에너지 저장 과학: 글로벌 관점

에너지 저장은 지속 가능한 미래에 매우 중요합니다. 태양열 및 풍력과 같은 간헐적인 재생 에너지원과 현대 사회의 지속적인 에너지 수요 사이의 격차를 해소합니다. 이 기사에서는 에너지 저장 과학에 대해 자세히 알아보고 다양한 기술을 탐구하며 전 세계 응용 분야를 검토합니다.

에너지 저장이 중요한 이유

재생 에너지원의 채택 증가는 글로벌 에너지 환경을 재편하고 있습니다. 그러나 태양열 및 풍력과 같은 재생 에너지는 본질적으로 가변적입니다. 태양이 항상 빛나는 것은 아니며 바람이 항상 부는 것도 아닙니다. 에너지 저장은 이러한 간헐성을 해결하여 생성량이 많은 기간 동안 잉여 에너지를 포착하고 수요가 높거나 재생 에너지원을 사용할 수 없을 때 이를 방출할 수 있도록 합니다.

에너지 저장은 다음과 같은 많은 이점을 제공합니다.

• 그리드 안정화: 백업 전원을 제공하고 주파수와 전압을 조정하여 그리드 안정성을 향상시킵니다.
• 화석 연료 의존도 감소: 재생 에너지원의 통합을 확대하여 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 기후 변화를 완화합니다.
• 비용 절감: 피크 수요 요금을 줄이고 소비자가 자가 생성된 재생 에너지를 활용할 수 있도록 합니다.
• 에너지 독립: 국가가 현지에서 생산되고 저장된 재생 에너지에 의존할 수 있도록 하여 에너지 안보를 강화합니다.
• 운송의 전기화 가능: 전기 자동차(EV)에 전력을 공급하고 운송 배출 가스를 줄이는 데 필요한 에너지를 제공합니다.

에너지 저장 기술 유형

다양한 에너지 저장 기술은 다양한 응용 분야와 규모에 적합합니다. 다음은 몇 가지 주요 방법의 개요입니다.

1. 전기화학적 에너지 저장(배터리)

배터리는 가장 일반적인 형태의 에너지 저장 장치입니다. 전기화학 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

리튬 이온 배터리

리튬 이온(Li-ion) 배터리는 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 비교적 낮은 자가 방전율로 인해 시장을 지배하고 있습니다. 휴대용 전자 제품, EV 및 그리드 규모 저장 장치에 사용됩니다. Li-ion 배터리는 전해액을 통해 양극(음극)과 음극(양극) 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 작동합니다. 이러한 이온의 이동은 전류를 생성합니다.

예: Tesla의 Megapack은 그리드 안정화 및 피크 삭감에 사용되는 대규모 Li-ion 배터리 시스템입니다. 호주에서 영국에 이르기까지 전 세계 수많은 국가에서 재생 에너지 인프라를 강화하기 위해 Megapack 시스템을 배포하고 있습니다.

과제: Li-ion 배터리는 비용, 안전(열 폭주) 및 리튬 및 코발트와 같은 원자재 가용성과 관련된 과제에 직면해 있습니다. 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 대체 음극 재료를 개발하고 배터리 관리 시스템을 개선하는 데 중점을 두고 있습니다.

납산 배터리

납산 배터리는 1세기 이상 사용되어 온 성숙한 기술입니다. 저렴하고 안정적이지만 Li-ion 배터리보다 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧습니다. 납산 배터리는 자동차 응용 분야, 백업 전원 시스템 및 오프 그리드 태양열 설치에 일반적으로 사용됩니다.

예: 많은 개발도상국에서 납산 배터리는 여전히 태양열 홈 시스템에서 에너지를 저장하기 위한 비용 효율적인 솔루션으로, 그리드에 접속하지 않고도 가정에 전기를 제공합니다.

흐름 배터리

흐름 배터리는 전기화학 셀을 통해 펌핑되는 액체 전해질에 에너지를 저장합니다. 높은 확장성, 긴 수명 및 에너지와 전력의 독립적인 제어를 제공합니다. 흐름 배터리는 그리드 규모 저장 및 장기간 방전이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

예: 여러 회사가 그리드 안정화 및 재생 에너지 통합을 위해 바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB)를 개발 및 배포하고 있습니다. 이러한 배터리는 확장된 구름 덮개 또는 낮은 풍속 기간 동안 백업 전원을 제공하는 것과 같이 긴 방전 시간이 필요한 응용 분야에 특히 적합합니다.

전고체 배터리

전고체 배터리는 기존 Li-ion 배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체합니다. 이는 안전성, 에너지 밀도 및 수명 측면에서 잠재적인 이점을 제공합니다. 전고체 배터리는 EV 및 기타 응용 분야를 위한 유망한 기술입니다.

