4.2.1.1 미국 전력연구소 콘크리트 열저장(실증)

EPRI는 미국 DOE의 지원을 받아 Gaston 석탄 화력발전소에 10 MWhe 규모의 콘크리트 열에너지 저장(CTES) 파일럿 플랜트를 구축하였다.⁽¹⁰⁾ 석탄 화력발전과 CTES의 통합을 통해 발전소 전력 변동성에 대응한 유연 운전을 가능하게 하고, 저비용 및 고내구성 장주기 열저장 기술을 실증하는 것을 목표로 하였다. CTES는 초임계 증기를 이용하여 콘크리트를 가열하고, 고압 증기를 발생시켜 방전하는 방식으로 설계되었으며, 약 12.5 m 길이의 모듈식 구조로 제작되었다. 콘크리트는 낮은 비용과 높은 내구성, 제작 용이성 등의 장점으로 축열 매체로 채택되었으며, 장시간 열저장 및 수천 회의 사이클링 시험에서도 안정성을 확보하였다.⁽¹⁰⁾ 충전 과정에서는 Gaston Unit 5에서 공급되는 초임계 증기로, 방전 과정에서는 약 1.8 kg/s의 유량으로 2~3시간 동안 과열도 50 이상의 과열증기를 발생시켜 하루 최대 2회 운전의 파일럿 테스트가 실증되었다. 테스트에서 23 MWhth 충전 및 16 MWhth 방전 성능을 달성하였으며, 장시간 대기 이후에도 출력 유지가 확인되었다.^{(17, 18)}

4.2.1.2 독일 지멘스 에너지(실증)

독일 Siemens Energy는 Pebble bed 구조의 자갈 타입 화강암을 축열재로 활용한 전기 열저장 시스템(ETES, Electric Thermal Energy Storage)을 개발하였다. 사이클 구성은 전기 히터로 공기를 600℃까지 가열해 축열하고, 방전 시 증기발생기로 480℃, 65 bar의 과열 증기를 생산하여 스팀 터빈을 구동하는 랭킨 사이클을 따른다. 2017년 보고서에 따르면 개념 검토를 시작으로, 독일 함부르크에서 1.2 MWe급 데모(Demonstration) 플랜트가 설치되어 1일 방전 운전에서 약 25%의 왕복 효율을 기록하였다.⁽¹⁹⁾ 이어 2019년 전력망에 연결하여 5 MWe급 히터 출력과 2020년 130 MWhth 규모의 데모 플랜트에서 실증 운전이 성공적으로 수행되었다.⁽²⁰⁾

Siemens Energy사의 ETES는 효율은 낮지만 열저장 분야 연구 초기에 빠른 시장 개척 목적을 위해 히트펌프 대신 전기 히터를 채택하며 개발 속도를 높이고, 매우 저렴한 비용으로 가격 경쟁력에 강점을 가진다.

4.2.1.3 노르웨이 에너지네스트(실증)

EnergyNest는 노르웨이 Porsgrunn 산업단지의 Yara 공장에 콘크리트 기반의 열저장 배터리 ThermalBatteryTM을 스팀 그리드 밸런싱 용도로 도입하였다. 본 프로젝트는 증기 공급의 단기적인 변동성을 완화하고 잉여 증기를 활용하여 에너지 효율을 향상시키는데 목적이 있다. 열저장 매체는 HeatCrete라 명명한 고체 축열 콘크리트를 기반으로 하며, ThermalBatteryTM은 전기보일러와 연계되어 외부 전력으로 축열된다.⁽²¹⁾ Yara 실증 플랜트는 272℃, 34 bar 증기를 이용해 축열하고, 방열 시에는 189℃, 5 bar의 건증기를 공급하는 구조로 총 3.5 MWhth 규모이며 시간당 1톤의 스팀을 처리할 수 있다고 보고되었다. 실증 플랜트는 4기 모듈과 압력용기로 구성되며 설계 수명은 약 20만 시간(30년, 46만 회 사이클 이상)으로 보고되어 안정성을 입증하였다.⁽²¹⁾ EnergyNest는 관련 연구에서 TES 설계의 모듈성과 단순성은 산업 폐열 회수, 열 발전소, 집광형 태양광 발전 응용 등 고온 시스템의 규모 확장에 있어 유연성을 제공할 수 있다고 설명하였다.⁽²²⁾ KURZ에 위치한 독일 플라스틱 공장에서도 열저장 개념을 연계한 3 MWe 전기 히터 출력의 12 MWhth 규모의 재생전력 기반의 Power2heat 프로젝트를 실증하였다.

