전기 에너지를 가장 효과적으로 저장하는 방법
전기화학 시스템의 장점
역사적으로 차량 및 전력망에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장은 카르노 사이클을 이용한 열 과정을 통해 화학 에너지를 기계적 및 전기적 에너지로 변환하는 방식에 의존해 왔습니다. 이 과정은 일반적으로 화석 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 열을 기계적 에너지로 변환하는 전형적인 열기관과 유사합니다. 안타깝게도 이 과정은 이론적 최대 효율이 64%에 불과하고 실제 효율은 30~40% 수준에 머무르는 등 비효율적입니다. 게다가 화석 연료 연소는 이산화탄소(CO2), 메탄, 아산화질소 등 환경을 해치는 폐기물을 발생시킵니다. 따라서 과학자들은 더 효율적이고 깨끗한 에너지 저장 및 변환 공정을 모색해 왔습니다.
전기화학 시스템은 에너지를 저장하고 활용 가능한 형태로 변환하는 데 엄청난 가능성을 지닙니다. 전화학 시스템의 효율은 일반적으로 40~60%이며, 신기술에서는 85% 이상에 달하기도 합니다. 또한, 여기서 논의하는 폴리옥소메탈레이트 기반 산화환원 흐름 배터리와 같은 일부 전화학 에너지 저장 시스템은 거의 100%에 가까운 원자 경제성으로 작동하며 직접적인 화학 폐기물을 생성하지 않습니다. 이러한 측면들은 전화학 시스템이 열기관에 비해 갖는 장점입니다.
연료 전지의 발전
유망한 전기화학 시스템 유형 중 하나는 수소 기반 연료전지입니다. 수소를 연료로 가정할 때, 연료전지는 30~40% 효율의 열기관 대비 50~60%의 높은 전력 생산 효율을 제공할 수 있습니다. 현재 스택 운영은 6kW/L 이상의 전력 밀도를 달성합니다. 0.8V(단일 셀)에서 1 W/cm² 목표가 실현 가능해지면 효율은 70~80%까지 향상될 것입니다.
수소 기반 연료전지는 열기관보다 훨씬 효율적이고 환경 친화적이어서 에너지 변환에 매우 매력적이다. 그러나 수소 기반 연료전지는 에너지 저장 측면에서 한계가 존재한다. 첫째, 수소를 에너지 저장 매체로 사용한다는 것은 전기를 수소로 변환하고 다시 전기로 되돌리는 것을 의미한다. 각 변환 단계마다 손실이 발생하므로 저장 과정의 효율은 35~45%로 떨어진다. 둘째, 수소 연료 전지는 비용이 높습니다. 수소 연료는 고압 탱크 및/또는 극저온과 같은 특정 저장 조건이 필요합니다. 수소 저장 시설을 대규모로 구축하려면 구성 요소, 전기분해 장치, 연료 전지 및 기타 부품을 고려할 때 상당한 자본 투자가 필요합니다. 셋째, 수소는 인화성이 매우 높아 안전 위험을 초래합니다. 인화성과 수소 저장의 어려움이 결합되어 이동식 연료로서의 수소 사용이 크게 제한됩니다.
리튬 이온 배터리
대안적인 전기화학 시스템인 배터리는 에너지 저장에 훨씬 더 적합합니다. 전체 사이클을 포함한 일반적인 배터리 저장 효율은 약 80%로, 현재 수소 연료 전지의 거의 두 배에 달합니다. 수많은 배터리 시스템 중 두 가지를 간략히 언급하겠습니다. 리튬 이온 배터리는 우수한 특성 덕분에 매우 보편화되었습니다. 이 배터리는 휴대용 전자기기, 자동차 응용 분야, 고정식 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 테슬라 모델 S 차량에 탑재된 85kWh 리튬 이온 배터리는 보호 케이스, BMS(배터리 관리 시스템), 전력 조절 장치를 제외하고 각각 263리터와 400kg의 부피와 무게를 가지며, 최대 450km의 주행 거리를 제공합니다.
그러나 리튬 이온 배터리에도 단점이 존재합니다. 첫째, 배터리 제조에 사용되는 원자재는 석유와 유사하게 극소수 국가에서만 생산 가능하며, 이에 따른 정치경제적 파장이 수반됩니다. 또 다른 단점은 리튬 이온 배터리의 수명(충전/방전 사이클)이 짧으며, 가치 있는 배터리 구성 요소를 재활용하는 방법은 아직 초기 단계라는 점이다. 또한 더 빠른 충전-방전 속도 및 중량당 용량 증가와 같은 기술적 개선이 필요하다. 리튬 이온 배터리의 주목할 만한 단점 중 하나는 안전성입니다. 특정 작동 조건뿐만 아니라 대기 모드에서도 열폭주가 발생할 수 있으며, 기타 불리한 조건으로 인해 배터리가 발화하거나 심지어 폭발할 수 있습니다. 수많은 사고 사례가 보고되었습니다. 최근 유럽에서 북미로 전기차를 수송하던 해상 화물선이 리튬 이온 배터리로 인한 화재의 고열로 강철 벽체가 녹아내리며 전소되어 침몰한 사건이 있었습니다.
