[고든 정의 TECH+] 리튬 이온 배터리 대신 공기로 에너지 저장?

풍력이나 태양광 같은 친환경 에너지가 보급될수록 주목받는 업종이 있습니다. 바로 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)입니다. 태양광이나 풍력 모두 전력 생산량 변동이 심하고 태양광의 경우 밤에는 아예 발전할 수 없기 때문에 단독으로는 수력, 화력, 원자력 같은 기존의 발전 방식을 대체할 수 없습니다. 따라서 남는 전기를 어딘가 저장했다 필요할 때 공급할 수 있는 시스템이 필요합니다.

현재 남아도는 전기를 저장하는 대표적인 방법은 리튬 이온 배터리와 댐을 활용한 양수력 발전입니다. 전자의 경우 리튬 이온 배터리가 너무 비싸고 후자의 경우 실제로 경제적으로 발전에 적합한 댐이 많지 않다는 단점이 있습니다. 따라서 전 세계 많은 과학자들이 많은 에너지를 저장할 수 있는 저렴하고 안전한 대안을 찾고 있습니다. 이 가운데 하나가 바로 공기 압축 에너지 저장입니다.

공기는 어디서든 쉽게 구할 수 있고 그 자체로는 공짜입니다. 따라서 공기를 압축해서 에너지를 저장하고 필요할 때 압축 공기로 터빈을 돌려 전기를 생산하면 저렴하게 에너지를 저장할 수 있을 것 같지만, 사실 한 가지 문제가 있습니다. 바로 공기를 압축하고 팽창시킬 때 열에너지 이동이 발생한다는 점이죠. 공기를 압축하는 과정에서 열에너지가 발생하고 다시 팽창시키면 열에너지를 흡수하는데, 이 과정에서 결국 에너지를 잃게 되어 효율이 급격히 떨어질 뿐 아니라 시스템 자체에 부하를 줍니다. 이 문제를 극복하는 것이 압축 공기 에너지 저장 시스템 개발의 핵심 과제입니다.

영국의 에너지 스타트업인 하이뷰 파워(Highview Power)는 액화 공기 에너지 저장시스템(Liquid Air Energy Storage, 이하 LAES)을 해결책으로 제시했습니다. 아예 액화될 정도로까지 공기를 압축하고 여기에서 나오는 열에너지는 별도의 저장 시스템에 담았다가 다시 기화할 때 사용하는 시스템입니다. 물론 이 과정에서도 에너지 누수가 발생하지만, 하이뷰 파워의 크리오배터리(CRYOBattery)는 냉매를 이용해 기화 팽창 시 발생하는 냉각 에너지도 압축 냉각 시 활용해 에너지 효율을 높였습니다.

크리오배터리의 또 다른 핵심 기술은 액화공기 저장 기술입니다. 공기를 압축해서 보관하기 위해서는 거대한 고압 탱크가 필요하지만, 크리오배터리는 아예 영하 196도까지 온도를 낮춰 액화공기를 만들기 때문에 높은 압력을 견딜 저장 탱크가 필요하지 않습니다. 부피도 액화 과정에서 1/700로 줄어듭니다. 관련 기술은 이미 액화천연가스(LNG)을 통해 검증되었습니다. 하지만 이 기술이 실제로 잘 작동하는지 확인하기 위해서는 역시 실제 테스트 시설을 만들어 운용해봐야 합니다.

영국 정부는 이를 위해 2014년 800만 파운드(117억 원)를 지원해 15MWh급 테스트 시설을 건설했습니다. 2018년부터 상업 운전에 들어간 맨체스터 근방의 필스워스(Pilsworth) 크리오배터리 시스템은 최대 5MW의 출력이 가능해 5000가구에 전력을 공급할 수 있습니다. 이를 통해 크리오배터리의 가능성을 검증한 하이뷰 파워는 영국 정부에서 1000만 파운드 (146억 원)을 지원받아 2023년까지 50MW/250MWh급 상업 에너지 저장 시스템을 건설한다고 발표했습니다.

맨체스터에서 13km 떨어진 캐링턴에 건설되는 대형 크리오배터리는 5만 가구에 5시간 정도 전력을 공급할 수 있는 용량으로 현재 건설된 가장 큰 리튬 이온 배터리 ESS와 비슷한 수준입니다.

하지만 LAES가 널리 사용되기 위해서는 넘어야 할 산도 많습니다. 기본적으로 액화천연가스와 같은 방식으로 저장하긴 하지만, 액화와 기화 과정을 매일 반복할 경우 기계적 스트레스는 이보다 더 클 수밖에 없습니다. 하이뷰 파워의 주장처럼 내구성이 30년이나 될지는 아직 미지수입니다. 더 중요한 것은 에너지 전환 효율입니다. 리튬 이온 배터리는 비싸긴 하지만, 90% 이상의 에너지 전환 효율과 신뢰성이 검증된 방식입니다. 크리오배터리는 이제 개발 초기 단계로 신뢰성과 효율성을 앞으로 입증해야 합니다.

그럼에도 LAES에는 몇 가지 큰 희망이 있습니다. 우선 리튬처럼 비싸고 한정된 자원을 사용하지 않고 어디서나 구할 수 있는 공기를 이용해 자원 수급 걱정이 없습니다. 또 규모의 경제를 달성하기도 쉽습니다. 저장 용량을 10배 늘리기 위해서 저장 탱크의 용량을 10배로 늘려도 가격은 10배 늘어나지 않기 때문입니다. 따라서 저장 시설의 규모가 커질수록 LAES의 장점이 분명해질 것입니다. 다만 실제로 대규모 에너지 저장 목적으로 유용하다는 것을 입증해야 합니다. 현재 건설에 들어간 캐링턴 크리오배터리는 이를 입증해 보일 첫 무대가 될 것입니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com