전력 에너지 저장 방식 및 기술 비교

1. 전력 에너지 저장 시스템의 구비 조건

1) 에너지 저장에 필요한 저장 용량이 충분해야 한다
2) 높은 에너지 저장 밀도와 효율이 요구되며, 에너지 저장 용량이 커야 한다
3) 저장 기간이 장시간 유지되어야 한다
4) 안정성과 신뢰성이 높아야 하며, 고출력 저장이 가능해야 한다
5) 저장장치의 경제성이 좋아야 한다

2. 역학적 에너지 저장

(1) 양수 발전

• 전기에너지를 위치에너지 형태로 저장
• 위치에너지는 다음과 같이 계산됨:

$$
W = \int F dx = \int m g dx = mgh \quad [J]
$$

• $h$: 낙차, $m$: 양수량, $g$: 중력 가속도

(2) 플라이휠 저장

• 회전 운동 에너지 형태로 저장
• 저장 에너지는 다음과 같이 계산됨:

$$
E = \frac{1}{2} I \omega^2 = \frac{1}{2} m r^2 \omega^2 \quad [J]
$$

• $I$: 회전 관성 모멘트, $\omega$: 각속도, $m$: 질량, $r$: 반지름

[ 플라이휠 저장 개념도 ]
입력전력 → [M] → [G] → 플라이휠 → [G] → 출력전력

3. 압축공기 저장 시스템 (CAES)

(1) 기존 가스터빈 발전 단점

• 공기 압축에 전체 에너지의 60~90%를 사용하여 효율이 낮음

(2) CAES 방식

• 전력으로 공기를 압축하여 저장 후, 필요 시 팽창시켜 가스터빈으로 발전

[ CAES 시스템 구성 ]
전력 → 압축기 → 압축공기 저장탱크 → 연소기 → 가스터빈 → 발전기

4. 전기적 에너지 저장

(1) 콘덴서 저장

• 저장 에너지:

$$
W = \frac{1}{2} C V^2 \quad [J]
$$

• 대용량 저장이 어려움

(2) 초전도 코일 저장 (SMES)

• 저장 에너지:

$$
W = \frac{1}{2} L I^2 \quad [J]
$$

• 고효율이고 단시간 응답 가능

5. 열 에너지 저장

• 저장 에너지:

$$
W = m \int_{T_1}^{T_2} c_p(T) dT \quad [J]
$$

• $m$: 물질의 질량, $c_p$: 비열, $T$: 온도
• 잠열 저장: 상태변화 시 장열 흡수 또는 방출

6. 화학 에너지 저장

(1) 이차전지 (BESS)

• 화학 에너지를 전기에너지로 변환
• 전극과 활성물질로 구성됨

(2) 수소 연료

• 전기로 물을 전기분해하여 수소 생산
• 연료전지를 통해 다시 전기에너지로 변환

7. 전력 저장 기술 비교표