우주의 기본 힘 중 하나를 활용하는 최첨단 기술이 우리의 에너지 저장 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있을까
재생에너지 혁명의 핵심에는 수수께끼가 있다. 바람이 불고, 태양이 빛나고, 파도가 출렁일 때, 풍부한 녹색 에너지가 생성된다. 하지만 하늘이 어두워지고 환경이 고요해지면, 우리는 무엇을 해야 할까
해답은, 오늘날, 화석 연료를 태워서 송전망을 공급하는 전통적인 전력 생산을 늘리는 것이다. 그것은 탄소 중립에 대한 계획과 뚜렷한 대조를 이루는 21세기 문제에 대한 20세기의 해결책이다.
더 깨끗한 미래는 점점 더 큰 리튬 이온 배터리에 초점을 맞출 것이라고 일부 에너지 전문가들은 말한다. 다른 사람들은 녹색 수소가 세계 최고의 희망이라고 주장합니다. 그리고 화학이 아니라 우리 모두를 둘러싸고 있는 무한한 힘인 중력에 베팅하는 사람들이 있습니다.
"올라간 것은 내려와야 한다" 이것이 중력 배터리를 뒷받침하는 불변의 뉴턴식 논리이다. 이 새로운 에너지 저장 기술 분야는 원칙적으로 매우 간단하다. 녹색 에너지가 풍부할 때, 미리 정해진 높이로 거대한 무게를 끌기 위해 그것을 사용하세요. 재생 에너지가 제한되면 하중을 방출하여 발전기를 아래쪽으로 당기는 중력으로 작동시킨다.
이와 유사한 접근 방식인 "펌프 하이드로"는 현재 전 세계 대용량 에너지 저장소의 90% 이상을 차지한다. 잉여 전력을 사용하여 물을 오르막으로 흘려보낸 다음, 필요할 때 수력 발전기를 통해 물을 아래로 흘려보낸다. 그것은 검증된 시스템이다. 그러나 확장성과 관련하여 중요한 문제가 있습니다. 하이드로 프로젝트는 크고 비용이 많이 들고 엄청난 자본 비용이 들며, 아찔한 지형과 풍부한 물이라는 까다로운 지리적 요구 사항을 가지고 있다. 세계가 넷제로에 도달하려면 거의 모든 곳에, 그리고 규모에 맞게 배치될 수 있는 에너지 저장 시스템이 필요하다.
이것을 현실로 만들기 위해 노력하고 있다. 작년 4월, 그 그룹은 첫 번째 중력 배터리 프로토타입인 50톤의 철 무게를 매달고 있는 15미터(49피트) 철탑을 성공적으로 시험했다. 점차적으로, 전기 모터는 거대한 금속 상자를 하늘로 들어올린 후 점차 그것을 지구로 방출하여, 일련의 발전기를 아래로 끌어당겨 동력을 공급한다.
시험 및 시뮬레이션 엔지니어는 "작은 규모"였지만, 여전히 약 750가구를 잠시 지탱할 수 있을 정도의 250kW의 순간 전력을 생산했다고 말했다. 마찬가지로 고무적인 것은 그들의 시스템의 잠재적인 수명에 대해 연구한 것이다.
"우리는 리프팅 케이블과 같은 특정 기계 부품의 수명을 연장하기 위해 시스템을 제어할 수 있다는 것을 증명했습니다."라고 맥퍼슨은 말합니다. "또한 이 시스템은 전체 시스템을 교체하는 대신 개별 구성 요소를 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었습니다. 따라서 수십 년의 운영 수명을 가질 수 있는 실질적인 범위가 있습니다."
프로토타입이 위를 향했지만, 회사의 초점은 이제 지하에 있습니다. 엔지니어들은 작년에 영국, 동유럽, 남아프리카 그리고 칠레에 있는 폐탄광들을 조사하는데 시간을 보냈다. 찰리 블레어 전무이사는 그 근거는 매우 간단합니다
그것은 깔끔한 해결책인 것 같다. 지구본은 최소 300m, 아마도 훨씬 더 멀리까지 뻗어나갈 수 있는 전체 크기의 중력식 시설을 수용할 수 있을 만큼 충분히 깊숙한 곳에 사용되지 않은 광산 갱도가 있다. 블레어 총리는, 정책 입안자들이 소위 "정의로운 전환"이라고 불리는 화석연료 노동자들과 그들의 지역사회의 생계를 보장하는 새로운 저탄소 경제의 개념에 대한 대중의 열의를 이용하고자 하는 가운데, 이러한 전환이 실현되도록 하려는 정치적 의지도 있다고 말합니다. 따라서 충분한 자금을 지원하면 2024년까지 지하 프로토타입(체코에 위치할 가능성이 가장 큰 것)이 작동하게 될 것이다. 그러나, 우선, 일련의 도전들은 극복되어야 한다.
"우리는 기존의 토목 구조물인 축대 라이닝과 축대 주변을 면밀히 살펴야 하며, 그것들이 절대적으로 건전하고 수천 톤을 지탱할 수 있는지 확인해야 합니다."라고 블레어는 설명합니다. "또한 메탄가스와 광산이 침수되는 등 잠재적인 안전 문제가 있다."
