ... 252
• 3. 저장공동 주변 발파손상대의 수치해석적 평가 기법 개발 ... 259
• 4. 동하중에 대한 저장공동의 동적 안정성 평가 및 지침 수립 ... 272
• 제5절 CAES 파일럿플랜트 운용기술 실증실험 및 수치해석적 검증 ... 295
• 1. 파일럿플랜트 운영 실험 및 내조시스템의 성능 평가 ... 295
• 2. 파일럿플랜트 수압시험에 대한 수치해석적 검증 ... 304
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 311
• 제1절 목표달성도 ... 311
• 1. 최종 연구목표의 달성도 ... 311
• 2. 당해연도 목표의 달성도 ... 312
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 313
• 1. 기술적 측면 ... 313
• 2. 경제·산업적 측면 ... 313
• 3. 정책적 측면 ... 313
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 315
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 317
• 제1절 기술 개발 ... 317
• 1. 시장 환경 및 정책 ... 317
• 2. 에너지저장 활용 사례 ... 319
• 3. 해외 동향 및 현장 시찰 ... 322
• 제2절 특허 ... 329
• 1. 열에너지저장 분야 연도별 특허동향 ... 329
• 2. 특허로 살펴본 연구개발 방향의 변화 ... 331
• 3. 전 세계 국가별 주요 출원인 ... 333
• 4. 기술 분류별 특허동향 ... 337
• 제3절 논문 ... 340
• 제7장 참고문헌 ... 345
• 부록 ... 359
• 부록 A. 열저장 공동의 안정성 및 열적 성능 평가를 위한 암반 물성 산정 ... 361
• 부록 B. 응력-변형률 관계 곡선 ... 372
• 끝페이지 ... 401