또 다른 유형의 배터리는 산화환원 흐름 배터리(RFB)입니다. 산화환원 흐름 배터리는 다른 배터리와 마찬가지로 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 산화환원 흐름 배터리에서는 두 가지 용액상 화학 성분이 이온 선택성 막의 양쪽에 위치한 전류 수집 전극을 통과하도록 펌핑됩니다. 전극 표면에서의 산화환원 화학 반응은 막을 통한 이온 이동과 함께 외부 회로를 통한 전자의 흐름을 초래합니다. 화학 성분의 화학 전위는 전지 전압을 결정합니다. 동시에 에너지 용량은 전해질 부피에, 출력은 전극의 표면적에 따라 달라집니다.
리튬 이온 배터리와 같은 기존 배터리에서는 저장 및 변환이 모두 배터리 셀의 단일 구성 요소인 전극에서 동시에 발생하지만, RFB에서는 변환기와 "연료" 저장 용기가 분리되어 있습니다. 이러한 에너지와 출력의 분리는 시스템 설계 측면에서 장점을 가집니다. 예를 들어, 탱크 크기를 단순히 두 배로 늘리는 것만으로도 배터리 용량을 두 배로 늘릴 수 있습니다. (리튬 이온 배터리의 용량을 두 배로 늘리는 것은 훨씬 더 비용이 많이 들고 번거롭습니다.) 또한 기존 배터리와 달리 RFB에서는 저장된 총 에너지의 몇 퍼센트만 한 번에 전기화학적 연결이 이루어지므로, 폭주나 통제되지 않은 에너지 방출 위험이 제한됩니다. 고장 상태에서 흐름을 쉽게 차단할 수 있기 때문에 폭주에 대한 취약성이 크게 감소합니다. 그럼에도 RFB에는 한계가 존재합니다. 예를 들어 가장 일반적인 유형인 바나듐 레독스 플로우 배터리는 레독스 과정이 이온당 단일 전자만을 포함하기 때문에 낮은 에너지 밀도에 국한됩니다. 또한 과정의 느린 속도 상수로 인해 낮은 전력 밀도를 제공합니다. 마지막으로 바나듐 기반 RFB는 작동에 고도로 부식성이며 환경에 해로운 액체를 사용합니다.
폴리옥소메탈레이트(POMs)를 이용한 레독스 플로우 배터리의 문제점 장점 전환
화학적 특성
리튬 이온 배터리와 유사한 에너지 및 출력 성능과 RFB 개념의 유연성을 유지하면서도 안전하고 환경 친화적인 재료 및 공정을 확보하는 것이 매우 바람직합니다. 이를 달성할 수 있는 한 가지 방법은 중성 pH에 가까운 수용액에서 환원-산화 시스템으로 폴리옥소메탈레이트(POMs)를 사용하는 것입니다. POMs는 동일하거나 서로 다른 금속의 다중 환원-산화 중심을 가진 복합 이온입니다. 예를 들어, [SiW12O40]4-라는 화학식을 가진 SiW12는 중앙 실리콘 원자와 산소에 결합된 텅스텐 원자들의 거의 구형 클러스터이다(그림 1). 마찬가지로, [PV14O42]9-라는 화학식을 가진 PV14(그림 2)는 중앙 인 원자와 산소에 결합된 바나듐 원자들의 클러스터이다. RFB에서 POM은 바나듐과 같은 용해 금속에 비해 다음과 같은 여러 장점을 제공합니다: (1) POM은 다중 전자를 전달할 수 있으며, (2) POM은 상대적으로 높은 용해도(종종 >0.5 M)를 제공하여 더 높은 에너지 함량을 가능하게 합니다; (3) POM은 일반적으로 매우 안정적이며, 상당한 성능 저하 없이 20,000회 이상의 충방전 사이클을 견딜 수 있습니다; (4) POM은 비국소화된 전자 밀도를 가지므로 전자 전달이 매우 빠릅니다(예: PV14의 경우 바나듐 이온 자체보다 104배 빠름); (5) POM은 환경 친화적이고 저렴한 재료로 구성됩니다.
POM 기반 RFB 배터리는 높은 에너지 밀도와 고출력 밀도를 동시에 제공합니다. 저렴한 환경 친화적 소재라는 장점과 결합되어 POM 기반 RFB는 이동성, 전력망, 분산형 저장이라는 세 가지 분야에서 응용됩니다.
