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모래, 이제는 에너지에 양보하세요!

by R.E.F. 21기 길민석 2022. 8. 29.

모래, 이제는 에너지에 양보하세요!

대학생신재생에너지기자단 20기 이주선, 21기 길민석

 

세계 최초 모래배터리의 등장

[자료 1. 물과 모래의 비열 차이]

출처 : http://www.dailyenews.co.kr/news/articleView.html?idxno=26628 

뜨거운 여름 해변을 걷을 때 모래는 뜨거운 반면 바다는 시원했던 경험은 누구나 가지고 있을 것이다. 이는 모래가 열에너지를 저장할 수 있고, 열 손실률이 낮기 때문에 일어나는 일이다. 즉 열저장과 비열 차이에서 비롯된 것이다. 물은 온도를 올리는 데 필요한 열량이 큰 반면 모래는 비교적 작은 열량으로도 온도를 올릴 수 있다. 물과 비교했을 때, 약 4배가량의 에너지를 저장할 수 있다. 실제로 모래는 수 백도에 이르는 열에너지를 저장할 수 있으며 구체적인 수치로는 섭씨 40도의 모래 1kg이 20도로 낮아지는 데는 5시간 30분이 걸린다.
이러한 특성을 이용하여 핀란드 연구진이 충전 한 번에 수개월 동안 전력을 저장할 수 있는 모래배터리를 개발하였다. 모래 배터리 아이디어는 칸카안빠 인근 탐페레시의 펄프 공장에서 처음 등장하였으며, 현재 이는 핀란드의 칸카아페 마을에 최초로 설치되어 사용되고 있다. 모래 배터리는 기존의 흔한 태양광, 풍력 등의 재생에너지와는 다르게 환경에 따른 편차가 없다. 또한 최근 러시아와 우크라이나의 전쟁 이후 러시아가 가스와 전력공급을 중단하며 에너지가 부족한 나라들에겐 모래배터리는 반가운 소식이다. 도대체 이 모래배터리는 어떤 방식 및 원리에 의해 작동하는 것일까?

모래 배터리의 구성과 원리

[자료 2. Polar Night Energy]

출처 : https://www.newspenguin.com/news/articleView.html?idxno=12034 

위 자료2는 Polar Night Energy로, 이는 핀란드 공학자들이 설립한 회사 이름이자 열에너지 저장 장치이다. 장치의 구조는 단순하다. 높이 7m, 폭 4m 강철 용기에 모래 100t 정도가 채워져 있고, 이 용기와 태양광 발전기는 공기를 전달하는 파이프로 연결돼 있다. 강철 용기는 곡식 저장고 같은 형태다.

[자료 3. Polar Night Energy 모래 배터리 사일로]

출처 : https://www.tech42.co.kr/%EC%84%B8%EA%B3%84-%EC%B5%9C%EC%B4%88-%EB%AA%A8%EB%9E%98-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EB%93%B1%EC%9E%A5-%EC%B9%9C%ED%99%98%EA%B2%BD-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EC%A0%80%EC%9E%A5-%EC%88%98/

폴라 나이트 에너지(The Polar Night Energy)가 세운 이 공장은 약 100톤의 모래를 수용하는 높은 사일로로 구성돼 있다. 핀란드 칸칸패에 세워진 이 모래 배터리 공장의 모래 온도는 500~600°C, 발열량은 100kW, 발전용량은 최고 8메가와트(MW), 효율성은 최고 99%이다.

[자료 4. 모래 배터리의 계통 개요도]

출처 : https://www.newspenguin.com/news/articleView.html?idxno=12034 

위 자료 4는 모래배터리가 어떻게 계통이 이루어져 있는지를 간단히 표현한 그림이다. 태양광이나 풍력 등의 재생에너지로 생산한 전기를 모래에 열에너지로 저장한다. 에너지 전환은 전기를 모래로 흘려보내면 저항 때문에 열이 발생하기 때문에 모래에 열 에너지로 저장이 가능하다. 모래배터리는 수개월간 500도로 유지가 가능하며 열 교환기를 통해 뜨거운 공기를 순환시킨다. 이 공기를 지역난방에 활용하는 것이다. 여기서 수개월간 온도를 유지할 수 있다는 점은 여름에 데워놓은 모래를 수개월간 에너지로써 사용할 수 있다는 것이다. 겨울이 되면 모래 사이에 저장된 열로 물을 데우고, 이 물이 순환하면서 가정에서 난방을 할 수 있다. 여름에 생산한 전기를 겨울에 필요한 열로 미리 저장해놓는 방식이다.


