에너지를 저장할 수 있는 모든 것은 ESS라고 일컬으며 최근에는 2차전지 기반의 ESS가 대중화됐다. 기계, 양수발전, 전기화학, 열저장장치 등 여러 기반의 ESS가 있으며 ESS는 2가지 조건을 충족해야 한다. 이는 출력성능과 저장성능이 2가지 조건에 해당되며 동시에 만족해야 ESS로써 활용할 수 있다. 그러나 냉각에너지를 사용하기 위한 CTES(Cold thermal energy storage)는 저장성능이 높으나 출력성능이 낮은 문제가 있다.
대표적인 CTES로는 물로 열전도가 고체보다 액체일 때 1/4로 떨어지는 큰 차이를 보이는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 상변화물질(PCM)을 바탕으로 PCM의 출력성능을 높이는 방안이 연구돼왔다. 선행연구로 PCM이 저장된 케이스 내 철수세미 같은 구조물을 넣어 출력성능을 향상하는 방안과 열교환기 형태에 PCM을 넣어 표면적을 넓힘으로써 열교환 효율을 높이는 방안 등이 진행했다.
그러나 PCM은 유체사용에 있어 밀도가 정확하게 달라야 하는 등 제약으로 활용이 어려운 실정이다.
이에 따라 저렴하고 친환경이며 가장 높은 융해잠열(334kJ kg-1)을 지닌 물을 얼음으로 만들어 에너지저장기술로 사용하는 ITESDCD(Ice thermal energy storage with direct contact discharging)가 소개돼 주목받았다. 안재환 식품연구원 박사는 지난 11월18일 열린 설비공학회 동계학술강연회에서 이같은 연구 성과를 발표했다.
냉열을 축적할 때 기존 방법을 사용하나 방출할 때 Direct contact을 사용하는 ITESCDC는 등축열 개념을 자동차에 적용한 방안이다. 콜드체인 차량은 Direct contact로 간접접촉에 의해서 직접접촉은 열저항이 없어 내부 온도교류가 발생하지 않는다. 이 상태로 에너지저장물질을 이동할 수 있어 콜드체인 차량이 없는 동안에도 냉각에너지를 충전해두고 차량이 들어오면 에너지저장물질을 이동하는 방법으로 콜드체인기능을 수행할 수 있다.
콜드체인 운송차량은 현재 디젤차의 경우 최대 40%의 연료를 냉각에 사용하고 있어 탄소중립 흐름에 역행하고 있으며 전기차의 경우 높은 배터리비용, 긴 충전시간 등 단점들이 존재한다. 기존 에너지저장기술은 케이스로 인한 열저항 증가, 내부온도구배 발생, 에너지저장물질 이동 불가 등 많은 과제를 안고 있다.
그러나 ITESCDC는 이러한 한계를 극복하고 자연냉매인 물을 사용해 친환경성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한 냉동·냉장 전기차량이 전기배터리를 충전하고 충전된 전기를 주행 중 냉각장치에 이용하는 방법은 주행거리를 매우 감소시킨다. 그러나 ITESCDC는 냉동·냉장차량이 없는 상황에서 태양광·전기 등 다양한 방법으로 냉각에너지를 저장해놨다가 차량에 얼음이나 기타 피스물질을 이동해 바로 냉각기능을 해 차량의 주행거리를 감소시키지 않는다.
특히 연구에서 얼음을 충전할 때 작은 얼음이 성능이 좋았으며 방전할 때는 큰 얼음이 좋은 효과를 내는 유의미한 결과도 도출됐다. 그러나 실제로 적용하기에는 아직 Lab Scale 실험 수준에 머물러 있으며 냉장조건에서는 기술성숙도가 3~4(TRL) 수준으로 COP 향상 및 비용 감소 등에 관한 연구가 많이 필요하다. 냉동조건에서는 TRL이 1(TRL) 수준으로 냉장조건보다 더 많은 연구가 요구되고 있다.
안재환 식품연구원 박사는 “전기배터리와 열배터리의 저장 공간 및 비용차이를 고려해야 하며 내부공간을 차지함으로써 발생하는 여러 문제들도 개선해나가야 하는 상황”이라며 “실제로 물류센터와 냉동·냉장탑차 사용자가 실질적으로 활용할 수 있도록 단점들을 극복해 나가겠다”고 밝혔다.
