재생 에너지 저장에 대한 탐색

원문 링크 :https://www.theearthandi.org/post/the-search-for-renewable-energy-storage

©Kenueone (CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication)

태양광 및 풍력과 같은 일부 재생 에너지의 간헐적 특성은 완전히 재생 에너지 그리드로 전환하는 데 상당한 과제를 안겨줍니다. 간단히 말해서, 풍력 및 태양광 에너지는 짧은 시간 동안에도 일정한 양의 전력을 생성하지 않습니다.

밤에는 태양광 발전이 잠잠해져 발전이 중단되고, 바람이 없는 날에는 풍력 터빈이 800피트 높이의 움직이지 않는 잔디 장식이 됩니다. 다른 상황에서는 태양광과 풍력이 즉각적인 수요에 비해 너무 많은 전력을 생산할 수 있습니다.

이런 상황에 직면했을 때, 일반적인 해결책은 그 에너지를 음의 도매 전기 가격으로 판매하는 것입니다. 본질적으로 소비자에게 초과 전력을 사용하도록 비용을 지불하는 것입니다. 물론, 이것은 지속 가능하거나 번영하는 사업 성공으로 가는 길이 아니며, 주와 에너지 공급자가 여전히 화석 연료에 의존하는 이유 중 하나입니다. 화석 연료 발전소는 더러운 특성에도 불구하고 에너지 수요에 맞춰 빠르고 쉽게 수정할 수 있습니다. 더 많은 전력이 필요하세요? 간단히 석탄(또는 천연 가스)을 더 많이 태우면 됩니다.

하지만 그 잉여 재생 에너지를 활용할 수 있는 다른 방법이 있다면 어떨까요? 바로 여기서 재생 에너지 저장 솔루션이 등장합니다. 잉여 전력을 저장할 수 있다면 나중에 수요가 더 높을 때 방출할 수 있습니다. 이런 식으로 재생 에너지 생산의 피크와 저점을 매끄럽게 조정하여 경제적으로 경쟁력을 높일 수 있습니다.

©Argonne National Laboratory (CC BY-NC-SA 2.0)

근본적으로 목표는 원래 재생 에너지를 다른 형태로 변환하여 터빈이나 발전기를 통해 그리드로 다시 전달하기 전에 격리할 수 있도록 하는 것입니다. "Power-to-X"로 알려진 이 방법은 여러 가지 방법으로 달성할 수 있으며, 최상의 솔루션은 단계 간에 전력을 가장 적게 잃습니다.

가장 간단한 방법은 잉여 전력을 사용하여 대형 리튬 이온 배터리를 충전하는 것입니다. 그러나 이는 비싸고, 다루기 어렵고, 잠재적으로 위험합니다. 게다가 리튬 이온 배터리가 경제적이려면 예상 비용은 킬로와트시(kWh)당 약 20달러여야 합니다. 현재 평균은 kWh당 약 132달러입니다.

차세대 배터리를 생산하려는 노력이 진행 중입니다. 한 가지 해결책은 리튬 이온 배터리를 그리드에 분산시키는 대신(비용 증가) 유틸리티 규모 또는 그리드 규모 시설에 통합하는 것입니다. 이러한 대형 유틸리티 규모 배터리는 비교적 저렴한 요금으로 더 많은 전력을 유지할 수 있으며, 잠재적으로 오래된 화석 연료 발전소를 대체할 수 있습니다 . 그리드의 중요한 교차점에 배치함으로써 여러 재생 에너지 발전소에도 서비스를 제공할 수 있습니다.

불행히도, 이러한 접근 방식은 리튬 이온 배터리의 가장 큰 단점 중 하나를 악화시킬 수 있습니다. 리튬과 코발트와 같은 원소를 포함하고 있기 때문입니다. 이러한 금속은 종종 노천 채굴에서 추출되어 지역 환경에 압력을 가합니다. 특히 코발트는 인권에 대한 실적이 좋지 않은 국가인 콩고 민주 공화국에서 대부분 수입됩니다 .

이에 직면하여 연구자들은 또한 나트륨 또는 유기 폴리머 기반 배터리를 사용하여 리튬과 코발트를 제거하는 새로운 종류의 배터리를 개발하고 있습니다 . 그러나 이들 중 다수는 리튬 이온 배터리의 전력 밀도와 일치하지 못합니다.

다행히도 재생 가능 에너지를 저장하는 다른 방법도 있습니다.

©uhe.gov.ua (크리에이티브 커먼즈 저작자표시-동일조건변경허락 4.0 국제 라이선스)

물, 무게, 열을 이용한 전력 저장

일반적인 해결책 중 하나는 펌프 저장입니다. 많은 에너지가 생산되고 전기 가격이 낮을 때, 물은 저수지로 위쪽으로 펌프질됩니다. 따라서 전기는 잠재적인 운동 에너지로 변환됩니다. 에너지에 대한 수요가 있고 가격이 높을 때, 그 물은 전통적인 수력 발전 댐과 같은 터빈을 통해 아래쪽으로 방출될 수 있습니다. 이 시스템은 상당히 효율적이지만, 비싸고, 크고, 지역적 지리적 특징에 따라 달라집니다. 그러나 이를 개선하려는 시도가 진행 중입니다. 스위스는 9월 10-11일에 최첨단 펌프 저장 발전소인 낭 드 드랑스를 개장하며 , 저장 용량은 EV 배터리 400,000개입니다.

