전 세계가 풍력과 태양광 발전같은 친환경 에너지 확보노력을 확대함에 따라 태양이 비치지 않고 바람이 불지 않을 때를 대비해 잉여 에너지를 저장할 대형 에너지 저장 장치 수요도 늘고 있다. 현재 지구상 최고의 에너지 저장 기술은 리튬을 사용하는 리튬이온 배터리에 기반을 두고 있지만 고갈되고 있다. 이런 상황에서 탄소를 이용한 에너지 저장장치 기술이 개발돼 주목을 끈다.

최근 인터레스팅 엔지니어링과 BBC는 스웨덴과 미국의 연구원들이 각각 물질에 이산화탄소를 섞어 리튬전지같은 에너지 저장장치를 개발하려는 연구에서 성과를 보이고 있으며, 이를 실제로 적용하기 위한 노력에 들어갔다고 보도했다.

그 하나인 스웨덴 회사 시누누스(Sinonus)는 탄소를 이용한 풍력발전소 터빈 날(블레이드)이 거대한 배터리로 바뀔 수 있다고 말하고 있다.

다른 하나는 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원들로서 이들은 탄소(카본 블랙)와 시멘트를 배합한 콘크리트를 사용해 태양광이나 풍력으로 발전한 재생에너지를 건축물에 저장할 수 있음을 시험으로 확인했다고 밝혔다.

이들의 성과와 가능성, 그리고 해결 과제 등을 전문가의 평가와 함께 소개한다.

고갈되는 리튬에너지 저장장치 자원

대다수의 재생 가능한 태양광, 풍력 발전은 태양, 바람 등이 우리에게 주는 끝없는 청정에너지 발전을 약속하지만 태양은 항상 빛나지 않고 바람이 항상 불지는 않는다. 이들은 간헐적으로 발생하는 에너지원이어서 에너지 수급에 문제를 일으키고 있다. 이는 우리가 그 재생 에너지를 확보하면 배터리에 저장해 둬야 한다는 것을 의미한다. 그러나 통상적인 배터리는 리튬과 같은 재료에 의존하는데 그 공급은 전세계에서 생성된 수요를 충족시키기 위해 필요해 보이는 것보다 훨씬 부족하다.

전세계에는 101개의 리튬 광산이 있고, 경제 분석가들은 이 광산들이 증가하는 세계적인 수요를 따라잡을 수 있는 능력에 대해 비관적이다.

환경 분석가들은 리튬 채굴이 많은 에너지와 물을 사용한다는 점에 주목하면서 이 것이 애초에 재생 가능한 에너지원으로 전환함으로써 얻을 수 있는 환경적 이익을 갉아먹는다고 말한다. 게다가 리튬을 추출하는 데 관련된 다양한 과정들은 때때로 독성 화학물질이 지역 물공급망으로 누출되게 할 수 있다.

일부 새로운 리튬 매장량의 일부 새로운 발견에도 불구하고 이 물질의 유한한 공급, 전 세계 일부지역에 한정된 소수 광산에 대한 과도한 의존, 그리고 그들의 환경적 영향은 대체 배터리 물질에 대한 탐색을 촉진하게 만들고 있다.

스웨덴 스타트업 시누누스, 풍력 터빈 날에 탄소넣어 에너지 저장

탄소 섬유는 강하면서도 가벼운 물질이어서 다양한 현대 구조물의 건설에 사용된다. 이 가벼운 물질은 심지어 미항공우주국(NASA·나사)의 저 유명한 화성 비행 임무를 맡은 헬리콥터 ‘인제뉴어티’의 날개 제작에도 사용됐다. 이 물질은 이처럼 널리 알려져 있지만 이전까지 연구자들은 이 물질의 전기화학적 특성을 에너지 저장에 사용해 보려 하지 않았다.

스웨덴 예테보리 소재 찰머스 공과대학의 특정 유형 탄소 섬유 연구자들은 수년간의 연구를 통해 이를 달성했다.

