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Nikkei X-TECH_2021.9.8

놀랄 정도의 로테크의 '중력 축전', 곧 본격 가동
비용에서 LIB를 앞선다면 대용량 축전 시스템의 주역 가능성도

리튬이온 2차 전지(LIB)가 실용화된 후의 역사는 약 30년이다. 한편, 발견된 지 334년이 지난 그 ‘에너지’가 대규모 축전의 신기술로서 참전해 왔다. 그 에너지는 아이작 뉴턴이 나무에서 떨어지는 사과를 보고 발견했다는 ‘중력(만유 인력)’을 사용하는 에너지, 즉 ‘위치 에너지’이다. 기존의 양수발전이나 LIB와 비교해 어떤 특징이 있는지, 누가 이용하려 하는지에 대해 소개한다.

유럽과 미국에서는 낡고 거의 폐허가 된 기술부터 완전히 새로운 기술까지 다양한 축전 기술/축전 매체가 각광을 받으면서 개발 러시가 일고 있다. 이유는 크게 3가지다. 첫 번째는 전기자동차(EV) 수요가 급증할 것으로 전망되기 때문이다.

두 번째는 재생가능 에너지의 대량 도입에 따라 그 출력 변동을 평준화 혹은 축전하여 수소 등 다른 에너지 형태로 변환하는 수요가 매우 커질 것으로 예측되기 때문이다. 시장조사회사인 미국 블룸버그NEF는 “2040년에는 축전 용량이 누계 2857GWh, 출력이 942GW의 축전시스템이 전력 계통에 도입된다. 투자 규모는 약 68조 엔이 될 것이다”라는 견해를 2018년 11월에 발표했다.

물론, 그 주역인 축전 기술이나 축전 매체는 우선은 리튬이온 2차 전지(LIB) 베이스의 정치형 축전시스템(Energy Storage System: ESS), 그리고 그린 수소다. 실제로 2021년 봄 이후 해외 LIB업체들은 조 엔 단위의 거액을 투자해 대폭적인 증산 계획을 잇달아 발표했다. 그린 수소 제조 계획도 수십 GW 규모다.

LIB는 EV 전용의 견실한 수요를 전망할 수 있다. 그린 수소는 이산화탄소(CO₂) 프리 철의 정련이나 화력발전 연료로서 대량의 수요를 전망할 수 있는 것도 안심하고 거액을 투자할 수 있는 배경이 되었다고 추정할 수 있다.

-- 기술의 포트폴리오가 부족 --
다만 전력 계통의 평준화를 고려할 때 LIB와 수소만으로는 충분하지 않다. LIB는 비교적 고출력 전력을 높은 효율로 여러 시간 충전하는 데는 적합하지만, 2일 이상의 전력 저장이나 육로 장거리 수송에는 적합하지 않다. 수소는 제조 후 바로 연료로 사용하기에는 좋지만 다시 전력으로 변환하면 손실이 약 70%로 매우 커진다. 저장할 수 있는 기간도 며칠에서 기껏해야 1개월 정도다. 그 이상의 장기 저장은 역시 손실이 증대된다. 즉, 이를 고려하면 전력의 평준화나 저장의 모든 수요를 이 두 기술만으로 커버하는 것은 합리적이지 않다. 이것이 LIB와 수소 이외의 축전 기술/축전 매체가 각광을 받는 세 번째 이유다.

-- 추의 오르내림으로 ‘축전’ --
이 두 기술로 커버할 수 없는 큰 틈을 메우기 위한 다양한 기술이 후보로 떠오르고 있다. 그 중에서도 많은 투자가들이 주목하고 있고, 실제로 실용화가 시작되고 있는 것이 신형 중력 축전 시스템이다.

중력 축전이란 전기로 모터 또는 윈치를 움직여 추를 아래에서 위로 올리는, 즉 전기 에너지를 추의 위치 에너지로 변환해 ‘축전’하는 기술이다. 위치 에너지는 추의 질량이 M, 중력가속도가 G, 끌어올리는 높이가 H일 때 MGH가 된다. M과 H의 단위를 각각 킬로그램, 미터라고 하면, 전력량 단위(Wh)로의 환산은 MGH=9.8MH(J)=9.8/3600×MH(Wh)가 된다. 즉 손실을 고려하지 않으면 약 1kWh의 전력량으로 약 3.67톤의 추 1개를 100m 끌어올릴 수 있는 계산이다. 그리고 ‘방전’ 시에는 반대로 추를 위에서 아래로 내려 그 위치 에너지를 전력으로 변환한다.

이 자체는 새로운 기술이 아니라 양수발전 시스템으로서 100년 이상 전부터 전력 계통에서 널리 사용되고 있다. 물을 ‘추’로서 사용하고 있는 것이다. 국내에서는 축전 용량으로 약 130GWh, 출력으로 약 27GW의 양수발전 시스템이 가동하고 있다. 가정에서도 전기는 사용하지 않지만 예전의 중추식 벽시계의 구동에 추의 위치 에너지가 사용되었다.

각종 첨단기술에 강한 시장조사회사인 미국 IDTechEx에 따르면, 축전지나 기존의 양수발전 이외의 축전 시스템/축전 매체 중에서 가장 유력한 것이 이 신형 중력 축전 시스템(단, 양수발전 시스템의 개량판을 포함한다)이다. 후보 전체의 60%를 차지한다. 사실 이 보고에서는 축전 매체로서의 수소는 1% 밖에 없다.

