재생에너지의 급격한 성장과 함께 낮시간 발생하는 전력 수요와 공급의 차이를 효과적으로 대응하기 위한 대용량 에너지 저장 장치의 필요성이 커짐에 따라 공기를 공정에 사용하는 친환경 액화 공기 에너지 저장장치가 주목받고 있다. 기존의 대용량 에너지 저장 장치로 양수 발전(Pumped Hydroelectric Storage)과 압축공기에너지저장(Compressed Air Energy Storage)가 개발되었으나 지리적 제한 요건과 오랜 건설 시간으로 확대 보급에 어려움을 겪었다. 이러한 문제를 해결하기위해 제안된 액화 공기 에너지 저장장치는 경부하(Off-peak load)시 전력을 이용해 액체 상태의 공기를 생산 및 저장한 뒤 첨두부하(Peak load)시 액화 공기를 재기화하여 수 백배로 팽창한 공기를 터빈에 공급하여 전력을 생산하는 방식으로 설비의 설치에 지리적 제한 요건이 없으며 동시에 건설 기간의 단축이 가능하다. 이러한 장점에도 불구하고 낮은 충전 및 방전 효율은 큰 과제로 남아 있는 상태이다. 따라서 본 연구에서는 액화공기 에너지 저장장치의 충·방전 효율의 한계를 극복하고 문제를 해결하기 위한 연구 결과를 기술하였다. 액화 공기를 생산하는 기본 공정으로 린데-햄슨이 있지만 대용량의 액화 공기 생산에는 카피차 또는 클로드 공정이 적합함을 본 연구를 통해 확인하였으나 액화 공기의 생산이 약 20% 수준으로 매우 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 액화율을 개선하기 위해서는 추가적인 공정 개선이 필요하며 이를 위해 공정상에서 발생하는 냉열과 압축열을 효과적으로 재사용할 수 있는 방안이 반드시 필요하다.
먼저 공정상의 냉열을 재사용하기 위해 현열 및 잠열 저장 장치를 활용한 공정을 새롭게 제시하였다. 현열 저장장치는 넓은 영역의 운전 온도 범위를 가지고있어 상온의 공기를 극저온 상태로 냉각시키는데 활용이 가능한 것이 특징이다. 단, 현열 저장 장치내에 채워진 고체 입자의 크기에 특성에 따라 성능이 크게 변하며, 입자 간의 전도로 인해 공정 진행 시간 동안 저온으로 저장된 에너지를 일정한 온도로 유지하기 어려운 문제점이 발생한다. 따라서 고체 입자 간의 전도 특성과, 주입되는 공기의 전도, 대류 현상에 따른 온도의 변화를 예측하기 위한 2 차원의 수치해석 모델을 개발하여 10 톤의 액화공기 저장 및 방출 공정에 필요한 현열 저장장치의 크기를 도출하였다. 또한 특정 온도 영역에서 상이 변하는 상변화 물질을 이용한 잠열저장 장치를 사용하여 공기의 액화에 필요한 온도를 지속적으로 유지할 수 있도록 공정에 반영하여 효율을 개선한 것이 특징이다.
다음으로 압축기에서 발생하는 압축열을 회수 및 저장하기 위해 합성 오일을 이용하여 열원을 저장한 뒤 에너지 방출 공정에서 잠열 및 현열 저장 장치를 지난 상온 상태의 공기를 200℃ 내외 온도로 재가열 한 뒤 터빈에 공급하는 방식을 적용하여 효율을 개선하였다.
결과적으로 공정상에서 발생하는 냉열, 압축열 재사용만으로 충·방전 효율 개선이 가능함을 본 연구를 통해 확인하였으며 냉열 재사용률 (50 ~ 100%)에 따라 충·방전 효율에서 약 25% 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 압축열의 회수 온도 범위(393K ~ 468K)에 따라 약 14.5%의 효율 차이가 발생하는 것으 확인하였다. 액화공기 에너지 저장 장치의 상용화를 위해서는 50% 이상의 충·방전 효율이 요구되고 있으며, 외부로부터 열원 공급없이 이를 달성하기 위해서는 공정상에서의 냉열, 압축열의 재사용이 반드시 필요한 실정이다. 공정의 민감도 분석을 통해서 50% 이상의 충·방전 효율 달성이 가능하기 위해서는 88%의 냉열 재사용과 함께 200℃의 압축열을 재사용할 경우 50% 충·방전 효율 달성이 가능할 것으로 예상된다.

Energy storage is more important today than ever because intermittent renewable energy source, such as wind, solar photovoltaic, or wave energy, are becoming a mainstream electricity generation option. The demand on a bulk storage system is expected to increase significantly as result of renewable energy policy. Liquid air energy storage (LAES) is an innovative technology for grid scale energy storage in the form of liquid air with the potential to overcome the drawbacks of pumped hydro and compressed air storage. The Linde-Hampson, Claude and Kapitza cycle are modelled for producing 10 ton liquid air and compared by means of a parametric analysis carried out with Aspen HYSYS. The results show that liquid yield of kapitza cycle below 21% might lead to lower round trip efficiency. The storage and recycling of cold thermal energy released during discharge cycle is a tremendous help to get high round trip efficiency (RTE). The first pilot plant of LAES was achieved 8% round trip efficiency in United Kingdom. The low efficiency is due to the small-scale plant and the fact that only 51% of the available cold energy was recycled. However, the RTE is improved through the recycling of cold thermal energy and heat of compression thermal energy released during charging and discharging cycle. The main objective of this study is to improve efficiency of LAES system and for achieving the target RTE of over 50% using sensible heat storage and latent heat storage. The numerical model of packed-bed heat storage system based on the combination of an intra-particle conduction and convection of air for design of dimension of sensible heat storage system. This two-dimensional numerical model assumes thermal equilibrium between the air and the solid particle. The proposed system was evaluated in terms of operating pressure, cold thermal recycle of cryogenic system and hot recycle of compressor with sensitivity analysis. The analysis shows that the implementation of 88% of cold thermal recycle with 473K heat of compression lead to 50% round trip efficiency.
In summary, the proposed LAES system showed better round trip efficiencies than existing stand-alone LAES system by increasing recycling of cold and hot thermal energy.