4.2.1.4 미국 론도 에너지(상용화)

미국 Rondo Energy는 내화 벽돌을 축열 매체로 활용하는 1,000℃ 이상의 초고온 열저장 시스템을 개발하였다. 내화 벽돌을 모듈형 축열 뱅크로 구성하여 1,100~1,500℃ 범위의 고온을 저장할 수 있으며 40년의 장수명 사이클을 제공한다. 단열 구조를 통해 일일 열 손실률은 1% 미만으로 보고되었다. 충전은 간헐적 재생에너지 전력이나 전력망의 저가 시간대 전력을 이용하여 전기 히터 방식으로 히터 소자가 발광하여 복사열을 벽돌에 전달하는 구조이다. 전력-열 변환 효율이 사실상 100%에 도달하며, 축열된 고온 벽돌은 수 시간에서 수 일간 안정적으로 열을 저장한다고 설명하였다. 방열 단계에서는 벽돌 사이로 공기 또는 가스를 통과시켜 1,000℃ 이상의 과열 유체를 생산하며, 이는 직접 산업 공정열로 활용되거나 증기 발생기를 통해 보일러 대체의 형태로 열을 공급한다. 이에 증기 터빈과 결합할 경우 열병합발전 구조로 전력과 열을 동시에 공급할 수 있음이 보고되었다.⁽²³⁾

4.2.1.5 노르웨이 교토그룹(상용화)

노르웨이 Kyoto Group은 Heatcube라는 고온 열에너지 저장 시스템을 개발하여 유럽 산업 현장에서 실제 산업에 사용하고 있다. Heatcube는 전기 히터를 통해 전력을 열로 변환하여 용융염에 저장하고, 필요 시 증기 발생기를 통해 산업용 증기를 공급하는 시스템이다. 사이클의 단순성에 기반해 높은 신뢰성을 보이며 저가 전력을 전기 히터로 공급하여 용융염 탱크에 축열하는데, 다중 탱크 설계로 충방전 과정을 분리하여 충방전이 동시에 진행할 수 있는 구조로 설계되었다. 2020년 파일럿 실증을 시작으로 2021년 덴마크, 2022년 헝가리에 Heatcube가 설치되어 실증이 진행되었으며, 2,000~15,000 t의 CO2 배출 저감량과 24/7 운전 지속성을 강점으로 내세운다.⁽²⁴⁾

4.2.2.1 미국 전력연구소 모래 열저장(개념)

미국 전력연구소 EPRI(The Electric Power Research Institute)는 앞서 소개하였던 CTES 프로젝트의 설비와 연계하여 Gaston 석탄 화력발전소(Unit 5)를 대상으로 모래 열저장 기반 장주기 열저장 시스템(STES) 실증을 위한 다단계 프로젝트를 수행하였다. 2023년 파일럿 설계 연구에서는 10 MWhe 규모의 모래 축열 시스템을 기존 인프라와 통합하는 방안이 검토되었으며, 이어 Pre-FEED 단계에서 TRL 6 수준의 파일럿 설계가 마련되었고, 최종적으로는 2030년 상업화를 목표로 하고 있다.⁽²⁵⁾ SandTES는 저비용·고가용성의 모래(2023 EPRI STES 자료 기준 약 $46/t)를 활용하여 소형 설비 면적과 높은 시스템 관성, 화재 위험이 없다는 장점을 제공하나, 고체 입자 이송과 열전달 제어에서 복잡성이 수반되어 신뢰성 문제가 발생할 것으로 예상되었다. 전체 시스템은 충전 시 초임계 증기로 모래를 가열하고, 방전 시 고온 모래가 열교환기로 되돌아가 증기를 발생시키는 순환 구조를 가진다. 초임계 증기(538℃, 24.1 MPa)를 투입해 모래를 가열하고 약 490℃, 초임계압 조건의 증기를 발생시키는 구조이다. 열교환 설비는 유동층 열교환기를 사용하며, Mild fluidization 방식을 통해 열교환 면적을 최대화하여 높은 열교환율을 확보하였다. Pre-FEED 결과 1 MWe 규모, 10시간 저장(10 MWhe)의 2탱크 설계가 도출되었으며, 총 예산은 500만 달러 이하로 유지되었다.⁽²⁵⁾ 2024년 프로젝트 최종 보고서에서는 2.5 MWth(1 MWe 상당), 10 MWhe 용량을 유지했으며 전기 입자 가열기(EPH)가 추가되어 상업용 확장 시 전기 직접 가열을 통한 고온 도달 가능성이 새롭게 제시되었다.⁽²⁶⁾

