Due to the increase in renewable energy, the load-following capability of existing large nuclear power plants is required. To this end, recently, an alternative of operating a large-capacity energy storage system in connection with the power generation system of a nuclear power plant has been proposed. Among various energy storage technologies, liquid air energy storage systems are attracting attention because they can store large capacity energy and can be mechanically linked to the power generation system of nuclear power plants. Liquid air energy storage technology is a technology that stores liquid air in case of excess power supply and evaporates the stored liquid air to start a power generation cycle when there is an electric power demand.
In this paper, a process that can be combined with a liquid air energy storage system in a nuclear power plant was proposed, and it was evaluated that a round-trip efficiency of 52% could be achieved through thermodynamic calculations. Furthermore, when liquid air is stored for a long time during operation in connection with a nuclear power plant, the problem of safety and performance degradation that can be caused or mitigated due to tank stratification was experimentally investigated. To investigate the tank stratification, first, the heat ingress was theoretically quantified with respect to changing vacuum level when the cryogenic tank was equipped with multi-layer insulation. Furthermore, the conditions under which stratification occurs were defined in terms of temperature and concentration, and based on this, the stratification stability ratio and the stability map were defined and evaluated experimentally.
Through the above study, it was theoretically shown that the operation possibility is high and technically sufficient by connecting the liquid air energy storage system to the nuclear power plant. In addition, by utilizing stratification inside the liquid air storage tank, an operation strategy that can adjust the storage time of liquid air was newly suggested.
재생에너지 증가로 인해 기존 대형 원자력 발전소의 부하 추종 능력이 요구받고 있다. 이를 위해 최근 대용량 에너지 저장 시스템을 가동 중 원자력 발전소의 발전시스템과 연계하여 운전하는 대안이 제시되고 있다. 다양한 에너지 저장 기술 중에 액체 공기 에너지 저장 시스템이 대용량 에너지 저장이 가능하고 원자력 발전소의 발전계통과 기계적으로 연계가 가능하여 주목을 받고 있다. 액체 공기 에너지 저장 기술은 액체 공기를 전력 공급 과잉 시 저장하고, 전력 수요가 있을 시 기화시켜 발전 사이클을 가동하는 기술이다.
이 논문에서는 액체 공기 에너지 저장 시스템을 원자력 발전소에 결합할 수 있는 공정을 제안하였고, 열역학적 계산을 통해서52% 충방전 효율을 낼 수 있는 것으로 평가하였다. 나아가서, 원자력 발전소와 연계하여 운전 시 액체 공기를 장시간 저장했을 때 탱크 성층화에 인해서 발생하거나 또는 경감할 수 있는 안전성과 성능 저하의 문제를 실험적으로 접근하였다. 탱크 성층화를 규명하기 위해 먼저 극저온 탱크가 다층 단열 (multi-layer insulation)을 탑재했을 시 열침입을 이론적으로 정량화 하였다. 나아가서, 성층화가 발생하는 조건을 온도와 농도 관점에서 정의했고, 이를 기반으로 성층화 안정도 (stratification stability ratio) 와 안정도 맵 (stability map) 을 정의해서 실험적으로 평가했다.
이상의 연구를 통해서 원자력 발전소에 액체 공기 에너지 저장시스템을 연계하여 운전 가능성이 높고 기술적으로 충분히 가능함을 이론적으로 보였다. 또한 액체 공기 저장탱크 내부에서의 성층화를 활용하여 액체 공기를 저장하는 시간을 안정적으로 조정할 수 있는 운전 전략을 도출하였다.
