재생에너지로서 배터리가 중요한 이유
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재생에너지로서 배터리가 중요한 이유
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- 한국 제주도의 상명풍력의 사례 등
- 일본 NGK의 NAS 배터리 사례 등
- 배터리, 재생에너지로서 탄소중립에 매우 핵심적 역할

미래의 먹을거리로서 재생에너지의 하나인 배터리가 전 세계적으로 각광을 받고 있다. 다행히 한국의 기업들이 배터리 전쟁(Batteries War)에서 우위를 차지하면서 미래를 선도하려 하고 있다.

세계는 오는 2050년까지 탄소중립(Carbon Neutral : 이산화탄소 배출제로)을 달성하는 것으로 목표로 하고 있다. 배터리가 재생에너지(renewable energy)에서 중요한 역할을 하는 이유가 비로 탄소중립 달성의 핵심적이기 때문이다.

2022년도 온실가스 농도(gas concentrations), 해수면 상승(sea level rise), 해양열(ocean heat), 해양산성화(ocean acidification) 측정에서 기록이 깨졌다. 기후변화의 이러한 지표들은 기후변화의 최악 결과를 피하기 위해 탄소중립을 달성하고, 지구온난화를 억제할 필요성이 강조되고 있다.

산업, 난방, 운송을 포함한 에너지가 전체 배출량의 73%를 차지하기 때문에, 태양열과 풍력과 같은 재생에너지의 사용 확대가 무엇보다 시급한 일이 아닐 수 없다. 그러나 한 가지 중요한 문제는 ‘신뢰성(reliability)’이다. 햇빛과 바람이 항상 태양 전지판(solar panels)과 풍력 터빈에 도달하지는 않지만, 인간의 전기에 대한 필요성은 일정하다. 그것이 저장 배터리(storage batteries)가 큰 차이를 만들 수 있는 부분이다.

* 풍력으로부터의 수소

재생 에너지는 거대한 성장을 위해 준비되어 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2026년까지 재생에너지 용량은 2020년 수준에서 60% 이상 성장, 2021년 전체 화석연료와 원자력 발전 용량에 맞먹는 4,800기가와트(Gigawatt) 이상이 될 것으로 예상된다.

신재생에너지는 2026년까지 전 세계 전력용량 증가분의 9% 가까이를 차지하고, 태양광은 절반 이상을 차지할 것으로 보인다는 게 IEA의 전망이다.

이 새로운 용량의 주요 과제는 간헐성(intermittency)이다. 재생에너지 공급이 어떻게 신뢰를 확보할 수 있을까?

배터리(축전지)는 간헐적으로 전원을 사용할 수 있을 때 발생하는 전기를 보존하고 이용할 수 있다. 이 전력은 나중에 정전이나 부하 분산의 일환으로 수요가 가장 많은 시간에 사용될 수 있다. 저장 배터리는 또 안정적인 형태로 재생 가능한 전력을 제공하여 간헐적으로 발생할 수 있는 장애를 제거할 수 있다.

대규모 발전을 위한 축전지는 비교적 새로운 개념이지만, 20세기 초로 거슬러 올라가는 펌프식 저장 수력 전기(pumped-storage hydroelectricity)와 매우 유사하다. 축전지는 메가와트 용량의 산업용 규모로 발전했기 때문에, 전력망을 보다 지속 가능하고 탄력적으로 만들기 위해 전 세계에 설치되고 있다.

한 예로 한국의 제주도에 있는 상명 풍력 발전소(Sangmyung Wind Farm)가 있다. 풍력 터빈을 사용하여 차량 및 기타 응용 분야의 배출 제로 연료인 녹색 수소(green hydrogen)를 생성하기 위한 재생 가능 에너지를 생성한다. 한국은 수소(hydrogen)에 많은 투자를 하고 있는데, 가장 큰 대기업들은 "수소 경제(hydrogen economy)"를 창출을 위해 총 380억 달러(약 47조 1,960억 원)를 투자하고 있다.

