Nikkei Business_2017. 7. 24 (p64~66)

차세대 에너지 축적 기술
전기를「압축 공기」및「열」로 전환, 더 이상「바람에만 의존」안 한다. 
~고베 제강소, 독일 시멘스, 에너지총합공학연구소~

전기를「압축 공기」및「열」로 전환시키는「차세대 에너지 축적 기술」의 개발이 진행된다. 풍력 등의 재생 가능 에너지는 기후로 인해 발전량이 급변하기 때문에 전력 계통에 부담을 준다. 에너지 축적 기술을 사용하면 안정된 발전을 할 수 있게 되어, 재생 에너지의 보급을 촉진 시킬 수 있다.

이즈(伊豆)반도 동부, 태평양이 훤히 보이는 온천 지역으로써 알려진 시즈오카(静岡) 현 가와즈초(川津町). 시내에서 자동차로 15분 정도 가파른 산길을 따라가다 보면 갑자기 흰색 기둥 모양의 공기 탱크들이 눈앞에 펼쳐진다. 높이 11m, 직경 2m의 홀쭉한 52기의 탱크가 가지런히 서 있다. 그 안에는 대기의 10배(10 기압)으로 압축시킨 공기로 채워져 있다.

고베제강소와 에너지총합공학연구소(IAE), 그리고 와세다 대학이 지난 4월에 가동을 시작한「압축공기 에너지 저장 시스템」의 실증 설비이다. 여기에서는 대량의 전기 에너지를「압축 공기」의 형태로 축적시켜, 필요한 때 마다 꺼내 쓰는 대규모 차세대형 에너지 축적」기술 연구를 추진하고 있다.

-- 재생 에너지 보급의 견인역할 --
실용화된다면, 태양광 및 풍력 등의 재생에너지 보급에 탄력이 붙을 전망이다. 태양광은 일사량, 풍력은 바람의 세기에 따라 발전량이 크게 달라진다. 향후, 이런「기후에 의존」하는 재생에너지가 점차 송전망을 통해 전송된다면, 전력의 수요와 공급의 밸런스는 무너져, 최악의 경우에는 정전이 일어나게 된다. 또한, 태양광이나 풍력의 발전에 적합한 벽지(僻地)에서는 송전선의 용량이 부족하여 한번에 대량의 전력을 전송하기는 힘들다.

여기서, 출력의 변동이 큰 재생 에너지의 전력을 일시적으로 축적하여 계획적으로 꺼내 쓸 수 있는 기술 개발이 진행되고 있다. 기존 타입의 대규모 에너지 축적 기술로써는 양수 발전이 있으나, 건설하려면 높낮이에 차이가 있는 지형이어야 하며, 대규모의 저수지를 만들 수 있는 장소로 한정된다. 입지의 제약이 적고, 비교적 저렴한 가격으로 대량의 전기에너지를 축적할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

축전지의 개발도 추진되고 있으나, 방식에 따라서는 비용 면에서 확대시키기 힘들다. 수명도 10년~15년 정도로 한정되어 있으며 독성 및 발화의 우려도 전혀 없지는 않다. 이런 과제에 대해서 새로운 발상을 통해 해결책으로 떠오른 것이 고베제강이 개발하여 이즈의 실증설비에 채택하고 있는「공압전지」기술이다.

우선은 근접해있는 도쿄전력의 동(東)이즈 풍력발전소에서 만든 전기로 모터를 움직여 연결된 압축기로 바깥 공기를 압축. 압축된 공기를 공기 탱크에 집어 넣음으로써 에너지를「축적」시킨다. 에너지를「방출」할 때에는 탱크의 압축 공기를 팽창기에 보낸다. 공기가 급속하게 팽창되는 힘을 이용하여 팽창기에 연결시킨 발전기를 회전시켜 전기를 만들고 송전망을 통해 보낸다.

이와 동시에 열에너지도 효과적으로 활용한다. 공기를 압축시키면 최대 180도에 달하는 열이 발생된다. 그 열을 모아 두었다가 발전할 때 압축공기를 팽창시키는데 이용한다. 열을 가하는 것으로 공기가 팽창하는 힘이 강해져, 효율적으로 에너지를 꺼내어 사용할 수 있다.

이 시스템에서는 현재 투입된 전력 중, 다시 전력으로 꺼내 쓸 수 있는 확률(충방전 효율)이 60~65%. 다만, 공장 및 바이오매스 발전소 등이 근접해 있는 장소에 설치하여, 그 시설로부터 배출되는 배기열을 공기를 가열하는데 효과적으로 이용할 수 있다면, 더욱 효율을 높일 수 있다고 한다.

또한, 소형화도 가능하다. 압축 공기의 압력을 50기압 정도까지 끌어올릴 수 있게 된다면, 공기 탱크의 수량도 5분의 1로 줄일 수 있다. 모터와 압축기를 넣어 두는「충전 유닛」, 팽창기와 충전기를 넣은「발전 유닛」은 모두 길이가 약6m, 폭은 약 2.4m, 높이가 약 3m로 운송용 컨테이너와 같은 사이즈이다. 이동과 설치가 간단하여 세로로 쌓아 놓기 때문에 공간도 절약된다.

설비의 내용연수가 긴 것도 상당한 매리트로 작용한다. 공압전지로 사용하는 기기는 대부분인 범용품이다. 시스템의 심장부에 해당하는 압축기 및 팽창기는 고베제강이 오래 전부터 제작해 온 기존의 스크류 방식의 공기 압축기를 그대로 사용할 수 있다. 정기적으로 소모품을 교환한다면, 50년 정도는 계속해서 사용할 수 있다고 한다.