그림 1.SiW12 모델
그림 2.PV14 모델
이동성
이동성은 현재 전기화와 관련해 뜨거운 주제입니다. 자동차 배터리 솔루션으로는 리튬 이온 배터리가 현재 선호되고 있습니다. 이미 언급된 바와 같이 이 기술에는 다양한 도전 과제가 있지만, 제한된 소재 자원, 제한된 전력 성능, 그리고 부족한 인프라가 가장 심각한 문제점입니다. 이러한 과제 중 일부는 매우 심각하여 전기 트럭에 리튬 이온 배터리 사용 자체가 의문시될 정도입니다. 단일 액체 POM-RFB를 사용하면 리튬 이온과 동등한 에너지 밀도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 밀도는 리튬 이온 대비 최대 50%까지 높일 수 있습니다.
다음 예시를 통해 상황을 설명해 보겠습니다: 테슬라 모델 S 차량의 85kWh 리튬 이온 배터리를 예로 들면, 전체 시스템의 부피와 질량은 각각 263리터와 400kg입니다. 동일 용량의 단일 액체 POM 시스템은 부피 200리터, 질량 400kg이다. 결과적으로 두 시스템의 특정 값은 각각 0.21kWh/kg이며, 전력 밀도는 POM이 0.43kWh/L, 테슬라가 0.32kWh/L이다. 출력 성능을 고려할 때, 비교 결과는 각각 0.38 kW/kg 및 0.75 kW/L(POM)과 0.21 kW/kg 및 0.31 kW/L(테슬라)이다(표 1 참조). 수치상 일부 변동성을 감안하더라도 성능 데이터는 동등한 수준이며, POM 시스템의 전력 밀도가 다소 우수하다.
그러나 이동형 에너지 저장 장치에서 RFB의 가장 두드러진 장점은 충전 과정이 소모된 용액을 새 용액으로 교체하는 방식으로 이루어진다는 점이다. 이는 현재 자동차에 휘발유를 주유하는 과정과 유사하다. 이 과정은 기존 리튬이온배터리(LIB)의 느린 충전 시간보다 빠르다. 또한 새로운 인프라 구축과 자본 투자가 필요한 LIB 배터리 기술과 달리, 기존 연료 저장 및 유통 인프라를 활용할 수 있다. RFB 개념은 또한 전기 트럭이 대형화된 리튬이온 배터리의 추가 중량 문제와 긴 충전 시간을 피할 수 있게 합니다.
전력망
RFB는 전력망 안정화를 위한 에너지 저장 장치로도 활용될 수 있습니다. 대부분의 국가에서 발전소 용량은 전력망에서 발생할 수 있는 모든 피크 부하를 커버하도록 설계됩니다. 가장 흔한 사례는 전형적인 아침과 저녁 피크 시간대입니다. 피크 시간대에 추가 전력을 공급하려면 대량의 전력과 신속한 대응이 필요합니다. 최첨단 바나듐 기반 RFB는 전력망 변화에 대응하기에는 반응 속도가 너무 느리지만, POM 기반 RFB는 바나듐 기반 RFB보다 약 104배 더 큰 전력 용량을 가집니다. 이는 전력망의 빠른 주파수 안정화에 필수적인 서브 밀리초(sub-ms) 영역에서의 대규모 전력 전송을 가능하게 합니다. 대략적인 추정에 따르면, 예를 들어 독일에서는 이 엄청난 부하 평준화 효과로 인해 발전소의 20~30%를 가동 중단할 수 있습니다. 환경에 유익한 이 효과는 대부분의 석탄 화력 발전소 가동 중단으로 이어질 수 있습니다. 또한 이러한 저장 발전소는 재생 에너지원을 통합하여 전력망 안정성을 제공합니다. 극히 낮은 자체 방전율 덕분에 태양광이나 풍력 같은 불안정한 에너지원으로부터 수일 또는 수주에 걸쳐 전력망에 지속적인 공급이 가능합니다.
분산형 저장
RFB는 분산형 에너지 저장, 즉 그리드 외부 에너지 저장 솔루션으로도 활용될 수 있습니다. 태양광 및/또는 소형 풍력 터빈 기반의 지역 건물 연계형 에너지 저장 시스템이 중요성이 커지는 분야에서 이 개념은 유용할 수 있습니다. RFB는 성능 면에서 리튬 이온 배터리와 유사하지만, 통제되지 않은 에너지 방출 위험이 현저히 감소되어 훨씬 안전합니다. 또한 RFB는 더 긴 수명과 낮은 비용을 제공할 수 있습니다.
결론
머크는 전력 저장의 성배를 찾는 현재의 탐구에서 필수적인 수준으로 진전했습니다. 검증은 여전히 필요하지만, POM 기반 배터리 시스템은 용량, 전력, 운영 및 운송 용이성, 내구성, 지속 가능성, 그리고 궁극적으로 전력 저장의 낮은 비용과 같은 전력 저장에 중요한 여러 측면의 요건을 충족합니다. 미래에는 더 나은 시스템이 등장할 수 있습니다. 그럼에도 이 기술은 다양한 응용 분야에 에너지 저장을 광범위하게 도입하고 활용할 수 있게 하여 화석 연료를 점차 구식으로 만들 것입니다.
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참고문헌
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