©Nant de Drance/Sébastien Moret

한 네덜란드 프로젝트는 팽창식 방광을 사용하여 해저에서 프로세스를 복제하는 것을 목표로 하고 있으며, 독일 신생 기업은 공기와 가스를 사용하여 프로세스를 재현하는 운송 컨테이너 크기의 배터리를 개발했습니다. 유사한 효과는 가중치와 풀리를 사용하여 달성할 수도 있습니다. 한 스코틀랜드 프로젝트는 발전기를 통해 다시 낮추기 전에 폐기된 광산 갱도에서 가중치를 들어 올리기 위해 여분의 전력을 사용하고 있습니다 .

또 다른 방법은 "전력-열"입니다. 여기에는 잉여 재생 에너지를 사용하여 소위 "카르노 배터리"를 만드는 것이 포함됩니다. 카르노 배터리 내에서 재료는 과열되어 저장됩니다. 전력이 필요할 때 이 열 에너지는 종종 열 엔진이나 증기 터빈을 통해 전기로 다시 변환됩니다. 카르노 배터리에 가장 적합한 재료는 모래, 돌, 최근에는 용융 소금과 같이 장기간 열을 유지하는 재료입니다. 장점은 카르노 배터리는 어디에서나 만들 수 있고 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용할 수 있다는 것입니다. 이 접근 방식의 단점은 비교적 비효율적이라는 것입니다. 많은 카르노 배터리는 약 40%-70%의 변환 효율을 목표로 하는 반면 펌프 저장은 평균 약 80%입니다.

더 실험적인 접근 방식인 분자 태양열 에너지 저장 (MOST)도 개발 중입니다. MOST는 탄소, 수소, 질소로 구성된 특별히 설계된 분자에 특수 접시를 통해 태양 에너지를 조사합니다. 그런 다음 이성질체를 태양 에너지가 필요할 때까지(예: 밤이나 흐린 날) 실온에서 보관할 수 있습니다. 촉매를 통과하면 분자가 에너지를 방출하고 이전 상태로 돌아가 다시 조사될 준비가 됩니다. 이런 식으로 태양 에너지는 이론적으로 최대 18년 동안 분해되어 보관될 수 있습니다.

'에너지 운반체'로서의 수소

또 다른 유망한 저장 솔루션은 우주에서 가장 풍부한 원소인 수소에서 나옵니다. 수소 자체는 일반적인 연료는 아니지만 (아직은) "에너지 운반체"로 사용할 수 있습니다. 잉여 재생 에너지는 열분해(가스에서 수소를 만드는 것) 또는 전기 분해(물에서 수소를 만드는 것) 공정에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 수소 형태가 되면 재생 에너지는 무기한 저장할 수 있습니다. 다시 필요할 때 수소는 역전기 분해를 거쳐 산소와 결합하여 물과 전기를 생성합니다. 고압에서 수소를 저장하는 데 따르는 일부 문제와 위험을 극복하는 수소 "배터리 " 를 개발하려는 시도가 이루어지고 있습니다.

위에서 제안한 대로 재생 에너지를 저장할 수 있는 잠재적인 방법은 많지만, 완벽하게 하는 방법은 없습니다. 거의 모든 솔루션에는 비용, 효율성 또는 건설 측면에서 추가적인 과제가 따릅니다. 게다가 많은 시스템이 소규모 지역 재생 에너지 프로젝트에는 너무 비싸지만 대규모 생산자에게는 효율적이지 않거나 비용 효율적이지 않습니다. 펌프 저장은 빠르게 가장 인기 있는 방법이 되었으며 모든 재생 에너지 저장의 90%를 차지하지만 물류 및 건설 요구 사항으로 인해 펌프 저장을 확장하고 확장하기 어렵습니다.

단기적으로 리튬 이온 배터리는 소규모 및 대규모 생산자 모두에게 선호되는 방법이 될 가능성이 높습니다. 그 기술은 잘 알려져 있으며 관련 재생 에너지 발전소의 크기에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다. 더 많은 저장 공간이 필요하세요? 더 많은 배터리를 연결하세요. 위에서 언급했듯이 이러한 배터리는 여전히 엄청나게 비싸고 윤리적 문제가 있지만 전반적인 비용은 떨어지고 있습니다. 리튬 이온 배터리가 오늘날 kWh당 평균 132달러이지만 2010년에는 kWh당 1,200달러가 넘었다는 점에 주목할 가치가 있습니다.

*Mark Newton is a Berlin-based freelance journalist and researcher originally from the UK. After specializing in conflict and security studies, he has recently shifted his focus towards sustainability and environmental concerns.