4.2.2.2 미국 전력연구소 파쇄암 열저장(개념)

EPRI는 Brenmiller Energy가 개발한 bGenTM 파쇄암 기반 열저장 기술(Crushed-Rock TES)을 적용하여 천연가스 복합화력발전소(NGCC)에 통합 가능한 200 MWhth 규모의 장주기 TES 시스템을 설계하였다.⁽²⁷⁾ 연구에 사용된 bGenTM 열저장 모듈은 2018년 성능 시험에서 521℃, 80 bar 조건에서 8시간의 안정적 운전을 달성하였으며, 시스템 성능은 4시간 저장 시 16 MWhe, 최대 4 MWe 출력, 열-열 효율 80% 이상으로 보고되었다.⁽²⁸⁾ bGenTM 기술은 500~700℃ 범위에서 고온 열을 저장하고 직접 과열증기를 발생시키며, TES 모듈 비용은 약 $50/kWth 이하 수준의 저비용이다. 충·방전 과정은 충전 유체와 축열 매체가 직접 접촉하지 않는 간접 열교환 구조로 설계되었고, 초기 설계에서 제시된 운영 시나리오 중 전력, 증기 충전을 결합한 Hybrid 방식이 채택되어 충·방전 온도 및 압력 조건을 동일하게 유지하면서 장기적으로 전기 기반 충전으로의 전환 가능성을 확보하였다.⁽²⁷⁾ Feedwater(42℃, 126 bar)는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 배가스로 가열된 후 bGenTM 모듈과 연계되어 560℃, 126 bar의 과열증기를 생산하게 설계하였으며, 이 열저장 모듈은 방전 시 약 4시간 동안 안정적 증기 흐름을 유지해 17.8 MWe 수준의 전력 출력을 가능하게 했다. 본 프로젝트는 저비용 고내구성 매체를 활용해 NGCC와 통합 가능한 TES의 실증 가능성을 확인하였으나, 화석연료 지속 사용에 따른 환경적 부담은 여전히 남아 있으며, EPRI에서 작성한 최종 보고서에서도 장기적으로 신재생 전력 기반 전기 가열 체계로의 완전한 전환 필요성이 강조되었다.

4.2.2.3 독일 항공우주센터 S2P 프로젝트(개념)

독일 RWE사의 발전소를 대상으로 수행된 Store2Power 프로젝트는 기존 석탄 화력발전소 인프라를 활용하여 장주기 열저장 발전소로 전환하는 프로젝트로, 용융염과 고체 열저장 두 가지 축열 기술을 연구하였다. 용융염 열저장 케이스에서는 565℃ 수준에서 전기 히터로 용융염을 가열하여 열 저장조에 저장하고, 필요시 증기발생기를 통해 기존 터빈에 증기를 공급하는 구조가 제시되었다. 설계 조건에서 하루 두 차례 충·방전이 가능하며 5~19시간의 충전과 5~14시간의 방전 운전이 가능해 전력망 유연성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

고체 열저장 케이스는 Shaped Bricks 형태의 고체 축열재를 사용하여 충전 시 전기 히터로 가열된 공기를 저장 유닛에 통과시킨 후, 방전 시 냉각된 공기를 저장 유닛을 거쳐 증기발생기에 열을 전달하여 증기를 생산하는 구조를 갖는다.

각각의 설계 작동 온도는 용융염 290~640℃와 고체 열저장 ~750℃로 설계하였다. 용융염의 응고 방지와 염 분해 방지를 위한 온도대와 고체 열저장 비용을 고려한 온도대가 선택된 것이다. 각 600 MWe, 1,000 MWe 규모의 용량이 선정되어 파일럿 프로젝트가 검토되었으며, 효율은 용융염 P2H2P 37%, 고체 열저장 P2H2P 39.5%로 평가되었다. 경제성 분석 결과 전력 차익 거래 시장에서 리튬이온배터리 대비 효율성, 수익성 열세가 확인되었으나 장수명, 저비용의 장점을 지녀 대규모 장주기 저장 솔루션으로서의 레트로핏 잠재력이 강조되었다.⁽²⁹⁾