수소를 생산하기 위해 한국 내 P2G(power-to-gas) 사업자인 지필로스(G-Philos)와 한국중부발전(Korea Midland Power)이 시행하는 21메가와트급 P2G 상명공장(Sangmyung plant)은 간간이 불어오는 바람(intermittent wind)에 의존한다. 이를 극복하고, 안정적인 전기 공급을 위해 나트륨-황(sodium-sulphur) 혹은 NAS** 배터리를 사용한다. 배터리는 전기 분해를 통해 물을 수소와 산소로 분해하는 시스템인 전기 분해기에 전력을 공급한다.

NAS** 배터리를 공급하는 바스프 정전기 저장고(BASF Stationary Energy Storage) 아시아 영업부장 유승한 박사는 “배터리는 신재생에너지를 직접 전해액에 공급할 때 발생할 수 있는 예기치 않은 정지, 이상, 쌓여있는 전해액 스택 열화(degradation of electrolyzer stacks) 등 플랜트 에너지 균형 손상을 방지하는 데 중요한 역할을 한다"고 말했다.

유 박사는 풍력 터빈이 오랫동안 발전하지 않을 때에도, 전해질을 작동시키기에 충분한 에너지를 저장할 수 있기 때문에 NAS** 시스템을 선택했다고 말한다. 또 다른 중요한 특징은 그것의 안전성이다. 이는 수소 생산과 저장에 가깝기 때문에 화재 예방이 매우 중요하다.

지필로스는 NAS** 배터리의 안전한 대용량 에너지 스토리지 솔루션이 녹색 수소 프로젝트에 적합하다고 결론 내렸다는 것이다. 상명풍력발전소는 시험기간 동안 녹색수소 생산에 성공한 후, 연료전지 전기자동차(FCEV), 연료전지 드론 등 녹색이동 응용분야로 확대되고 있다.

* 축전지(storage batteries)의 세계적인 성장

NAS** 배터리 시스템은 NGK(Nihon gaishi kabushikigaisha : 일본애자주식회사-日本碍子株式会社) 절연체에 의해 제조된다. 배터리는 세라믹 전해질(ceramic electrolyte)로 분리된 나트륨 및 황 전극으로 구성된다. 그것은 6시간 이상의 고출력에 잉여 에너지를 전달할 수 있다. 일본에서는 252개의 NAS** 배터리 컨테이너가 설치되어 50메가와트의 출력과 300메가와트 시간의 저장 용량을 제공했다. 이는 하루에 약 3만 가구에 전력을 공급할 수 있는 양이다.

NGK Insulators의 대변인은 “NAS** 배터리는 낮 동안 태양열로 발생하는 잉여 전력을 야간으로 이동시키는 것과 같은 애플리케이션에 매우 적합하며, 이러한 애플리케이션은 향후 증가할 것으로 예상된다”고 말했다.

지금까지 전 세계적으로 250개 이상의 NAS배터리(NAS batteries)가 설치되었으며, 총 용량은 700MW/4.9GWh이다.

세키구치 와이치(Waichi Sekiguchi) MM연구소(MM Research Institute) 소장은 “2011년 후쿠시마 원전 멜트다운(melt down, 녹아내림) 이후, 원전 재가동이 지지부진한 가운데 재생에너지를 활성화하려는 일본과 같은 나라에서 NAS 배터리를 중요한 기술로 보고 있다.

세키구치는 "규슈 전력과 같은 전력회사의 저장용 NAS 배터리 사용이 확대되고 있지만, 이러한 배터리는 기존 그리드에 의존하지 않는 현지 생산 및 소비 전력 수요에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다“고 말했다. 이어 그는 ”앞으로 전력 회사에 의존하지 않는 지역 전력 공급 네트워크가 필요할 것이고, 그런 면에서 NAS 배터리를 사용하는 새로운 방식을 보게 될 것이다."는 게 그의 설명이다.

대규모 저장 배터리는 가용성과 신뢰성을 향상시켜, 사회와 에너지 공급자에게 더욱 실현 가능한 옵션이 될 수 있기 때문에, 재생 에너지에 배터리가 매우 중요하다. 배터리 기술이 더 똑똑하고, 더 친환경적인 미래 세계의 일부가 되는 한 가지 방법이기도 하다.

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