Executive Summary
- 열에너지 저장은 용융염, 상변화 물질(PCM) 또는 가열된 암석과 같은 재료를 사용하여 잉여 에너지를 열이나 냉기로 포집한 다음 필요할 때 방출합니다. 다수의 기술 경제성 및 수명 주기 분석에 따르면, 이 기술은 기계적 또는 화학적 대안보다 에너지 효율과 에너지 밀도가 높으며, 널리 보급된 많은 재생 에너지 저장 기술보다 비용이 저렴하고 환경 영향이 적습니다.
- 저장 매체는 크게 세 가지 범주로 나뉩니다. 물, 암석, 콘크리트, 벽돌, 세라믹, 흑연, 용융염과 같은 현열 재료는 비열 용량을 통해 열을 저장합니다. 파라핀 왁스, 염 수화물, 지방산, 폴리에틸렌 글리콜과 같은 상변화 물질은 고체와 액체 간의 전이를 통해 열을 저장합니다. 제올라이트, 금속 수소화물, 수산화물과 같은 열화학 재료는 가역적인 화학 반응을 통해 열을 저장합니다.
- 학술지 및 특허 출판물 모두 지난 20년간 꾸준히 증가했으며, 2019년 이후 눈에 띄게 가속화되었습니다. CAS Content Collection의 개념 분석에 따르면 PCM, 태양열 집열기, 히트 펌프, 마이크로 캡슐화, 알칸, 파라핀, 폴리옥시알킬렌 분야에서 가장 빠른 성장을 보였으며, 복합 재료의 열전도율을 높이기 위해 흑연, 구리, 그래핀 및 알루미늄을 사용하는 사례도 증가하고 있습니다.
- 열에너지 저장은 현재 에어컨의 피크 부하 관리, 최대 1,800°C를 공급하는 산업용 열 배터리, 집광형 태양광 발전소의 전력 생산, 건축 자재 내 PCM을 통한 건물 냉난방 등 다양한 사용 사례에서 상업적 배포 단계에 도달했습니다. 기타 신흥 응용 분야로는 지속 가능한 담수화, 스마트 섬유, 광열 치료 및 약물 전달과 같은 생의학적 용도가 있습니다.
풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지원은 배출량을 줄이는 데 매우 중요합니다. 그러나 이러한 에너지원을 최대한 활용하려면 바람이 불지 않거나 해가 비치지 않을 때 사용할 수 있도록 잉여 에너지를 저장해야 합니다. 배터리 에너지 저장이 이러한 요구를 충족하기 위해 성장해 왔지만, 다른 비용 효율적이고 에너지 효율적인 방법은 없을까요?
열에너지 저장이 바로 그러한 방법 중 하나이며, 기술 경제성 및 수명 주기 분석을 포함한 다수의 분석 결과는 다음과 같습니다. 열에너지 저장이 널리 사용되는 많은 재생 에너지 저장 기술에 비해 비용이 저렴하고 환경 영향이 적다는 것을 나타냅니다. 또한 열에너지 저장 시스템의 에너지 효율과 에너지 밀도는 더 높습니다. 기계적 및 화학적 저장과 같은 다른 일반적인 에너지 저장 기술보다 더 높습니다.
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열에너지 저장은 건물 내부 온도를 관리하는 독특한 이점을 제공합니다. 이는 기온이 상승하고 폭염이 심해짐에 따라 매년 더욱 중요해지는 과정입니다. 이러한 시스템은 낮 동안 열을 포집하고 수동적으로 기온이 떨어지는 밤에 방출합니다. 본질적으로 재생 가능한 자원에서 얻은 열에너지 저장은 화석 연료를 사용하는 에어컨 사용 증가라는 부정적인 피드백 루프를 끊음으로써 대기 배출량을 추가하지 않고도 건물을 시원하게 유지할 수 있습니다.
이러한 이점과 2015년 파리 협정에 명시된 2050년까지 순배출 제로 달성의 시급성을 고려하여, 당사는 다음을 분석했습니다. CAS Content CollectionTM, 과학 정보에 대한 인간이 엄선한 최대 규모의 저장소인 CAS Content Collection을 활용하여 이 기술이 어떻게 발전하고 있는지 파악하십시오. 문헌에서 반복적으로 나타나는 핵심 개념을 발견했으며, 이는 이러한 아이디어의 교차점에서 더 많은 돌파구가 마련될 수 있음을 시사합니다.
열 에너지 저장의 작동 원리
열 에너지 저장은 용융염, 상변화 물질(PCM) 또는 가열된 암석과 같은 재료를 사용하여 에너지를 열 형태로 포착 및 저장한 후, 나중에 다시 전기로 변환합니다. 열 에너지 저장 시스템이라고도 하는 열 배터리는 열이나 냉기 등 잉여 열 에너지를 포착하여 미래에 사용하기 위해 저장하는 혁신적인 기술입니다.
