결론부터 씁니다. 열저장(용융염·축열)과 전기 저장(배터리 ESS)을 가르는 기준은 저장 매체의 효율이 아니라 저장한 에너지가 최종적으로 열로 쓰이는가, 전기로 쓰이는가입니다. 최종 수요가 공정열·난방이라면 전기를 먼저 열로 바꿔 저장하는 쪽이 에너지 손실도 작고 kWh당 저장 매체 비용도 낮아 유리합니다. 반대로 저장한 열을 다시 전기로 되돌려야 한다면 열기관 효율이 곱해져 왕복효율이 크게 떨어지므로 배터리 ESS가 유리합니다. 같은 “저장”이라는 이름 아래 두 기술은 사실상 다른 문제를 풀고 있습니다.
유리한 자리 · 불리한 자리
열저장이 유리한 자리
현재 조건은 공장이 스팀이나 고온 공정열을 상시 쓰고, 그 열을 가스 보일러로 만들고 있으며, 낮 시간 재생에너지 잉여로 전력 가격이 낮아지는 경우입니다. 열저장을 적용하면 값싼 시간대의 전기로 전기히터를 돌려 용융염이나 고체 축열재를 가열해 두고, 필요한 시간에 열교환기로 스팀을 뽑아 씁니다. 연결 논리는 변환 횟수입니다. 전기에서 열로 한 번만 바뀌므로 손실이 작고, 탱크나 축열재는 셀보다 kWh당 단가가 낮은 그릇입니다. 기존 가스 보일러는 예비로 남겨 두면 되므로, 열저장이 비는 시간에도 공정은 멈추지 않습니다.
배터리 ESS가 유리한 자리
현재 조건이 최종 수요가 전기이고, 첨두 이동·주파수 응답처럼 전기 출력으로 가치를 만드는 경우라면 배터리가 맞습니다. 배터리를 적용하면 전기로 받아 전기로 내보내므로 변환이 PCS 한 단계에 그칩니다. 연결 논리는 되돌림 손실입니다. 열로 저장한 에너지를 전기로 되돌리는 순간 열역학적 한계가 걸립니다.
열저장이 불리한 자리
열 수요가 계절적으로 끊기거나, 필요한 온도가 저장 온도 범위를 벗어나는 경우에는 열저장의 이점이 사라집니다. 또 용융염은 동결점 이상으로 유지해야 하므로, 장기간 저장만 하고 쓰지 않는 운용에서는 보온과 트레이스 히팅 전력이 부담이 됩니다.
경로별 효율 계산
같은 전기 1 kWh를 저장해 최종 수요로 보내는 네 경로를 비교합니다. 가정: 전기히터 효율 99%, 열저장 유지율 95%(저장 기간 중 열손실 포함), 배터리 왕복효율 88%, 증기 사이클 발전 효율 40%.
| 경로 | 계산 | 최종 효율 |
|---|---|---|
| 전기→열저장→열 | 0.99 × 0.95 | 약 94% |
| 전기→배터리→히터→열 | 0.88 × 0.99 | 약 87% |
| 전기→배터리→전기 | 0.88 | 88% |
| 전기→열저장→터빈→전기 | 0.99 × 0.95 × 0.40 | 약 38% |
표는 두 쌍으로 나눠 읽어야 합니다. 최종 수요가 열인 위 두 줄에서는 열저장이 효율에서도 앞서고, 저장 매체 단가까지 고려하면 격차가 더 벌어집니다. 최종 수요가 전기인 아래 두 줄에서는 열저장 경로가 배터리의 절반에도 못 미칩니다. 같은 열저장 설비가 어느 쌍에 속하느냐에 따라 최선의 선택이 되기도, 최악의 선택이 되기도 합니다.
히트펌프가 끼어들면 계산이 달라집니다
공급 온도가 히트펌프로 만들 수 있는 범위 안에 있다면 전기히터 대신 히트펌프를 쓰는 경로가 생깁니다. 가정: 히트펌프 성능계수(COP) 3, 저온 축열 유지율 95%. 전기 1 kWh로 3 kWh의 열을 만들고 저장 손실을 빼면 약 2.85 kWh(열)가 공정에 전달됩니다. 이 경로는 위 표의 어떤 줄보다도 앞섭니다. 다만 히트펌프는 공급 온도가 높아질수록 성능계수가 떨어지고 공급 가능한 온도에 상한이 있으므로, 고온 공정열에서는 전기히터와 용융염 조합이 여전히 필요합니다. 결국 열 수요의 온도 등급이 열저장 방식까지 정합니다.