4.2.2.4 독일 항공우주센터-독일 국제협력공사 칠레 레트로핏 프로젝트(개념)

Store2Power 프로젝트의 경험은 후속 연구로 이어져, 칠레 DLR-GIZ 석탄 화력 레트로핏 프로젝트에 반영되었다. 칠레 Cerro Dominador CSP (Concentrated Solar Power) 플랜트(110 MWe, 17 h, Molten salt TES)는 용융염 저장소가 설치된 발전소로 24시간 연속 운전을 입증하며 용융염 기반 TES의 성숙도를 보여주었다.⁽³⁰⁾ 이를 토대로 DLR과 GIZ는 용융염 열저장을 활용하여 칠레 내 250 MWe급 석탄 화력발전소 탈탄소 전환 프로젝트를 수행하였다. 기존 보일러를 전기 히터와 용융염 열저장 및 증기발생기로 대체하여 저장된 열을 기존 증기터빈으로 공급하는 구조가 제안되었다. 설계 저장 용량은 3.3~8.8 GWhth (5~14h 방전) 범위로 설계되었다. 시스템 성능은 RTE 약 38%로 평가되었고, 경제성 측면에서 균등화 발전단가(LCOE)는 방전 지속시간에 따라(5시간~14시간) $110~86.5/MWhe로 평가되었다. 방전시간 8시간 기준으로는 $92.2/MWhe로 보고되었다. 기존 터빈 및 송전망 활용을 통해 투자비 절감 효과를 기대할 수 있었다.⁽³¹⁾

또한 DLR은 향후 전기 히터를 고온 히트펌프(COP > 1.2, 400~500℃)로 교체할 경우 RTE를 약 50%까지 향상시킬 수 있음을 전망하였다. 이는 Store2Power 단계에서 제기된 효율 한계를 극복할 수 있는 개선 방향으로 제시되었다.

4.2.2.5 독일 항공우주센터-말타 S2RP 프로젝트(개념)

구글에서 분사한 Malta의 SEMS (Steam Energy Management and Storage) 시스템은 8시간에서 수백 시간에 이르는 방전 지속 시간을 제공하며, 50~500 MWe 규모까지 확장이 가능하다. 고온 히트펌프를 활용하여 전력을 열로 변환하고, 이를 용융염에 저장한 뒤 필요시 열기관을 통해 전력과 열을 동시에 공급하는 구조를 갖는 시스템을 제시하였다. 저장 온도는 약 550℃, 압력은 최대 180 bar 수준에서 운전 가능하며, 랭킨 사이클을 기반으로 전력을 생산한다. 전체 효율은 구성 방식에 따라 차이를 보이는데, 단순 저온 방출의 경우 35~45%, 증기터빈 기반 시스템 적용 시에는 최대 55~65%까지 도달 가능하다.⁽³²⁾

2025년 코펜하겐에서 개최된 IEA Task44 Carnot battery meeting에서 발표된 자료에 따르면 DLR과 Malta, Alfa Laval, Siemens Energy가 Store2REPower 프로젝트를 수행 중이다. 유럽 전력, 열 시장 분석 및 사용 사례 도출, 데모 플랜트 콘셉트 개발, Malta 고온 히트펌프, 용융염 저장 시스템의 핵심 설계 요소 검토와 구성품 적합성 평가, 시스템 모델링 및 기술 경제 최적화/성능 평가를 주요 목표로 한다. 자료에서 제시된 시스템은 히트펌프 충전-용융염 열저장-증기발생기-스팀터빈의 구성에 더해 외부 폐열/증기 연계, 백업 연소 등 다양한 옵션 모듈을 통합 가능한 구조임을 강조한다. 현재 공개된 자료에서는 운전 데이터가 제시되지 않았으나 대형 기관들의 본격적인 협업으로 기술 개발에 박차를 가하고 있다는 의의가 있다.⁽³³⁾

4.2.2.6 미국 국립재생에너지연구소 실리카 샌드 열저장(개념)