필요에 따라 열 에너지를 흡수, 저장 및 방출할 수 있는 특수 재료와 공정을 활용함으로써, 이러한 시스템은 에너지 효율성과 신뢰성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 감소시키는 데 산업 배출량을 직접 사용 할 수 있기 때문에 고열 산업 공정에 직접 사용하거나 해당 공정에 동력을 공급하기 위한 증기를 생성하는 데 유용합니다.
표 1에서 볼 수 있듯이 열 에너지를 저장할 수 있는 재료는 매우 다양합니다:
표 1: 열 에너지 저장 재료의 유형 및 예시.
출판 동향은 광범위한 기회를 보여줍니다
열 에너지 저장 기술은 어떻게 진화하고 있으며, 광범위한 상용화에 가까워졌을까요? CAS Content Collection에 대한 당사의 분석 결과, 열 에너지 저장 관련 출판물의 급격한 증가뿐만 아니라 돌파구가 발생할 가능성이 있는 분야를 보여주는 수많은 관련 개념이 밝혀졌습니다.
지난 20년간 학술지 및 특허 출판물 모두에서 꾸준하고 일관된 성장을 확인했습니다(그림 1 참조).
2019년 이후 성장이 두드러졌으며, 특허의 지속적인 증가는 이러한 기술이 상업적 실행 가능성에 도달하고 있음을 보여줍니다.
CAS Content Collection의 특정 주제 섹션에 출판물 수를 매핑하여 분석을 심화했으며, 이는 열에너지 저장이 수많은 분야에 폭넓게 적용될 수 있음을 보여줍니다(그림 2 참조).
예상대로 대부분의 출판물은 전기화학, 방사선 및 열에너지 기술에 관한 CAS 주제 섹션과 관련이 있으며, 그 뒤를 이어 단위 조작 및 공정, 장치, 열역학 등 이해 가능한 관련 섹션들이 뒤따르고 있습니다. 콘크리트 및 기타 건축 자재에 관한 주제 섹션에도 많은 출판물이 있는데, 이는 주로 건물의 에너지 효율을 개선하기 위해 상변화 물질(PCM)을 통합하는 문제를 다룹니다. PCM을 포함한 콘크리트는 외부 온도가 높은 낮 동안 열을 흡수하여 실내를 고온으로부터 보호하고, 외부 온도가 낮아지면 열을 방출합니다.
에너지와 관련된 주제 섹션에서도 상당수의 출판물을 발견했는데, 예를 들어 공급과 수요의 균형을 맞추기 위한 풍력 및 태양 에너지 분야의 응용이 있습니다. 열에너지 저장은 또한 원자력 에너지가 기존의 기저 부하 발전에서 벗어나 다양한 전력 수요에 적응할 수 있도록 전환하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
물과 관련된 출판물 수는 열에너지 저장이 기회를 제공함을 보여줍니다. 지속 가능하고 전천후로 운영되는 담수화 분야에서 말입니다. 태양 에너지로부터 생성된 열에너지를 저장하고 지속적으로 공급함으로써, 이러한 시스템은 염수 증발을 주도할 수 있습니다.
열에너지 저장 출판물에서 다루는 보다 독특한 주제 중 일부는 다양한 재료와 관련이 있습니다. 비철금속 및 합금에 관한 주제 섹션은 이러한 재료가 열에너지 저장 시스템 구축에 사용되기 때문에 상당수의 출판물을 보유하고 있으며, 일부 연구에서는 이를 PCM으로 사용하는 사례도 보고했습니다.
플라스틱 제조 및 가공과 관련된 주제도 수많은 출판물에 등장하는데, 이는 아마도 PCM 조성을 포함하는 다양한 폴리머가 효과적 임이 밝혀졌기 때문일 것입니다. 섬유 및 직물 분야도 열에너지 저장 재료가 스마트 섬유를 만드는 데 사용되면서 두드러지게 나타납니다. 및 열변색성 직물.
PCM의 열에너지 저장 기능은 다양한 생체의학 분야(광열 치료, 표적 약물 전달, 제약 등)에서도 유용하게 활용됩니다.
개념 동시 출현을 통한 소재와 용도의 결합
아이디어의 교차점을 평가하고 혁신이 일어날 수 있는 지점을 파악하는 또 다른 방법은 개념 쌍의 동시 출현을 조사하는 것입니다. 2022년부터 2024년까지의 기간을 대상으로 이러한 개념 쌍과 그 성장세를 분석했습니다(그림 3 참조).
그림 3A는 성장률이 가장 높은 상위 10개 개념 쌍을 보여줍니다. PCM, 태양 에너지 수집기, 히트 펌프 등이 크게 성장한 개념들입니다. PCM의 열전도율을 높이고 주변 물질과의 반응성을 방지하는 기술인 마이크로캡슐화는 출판물 수와 성장률이 높아 두드러집니다. 이 기술은 열에너지 저장 공정의 전반적인 효율성을 개선하는 데 사용되어 왔습니다.