이러한 점을 염두에 두고 전용 샤프트를 침몰시키는 것도 고려하고 있습니다. 이는 선불 비용이 더 많이 들지만 훨씬 더 높은 통일성을 약속하는 노력입니다.
그러나 모든 혁신자가 숨은 솔루션의 장점을 보는 것은 아닙니다. 스위스 남부의 한 계곡에서 중력 배터리 분야의 또 다른 선두 업체인 에너지 볼트(Energy Vault)의 눈에 띄는 강철과 콘크리트 시제품이 20층 이상 높이로 세워졌다. 녹색 전력 공급이 수요를 초과하면 AI가 제어하는 여러 크레인 중 하나가 30톤 블록 한 쌍을 위로 들어올린다. 수요가 공급을 앞지르면, 그들은 후퇴하여 수천 가구에 충분한 에너지를 생산한다.
이 회사는 각진 스위스의 원형보다 조금 더 미적으로 만족스러운 것을 디자인했는데, 이는 트롤리 시스템에 수천 개의 무게를 저장하는 "EVX"라고 불리는 모듈식 건물이다.
"에너지 엘리베이터의 창고라고 생각하세요"라고 에너지 볼트의 CEO는 말한다. "깨끗한 전기가 들어오면 재활용된 재료로 만들어진 블록이 올라가고, 그리드에 공급이 필요할 때는 다시 내려갑니다. 스토리지 용량이 100인 EVxMWh는 하루에 약 25,000가구에 전력을 공급할 수 있습니다."
각 설비의 크기와 배치에 따라 전체 저장 용량이 결정되지만, 하단부에서도 수십 에이커를 차지하게 됩니다. 이것이 문제가 될 수 있을까요? 아니요, 이 시스템은 도심에서 멀리 떨어진 풍력 발전소와 태양열 발전소 근처에 위치할 가능성이 높기 때문이라고 피코니는 말합니다.
"우리는 또한 어떤 깊은 구멍을 파거나 위치에 다른 큰 제약요소를 가질 필요가 없을 것입니다. 기본적으로 20층짜리 건물을 지을 수 있는 곳이라면 어디든 통할 것입니다."라고 그는 말합니다.
주문서는 유럽, 미국, 중동, 호주, 중국 전역에서 관심이 쏟아지면서 빠르게 채워지고 있습니다. 후자는 특히 흥미롭다고 피코니는 말한다. 그는 후자가 세계 최대의 온실 가스 배출국에게 방향의 변화를 의미할 수 있다고 희망한다.
희망 사항일 수도 있지만, 조만간 모든 국가들이 어떤 형태의 녹색 에너지 저장을 수용해야 할 것이다. 여기에는 장기간 보관, 재생 가능한 발전량이 낮을 때 장기간 조명을 끄고, 그리드에 추가 공급이 필요할 때 짧은 시간 동안 전기를 차단하는 것이 포함된다.
이 두 번째 요점은 녹색 에너지 개발자가 직면한 심각한 문제와 관련이 있다: 전기 그리드는 재생 에너지가 아닌 기존의 발전소와 함께 작동하도록 설계되었다.
중력 배터리의 무게의 순수한 질량과 놀라울 정도로 느린 하강이 맞물려 엄청난 양의 토크를 발생시켜 시스템이 거의 즉각적으로 최대의 전력을 공급할 수 있게 해줍니다. 이는 기술이 그리드 평형을 유지하는 데 특히 능숙하게 만들어 초당 변동을 없애 심각한 인프라 손상 및 정전의 위험을 줄인다.
그러나 휴대폰, 노트북, 전기자동차에 전력을 공급하는 리튬이온 배터리는 똑같이 빠르게 증가할 수 있으며 중력 솔루션과 유사한 왕복 효율 수치를 가지고 있다. 최근 몇 년 동안 리튬 전지의 가격도 크게 떨어졌다. 그렇다면 왜 더 큰 화학 배터리를 만들지 않는 걸까
이 질문에 답할 때, 선행 지출뿐만 아니라 시스템의 총 수명 비용도 고려해야 합니다. 중력 배터리는 기계 장치이므로 파손될 수 있습니다. 케이블이 끊기거나 변속기가 걸리거나 녹이 슬었을 수 있습니다. 이러한 문제는 문제가 있지만 치명적이지는 않습니다. 개별 구성 요소를 비교적 쉽게 교체할 수 있습니다.
그들의 전기화학 제품과는 다른 이야기입니다. "리튬 이온 전지는 열화되는데, 이것은 시간이 지남에 따라 저장 용량이 회복 불가능한 수준으로 떨어진다는 것을 의미합니다"라고 설명합니다. 그의 연구는 리튬 배터리의 수명 비용이 기계적 대체 배터리의 두 배라는 것을 발견했습니다. "수명을 유지하기 위해 화학 배터리를 매일 몇 번 사용할 수 있는지에 대한 제약도 있습니다. 중력 시스템은 부품을 더 쉽게 교체할 수 있기 때문에 걱정할 필요가 없습니다."