미국 NREL은 2018년 미국 DOE의 ARPA-E DAYS 프로그램의 프로젝트로 초고온 입자형 열저장 시스템인 ENDURING 프로젝트를 제안하였다.⁽³⁴⁾ 저비용($30~40/t)의 실리카 샌드를 축열 매체로 활용하여 최대 1,200℃까지 안정적인 저장 및 운전이 가능한 초고온 열저장 플랜트를 설계하였다. 시스템은 전기 히터를 이용해 입자를 가열한 후 사일로 형태의 저장조에 축열 하고, 필요시 유동층 열교환기를 통해 가스터빈 복합발전에 열을 공급하는 구조로 설계되었다. 900℃의 온도차를 감당 가능하며 모듈 단위로 135 MWe 출력과 26 GWhth 저장(약 100시간 방전)을 달성할 수 있는 것으로 보고되었다.⁽³⁵⁾ 500시간 이상의 사이클 운전 테스트를 통해 TRL 5 수준이 확보되었으며 LCOS는 약 ¢2.5/kWh(30년 수명 기준)로 평가되었다. NREL은 본 기술을 LDES 시장에서 50-400 MWe 규모까지 확장 가능한 솔루션으로 내세웠으며 낮은 단가와 높은 열적 안정성을 기반으로 화력발전 대체 및 재생에너지 연계 운전에 적합한 차세대 카르노 배터리 기술로 제시하였다.⁽³⁴⁾

4.2.2.7 한국에너지기술연구원 HeatSand 프로젝트(개발)

한국에너지기술연구원(KIER)은 화력발전소 레트로핏 카르노 배터리 적용을 위한 저비용 열저장 기술을 개발하고 있다(’25-’27, 3년). 실리카 샌드와 Al-Si 잠열재를 혼합한 복합 축열재를 사용하여, 증기 생산 온도 유지가 가능한 열저장 모듈을 개발하는 것이 목표로, 열저장 모듈의 열유동, 열교환 성능 등 열설계 최적화, 축방열 성능 시험 및 스팀 생산 시험이 단계적으로 시행될 계획이다. 특히, 잠열재의 내구성능 향상 및 열전달 향상을 위하여, Al-Si 잠열재를 핀 형상으로 설계하고, 표면 강화 공정을 적용한 기술을 개발하고자 한다(HeatSand: High-tEmperature sAnd Thermal storage with Shielded Al-si alloy fiN Design).⁽³⁶⁾

전기 히터를 사용하여 가열하며 축열부 Al-Si의 잠열 구간 577℃ 을 활용하면서, 스팀 생산 520℃/105 bar의 고온 운전 설계 목표를 설정하였다. 10시간 방전의 장주기 반복 운전에서의 안정성과 $0.11/kWh의 LCOS 수준의 경제성을 만족할 수 있는 복합 열저장 시스템 최적 설계 기술 확보를 계획하고 있다. 추후 증기터빈 연계 시 발전 효율 40% 가정, 왕복 효율 39.8% 수준의 계통 연계 열저장 시스템 개념설계를 진행 예정이다. 저비용 장주기 저장 시스템의 핵심 기술인 고온 현열/잠열 복합 열저장 기술을 구현하여 화력발전소의 탈탄소 전환, 재생 전력 변동성 흡수와 같은 실용 분야에 즉시 적용 가능한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다.

4.2.2.8 비에이치아이-한국에너지기술연구원-한국기계연구원 CHANGE 프로젝트(개발)

한국에너지기술연구원과 (주)비에이치아이, 한국기계연구원 등이 협업하여 폐지 석탄 화력발전소의 증기터빈에 안정적으로 증기를 공급할 수 있는 대용량 열저장 매체, 모듈, 시스템 개발 연구를 착수하였다 (CHANGE: Concrete-based Heat storage for A Next-Generation ESS, ’25-’29, 48개월, 기후에너지환경부).⁽³⁷⁾

선행 연구로 고온 열저장 가능성이 확인된 비교적 TRL이 높은 고내화/고성능 콘크리트 기반의 열저장 매체를 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 기반으로 스케일업이 용이하도록 컨테이너 크기의 열저장 및 증기 발생 모듈을 개발할 계획이며, 2029년 운전을 목표로 저장용량 10 MWhth, 방열 조건 541℃ / 40 bar steam, 방열 지속시간 6 h이 가능한 파일럿 플랜트를 한국남동발전 삼천포 화력본부 부지 내 실증 예정이다. 또한, 실험 데이터를 바탕으로 500 MWe급 표준 석탄 화력 발전소 레트로핏 개념설계를 진행할 계획으로, 표준 석탄 화력의 발전 사이클 효율 약 40% 적용 시, 왕복효율(RTE) 약 38% 및 LCOS $0.15/kWhe를 목표로 한다. Fig. 3(f)에서 실증 계획 카르노 배터리 개략도를 확인할 수 있다. (한국에너지기술연구원 내부 자료)