효율적인 에너지 사용을 돕기 위해 나타난 PCM ?

효율적인 에너지 사용을 돕기 위해 나타난 PCM ?

 

대학생신재생에너지기자단 14기 변홍균, 15기 나혜인

 

열을 저장하기 위한 방식으로 현열 저장, 잠열 저장, 화학 반응 열 저장 세 가지 방법이 주로 활용되고 있다. 현열 저장기술은 물체의 상태 변화 없이 온도 변화로 나타나는 열을 저장하는 기술로, 냉·온수 보온 저장 탱크가 가장 대표적인 예이다. 잠열 저장기술은 온도 변화 없이 상태변화에 따라 축열(열 저장), 방열(열 방출) 원리를 활용하여 열을 저장하는 기술이며 빙축열시스템이 대표적이다.

[물의 상변화에 의해 발생하는 잠열과 현열]

일반적으로 상전이가 일어날 때 온도변화 없이 출입하는 열인 잠열(Latent heat)은, 상전이를 수반하지 않고 온도변화를 보이며 출입하는 열인 현열(Sensible heat)에 비해서 현저하게 높은 열량을 갖는다. 이 특징을 이용해서 높은 양의 열에너지를 저장하거나, 온도를 유지하는데 이용할 수 있다. 즉, 잠열은 ’잠겨 있는 열’, ‘숨어 있는 열’이라 생각하면 된다.

 

PCM은 Phase Change Material의 줄임말로, 상변화물질을 뜻한다. 고체에서 액체로 변화할 때 열을 흡수해 내부에 저장했다가 다시 액체에서 고체로 변화할 때 저장했던 열을 방출하며, 이때 온도 범위와 필요에 따라 적정 에너지를 저장하고 온도를 유지하기 위해 개발되었다.

 

 

[상변화소재와 일반 물질의 열저장 특성 비교]

 

PCM의 열저장 능력은 일반 물질보다 확연히 좋다는 것을 위 그래프를 통해 확인할 수 있다. 일반 물질인 물과 PCM, 이 두 개를 동시에 100 까지 온도를 높였을 때, 상변화가 일어나는 지점인 Melting point에서 PCM은 잠열 구간이 확실히 보이지만 물의 경우 100 까지 온도가 직선상으로 안정하게 올라가 잠열 구간이 잘 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.

 

그러나 PCM을 그 자체로 활용하기는 어렵다. 열에너지를 저장할 수 있지만, 열저장 과정에서 액체가 된 PCM은 외부로 유출될 우려가 있기 때문이다. 이를 해결하기 위해 상태변화가 발생하는 과정에서 외부로 흘러나오지 않도록 포장이 필요하며, 이를 ‘PCM Capsulation’이라 한다. 즉 캡슐 안에 PCM 소재를 넣어 건축자재 혹은 ESS, 섬유 등에 사용된다.

 

[Micro-fluidic device based encapsulation method]

1) 건물 에너지 절약 :단열재 활용, 건물의 자연 냉각 등

 

[상변화소재가 첨가된 축열 자재]

 

상변화 캡슐이 첨가된 건축자재나 시트를 건물 벽, 바닥, 지붕 등에 적용할 경우 더운 낮에는 내장된 상변화 캡슐이 열을 흡수하며 내부를 시원하게, 추운 밤에는 낮에 저장해 두었던 열을 방출하며 내부를 따듯하게 유지한다다. 또한, 태양열을 기반으로 건축물 내부의 온도를 유지하기 때문에 냉난방에 필요한 에너지 소모량을 크게 줄일 수 있다.

 

2) 열에너지 저장기술 : 잠열축열-태양에너지 저장

상변화물질을 이용한 열에너지 저장은 물이 얼음으로 변하는 것처럼 어떤 물질이 특정의 상태에서 다른 상태로 변화하면 그 과정에서 상당한 양의 에너지가 흡수되거나 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 적당한 물질을 사용하면 이와 같이 ‘잠복해 있는 에너지(잠열)’를 이용하여 열에너지를 저장할 수 있다. 특정한 소금이나 밀랍 종류를 포함하여 열에너지를 저장하는 데 적합한 물질들이 현재 PCM 에너지 저장용 구조재로 상업화되었다. 이런 제품들은 셀 형태나 구조용 시팅(sheeting)에 이르기까지 다양한 제품으로 사용되고 있다. 공기나 글리콜(glycol) 등의 PCM 순환액은 패시브 솔라 시스템으로 생산된 열에너지를 저장하여 야간이나 구름이 낀 주간과 같이 시스템이 작동하지 못하는 기간에 사용될 수 있기 때문에 패시브 솔라 난방시스템에 적합하다.

 

 

무한정 자원인 태양열을 이용한 에너지 저장 및 이용이 가능한 축열시스템으로서, 상변환소재를 적용하면 열에너지 사용량을 줄이고 사용 효율을 높여 화석연료 의존도, 지구온난화, 열섬 등의 문제를 저감할 수 있다. 또한, 잉여 열원을 회수하여 적절한 시기에 활용한다는 점에서 수요가 집중되는 시간대의 에너지 피크 부하를 저감할 수 있다. 이는, 전력 피크로 인한 블랙 아웃, 혹은 소규모 정전사태의 예방이 가능하다.

 

열에너지 저장 외에도, 온도변화 없이 출입하는 열인 잠열의 형태로 열을 저장 및 방출한다는 점을 이용하여 특정 온도를 유지시켜주는 역할을 할 수 있다. 그러므로 건축내장재, 섬유 등에 적용하면 에너지 사용량 절감은 물론 생활의 쾌적성도 높이는 이중효과를 얻게 된다. 장비나 기기의 발열 방지용 냉각 분야, 쾌적성 유지를 위한 직물, 섬유, 의류 분야 등과 같은 다양한 범위에 걸쳐 연구되고 있지만, 향후 높은 잠열특성을 보이면서 외부 유출문제가 전혀 없는 상변화 캡슐을 만들기 위한 추가 연구와 노력이 필요하다.

 

 

참고자료

• 이성인, 에너지저장시스템(ESS) 수요 관리 효과분석 및 시장조성 방안 연구, 에너지경제연구원, 2014.11
• 김종률, 이원근, 문기선, 박창현, 조수진, 상변화물질 이용 저온 열저장 기술, 대한기계학회 춘추학술대회, 2017.5
• 한국과학기술 연구원/ 최웅수(책임연구원)상변환소재를 활용한 열에너지 저장 기술 개발동향, 2018