최근 여기서 분사한 스웨덴 스타트업 시누누스는 자사의 선구적 기술로 터빈 날개의 구성 요소인 날(블레이드)에 탄소섬유를 채워넣어 리튬이온 배터리처럼 에너지를 저장하는 데 사용할 수 있다고 밝혔다.

시노누스는 자사의 선구적 기술 덕분에 터빈 날개뿐만 아니라 탄소 섬유를 사용해 만든 모든 것을 모두 에너지 저장 장치로 바뀔 수 있었다고 밝히고 있다.

이 기술은 이제 다른 사람들도 이용할 수 있게 될 것이다. 시누누스는 이제 터빈 블레이드를 에너지 저장소로 사용토록 하는 것에 집중하고 있다.

터빈 블레이드는 탄소 섬유로 만들어졌으며 이 장치에 에너지 저장 기능을 추가하면 해당 부문에 더 나은 투자 수익을 제공할 수 있다.

시노너스는 이 기술을 입증하기 위해 저전력 제품의 AAA 배터리를 자사의 탄소섬유 충전으로 대체하기 시작해 성공을 거뒀다. 리튬이온만큼 에너지 저장 용량이 좋지는 않지만 소재의 주된 기능이 하중을 견디는 것이기 때문에 여전히 유용하다.

리튬이온 배터리에 대한 일반적인 불만은 그것들이 장치에 과도한 무게를 더한다는 것이다. 최신 전기 자동차들은 무거운 배터리 팩 때문에 화석 연료 자동차들보다 적어도 50% 무겁다.

찰머스 공과대학의 한 연구는 전기 자동차의 배터리 무게를 줄이는 것이 주행 거리를 무려 70% 증가시킬 수 있다고 결론을 내렸다. 게다가 그 기술은 또한 비행기에 전기를 공급하는 데 사용될 수도 있다.

시누누스는 또한 에너지 저장 장치의 역할을 배가하는 전기 자동차를 만드는 데 탄소 섬유를 사용하는 데 열중하고 있다. 이 탄소섬유 배터리 기술의 추가적 이점은 낮은 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리보다 안전하게 해주고 휘발성 성분이 전혀 포함되어 있지 않다는 것이다.

마크 제터스트룀 시누누스 최고경영자(CEO)는 리차지 뉴스와의 인터뷰에서 내부 구조가 에너지 저장 용량을 추가하는 동시에 더 많은 설계의 자유를 제공할 수 있는 대규모 배터리 시스템이 있는 건물을 사용할 수 있는 가능성에 대해서도 덧붙였다.

이는 결국 거대한 터빈 블레이드를 배터리로 바꿀 수 있는 혁신적인 에너지 저장 솔루션을 제공할 것으로 기대를 모은다. 이러한 기술의 발전으로 배터리 팩이라는 거대한 블록은 더 이상 쓸모가 없게 될 수 있다.

美 MIT, 건축용 탄소혼합 콘크리트에 재생에너지 저장 실증

탄소를 사용해 에너지를 저장하려는 연구 노력의 성과는 또 있다.

때마침 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원들이 광택이 나는 검은색 콘크리트 실린더 더미에 케이블을 연결하고 스위치 점멸을 통해 발광다이오드(LED)를 빛나게 한 결과에 대해 발표했다.

MIT의 스테파니우크와 그의 동료들은 물, 시멘트 그리고 ‘카본블랙’이라고 불리는 그을음과 같은 세가지 기본적이고 값싼 물질로부터 슈퍼 커패시터(축전지)로 알려진 에너지 저장 장치를 만드는 방법을 발견했다.

이 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장하는 데는 매우 효율적이지만 몇 가지 중요한 점에서 배터리와 다르다. 그들은 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 빨리 충전할 수 있고 같은 수준의 성능 저하를 겪지 않는다. 그러나 슈퍼 커패시터는 또한 저장한 전력을 빠르게 방출하기 때문에 장기간에 걸쳐 꾸준한 에너지 공급이 필요한 휴대폰, 노트북 또는 전기 자동차와 같은 장치에서는 덜 유용하다.

