[논문 리뷰] Technoeconomic Analysis of Thermal Energy Grid Storage Using Graphite and Tin

Colin C. Kelsall, Kyle Buznitsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 14.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 센서블 열 저장 매체로 과립흑연을, 열전달 유체로 액체Sn을 사용하는 저비용·장수명의 대규모 전력망 열에너지 저장 시스템을 제안한다. 전기 회복을 위해 다중준위 열광전지(thermophotovoltaics, TPV)를 활용하며, 예측된 에너지 단위당 비용(Cost Per Energy, CPE)은 15달러/kWh로 도출되어 전력망 탇기화를 위한 20달러/kWh 목표를 충족한다. 과립흑연의 저비용 및 고비열 특성을 활용함으로써, 고정밀한 방출 전력 유지 문제에도 불구하고 비용 효율성을 확보한다.

ABSTRACT

Energy storage is needed to enable dispatchable renewable energy supply and thereby full decarbonization of the grid. However, this can only occur with drastic cost reductions compared to current battery technology, with predicted targets for the cost per unit energy (CPE) below $20/kWh. Notably, for full decarbonization, long duration storage up to 100 hrs will be needed at such low costs, and prior analyses have shown that in such high renewable penetration scenarios, CPE is more critical than other parameters such as round trip efficiency or cost per unit power when comparing the costs of different technologies. Here, we introduce an electricity storage concept that stores electricity as sensible heat in graphite storage blocks and uses multi-junction thermophotovoltaics (TPV) as a heat engine to convert it back to electricity on demand. This design is an outgrowth of the system proposed by Amy et al. in 2019, which has been modified here to use a solid graphite medium and molten tin as a heat transfer fluid rather than silicon as both. The reason for this is two-fold: (1) the CPE of graphite is almost 10X lower than that of silicon, which derives from the lower cost per unit mass (i.e., $0.5/kg vs. $1.5/kg) and the higher heat capacity per unit mass (2000 J/kg-K vs. 950 J/kg-K); and (2) the melting point tin and solubility of tin in graphite are much lower than that of silicon, which lessens the number of issues that have to overcome along the research and development pathway. The usage of graphite also eliminates the need for a second tank, but the main disadvantage of using a solid medium is that one cannot easily provide a steady discharge rate, as the power output from the storage will change with time, as the graphite cools during discharge. Thus, the objective of this work is to examine how these changes in the system design effect the overall technoeconomics.

연구 동기 및 목표

• 과립흑연과 액체스티늄을 사용한 열에너지 저장 시스템의 기술경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 전력망 탇기화를 위한 전력 저장 비용을 낮추는 데 핵심적인 필요성에 부응하여, CPE를 20달러/kWh 이하로 낮추기 위한 목표를 달성하기 위해.
• 실리콘 대체재로 과립흑연과 스티늄을 사용할 경우 비용 효율성 향상 정도를 평가하고, 열적 및 재료적 도전 과제를 관리하는 방법을 분석하기 위해.
• 냉각 과립흑연로 인한 변동하는 방출 전력의 영향을 시스템 경제성 및 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 전기 저항을 통해 가열된 고체 과립흑연 블록에 전기를 센서블 열로 저장한다.
• 고온에서 높은 열전도도와 낮은 융점 덕분에 액체스티늄이 과립흑연 블록을 순환하며 효율적인 열전달을 수행한다.
• 열복사 에너지를 직접 전기로 변환하는 다중준위 열광전지(TPV)를 활용해 필요 시 열을 회수한다.
• 고체 과립흑연를 열질량 및 구조적 매체로 동시에 사용함으로써, 두 번째 저장탱크가 필요 없도록 설계된다.
• 재료 비용, 시스템 크기, 열손실 등을 고려한 기술경제 모델링을 통해 에너지 단위당 비용(CPE)을 추정한다.
• 과립흑연-스티늄 시스템을 이전의 실리콘 기반 설계와 비교하여, 질량당 비용 및 비열 특성의 우수성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과립흑연과 액체스티늄을 사용하는 열에너지 저장 시스템의 예측된 에너지 단위당 비용(CPE)은 얼마인가?
• RQ2 실리콘을 과립흑연과 스티늄으로 대체할 경우, 시스템의 비용, 효율성 및 기술적 실현 가능성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 냉각 과립흑연로 인한 변동하는 방출 전력은 시스템의 경제적 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 과립흑연-스티늄 시스템은 전력망 규모의 탇기화를 위한 목표인 20달러/kWh 이하의 CPE를 달성할 수 있는가?
• RQ5 과립흑연 및 스티늄의 재료 특성은 장수명 저장을 위한 실리콘 대비 비용 및 열성능 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 시스템은 예측된 에너지 단위당 비용(CPE)이 15달러/kWh로 도출되어 전력망 탇기화를 위한 20달러/kWh 목표를 충족한다.
• 과립흑연의 낮은 비용(1kg당 0.5달러 대비 실리콘의 1.5달러)과 높은 비열(2000 J/kg-K 대비 950 J/kg-K)이 CPE를 크게 감소시킨다.
• 액체스티늄을 열전달 유체로 사용함으로써 실리콘 대비 재료 적합성 문제를 줄여 실현 가능성을 향상시킨다.
• 고체 과립흑연 매체의 사용으로 두 번째 탱크가 필요 없어져 시스템 설계가 단순화되고 자본비용이 감소한다.
• 냉각 과립흑연로 인한 변동하는 방출 전력 문제에도 불구하고, 낮은 재료 비용 덕분에 시스템은 여전히 경제적으로 타당하다.
• 비용 및 기술적 성숙도 측면에서 이전의 실리콘 기반 시스템 대비 상당한 개선을 이룬다.