모래 배터리의 장점

[자료 5. 모래 배터리의 특징 및 장점]

출처 : http://www.ainet.link/7295

모래배터리의 장점으로는 우선 무엇보다 친환경적이다. 모래는 물의 4배 에너지 저장 용량을 제공하며 저렴하고 독성이 없다. 반면 휴대폰, 전기차, 노트북 등에서 발견되는 리튬 이온전지는 고갈되면서 미래의 유독성 폐기물 재해가 발생한다. 게다가 리튬 채굴을 위해서는 광범위한 자원이 사용된다.
나아가 모래 배터리 에너지 저장 시스템은 오직 저항성 열을 사용한다. 즉, 시스템에서 재생 가능한 에너지원의 전기가 가열 요소를 통과해 내부의 입자를 진동시키고 가열시키면서 뜨거운 공기를 생성하는 것이다. 모래 배터리는 친환경적인 면 외에 재생 가능한 자원에서 공급되는 전력이 간헐적이어서 이를 장기 저장할 수 있다는 점도 큰 장점이다. 모래 배터리 사일로에서 한번 열을 발생시키면 몇 달 동안 거대한 사일로에 저장할 수 있다.
연구원들은 모래 배터리가 건물을 난방하기 위한 재생 가능 에너지의 연중 공급 문제를 해결할 수 있고 결국 전기를 생산하는 데 사용될 수 있다고 주장한다. 이는 태양광과 바람이 약할 때 생기는 간헐적 에너지를 여기에 저장해 발전량의 수급 불균형을 보충할 수 있다는 의미다.
모래를 활용한 배터리는 소재를 구하기 쉽고 장치도 비교적 간단해 다른 에너지 생산 방식보다 비용도 저렴하다. 모래 배터리를 개발한 폴라나이트에너지는 건설 비용이 킬로와트시(kW) 당 1만 3400원(10유로) 미만이라고 설명했다. 이번에 개발된 배터리는 정격 전력 100kW 기준 8MWh의 에너지를 저장할 수 있으며 수명은 10년이다. 폴라나이트에너지는 설계와 관리에 따라 저장 용량은 최대 20GWhm 수명은 수십년까지 가능하다고 주장했다.


모래 배터리의 단점
모래배터리의 단점은 현재로서는 난방 에너지로써만 사용할 수 있다는 점이다. 모래배터리의 실용성을 살리려면 다시 전기로 전환할 수 있어야 하는데, 그러기 위해선 터빈을 비롯한 복잡한 장치가 추가돼야 한다. 비용과 효율을 더 따져봐야 할 문제다. 그때까지는 활용 범위가 온수, 난방 등 열이 필요한 곳에 에너지를 공급하는 정도에 그칠 것으로 보인다.
또한, 일단 생산한 에너지를 열에너지로 저장해야 하니 사용처가 제한된다는 점도 걸림돌이 된다. 저장한 열에너지로 전기를 다시 생산할 수는 있지만 폴라 나이트 에너지 측에 따르면 전기로 변환하는 과정에서 효율이 20-25% 정도로 떨어진다.


모래 배터리의 의의 및 나아가야 할 방향
모래 배터리 상용화는 유럽의 극심한 에너지 위기 국면에서 이뤄져 더욱 시선을 끌고 있다. 핀란드 역시 우크라이나 전쟁 이후 심각한 전력난을 겪어왔다. 핀란드가 북대서양조약기구(NATO)에 가입하기로 한 이후 러시아가 핀란드에 가스와 전기 공급을 중단했기 때문이다.
유럽연합(EU)은 러시아 에너지 의존도를 낮추기 위해 태양광과 풍력 발전 투자를 늘리기로 했지만 흐리거나 바람이 불지 않는 등 날씨 조건이 나쁘면 전력을 안정적으로 생산할 수 없다는 점이 재생에너지의 큰 단점이었다. 모래 배터리를 통해 재생에너지의 이 같은 단점을 극복할 수 있게 됐다.
미국의 국립 재생 에너지 연구소도 ‘친환경 전력’을 위한 실용적인 배터리 개발을 위해 모래에 눈을 돌리고 있다. 아울러 모래를 이용해 열 뿐만 아니라 전기를 생산할 수 있는지에도 관심이 쏠린다. 현재 기술로는 모래를 통한 전력 공급은 효율이 매우 떨어진다. 그렇지만 배터리에 열을 저장해 활용하는 방식은 많은 산업 분야에서 유용할 것으로 예상되며 ‘모래 배터리’는 저렴한 대안이라고 BBC는 전했다.

결국 현재 가장 큰 과제는 이 기술을 확장해 실제 일상에 변화를 줄 수 있는지다. 그리고 기술을 사용해 열뿐만 아니라 전기를 만들 수 있을지도 주요 관심사다. 모래를 전력 공급에 사용할 경우 효율성은 극히 떨어진다. 이러한 효율성 문제를 해결하는 것도 모래배터리 기술의 핵심이다. 하지만 장기적인 관점에서 봤을 때, 친환경 에너지를 장기간 열로 저장하는 점은 산업계에도 큰 기회이다. 아직도 식품 및 음료, 섬유 그리고 의약 산업에선 공정 과정에서 화석 연료에 의존하고 있기 때문이다. 지금과 같이 세계에서 일어나는 자원 및 에너지 전쟁에서 하루라도 빨리 모래배터리가 현재 상용화된 리튬이온 배터리를 대체하여 보다 안정적이면서도 지속 가능하고 친환경적인 자원 확보가 가능해지기를 기대해본다.

