에너지 효율적인 건물을 위한 열 에너지 저장 솔루션 탐색

200년 전, 얼어붙은 호수에서 얼음 덩어리를 잘라낸 후 단열 철도 차량을 통해 전국을 횡단하여 집으로 운반했기 때문에 공간을 식히거나 부패하기 쉬운 음식만 식힐 수 있었던 여러분의 모습을 상상해 보십시오. 집에 들어오면 열을 흡수하여 상이 고체에서 액체로 바뀌는 방식으로 얼음이 녹아 집이나 음식을 시원하게 유지합니다. 물이 얼면 흡수된 많은 양의 에너지로 인해 냉각(녹을 때)하거나 에너지를 방출하여 열을 낼 수 있는(얼 때) 능력이 저장됩니다.

건물을 가열하고 냉각하는 기술이 극적으로 향상되었는데, 과학자들이 1800년대까지 거슬러 올라가는 이러한 상변화 과정을 재검토하는 이유는 무엇일까요? 일부에서는 이것이 청정 에너지 미래를 향한 황금 티켓이 될 수 있다고 말합니다.

2022년 11월에 설립된 Stor4Build는 건물이 재생 에너지원에서 효율적으로 운영될 수 있도록 비용 효율적인 열에너지 저장(TES) 기술의 개발, 최적화 및 공평한 배포를 가속화하기 위해 노력하는 다중 실험실 컨소시엄입니다.

국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 건축 기술 연구소 프로그램 관리자인 Roderick Jackson이 Stor4Build 패널 토론을 진행합니다. 사진: Werner Slocum, NREL

NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 선임 연구원인 Tim LaClair는 “TES 뒤에 숨은 과학은 200년 전에 사람들이 했던 것처럼 간단할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그러나 오늘날 우리는 시스템을 저렴하게 만들고 거주자의 편안함을 보장하기 위해 다양한 재료, 제어, 표준, 건물 통합 등을 탐구하고 있습니다. 이 연구는 우리 건물의 전기화 및 탈탄소화를 위한 중요한 경로입니다.”

건물은 전국적으로 공평한 탈탄소화 목표를 달성하는 데 큰 장애물입니다. 미국 건물의 전기 소비량 중 무려 50%가 난방 및 냉방 수요를 충족하는 데 사용됩니다. 이러한 전력 소비를 재생 가능 에너지 생성과 일치시키는 것이 Stor4Build의 주요 초점입니다.

컨소시엄은 가열 또는 냉각이 생성, 저장 및 전달될 때 조정할 수 있는 새로운 TES 재료 및 시스템을 조사하고 있습니다. 공동 TES 연구를 활용하면 최대 에너지 수요를 평준화하고 잠재적인 전력망 중단을 줄이며 보다 비용 효율적인 구현이 가능해집니다. 건물의 전기화. TES는 건물 냉난방 프로세스를 더욱 관리하기 쉽고, 비용이 적게 들고, 효율적으로 만들고, 재생 가능 에너지원의 전력을 유연하게 관리하여 에너지가 가장 필요할 때 제공할 수 있도록 준비하는 데 있어 가능성을 보여줍니다.

열 에너지 저장이란 무엇입니까?

TES 시스템은 건물이 열 배터리 역할을 할 수 있도록 건물에 설치할 수 있습니다. 에너지, 잠재적으로 다음과 같은 재생 가능 에너지원에서 얻음 태양의 또는 바람은 다른 시간에 사용하기 위해 얼음, 왁스, 소금 또는 모래와 같은 물질로 채워진 탱크나 기타 용기에 저장됩니다.

ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 빌딩 기술 연구 및 통합 센터의 수석 R&D 과학자인 Som Shrestha는 TES가 건물의 최대 난방, 환기 및 냉방 에너지 수요를 크게 줄일 수 있다고 말했습니다.

“유용한 열 에너지를 사용할 수 있는 시간과 건물에 필요한 시간은 일반적으로 일치하지 않습니다. 따라서 TES 시스템은 이용 가능한 경우 유용한 열 에너지를 저장하고 이를 사용하여 필요할 때 난방 및 냉방 수요를 상쇄하는 데 필요합니다.”라고 Shrestha는 말했습니다.

Shrestha는 또한 ORNL이 외부 봉투에서 열 에너지를 수확하고 나중에 사용할 수 있도록 TES에 저장할 수 있는 “열 이방성 건물 봉투”를 어떻게 개발했는지 설명했습니다.

연구가 가열되고 있다

LaClair는 “TES에 대한 아이디어는 오랫동안 존재해 왔지만 이는 모두 새로운 연구입니다.”라고 말했습니다. “Stor4Build는 산업계, 학계, 커뮤니티 등의 파트너뿐만 아니라 국립 연구소 전반에 걸쳐 노력을 강화하기 위한 공동의 노력입니다. 소재 자체가 아닌 통합 기술 시스템을 개발하고 시장 채택이 가능하도록 해야 합니다.”