용융염 저장량 계산
현열 저장량은 Q = m × c × ΔT로 계산합니다. 가정: 질산나트륨·질산칼륨 혼합염, 비열 c = 1.5 kJ/kg·K, 운용 온도 폭 ΔT = 275 K(저온 탱크와 고온 탱크의 온도 차).
용융염 1 t의 저장량은 1,000 × 1.5 × 275 = 412,500 kJ로 약 114.6 kWh(열)입니다. 100 MWh(열)를 저장하려면 100,000 ÷ 114.6 ≈ 873 t이 필요합니다. 온도 폭이 절반으로 줄면 필요량은 두 배가 됩니다. 즉 열저장의 용량은 매체 양과 온도 폭의 곱이고, 공정이 요구하는 공급 온도가 높아 저온 측을 올려야 하면 같은 탱크의 가용 에너지가 줄어듭니다.
충전 측도 함께 봐야 합니다. 100 MWh(열)를 저가 시간대 5시간 안에 채우려면 가정한 히터 효율 99%에서 약 100 ÷ 0.99 ÷ 5 ≈ 20.2 MW의 전기 부하가 필요합니다. 공장 수전 용량에 이 부하가 추가로 들어갈 수 있는지가 설비 규모의 실제 상한이 되는 경우가 많습니다.
항목별 비교
| 항목 | 열저장 | 배터리 ESS |
|---|---|---|
| 출력 형태 | 열(스팀·온수) | 전기 |
| 용량 결정 | 매체 양 × 온도 폭 | 셀 수량 |
| 전기로 되돌림 | 열기관 필요, 손실 큼 | PCS 한 단계 |
| 대기 손실 | 열손실·보온 전력 | 자가방전·보조 전력 |
| 응답 속도 | 열교환기 시정수 | 초 이하 |
| 주요 위험 | 고온·동결 관리 | 열폭주 방재 |
이 표의 첫 줄과 셋째 줄이 판단의 전부라고 봐도 됩니다. 출력이 열로 쓰이면 열저장, 전기로 되돌려야 하면 배터리입니다. 나머지 줄은 같은 쪽을 선택한 뒤 설비를 구성할 때 확인할 사항입니다.
판단 순서
- 저장한 에너지의 최종 수요 형태를 확정합니다. 열 수요라면 필요한 공급 온도와 연간 사용 시간을 함께 적습니다.
- 공급 온도로 저장 매체를 고릅니다. 온수·저온 증기라면 물 축열이나 히트펌프 조합을, 고온 공정열이라면 용융염이나 고체 축열을 검토합니다.
- 위 식으로 필요한 매체 양을 산정하고, 저장 기간 중 열손실과 보온 전력을 순 효율에 반영합니다.
- 전기 출력도 일부 필요하다면 열에서 전기로 되돌리는 경로가 아니라 배터리를 별도로 두는 안과 비교합니다.
- 충전용 전력의 저가 시간대 길이와 계약 조건을 확인합니다.
확인 필요 항목
- 대상 혼합염의 실제 비열·동결점·상한 온도(공급사 물성 자료 확인 요망)
- 공정의 요구 스팀 압력·온도와 열교환기 설계 조건
- 저장 탱크의 실제 열손실(설비별 실측 요망)
- 전기히터 대용량 부하가 수전 설비와 계통에 주는 영향(고조파는 파형 분석 및 실측 요망)
경계 조건
열저장의 유리함은 열 수요가 사라지는 순간 뒤집힙니다. 공정이 전기화되어 스팀 수요가 줄거나, 계절적으로 열을 쓰지 않는 기간이 길면 저장한 열을 전기로 되돌려야 하고, 그때부터는 약 38% 경로에 갇힙니다. 반대로 배터리의 유리함은 최종 수요가 대부분 열인 사업장에서 줄어듭니다. 배터리로 전기를 저장했다가 히터로 태우는 것은 비싼 그릇에 담았다가 결국 열로 쓰는 셈입니다. 또 히트펌프로 공급 가능한 온도 범위의 열 수요라면 히트펌프와 저온 축열의 조합이 두 선택지 모두를 앞설 수 있으므로 별도로 검토해야 합니다.
단일 선택 기준은 이렇게 잡습니다. 저장한 에너지가 최종적으로 열로 소비되면 열저장, 전기로 소비되면 배터리 ESS를 선택합니다.
