전기를 저장하는 7가지 방법

물리학에서 ‘일할 수 있는 능력’을 이르는 에너지는 운동, 위치, 빛, 열, 화학, 전기 등의 다양한 형태로 존재한다. 특히 전기에너지는 오늘날 인류가 가장 흔히 사용하는 형태다. 친환경 이슈에 따라 환경에 부담을 덜 주는 방법으로 전력을 생산하는 재생에너지 트렌드가 확고해진 이래 전기에너지는 반드시 ‘저장’이라는 방법론을 동반한다. 전기에너지의 생산과 수요의 불균형을 최소화하기 위해 나중에 사용할 에너지를 미리 저장하는 기술이다.

자연계에 존재하는 지속 가능한 에너지를 이용해 환경 친화적으로 전기를 생산하는 방법의 일부는 간헐적으로 작동한다는 단점이 있다. 예를 들어 태양전지는 햇빛이 없는 밤에는 발전이 불가능하며 낮이라도 구름이 낀 날에는 전력 생산 효율이 떨어진다. 풍력 발전 또한 바람이 잦아들면 터빈이 느려지거나 멈출 수 있다. 수력이나 지열 등 날씨에 민감하지 않은 재생에너지도 있지만, 이들 또한 갑자기 증가하는 전력 수요에 대처하기는 힘들다.

이에 따라 전기에너지를 다양한 형태로 저장해두고 필요할 때 꺼내 쓰는 에너지 저장 시스템Energy Storage System(ESS)이 빠르게 진보하고 있다. ESS는 새로운 개념이 아니지만 최근 전력망에 연결하는 대규모 에너지 저장 기술로서 관심이 부쩍 높아졌다. 화석연료 의존도를 낮추는 친환경 에너지 트렌드에 힘을 실어줄 수 있는 기술이기 때문이다. ESS 중에서도 10시간 이상 전력 공급이 가능한 장주기 에너지 저장Long-duration Energy Storage(LDES) 시스템은 오늘날 전력망의 신뢰성과 회복력을 높이는 솔루션이자 효율과 유연성을 높이고 재생에너지의 활용과 확산을 지원하는 필수적인 기술로 받아들여지고 있다.

액화공기 저장

공기를 이용하는 두 번째 에너지 저장 기술은 극저온, 즉 공기를 -195°C로 냉각해 액체 상태로 만들어두는 것이다. 진공 단열 용기에 보관한 액화공기를 기화시키면 부피가 700배로 늘어난 공기가 터빈을 돌려 전력을 생산한다. 이러한 액화공기 에너지 저장Liquid Air Energy Storage(LAES) 시스템은 배터리 방식보다 대용량 고밀도 저장이 가능하며, 충전-방전 사이클이 길고 지역 제약이 없는 데다 친환경적이고 안전해 도시에 적용하기도 적합한 방식이다.

전력망에 연결된 대규모 ESS로서 LAES는 아직 걸음마 수준이다. 영국 정부의 지원으로 2018년 15MWh의 저장 용량을 갖춘 시범 발전소를 운영한 바 있는 ESS 기업 하이뷰 파워는 현재 맨체스터 인근에 상업용 LAES를 건설 중이다. 전기에너지 저장 용량은 300MWh급. 중국 거얼무Golmud에서는 태양광 발전소 및 집광형 태양열 발전소CSP와 함께 구성되는 세계 최대 규모(저장 용량 600MWh)의 LAES 시설을 짓고 있다. 미국과 칠레도 각각 400~500MWh 용량의 LAES 건설 계획을 발표했다.

