글: Steven Shackell
배터리 기술은 아마도 2,000년 전부터 시작되었을 것입니다. 1930년대에 현대 이라크에서 발견된 바그다드 배터리(파르티아 배터리라고도 함)는 점토 항아리, 구리 튜브, 그리고 식초 같은 전해액과 짝을 이루어 전극 역할을 했던 것으로 보이는 쇠막대기로 구성되어 있습니다. 몇몇 학자들은 여전히 그 용도에 대해 논쟁을 하고 있지만 이것은 에너지 저장 시스템이 최초 사례 중 하나였을 것입니다.
우리는 아직도 이 기술을 완벽하게 하기 위해 연구 중이며, 보드 수준의 배터리에서부터 메가 그리드 수준의 수력 저장 장치까지 효율적인 장기 에너지 저장 장치를 앞다퉈 만들고 있습니다. 본 기사에서는 여러 응용 분야에 걸쳐서 에너지 저장의 획기적인 기술과 오늘날의 배터리 시스템들에 대해 살펴봅니다.
보드 수준 에너지 저장
소형 배터리 에너지 저장 시스템
배터리는 오늘날 대부분의 휴대용 전자 장치에 전원을 공급해줍니다. BeStar Technologies의 CR2032와 같은 리튬 ‘코인’ 배터리는 손목시계, 손전등, 계산기, 차고 도어 오프너, 자동차 스마트키, 만보기 등 다양한 소형 전자 기기의 주요 에너지원입니다. 소형 배터리는 매우 다양하며 형상 계수도 여러 가지입니다. CR2032와 같은 일반 크기의 경우 약 230mAh의 에너지를 저장합니다.
리튬-이온 배터리는 소형 에너지 저장 장치의 주요 제품으로, 소형 전자장치 시장에서 34%의 점유율을 차지하고 있습니다. 이 배터리가 납산 배터리나 알칼라인 배터리, 니켈-금속 수소 배터리 기술에 비해 나은 부분은 전력 밀도가 높고 무게가 가벼우며 수명이 길고 온도 민감성이 제한적이라는 점입니다.
커패시터 에너지 저장
수퍼커패시터는 에너지 저장 장치의 새로운 영역으로, 현재 에너지의 신속한 저장과 방출을 필요로 하는 분야에 사용되고 있습니다. 수퍼커패시터는 다량의 에너지를 비교적 낮은 전압과 높은 정전 용량으로 저장할 수 있기 때문에 배터리 저장 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
수퍼커패시터는 배터리보다 수명이 훨씬 더 깁니다. 일반적인 리튬-이온 배터리는 500~10,000회의 사이클이 가능한 반면, 수퍼커패시터는 100,000회에서 백만 회의 사이클을 견딜 수 있습니다. NEDL 시리즈에 장착된 것과 같은 이러한 수퍼커패시터는 비슷한 용량의 배터리 시스템에 비해 거의 천 배 더 빠르게 충전될 수 있습니다. 아쉽게도 수퍼커패시터는 자기방전 때문에 매일 전하량의 20%나 되는 양이 소실될 수 있어서 장기 에너지 저장 시스템으로는 적절하지 않습니다.
그리드 수준 에너지 저장 시스템
다량의 에너지(1kWh 이상)를 저장하기 위해서는 크기와 용량이 천차만별인 전용 시스템들이 필요합니다. 규모에 따라 장기 및 단기 저장이 가능한 그리드 수준 에너지 저장 시스템의 몇 가지 예를 들면 아래와 같습니다.
가정용 배터리 에너지 저장
가정용 배터리 시스템은 그리드 수준 에너지 저장 시스템 중에서 가장 많이 볼 수 있는 시스템일 텐데요, 이 시스템은 가정에서 보조 에너지원으로 사용될 수 있습니다. Tesla Powerwall이나 LG Chem RESU 같은 장치는 일반적으로 태양열 패널 어셈블리와 결합되어 잉여 에너지를 나중에 사용할 수 있게 포집합니다.
EESI에 따르면, 리튬-이온 배터리 기술은 소형 전자 장치의 34%에 사용되고 있지만, 대규모 배터리 에너지 저장 시스템에 사용되는 기술의 90% 이상을 차지하고 있습니다. 리튬-이온 기술은 매우 널리 채택되고 영향력이 커서, 리튬-이온 기술에 기여한 공로로 John B. Goodenough, Stanley Whittingham, 그리고 Akira Yoshino에게 2019년 노벨 화학상이 수여되었습니다. 리튬-이온 배터리 저장 시스템은 최대 100MW의 전기를 저장할 수 있고 전력 밀도가 200~400Wh/리터이며 최대 95%의 효율을 달성할 수 있습니다.