Stor4Build는 모든 지역 사회에 혜택을 주는 비용 효율적인 열 에너지 저장 기술의 성장, 최적화 및 배포를 가속화하는 것을 목표로 합니다. 사진: Werner Slocum, NREL

LaClair는 TES 발전의 큰 구성 요소가 실온에 가까운 녹는점과 어는점을 갖는 필요한 상 변화 물질을 식별하고 개발하는 데 달려 있다고 말했습니다. 이는 집이 재료의 녹는점보다 약간 더 차가우면 재료가 얼어 에너지를 방출하여 집을 가열하고, 집이 약간 더 따뜻하면 녹아서 에너지를 흡수하고 집을 냉각한다는 것을 의미합니다. 이를 통해 냉난방에 필요한 전기를 덜 사용하여 더욱 쾌적한 실내 공간을 제공합니다.

“예를 들어 가족이 집을 70˚F로 가열하려는 경우 TES 시스템에는 해당 온도 범위 내에서 녹고 얼 수 있는 재료가 필요합니다.”라고 LaClair는 덧붙였습니다. “다양한 왁스는 자연적으로 그 녹는점을 갖고 있지만 가격이 더 비쌉니다. 목표는 염수화물이나 열화학 물질과 같은 매우 저렴한 저장 물질을 개발하고 최적화하는 것입니다.”

로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 새로운 연구에는 열화학 물질 기반 TES를 개발하는 프로젝트가 포함되어 있습니다. 이러한 재료는 이론적으로 태양에너지나 잉여 그리드 전력을 충전한 후 방전하여 건물의 열 공간과 물 난방을 공급함으로써 상변화 재료보다 더 많은 열 에너지를 저장할 수 있습니다.

Berkeley Lab의 열 에너지 그룹 책임자인 Sumanjeet Kaur는 “풍부하고 비용 효율적인 원자재를 기반으로 하는 새로운 첨단 열 에너지 저장 시스템은 전기화학 저장 장치와 유사한 시간 길이에 걸쳐 열 부하에 대한 수요를 충족할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이는 전기화학적 저장에 대한 수요를 일부 완화하고 배터리를 확보할 뿐만 아니라 건물 내 에너지 저장 시스템의 다양성과 효율성을 높일 것입니다.”

LaClair는 컨소시엄 작업의 한 측면에서 프로젝트에 통합할 새로운 재료를 계속 개발하거나 시연을 위해 현재 재료를 사용하기 위한 인프라를 구축할 것이라고 덧붙였습니다.

NREL과 ORNL의 연구원들은 더 큰 그림을 연구하기 위한 프레임워크를 개발하기 위해 하이브리드 설계, 인공 지능, 기계 학습을 탐구하고 있습니다. 시뮬레이션 모델과 도구는 에너지 비용 절감, 최대 부하 감소, 필요한 수명주기 업데이트를 평가한 다음 실시간으로 TES 비용을 추가로 절감하는 방법을 조언할 수 있습니다. 이러한 발전은 TES 및 변환 시스템의 효율성과 경제성을 향상하고 주류 채택을 방해하는 장애물을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Stor4Build에 대한 추가 정보

Stor4Build에는 산업, 유틸리티, 비영리 조직, 커뮤니티, 건물 소유자, 학계, 정부 및 기타 연구 기관의 적극적인 참가자가 포함되어 있습니다.

Stor4Build를 통한 교차 작업은 모든 커뮤니티와 시장 변화를 위한 열에너지 저장 솔루션의 대규모 채택을 가속화하도록 설계되었습니다. 일러스트: 제시 알렉산더(Jessie Alexander) NREL

“열에너지 재생 에너지, 전기화, 건물 탈탄소화의 대규모 배치를 위해서는 연구가 필요합니다.”라고 NREL 건물 열 에너지 과학 그룹 관리자이자 Stor4Build 공동 이사인 Judith Vidal이 말했습니다. “우리는 TES 솔루션을 실험실에서 시장, 모든 커뮤니티로 발전시키기 위해 힘과 전문 지식을 결합해야 합니다.”

컨소시엄 전체의 작업은 재료 최적화 및 제조의 네 가지 연구 영역으로 분류됩니다. 모델링 및 분석; 시스템 최적화 및 통합; 시장, 정책, 형평성. 두 개의 운영 위원회(연구 개발 및 시장 채택)는 시장 생존 가능성을 높이기 위해 건물 에너지 저장 기술의 자산 중심 규모 채택과 시장 변화를 지원합니다.

5개년 계획의 일환으로 Stor4Build는 50~100kW의 집계된 최대 부하 이동에 대한 커뮤니티 규모의 시연을 개발, 평가 및 시작하는 동시에 개별 주택의 열 부하에 대한 전력 소비를 최소 50% 줄이는 것을 목표로 합니다. , 4~6시간 동안.

에너지부 건축 기술 사무소의 자금 지원을 받는 Stor4Build는 NREL, Berkeley Lab 및 ORNL이 공동으로 주도합니다..

Stor4Build@ee.doe.gov에 문의하세요. 협업 방법에 대한 자세한 내용을 알아보거나 최신 컨소시엄 업데이트를 받아보세요.

작성자: Ryan Horns, 원래 게시일: NREL