전 세계 에너지 수요의 약 12%는 가정과 사업체의 냉난방으로 발생된다. 쾌적한 온도를 유지하기 위해 지하수를 사용하는 것이 미국에서 천연 가스와 전기 소비를 40%까지 줄일 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 대수층 열 에너지 저장(aquifer thermal energy storage, ATES)이라고 하는 이 접근 방식은 극한 기후 상황에서 높은 전력 수요로 인한 정전을 방지하는 데 도움이 될 수 있다.

A.T.D 페레라(A.T.D Perera), 이 연구의 제1저자이자 현재 프린스턴 대학교(Princeton University)의 앤들링거 에너지 및 환경 센터(Andlinger Center for Energy and Environment)에 있는 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, 버클리 연구소)의 전 박사후 연구원은 “우리는 태양열과 바람으로부터 변동하는 에너지를 흡수할 수 있는 저장 장치가 필요하며, 대부분의 사람들은 배터리와 다른 종류의 전지 저장 장치에 관심이 있다"며 "하지만 우리는 냉난방이 건물 에너지의 수요의 주된 부분이기 때문에 지열 에너지를 저장할 수 있는 지의 여부가 궁금했다"라고 말했다.

그는 이어서 "우리는 ATES를 사용하면 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있고, 장기간 저장할 수 있다는 사실을 발견했다"라며 "그 결과 극심한 고온 및 저온 기간 동안 냉난방 에너지 수요를 전력망(Grid)에 추가 부담하지 않고 충족할 수 있어 도시 에너지 인프라의 탄력성을 높일 수 있었다"라고 설명했다.

『어플라이드 에너지(Applied Energy)』에 발표된 이 연구는 ATES가 태양 빛이 없고 터빈이 회전하지 않을 때 사용하기 위해 간헐적으로 재생 가능한 에너지를 저장함으로써 미국의 에너지 시스템을 탈탄소화하는 더 큰 목표에 어떻게 부합할 수 있는 지에 대한 첫 번째 연구이다. 에너지 시스템에 대한 포괄적인 기술 및 경제적 시뮬레이션을 구축한 후, 연구팀은 ATES가 배터리와 같은 다른 기술과 함께 화석 연료에서 파생된 백업 전력에 대한 의존을 끝내고 완전히 재생 가능한 전력망을 가능하게 하는 냉난방 에너지 저장을 위한 강력한 선택지임을 발견했다.

열역학 적용

ATES는 물의 열 흡수 특성과 지구의 자연 지질학적 특징을 활용하는 유쾌하고 단순한 개념이다. 기존 지하 저수지에서 물을 끌어올려 여름에는 환경적인 열이나 태양열의 과도한 에너지 또는 바람으로 일년 중 언제든지 표면에서 가열한다. 그런 다음 다시 펌핑해 사용할 수 있다.

피터 니코(Peter Nico) 이 연구의 공동저자이자 버클리 연구소의 에너지 지구 과학 부서 부국장 겸 탄력적 에너지, 물 및 인프라 분야의 책임자는 "지구는 꽤 좋은 절연체이기 때문에 실제로 상당히 뜨겁다"라며 “그러면 몇 달 후인 겨울에 지하수를 끌어 올릴 때 주변 공기보다 훨씬 뜨겁고 건물을 따뜻하게 하는 데 사용할 수 있으며, 그 반대로 물을 끌어올려 식힌 다음 다시 내려 보내고 더운 여름 동안에 냉방이 필요할 때까지 저장할 수 있다. 이는 에너지를 지하의 온도로 저장하는 방법이다"라고 설명했다.

ATES는 국제적으로, 특히 네덜란드에서 인정을 받고 있지만, 미국에서는 아직 널리 사용되지 않고 있다. 한 가지 주요 이점은 이러한 시스템이 계절별 온도 변화로부터 '무료' 열 에너지를 얻는다는 것이며, 이는 전기에 의해 발생하는 인위적인 냉난방을 추가함으로써 강화될 수 있다. 따라서 계절적 변동이 큰 지역에서는 성능이 매우 우수하지만, 바람이나 태양열이 연결되는 한 어디서나 작동할 수 있는 잠재력이 있다. 다른 영향과 관련해 ATES 시스템은 중요한 먹는물 자원(종종 사용되는 물은 식수 공급원보다 더 깊은 대수층에서 공급됨)에 영향을 미치지 않도록 설계됐다. 종종 사용되는 물을 먹는물 공급원보다 깊은 수심에서 나온 것이며, 물에 화학 물질을 유입시키지 않는다.