그러나 연구진은 “만약 그것이 확장될 수 있다면, 그 기술은 중요한 문제인 재생 가능한 에너지의 저장을 해결하는 것을 도울 수 있다”고 기대감을 드러내고 있다.

MIT연구원들은 MIT와 하버드 대학의 와이스 생물학적 영감 공학 연구소에서 슈퍼커패시터를 위한 여러 응용 프로그램을 구상하고 있다.

그 하나는 태양 에너지를 저장한 다음 도로를 달리면서 전기 자동차를 무선으로 충전시키기 위해 무선으로 에너지를 충전하는 도로를 만드는 것이다. 탄소를 섞은 이 슈퍼 커패시터로부터 에너지가 빠르게 방출되면 자동차는 배터리 전력량을 빠르게 늘릴(충전할) 수 있다는 것이다.

또 다른 하나는 각 가정의 집의 에너지를 저장하는 구조물 지지대 뿐만 아니라 그 안에 에너지가 적극적으로 저장되는 벽이나 기초 또는 기둥을 갖도록 하는 것이다.

하지만 실생활에 적용할 정도라고 하기엔 아직 초기 단계다.

현재 이 콘크리트 슈퍼 커패시터는 m³당 300와트시(Wh) 미만을 저장할 수 있는데, 이는 10W의 LED 전구를 30시간 동안 작동시킬 수 있는 양이다. 스테파누크는 “전력 출력은 기존 배터리와 비교했을 때 낮게 보일 수 있지만, 30~40m³의 콘크리트로 된 기초가 주택의 1일 에너지 수요를 충족시키기에 충분할 수 있다”고 말했다.

스테파누크는 “전 세계적으로 콘크리트가 널리 사용되는 것을 고려할 때, 이 재료는 매우 경쟁력이 있고 에너지 저장에 유용할 가능성이 있다”고 말한다.

그와 동료들은 3V LED를 작동시키기 위해 직렬로 연결하기 전에 그 물질로 1센트 동전 크기의 1V짜리 슈퍼 커패시터를 만들어 냄으로써 그 개념을 처음 증명했다. 그들은 그 때부터 12V 슈퍼커패시터를 생산하기 위해 이것을 확장했다.

스테파누크는 또한 휴대용 게임기를 작동시키기 위해 더 큰 버전의 슈퍼 커패시터를 사용할 수 있었다.

현재 연구팀은 더 큰 버전을 만들 계획인데, 여기에는 하루 동안 집에 전력을 공급하기 위해 필요한 약 10kWh의 에너지를 저장할 수 있는 최대 45m³ 크기의 콘크리트 덩어리가 포함된다.

탄소를 이용한 슈퍼 커패시터의 원리는

슈퍼 커패시터가 작동하는 이유는 전도성이 매우 높은 카본블랙의 특이한 성질 때문이다. 이는 카본블랙이 시멘트 분말과 물과 결합하면 전도성 물질의 네트워크로 가득 찬 일종의 콘크리트가 만들어지며, 카본이 항상 가지를 뻗어나가면서 작은 뿌리와 같은 형태를 띤다는 것을 의미한다.

이 슈퍼 커패시터는 두 개의 전도성 판으로 돼 있고 그 사이에 막을 두고 있다.

이 경우 두 판 모두 염화칼륨이라는 전해질 염에 적셔져 있던 카본블랙 시멘트로 되어 있다.

소금에 절인 판에 전류를 가하면 양전하를 띤 판에 염화칼륨에서 오는 음전하를 띤 이온이 축적된다. 그리고 막이 전하를 띤 이온들을 판 사이에서 교환되지 못하도록 막기 때문에 전하가 분리되면 전기장이 형성된다.