과제: 전고체 배터리 생산을 확장하고 계면 저항과 관련된 과제를 극복하는 것은 현재 진행 중인 연구 분야입니다.

나트륨 이온 배터리

나트륨 이온 배터리는 풍부하고 저렴한 원소인 나트륨을 전하 운반체로 사용합니다. 그리드 저장 및 기타 응용 분야를 위한 Li-ion 배터리에 대한 잠재적으로 저렴한 대안을 제공합니다.

과제: 나트륨 이온 배터리는 일반적으로 Li-ion 배터리보다 에너지 밀도가 낮습니다. 그러나 현재 진행 중인 연구는 성능 향상을 목표로 합니다.

2. 기계적 에너지 저장

기계적 에너지 저장 시스템은 매체를 물리적으로 이동하거나 압축하여 에너지를 저장합니다.

양수 발전(PHS)

양수 발전은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 대규모 에너지 저장 형태입니다. 수요가 적거나 재생 에너지 생성량이 많은 기간 동안 하부 저수지에서 상부 저수지로 물을 펌핑하는 것을 포함합니다. 에너지가 필요할 때 물이 방출되어 터빈을 통해 내리막길로 흘러 전기를 생성합니다.

예: 중국은 세계에서 가장 큰 양수 발전 설비 용량을 보유하고 있으며, 이를 사용하여 많은 양의 풍력 및 태양열을 그리드에 통합합니다. 마찬가지로 유럽과 북미의 많은 국가에서 그리드 안정화를 위해 양수 발전에 의존합니다.

과제: PHS는 특정 지질 조건(고도 차이 및 물 가용성)이 필요하며 토지 이용 및 수자원과 관련된 환경적 영향을 미칠 수 있습니다.

압축 공기 에너지 저장(CAES)

압축 공기 에너지 저장에는 공기를 압축하여 지하 동굴 또는 지상 탱크에 저장하는 것이 포함됩니다. 에너지가 필요할 때 압축 공기를 방출하고 가열한 다음 터빈을 통해 팽창시켜 전기를 생성합니다.

예: 기존 CAES 플랜트는 독일과 미국에서 운영됩니다. 압축 공기 가열에 대한 효율성을 높이고 천연 가스 의존도를 줄이기 위해 고급 CAES 시스템이 개발되고 있습니다.

과제: CAES는 공기 저장을 위한 적합한 지질 형성이 필요하며 왕복 효율성이 비교적 낮을 수 있습니다.

플라이휠

플라이휠은 무거운 회전자를 고속으로 회전시켜 에너지를 저장합니다. 플라이휠에 저장된 운동 에너지는 필요할 때 다시 전기로 변환될 수 있습니다. 플라이휠은 빠른 응답 시간과 긴 수명을 제공하므로 주파수 조정 및 단기 전력 백업에 적합합니다.

예: 플라이휠 에너지 저장 시스템은 산업 시설의 전력 품질을 개선하고 재생 에너지 침투율이 높은 지역의 그리드를 안정화하는 데 사용됩니다.

과제: 플라이휠은 배터리에 비해 에너지 밀도가 비교적 낮고 마찰 및 공기 저항으로 인해 에너지 손실이 발생할 수 있습니다.

3. 열 에너지 저장(TES)

열 에너지 저장에는 열 또는 냉기 형태로 에너지를 저장하는 것이 포함됩니다. 이는 물, 용융염 또는 상변화 물질(PCM)과 같은 다양한 재료를 사용하여 달성할 수 있습니다.

TES가 있는 집광형 태양열(CSP)

집광형 태양열 발전소는 거울을 사용하여 햇빛을 수신기에 집중시켜 작동 유체를 가열합니다. 열은 전기를 직접 생성하는 데 사용하거나 열 에너지 저장 시스템에 저장하여 태양이 빛나지 않더라도 발전소에서 전기를 생성할 수 있습니다.

예: 모로코의 Noor Ouarzazate 태양열 발전소는 용융염 열 에너지 저장 장치를 사용하여 24시간 전기를 공급합니다. 스페인도 통합 TES를 통해 상당한 CSP 용량을 보유하고 있습니다.

지역 난방 및 냉방

열 에너지 저장은 피크가 아닌 시간 동안 생성된 잉여 열 또는 냉기를 저장하기 위해 지역 난방 및 냉방 시스템에 사용할 수 있습니다. 이 저장된 에너지는 피크 수요를 충족하는 데 사용할 수 있으므로 에너지 비용을 절감하고 효율성을 높일 수 있습니다.

예: 스칸디나비아의 많은 도시에서 산업 공정 또는 폐기물 소각에서 발생하는 잉여 열을 저장하기 위해 지역 난방 시스템에 열 에너지 저장 장치를 사용합니다.

얼음 저장

얼음 저장 시스템은 피크가 아닌 시간 동안 얼음을 생성하고 피크 시간 동안 건물을 냉각하는 데 사용합니다. 이렇게 하면 전기 수요가 줄고 에너지 비용이 절감됩니다.