성능은 어떠한가? 

ATES가 미국 전력망에서 얼마나 많은 에너지를 절약할 수 있는지, 그리고 얼마나 많은 비용이 드는지 추정하는 구체적인 수치를 얻기 위해 연구팀은 시카고에 있는 한 동네의 컴퓨터 모델을 사용해 사례 연구를 설계했다. 이 가상 동네는 전형적인 주거용 냉난방 시설을 갖춘 2층짜리 단독 주택 건물로 58채로 구성돼 있으며, ATES를 포함한 여러 가지 가능한 에너지원과 저장 옵션을 갖춘 에너지 전력망 시뮬레이션에 연결돼 있다. 미래의 기후 예측은 가상 동네의 총 에너지 예산 중 현재 냉난방 수요가 얼마나 차지하고 있는지, 그리고 이것이 미래에 어떻게 발뀔지 이해하는 데 사용됐다. 마지막으로, 재생 에너지 기술과 ATES가 포함된 가상 동네를 위해 마이크로 전력망 시뮬레이션이 설계돼 기술 경제적 타당성과 기후 복원력을 평가했다. 이 모든 요소들을 하나의 모델로 통합하는 것은 에너지 지구 과학, 기후 과학, 과학 분야를 구축하는 연구팀의 다양한 전문 지식이 없었다면 불가능했을 것이다.

그 결과 전력망에 ATES를 추가하면 기존 에너지 저장 기술보다 비용이 15~20% 더 들지만 석유 제품의 소비를 최대 40%까지 줄일 수 있었다.

페레라 저자는 “그러나 반면에 에너지 저장 기술은 비용이 급격히 절감하고 있으며, ATES를 개발한 지 불과 몇 년 만에 우리는 쉽게 손익분기점을 넘을 수 있었다. 그렇기 때문에 우리가 이 연구에 투자하고 실제 프로토타입 시스템 구축을 시작하는 것이 매우 중요하다”라고 말했다.

톈전 홍(Tianzhen Hong) 이 연구의 공동저자 이자 건축 기술 및 도시 시스템 부의 수석 연구원은 “ATES는 지상 탱크 기반의 물 또는 얼음 저장 시스템에 비해 공간이 필요하지 않다"라며 "또한 ATES는 지하 토양과의 열 전달에 의존하는 기존의 지열 히트 펌프 시스템에 비해 더 효율적이며 대규모 지역사회의 냉난방을 위해 확장할 수 있다"라고 말했다.

ATES의 또 다른 주요 이점은 기후 변화로 인해 앞으로 몇년 동안 날씨가 더 극단적으로 변하면서 효율이 더 높아질 것이라는 것이다. 세계의 선도적인 기후 모델에 의해 예측되는 더 더운 여름과 더 혹독한 겨울에는 많은 단점이 있지만 한 가지 장점은 이로 인해 ATES로 저장할 수 있는 무료의 열 에너지의 양을 엄청나게 늘릴 수 있다는 것이다.

또한 ATES는 미래의 전력망을 폭염 기간 동안 발생하는 높은 전력 수요로 인한 정전에 대해 보다 탄력적으로 대응할 수 있도록 할 것이다. 이러한 정전은 요즘 시카고를 포함한 미국의 인구가 많은 지역에서 자주 발생하고 있다. ATES로 구동되는 냉각은 에어컨보다 훨씬 적은 전기를 사용해 물을 끌어올리기 위한 충분한 전력만 필요로한다.

이 연구는 미 에너지부의 지열 기술 사무소(Energy’s Geothermal Technologies Office)에서 자금을 지원받았다.

[원문보기]

Underground Water Could be the Solution to Green Heating and Cooling

Decarbonizing the grid means storing energy from renewables. Aquifers can do that.

About 12% of the total global energy demand comes from heating and cooling homes and businesses. A new study suggests that using underground water to maintain comfortable temperatures could reduce consumption of natural gas and electricity in this sector by 40% in the United States. The approach, called aquifer thermal energy storage (ATES), could also help prevent blackouts caused by high power demand during extreme weather events.

“We need storage to absorb the fluctuating energy from solar and wind, and most people are interested in batteries and other kinds of electrical storage. But we were wondering whether there’s any opportunity to use geothermal energy storage, because heating and cooling is such a predominant part of the energy demand for buildings,” said first author A.T.D Perera, a former postdoctoral researcher at Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) now at Princeton University’s Andlinger Center for Energy and Environment.

