나무, 코코넛, 레몬 껍질로 친환경 열에너지 배터리 만든다 [고든 정의 TECH+]

전 세계적으로 에너지 비용의 상당 부분이 집과 건물을 따뜻하게 하거나 시원하게 만드는 냉난방에 들어갑니다. 에어컨과 보일러의 도움으로 사계절을 쾌적하게 보낼 수 있다는 점은 다행이지만, 점점 더 많은 비용과 에너지가 들어간다는 점은 달갑지 않은 부분입니다. 더구나 전력 생산과 난방을 위해 엄청난 양의 화석 연료를 사용하고 이 화석 연료에서 나오는 이산화탄소가 지구를 뜨겁게 만든다는 점을 생각하면 친환경적인 대안이 필요합니다.

물론 최근 지어지는 건물은 에너지 효율적인 설계와 뛰어난 단열재를 이용해서 냉난방 비용을 줄이고 온실가스 배출을 억제할 수 있습니다. 하지만 단열재 역시 석유 화학 제품인 경우가 많고 건물과 주택 철거 시 처치 곤란한 섞지 않는 쓰레기를 만들어 낸다는 문제점이 있습니다. 마지막으로 친환경 주택이나 건물이라도 냉난방을 위해 에너지가 들어가기는 마찬가지입니다.

스웨덴 왕립공대(KTH) 과학자들은 다소 엉뚱한 소재를 조합해 이 문제를 해결할 수 있는 대안을 마련했습니다. 연구팀이 선택한 소재는 나무, 코코넛, 그리고 레몬 껍질입니다.(사진) 나무는 건축 소재로 현재도 널리 쓰이고 있지만, 나머지 두 개는 건축 소재나 에너지 저장 소재로는 매우 생소한 물질입니다. 하지만 연구팀은 이 소재들을 몇 가지 가공 과정을 거쳐 열 보존 배터리로 만드는 방법을 개발했습니다.

첫 번째 과정은 목재의 주요 성분 중 하나인 리그닌(lignin)을 제거하는 것입니다. 바이오 플라스틱 소재로도 주목받고 있는 리그닌은 나무에 단단한 성질을 부여하는 중요한 유기물 폴리머이지만, 여기에서는 건축 자재보다는 단열 및 열 배터리로 사용할 목적이기 때문에 제거해 내부에 비어 있는 공간을 마련합니다.

두 번째 과정으로 이 빈자리에 레몬 껍질에서 추출한 리모넨 아크릴레이트(limonene acrylate)와 코코넛에서 추출한 물질을 주입합니다. 리모넨은 레몬뿐 아니라 귤이나 오렌지의 껍질에 들어 있는 지방족 탄화수소로 특유의 감귤 냄새를 만드는 물질 중 하나입니다.

낮에 태양열을 흡수해 온도가 올라가면 나무 속에 있는 리모넨은 폴리머 형태가 되면서 코코넛 추출물을 내부에 가두게 됩니다. 코코넛 분자들은 온도가 올라가면 고체에서 액체 상태가 되면서 열을 흡수합니다. 밤이 되어 기온이 내려가면 반대로 코코넛 분자들은 액체에서 고체로 상변이를 일으키면서 열에너지를 배출하게 되고 리모넨 아크릴레이트도 본래 형태로 돌아갑니다.

내용을 요약하면 물질의 형태가 바뀌면서 열을 흡수하거나 방출하는 현상을 이용해 일반적인 목재보다 훨씬 많은 열 에너지를 보존할 수 있는 목재 복합 열 배터리(wood composite thermal battery)를 만든 것입니다. 목재 복합 열 배터리는 인체와 환경에 무해한 생물학적 소재로 만들어졌을 뿐 아니라 저렴한 재료를 이용하고 있어 양산한다면 생산 비용이 저렴할 것으로 기대됩니다. 마지막으로 폐기할 때도 쉽게 섞어서 없어진다는 장점이 있습니다.

이 목재 복합 열 배터리는 일반적인 건물과 주택에 적합한 수준인 섭씨 24도에서 열 흡수와 배출이 일어나도록 설정했지만, 목적과 환경에 따라 바꿀 수도 있습니다. 연구팀은 열 배터리가 비닐 혹은 유리 온실에도 유용할 것으로 기대하고 있습니다. 온실 온도를 적절하게 유지하는데 상당히 많은 에너지와 화석 연료가 들어가기 때문입니다. 목재 복합 열 배터리는 100㎏ 정도에 2.5kW의 열을 저장해 보일러의 힘을 덜 빌리면서 온실의 온도를 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

물론 실제 상용화를 위해서는 경제성이나 내구성 같은 다른 부분도 검증해야 하겠지만, 친환경 소재로 개발한 열 배터리라는 점에서 앞으로 개발 결과가 주목됩니다.