공기 탱크 및 모터, 발전기 등의 설비에도 범용품이 사용되기 때문에 양산할 때 가격을 낮추는 일도 비교적 쉬운 편이다. 이즈의 실증 설비에서는 설비 비용이 축전량 1㎾/h당 30만엔 정도. 현 시점에서는 23,000엔인 양수 발전에는 한참 미치지 못한다. 하지만, 고베제강의 사루다(猿田) 개발기획실장은「공기의 압력을 높여 탱크를 줄여, 기기의 양산화로 단가를 낮춘다면 1㎾/h당 수만엔 까지 낮출 수 있다. 늦어도 2020년까지는 실현을 목표로 하고 있다」라고 말한다.

사루다 실장은 해외에도 뜨거운 관심을 가지고 있다. 「선진국은 물론, 개발도상국에서도 재생가능 에너지의 도입이 가속화되고 있다. 송전망이 발달되지 못한 지역에서 향후 커다란 수요가 있을 것으로 예상된다」.

-- “달구어진 돌에 물”의 발전(發電)이란? --
차세대 타입의 축에너지 기술의 개발에 주력하고 있는 곳은 일본 기업만이 아니다. 풍력발전기에 강한 독일의 시멘스도 ‘다루기 힘든’ 풍력을 길들이기 위해 신기술 개발에 전념하고 있다. 당사는 독일 함부르크 공과대학 및 지역의 전력회사, 독일 함부르크 에너지와 공동으로 풍력발전의 전력을「열」로 저장하는 기술을 개발하고 있다. 작년 9월에는 시험설비를 사용한 연구 개요를 발표. 가을에는 함부르크 시에서 실제로 발전을 하는 실증 설비의 건설을 개시한다.

원리는 간단하다. 풍력으로 만든 전기로 대형 전열선 히터를 가동시켜 대량의 열풍을 만든다. 이 열풍을 바위나 파석을 쌓아 올려 내열용기로 덮은「열 저장소」에 팬을 돌려 안으로 보낸다. 실증설비의 열 저장소의 용적은 2,000㎥로, 내부 온도는 600도 이상에 달한다. 에너지를 꺼내 쓸 때에는 열 교환기를 통해 물을 끓여 발생한 고온의 증기로 터빈과 발전기를 가동시켜 전기로 변환시킨다.

투입한 전력 중, 에너지로 전환할 수 있는 전력의 비율은 개발 초기 단계에서 약 25%를 예상하고 있으며, 기술 개량에 의해 약50%까지 끌어 올리는 것을 목표로 하고 있다. 효율은 결코 높지는 않으나, 전열선 히터 및 증기 터빈과 같은 선진 기술을 사용하여, 어디에서든 대량으로 조달할 수 있는 암석을 축열 매체로 사용함으로써「최고 레벨의 경제성」(시멘스)으로 대규모 축에너지 시설을 건설할 수 있다. 당사 프로젝트 매니저인 틸 버마이어 씨는「사용된 기술의 대부분은 이미 완성된 기술이기 때문에 수년 안에 상용화 될 수 있다」라고 말한다.

-- IH조리기의 원리를 응용 --
「풍력을 이용하여 처음부터 열을 만들어 나중에 전기로 변환한다」. 앞에서 나온 IAE (에너지총합공학연구소) 및 독일 항공우주센터 등이 그런 새로운 발상의「풍력열 발전」이라는 기술을 연구하고 있다.

풍차의 내부에 대형 자석을 넣은「발열기」를 설치한다. 바람에 의해 풍차가 고속으로 회전하면 자기장의 변화에 의해 열이 발생한다. 일반 가정에서 쓰는 IH조리기의 원리와 같다. 이 열을 운반하는 것은「용융염(鎔融鹽)」이라는 액상의 열전달 매개체이다. 파이프로 순환시켜 560도로 뜨거워진 용융염을 운반하여 단열재로 감싼 탱크에 저장해 놓는다. 전력 수요에 부응하여 그 열로 증기를 만들어 증기 터번과 발전기를 돌려서 에너지를 빼낸다. 열을 방출한 용융염은 290도로 내려간다. 그것을 다시 발열기로 보낸다.

IAE의 오카자키(岡崎) 연구원은「열은 저렴한 설비로 대량 에너지를 저장할 수 있다. 전기를 축전지에 저장하는 경우에 비해, 같은 양의 에너지를 20분의 1 비용으로 저장할 수 있다」라고 설명한다. 풍력열 발전에서는 풍차의 비용도 낮출 수 있다. 발열기는 발전기와 같이 동(銅)과 같은 고가의 재료를 사용할 필요가 없다. 구조도 간소하기 때문에 풍력용 발전기에 비해 중량은 실제로 10분의 1에 불가하며, 풍차의 구조를 슬림하게 만들 수 있다. 오카자키 씨는「조기에 실증사업을 시작하고 싶다」라고 힘주어 말했다.

이번에 다룬 3개의 기술에는 한가지 공통점이 있다. 고도의 기술을 조합시킴으로써 재생 에너지의 보급이라는 과제를 해결하려는 점이다. 「로테크(Lowtech)」로 불리는 기술이라도 다른 시점에서 본다면 새로운 이노베이션으로 이어질 수 있다. 차세대 에너지 축적 기술이 그 좋은 사례라고 할 수 있다.

  -- 끝 --