“We found that, with ATES, a huge amount of energy can be stored, and it can be stored for a long period of time,” Perera said. “As a result, the heating and cooling energy demand during extreme hot or cold periods can be met without adding an additional burden on the grid, making urban energy infrastructure more resilient.”

The study, published this week in Applied Energy, is the first examination of how ATES could fit into the larger goal of decarbonizing U.S. energy systems by storing intermittent renewable energy to use when the sun isn’t shining and the turbines aren’t spinning. After building a comprehensive technological and economic simulation of an energy system, the authors found that ATES is a compelling option for heating and cooling energy storage that, alongside other technologies such as batteries, could help end our reliance on fossil fuel-derived backup power and enable a fully renewable grid.

Putting thermodynamics to work

ATES is a delightfully simple concept that leverages the heat-absorbing property of water and the natural geological features of the planet. You simply pump water up from existing underground reservoirs and heat it at the surface in the summer with environmental heat or excess energy from solar, or any time of the year with wind. Then you pump it back down.

“It actually stays fairly hot because the Earth is a pretty good insulator,” explained co-author Peter Nico, deputy director of the Energy Geosciences Division at Berkeley Lab and lead of the Resilient Energy, Water and Infrastructure Domain. “So then when you pull it up in the winter, months later, that water’s way hotter than the ambient air and you can use it to heat your buildings. Or vice versa, you can pull up water and let it cool and then you can put it back down and store it until you need cooling during hot summer months. It’s a way of storing energy as temperature underground.”

ATES is not yet widely used in the United States, though it is gaining recognition internationally, most notably in the Netherlands. One major perk is that these systems get “free” thermal energy from seasonal temperature changes, which can be bolstered by the addition of artificial heating and cooling generated by electricity. As such, they perform very well in areas with large seasonal fluctuations, but have the potential to work anywhere, so long as there is wind or solar to hook up to. In regards to other impacts, ATES systems are designed to avoid impinging upon critical drinking water resources – often the water used is from deeper aquifers than the drinking water supply – and do not introduce any chemicals into the water.

How does it perform?

To get some concrete numbers estimating how much energy ATES could save on the U.S. grid, and how much it would cost to deploy, the team designed a case study using a computational model of a neighborhood in Chicago. This virtual neighborhood was composed of 58 two-story, single-family residence buildings with typical residential heating and cooling that were hooked up to a simulation of an energy grid with multiple possible energy sources and storage options, including ATES. Future climate projections were used to understand how much of the neighborhood’s total energy budget is taken up by heating and cooling demands currently, and how this might change in the future. Finally, a microgrid simulation was designed for the neighborhood that included renewable energy technologies and ATES to evaluate the technoeconomic feasibility and climate resilience. Putting all these factors together into one model would not have been possible without the team’s diverse expertise across the energy geosciences, climate science, and building science fields.

The results showed that adding ATES to the grid could reduce consumption of petroleum products by up to 40%, though it would cost 15 to 20% more than existing energy storage technologies.

“But, on the other hand, energy storage technologies are having sharp cost reductions, and after just a few years of developing ATES, we could easily break even. That’s why it’s quite important that we start to invest in this research and start building real-world prototype systems,” said Perera.

“ATES does not need space compared with above-ground tank-based water or ice storage systems. ATES is also more efficient and can scale up for large community cooling or heating compared with traditional geothermal heat pump systems that rely on heat transfer with the underground earth soil,” added Tianzhen Hong, a co-author and senior scientist at the Building Technology and Urban Systems Division.

Another major benefit of ATES is that it will become more efficient as weather becomes more extreme in the coming years due to climate change. The hotter summers and harsher winters predicted by the world’s leading climate models will have many downsides, but one upside is that they could supercharge the amount of free thermal energy that can be stored with ATES. “It’s making lemonade, right? If you’re going to have these extreme heat events, you might as well store some of that heat for when you have the extreme cold event,” said Nico.

ATES will also make the future grid more resilient to outages caused by high power demands during heat waves – which happen quite often these days in many high-population U.S. areas, including Chicago. Because ATES-driven cooling uses far less electricity than air conditioners, it only needs enough power to pump the water around.

“It’s very much a realistic thing to do, and this work was really about showing its value and how the costs can be offset,” said Nico. “This technology is ready to go, so to speak. We just need to do it.”

This research was funded by the Department of Energy’s Geothermal Technologies Office.

[출처 = Lawrence Berkeley National Laboratory(https://newscenter.lbl.gov/2023/04/05/underground-water-could-be-the-solution-to-green-heating-and-cooling/) / 2023년 4월 5일]