슈퍼 커패시터는 많은 양의 전하를 매우 빠르게 축적할 수 있기 때문에, 그것은 장치들이 바람과 태양과 같은 간헐적이고 재생 가능한 자원에 의해 생산되는 초과 에너지를 저장하는 데 유용하게 만들 수 있다. 이것은 바람이 불지 않거나 태양이 비치지 않을 때 전력망으로부터 오는 전력 수요 압박을 제거할 것이다. 스테파니우크는 “간단한 예는 태양 전지판에 의해 전력을 공급받는 전력망이 없는 집이다. 낮에는 태양 에너지를 직접 사용하고 밤에는 건물 기초에 저장된 에너지를 사용하는 것이다”라고 말했다.

아직 이 슈퍼 커패시터는 완벽하지 않다.

지금까지 나온 버전들은 전력을 빠르게 방출하고, 하루 종일 집에 전력을 공급하기 위해 필요한 안정적 출력을 위해선 이상적이지 않다. 스테파누크는 자신과 동료들이 혼합물을 조정함으로써 탄소 시멘트 버전을 조정할 수 있는 해결책을 연구 중이라고 말하지만 그들은 테스트를 완료하고 논문을 발표하기 전까지는 세부 사항을 공개하지 않을 것으로 알려졌다.

극복해야 할 다른 문제들도 있을 수 있다.

카본블랙을 더 추가하면 결과적으로 발생하는 슈퍼 커패시터가 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 콘크리트도 약간 약해지게 된다.

연구원들은 에너지 저장뿐만 아니라 구조물의 역할을 하는 모든 용도를 위해서는 최적의 카본블랙 혼합물을 찾아야 한다고 말한다.

그리고 탄소 시멘트 슈퍼 커패시터는 리튬에 대한 우리의 의존도를 낮추는 데 도움이 될 수 있지만, 이 슈퍼 커패시터는 그 자체로 환경에 영향을 미치게 된다. 시멘트 생산은 전 세계적으로 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출의 5~8%에 이르며, 슈퍼 커패시터에 필요한 탄소 시멘트는 기존 구조물에 다시 설치하는 게 아니라 새로 만들어야 한다.

그럼에도 마이클 쇼트 영국 티사이드 대학의 지속가능공학 센터 책임자는 그것은 유망한 혁신으로 보인다고 말했다. 그는 이 연구가 “건설된 환경 자체를 에너지 저장 매체로 사용하는 것과 관련된 많은 흥미롭고 잠재적인 길을 열어준다. 재료들또한 일상적이고 제조가 비교적 간단하기 때문에 이것은 이 접근법이 더 연구되어야 한다는 것을 보여주며, 잠재적으로 더 깨끗하고 지속 가능한 미래로의 전환에 있어서 매우 유용한 부분이 될 수 있다”고 말했다.

그러나 이것을 실험실에서 실제 세계로 옮기려면 더 많은 연구가 필요할 것이다.

쇼트는 “종종 새로운 발견들은 연구소나 벤치 규모에서 더 큰 규모와 부피로 더 넓은 배치로 옮겨가기 위해 고려될 때 문제가 된다. 이것은 제조의 복잡성, 자원 부족 때문일 수도 있고, 때로는 근본적인 물리학이나 화학 때문일 수도 있다. 더 작은 규모에서 일어나는 바람직한 성질들은 그것을 더 크게 만들려고 시도될 때 줄어들거나 심지어 사라질 수도 있다”고 말한다. 그러나 그는 “친환경 시멘트 문제를 극복할 수 있는 방법이 있을지도 모른다”고 덧붙였다.

실제로 그의 티사이드 대학 동료들은 이미 철강과 화학 산업의 부산물로 만들어지는 저탄소배출 시멘트에 공을 들이고 있다. 저공해 시멘트와 에너지 저장 콘크리트와 같은 프로젝트는 사무실, 도로 및 가정이 청정 에너지로 가동되는 세계에서 중요한 역할을 하는 미래의 전망을 제시한다.

조만간 리튬배터리를 대신하는 새로운 에너지 저장장치 자원으로 탄소 재료 기반 에너지 저장장치(배터리)를 볼 수 있게 되길 기대해 본다.