열 에너지 저장
용융염, 빙축열 시스템, 온수 탱크 및 대수층 열 에너지 저장(ATES) 시스템 등 온도(엔트로피)를 이용해서 에너지를 저장하는 여러 가지 유형의 열 에너지 저장 장치가 있습니다. 많은 경우, 남는 열을 열전도성이 높은 물질 안에 저장했다가 회수하여 전력을 생성합니다.
예를 들어, 용융염 에너지 저장(MSES) 설비는 상업용으로 단기 에너지 저장을 위해 사용됩니다. MSES의 경우, 용융염을 1000degF 이상으로 가열하여 단열 용기 안에 저장합니다. 에너지가 필요하면 용융염에 차가운 물을 통과시켜서 증기를 생성하고, 이 증기를 터빈으로 보내서 전기를 생성합니다. 이 시스템은 일반적으로 최대 150MW의 전기를 저장할 수 있고 에너지 밀도가 70~210Wh/리터이며 최대 90%의 효율을 달성할 수 있습니다.
압축 공기 에너지 저장 시스템
압력을 이용해서도 위치 에너지를 저장할 수 있습니다. 압축 공기 저장 시스템(CAES)은 전기를 사용하여 지하 깊은 곳의 공기를 높은 압력을 유지할 수 있는 밀봉된 구멍 안으로 밀어넣습니다. 이 고압 공기를 가열한 후 에어 터빈으로 보내서 전기를 생성할 수 있습니다.
CAES 시스템의 장점 한 가지는 중장기 에너지 저장 시스템에 사용할 수 있다는 점입니다. CAES 시스템은 전 세계에 몇 개 되지 않지만 에너지 저장 용량이 110MW~315MW로 막대한 반면에 효율성은 70%입니다. 미국, 캐나다, 중국, 호주, 독일 및 기타 유럽 지역에서 CAES 시스템을 추가로 몇 개 계획하고 있습니다. 이론상, 소형 CAES 시스템을 주거용으로 사용할 수 있겠지만 이 시스템이 출시되려면 아직 시간이 더 필요합니다.
양수 발전
현재 용량이 가장 높은 에너지 저장 형태가 양수 발전(PSH)입니다. 이 대규모 에너지 저장 시설은 중력을 이용하여 전기를 저장합니다. PSH 시스템은 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 전동식으로 끌어올려서 저장하는 방식으로 작동합니다. 전기가 필요하면 터빈을 통해 물을 다시 낮은 저수지로 방류하여 수력 발전 댐의 작동 방식과 매우 유사한 방식으로 전기를 생성합니다.
설명: 리투아니아의 Kruonis 양수 발전소
양수 발전 에너지 저장 시스템은 여러 가지 규모로 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 웨스턴오스트레일리아의 월폴(Walpole)에 새로 건설된 PSH 시설은 1.5MW의 전기를 저장할 수 있는데, 이 용량은 500가구에 이틀 동안 전기를 공급할 수 있는 규모입니다. 한편, 세계에서 가장 큰 PSH 에너지 저장 시스템은 버지니아주 배스 카운티에 있으며 3,000MW 이상을 생성할 수 있고 총 저장 용량은 24,000MWh입니다. 이 용량은 CR2032 리튬-이온 배터리 347억 개의 용량과 같습니다.
PSH 시스템은 오늘날 사용되고 있는 가장 큰 에너지 저장 시스템입니다. 그러나 그 에너지 밀도는 리터당 0.2~2와트시(리튬 배터리의 1/200)로 모든 저장 솔루션들 중에서 가장 낮은 수준입니다. 일반적인 리튬 배터리 안에 이와 동일한 양의 에너지를 저장하기 위해서는 PSH 시스템의 전체 면적의 200배가 필요합니다. PSH 시스템은 넓은 부지가 필요하기는 하지만 그래도 효율성은 85%에 달합니다.
오늘날의 에너지 저장 시스템
오늘날 에너지 저장 기술은 매우 다양하게 존재합니다. 이들 시스템은 압력, 중력, 화학 전위, 열 전위, 정전 용량 중 어떤 것을 이용하든 간에 그 목적은 모두 같습니다. 바로 다양한 규모로 전력 수요를 안정화하고 전력을 공급하는 것입니다. 휴대용 전자 기기와 같은 작은 보드 수준의 분야에서부터 재생 에너지 통합을 가능하게 해주는 대규모 그리드 수준의 시스템에 이르기는 각각의 기술들이 에너지 저장을 위한 오늘날의 솔루션들을 대표합니다. 가장 일반적인 것은 리튬-이온 배터리 에너지 저장 시스템이지만, 더 효율적이고 비용 효과적이며 친환경적인 솔루션을 구현하는 방향으로 양상이 발달하고 있습니다.
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