수소는 다양한 방법으로 생산되고 있다. 현재 널리 사용되는 것은 제철 · 석유화학 · 정유 등 산업 현장에서 발생하는 가스를 정제해 얻는 ‘부생 수소’ 또는 석탄 · 석유 · 천연가스 등 화석연료를 바탕으로 만든 ‘개질 수소’다. 이에 비해 풍력과 태양광 등 지속 가능한 재생에너지로 물을 전기분해해 생산한 환경 친화적 수소를 특별히 ‘그린 수소Green Hydrogen’라고 구분한다. 수소는 이미 많이 생산하고 또 사용하고 있지만, 이처럼 재생에너지로 만든 수소를 저장하는 방식을 그린 수소 에너지 저장Green Hydrogen Energy Storage이라고 부른다.

수소 저장 기술에는 몇 가지 방식이 있다. 널리 알려진 것이 액화수소다. 액화천연가스LNG의 -162℃보다 훨씬 더 낮은 -253℃ 이하로 유지하는 극저온 탱크에 저장한다. 좀 더 용이한 수소 저장 기술도 속속 연구돼 실증 및 상용화에 나서고 있다. 화학반응을 통해 수소의 흡수 · 방출이 가능한 유기화합물인 액상 유기물 수소 운반체LOHC가 그중 하나다. 간단히 말해 수소를 다른 물질과 결합시켜 보관했다가 사용할 때 분리해 수소를 추출하는 방법이다. 기체 상태의 수소 대비 600~700분의 1로 부피가 줄고 상온 · 상압 저장이 가능해 안전성이 높고 운송에도 유리하다. 질소와 수소의 화합물인 암모니아를 이용하는 방법도 개발되고 있다. 암모니아는 액화시켜 저장하기도 상대적으로 쉽고(-33℃), 물에 잘 녹아 상온 · 상압 저장도 가능하다.

수소를 다시 전기에너지로 환원하는 데는 수소 터빈과 수소 연료전지가 사용된다. 천연가스 터빈으로 발전기를 돌리는 기존 화력발전소가 탄소 배출 감소를 위해 수소를 섞어 태우는 방식으로 개조되는 경우가 늘고 있으며, 곧 100% 수소 터빈 발전소도 등장할 것으로 기대된다. 연소 과정이 없고 물만 배출하는 고효율 에너지 변환 장치를 사용하는 연료전지 발전소는 대규모 전력망의 예비 발전소로도 설치되곤 하며, 한국에서는 전기는 물론 지역난방용 온수까지 공급하는 세계 최대 규모인 설비용량 80MW급 연료전지 복합 발전소가 가동 중이다. 현재 전체 수소 생산량에서 그린 수소가 차지하는 비중은 미미하지만 재생에너지 점유율이 높아질수록 전력망급 에너지 저장 기술로 그린 수소가 각광받을 가능성이 크다.

관성은 아이작 뉴턴이 물체의 운동을 다루는 세 개의 물리 법칙 중 제1법칙으로 정의했을 만큼 고전 물리학의 가장 기초적인 원리다. 운동하는 물체가 운동 상태를 유지하려는 경향이 관성의 법칙이다. 전기차의 회생 브레이크가 바로 관성 에너지를 전기에너지로 회수하는 장치다. 이 개념을 고정된 시설에 구현하는 기술이 관성 에너지 저장Inertia Energy Storage 장치다. 공기 마찰조차 배제하기 위한 진공 체임버 속에서 육중한 플라이휠을 고속으로 회전시켜 두었다가 순간적인 전력 부하 급증에 대응해 즉각적으로 전력을 생산한다.

최대 90%의 에너지 효율을 달성할 수 있는 이 기술은 밀리초 단위의 충전-방전 전환이 가능해 기동성이 좋으며 수명이 길다는 장점을 지녔다. 장주기 에너지 저장LDES 기술이 아니라서 전기에너지를 공급하는 시간은 짧지만 전력망 안정, 무정전 전원 공급에 효용이 크다. 2022년 지멘스가 아일랜드의 머니포인트 발전소에 설치한 원통형 동기식 축전기Synchronous Condenser는 3000rpm으로 회전하는 66톤짜리 로터 및 130톤짜리 플라이휠의 회전 질량을 통해 전력망 안정화에 필요한 관성을 제공한다.