물질 분류 개념과 응용/용도/공정 개념의 조합을 살펴봄으로써 고성장 개념 쌍을 더욱 좁혔으며, 상위 10개 개념 쌍은 그림 3B에 나타나 있습니다.
알칸, 파라핀, 폴리옥시알킬렌은 최근 몇 년간 가장 높은 성장세를 보인 물질 분류에 속합니다. 그 뒤를 이어 마이크로캡슐과 복합재료와 같은 개념이 있습니다. 파라핀 왁스는 안정성과 반복 사용성을 향상시키기 위해 캡슐화되어 마이크로캡슐을 형성하는 경우가 많기 때문에 이러한 개념들이 높은 성장세를 보였습니다. 또 다른 관심 주제인 알칸은 열전도율을 개선하고 누출을 방지하며 화학적 안정성을 제공하기 위해 폴리머, 다양한 형태의 탄소, 무기 재료와 같은 물질과 결합되는 경우가 많습니다.
그림 3C는 물질 분류 개념과 성질 개념으로 구성된 고성장 개념 쌍을 보여줍니다. 용융염을 제외하면 고성장 물질 분류는 그림 3B에서 확인된 것과 유사합니다. 이들과 자주 연관되는 성질로는 적외선(IR) 스펙트럼, 표면 구조, 엔탈피, 응고, 태양 에너지가 있습니다.
폴리옥시알킬렌과 같은 PCM의 응력-변형률 관계는 구조적 무결성을 확인하고 성능을 최적화하기 위해 자주 연구됩니다. IR 스펙트럼은 PCM의 화학 구조, 상전이, 열 안정성을 연구하는 데 사용되기 때문에 PCM과 자주 동시 출현합니다.
또한 물질과 그 용도의 동시 출현도 조사했습니다(그림 4 참조).
흑연은 상변화 물질(PCM)에 가장 많이 사용되는 물질 중 하나입니다. 흑연과 PCM을 포함하는 복합체는 흑연의 높은 열전도율과 다공성 구조 덕분에 더 나은 열에너지 저장 성능을 위해 사용됩니다.
흑연과 마찬가지로 구리, 그래핀, 알루미늄 또한 PCM과 결합하여 열전도율을 향상시킵니다. 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는 복합체 역시 가장 널리 보고된 상변화 물질 중 하나입니다. 이러한 동시 출현은 이미 열에너지 저장 분야에서 핵심적인 역할을 하는 물질과 향후 추가적인 탐색 가치가 있는 물질을 보여줍니다.
시장으로 진출하는 열에너지 저장 솔루션
많은 기업이 이미 여러 응용 분야에서 열에너지 솔루션을 마케팅하고 있습니다. 특허 증가 추세에서 확인했듯이, 이는 해당 기술이 어떻게 실용화되고 있는지를 보여줍니다. 주목할 만한 사례는 다음과 같습니다.
- 피크 부하 관리(Peak shaving): Ice Energy 는 전기 요금이 비쌀 때 전력 소비를 피할 수 있도록 열에너지 기반의 냉방 솔루션을 제공합니다. 한편, Sunamp는 태양 에너지나 비피크 시간대의 그리드 전력을 사용하여 온수 솔루션을 가동합니다.
- 산업용 에너지: Electrified Thermal Solutions는 열 배터리 를 제조하여 재생 가능한 전기를 열 형태로 저장한 다음, 산업용으로 최대 1800°C까지 일관된 열 공급을 제공합니다.
- 발전: 여러 기업이 집광형 태양열에서 발생하는 열을 사용하여 증기를 생산하고, 이를 통해 전기를 생성하고 있습니다. 잉여 열은 용융염을 사용하여 저장되며, 햇빛을 이용할 수 없을 때 전기를 생산하는 데 사용됩니다.
- 건물 냉난방: Microtek 은 건축 자재에 상변화 물질(PCM)을 사용하여 실내 열을 저장 및 방출함으로써 에너지 소비를 절감합니다.
또 하나의 도구
경제 활동과 인간의 편안함을 유지하면서 배출량을 줄이고 넷제로(Net-zero)를 달성하려면 수많은 혁신적인 솔루션이 필요합니다. 열에너지 저장은 재생 에너지 및 에너지 효율성과 결합할 때 유용한 옵션입니다. CAS Content Collection™에 대한 당사의 분석에 따르면 이 기술에 대한 관심이 커지고 있으며, 연구 개념이 중요한 재료, 물질 및 용도를 중심으로 수렴되고 있습니다. 더 많은 혁신이 시장에 출시됨에 따라 열에너지 저장은 기후 변화의 영향을 완화하기 위한 노력의 일환으로 확실히 자리 잡을 것입니다.