예: 얼음 저장은 일반적으로 상업용 건물, 병원 및 데이터 센터에서 냉각 비용을 줄이기 위해 사용됩니다.

4. 화학 에너지 저장

화학 에너지 저장에는 화학 결합 형태로 에너지를 저장하는 것이 포함됩니다. 수소 생산 및 저장이 주요 예입니다.

수소 에너지 저장

수소는 재생 에너지를 사용하여 물을 전기 분해하여 생산할 수 있습니다. 그런 다음 수소는 압축 가스, 액체 수소 또는 금속 수소화물과 같은 다양한 형태로 저장할 수 있습니다. 에너지가 필요할 때 수소는 연료 전지에서 사용하여 전기, 열 또는 운송 연료를 생성할 수 있습니다.

예: 여러 국가에서 운송, 산업 및 발전용 청정 연료로 수소를 사용하기 위해 수소 생산 및 저장 프로젝트에 투자하고 있습니다. 예를 들어 일본은 경제에 전력을 공급하기 위해 수소를 사용하려는 야심찬 계획을 가지고 있습니다.

과제: 수소 생산, 저장 및 운송은 여전히 비교적 비쌉니다. 수소 저장 및 연료 전지를 위한 비용 효율적이고 효율적인 기술을 개발하는 것은 광범위한 채택에 매우 중요합니다.

에너지 저장의 글로벌 응용

에너지 저장은 전 세계 다양한 응용 분야에 배포되고 있습니다.

• 그리드 규모 에너지 저장: 그리드 안정화, 재생 에너지 통합 및 백업 전원 제공. 호주, 미국 및 영국과 같은 국가에서는 그리드 규모 배터리 저장 장치에 막대한 투자를 하고 있습니다.
• 주거용 에너지 저장: 태양광 패널과 배터리 저장 장치를 결합하여 전기 요금을 줄이고 에너지 독립성을 높입니다. 이는 특히 독일 및 호주와 같이 전기 요금이 높고 태양열 자원이 풍부한 국가에서 인기가 높습니다.
• 전기 자동차 충전: EV에 빠르고 안정적인 충전을 제공하여 범위 불안감을 줄이고 전기 운송 채택을 가속화합니다.
• 마이크로그리드: 원격 커뮤니티와 중요 시설이 그리드와 독립적으로 운영될 수 있도록 하여 안정적인 전원 공급을 보장합니다. 마이크로그리드는 불안정한 그리드 인프라 또는 잦은 자연 재해가 발생하는 지역에서 매우 중요합니다.
• 산업 응용 분야: 전력 품질 개선, 에너지 비용 절감 및 산업 시설에 대한 백업 전원 제공.

에너지 저장의 미래

에너지 저장의 미래는 밝으며 현재 진행 중인 연구 개발은 다음과 같습니다.

• 배터리 기술 개선: 에너지 밀도, 수명 및 안전성을 높이면서 비용을 절감합니다. 연구는 전고체 배터리 및 나트륨 이온 배터리와 같은 새로운 배터리 화학 물질 개발에 중점을 두고 있습니다.
• 고급 열 에너지 저장 시스템 개발: CSP 및 지역 난방 및 냉방을 위한 열 에너지 저장의 효율성과 비용 효율성을 높입니다.
• 수소 생산 및 저장 기술 개선: 수소 생산 비용을 줄이고 수소 저장 및 운송을 위한 효율적이고 안전한 방법을 개발합니다.
• 스마트 그리드 만들기: 에너지 흐름을 최적화하고 그리드 복원력을 개선하기 위해 에너지 저장을 스마트 그리드 기술과 통합합니다.
• 환경 영향 감소: 재활용 및 지속 가능한 자재 조달을 통해 배터리 제조 및 폐기의 환경 영향에 대한 우려를 해결합니다.

실행 가능한 통찰력:

1. 최신 정보 유지: 에너지 저장 기술 및 정책의 최신 발전에 대한 최신 정보를 유지합니다.
2. 가정 또는 비즈니스에 대한 에너지 저장 고려: 에너지 시스템에 에너지 저장을 통합할 때의 잠재적인 이점을 평가합니다.
3. 재생 에너지 정책 지원: 재생 에너지 및 에너지 저장 개발 및 배포를 촉진하는 정책을 옹호합니다.

결론

에너지 저장은 지속 가능한 에너지 미래의 필수 요소입니다. 재생 에너지원의 통합을 가능하게 하고, 그리드 안정성을 개선하고, 화석 연료에 대한 의존도를 줄이며, 개인과 커뮤니티가 에너지 통제권을 가질 수 있도록 합니다. 기술이 발전하고 비용이 감소함에 따라 에너지 저장은 글로벌 에너지 환경을 변화시키는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.