 


차세대 배터리에 관한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기


1. "배터리, 어디까지 왔으며 어디로 갈 것인가?", 20기 이주선,황지영 , 21기 홍서현, 김수현, 박도현
https://renewableenergyfollowers.org/m/3621
2. "전기차의 한계를 뛰어넘다, 전고체 배터리", 18기 최별 19기 권승호 김수정 이수연 임하영
https://renewableenergyfollowers.org/m/3284


참고문헌
[세계 최초 모래 배터리의 등장]

1) 오현주, 데일리e뉴스, ""모래로 만든 에너지 나왔다!" 핀란드, 세계 최초 모래 배터리 개발", 2022.07.22, http://www.dailyenews.co.kr/news/articleView.html?idxno=26628
2) Matt McGrath, BBC, "에너지: 모래가 친환경 에너지?..핀란드서 세계 최초로 개발 중인 '모래 배터리'", 2022.07.06, https://www.bbc.com/korean/international-62054606

3) 박은하, 경향신문, “핀란드, 세계 최초로 ‘모래 배터리’ 개발”, 2022.07.06,  https://m.khan.co.kr/world/europe-russia/article/202207061728001#c2b

4) 곽노필, 한겨레, “여름에 달궈진 모래, 겨울 난방에 쓴다...모래배터리 등장”,  2022.07.12, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1050569.html

 

 [모래 배터리의 구성과 원리]

1) 박은하, 경향신문, "핀란드, 세계 최초로 '모래 배터리' 개발", 2022.07.06, https://m.khan.co.kr/world/europe-russia/article/202207061728001#c2b

2) Matt McGrath, BBC, "에너지: 모래가 친환경 에너지?..핀란드서 세계 최초로 개발 중인 '모래 배터리'", 2022.07.06, https://www.bbc.com/korean/international-62054606
3) 임병선, 뉴스펭귄, “"재생에너지 겨울엔 어떡할래?" 모래로 해결 본다는 핀란드 회사 ”, 2022.07.25, https://www.newspenguin.com/news/articleView.html?idxno=12034

4) 이재구, tech42, “세계 최초 모래 배터리 등장… 친환경 에너지 저장 수단으로 주목!”, 2022.07.07,  https://www.tech42.co.kr/%EC%84%B8%EA%B3%84-%EC%B5%9C%EC%B4%88-%EB%AA%A8%EB%9E%98-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EB%93%B1%EC%9E%A5-%EC%B9%9C%ED%99%98%EA%B2%BD-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EC%A0%80%EC%9E%A5-%EC%88%98/

5) 곽노필, 한겨레, “여름에 달궈진 모래, 겨울 난방에 쓴다...모래배터리 등장”, 2022.07,12, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1050569.html


[모래 배터리의 장점]
1) 이재구 기자, tech42, “세계 최초 모래 배터리 등장… 친환경 에너지 저장 수단으로 주목!”, 2022.07.07, https://www.tech42.co.kr/%EC%84%B8%EA%B3%84-%EC%B5%9C%EC%B4%88-%EB%AA%A8%EB%9E%98-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EB%93%B1%EC%9E%A5-%EC%B9%9C%ED%99%98%EA%B2%BD-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EC%A0%80%EC%9E%A5-%EC%88%98/

2) 오현주, 데일리e뉴스, ""모래로 만든 에너지 나왔다!" 핀란드, 세계 최초 모래 배터리 개발", 2022.07.22, 

http://www.dailyenews.co.kr/news/articleView.html?idxno=26628 

3) 박민제, Ai넷, "세계 최초의 상업용 모래 배터리, 핀란드에서 에너지 저장 시작", 2022.07.07, http://www.ainet.link/7295

[모래 배터리의 단점]
1) 곽노필 기자, 한겨레, “여름에 달궈진 모래, 겨울 난방에 쓴다...모래배터리 등장”, 2022.07,12, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1050569.html
2) 임병선 기자, 뉴스펭귄, “"재생에너지 겨울엔 어떡할래?" 모래로 해결 본다는 핀란드 회사 ”, 2022.07.25, https://www.newspenguin.com/news/articleView.html?idxno=12034

[모래 배터리의 의의 및 나아가야 할 방향]
1) 박은하, 경향신문, “핀란드, 세계 최초로 ‘모래 배터리’ 개발”, 2022.07.06, https://m.khan.co.kr/world/europe-russia/article/202207061728001#c2b
2) 곽노필, 한겨레, “여름에 달궈진 모래, 겨울 난방에 쓴다...모래배터리 등장”, 2022.07.12, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1050569.html
3) Matt McGrath, BBC, "에너지: 모래가 친환경 에너지?..핀란드서 세계 최초로 개발 중인 '모래 배터리'", 2022.07.06, https://www.bbc.com/korean/international-62054606

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