-- 기존형에는 과제가 많다 --
여기서 중력 축전 시스템으로서 ‘신형’이 요구되는 이유는, 향후 축전 수요의 대폭적인 확대를 생각했을 때 기존의 양수발전 시스템에는 과제가 많기 때문이다. 과제 중 하나는 응답 시간이 수십 초~100초로 재생가능 에너지의 출력 변동을 흡수하기에는 다소 늦다는 점이다. 기존형 양수발전의 지금까지의 주된 용도는, 점심 식사 시간의 전력 수요 급감 등과 같은 화력발전의 응답이 늦는 몇 분 단위의 수요 변동을 보충하는 것이었다. 한편, 재생가능 에너지의 출력 변동은 초 단위이므로 응답 시간이 수십 초로는 늦는다. 물론, 과제가 이것뿐이라면 커패시터나 축전지 등 응답 시간이 짧은 기술과 조합해 사용하는 것으로 커버할 수 있다.

또한 ‘축전’과 ‘방전’의 1사이클의 효율(종합 효율)이 최대 70%라는 점도 큰 과제다. 이는 양수발전에서 이용하는 펌프의 효율은 액체(물)를 취급하는 관계로 약 90%가 거의 한계인데다가 수로의 관과 물과의 마찰에 의한 손실이 있기 때문이다.

70%는 30% 전후의 수소에 비하면 높지만 최근 LIB의 80~85%라는 값과 비교하면 낮다. 언뜻 보기에 근소한 차이로 보이지만 손실로 생각하면 LIB의 약 15~20%에 비해 양수발전은 30% 이상이 되어 무시할 수 없는 차이가 된다.

-- 설치 가능한 장소가 한정적이다 --
그리고 시스템의 대폭 증설이 쉽지 않은 것도 과제다. 기존의 양수발전 시스템은 1시스템을 대용량으로 하기 쉽다. 반면에 초기 투자액이 최대 수천억 엔으로 거액이라는 점과 공사 시간이 환경 어세스먼트 등을 포함하면 10~수십 년으로 장기간에 걸친다는 점, 그리고 상당 규모의 환경 파괴를 피할 수 없다. 무엇보다 물리적으로 설치 가능한 장소가 매우 적다. 양수발전 시스템에서는 오르내리는 물을 모으는 ‘상지(上池)'와 '하지(下池)'가 필요하며, 그 고도 차는 200m 이상, 수로 길이는 2km 이하라는 조건을 충족해야 하기 때문이다. 고도 차의 부족은 터빈의 효율 저하를 초래하고, 너무 긴 수로는 수로와 물의 마찰 손실 증대로 이어진다.

충방전 비용(전력 평준화 비용)에 대해서 말하자면, 이전에는 양수발전 시스템이 가장 저비용의 선택지였지만 최근의 LIB 기반 시스템과 비교하면 비교적 비싸지고 있다.

이 때문에 다양한 개량판 양수발전 시스템도 제안되고 있다. 다만 대부분은 역시 물을 추로 하거나 수압으로 추를 올렸다 내렸다 하는 등 펌프로 구동하는 것이 많아 효율을 포함한 몇 개의 과제가 남아 있다.

-- LIB 수준의 효율로 거리도 OK --
한편 신형 중력 축전 시스템은 기존형 양수발전의 대부분의 과제를 해결할 수 있다. 신형 중력 축전 시스템에도 몇 개의 종류가 있다. 그러나 수십 수천 톤의 콘크리트 블록을 추로 사용하고, 그것을 와이어로 매달아 모터(윈치)로 올리고 내리는 점에서 공통된다. 모터에는 고효율 하이테크 기술이 필요하지만 그 외에는 놀랄 정도로 로테크로도 충분하다.

기존형 양수발전에서 과제였던 느린 응답 시간은, 신형 중력 축전 시스템에서는 1초 이하로 극적으로 개선한다. 스위스의 Energy Vault는 ‘밀리초 단위’를 실현하기도 했다.

충방전의 종합 효율도 신형은 85% 전후로 거의 LIB 수준이다. 이렇게 높은 이유는 추의 오르내림에 효율이 낮은 펌프가 아니라 효율이 95% 전후로 높은 모터를 사용할 수 있고, 게다가 수로 관과 물의 마찰로 인한 손실도 신형에는 없기 때문이다. 설치 장소의 경우도 신형은 거리에서도 건설이 가능해 선택사항이 비교적 넓다.

전력 평준화 비용은 구현에 따라 약간 다르다. 신형 중력 축전 시스템의 대표적인 업체는 현시점에서 두 곳이다. 영국 Gravitricity와 스위스 Energy Vault이다.

Gravitricity는 21년 4월에 높이 15m의 실증 시스템을 영국 에든버러의 항구에 건설했다. 그 외형은 단순한 엘리베이터에 가깝고, 지상 시스템이다. 그러나 실용화할 때는 땅속에 150~1500m의 구멍을 파 내려가, 거기에 수백~수천 톤의 추를 넣어 올렸다 내렸다 한다. 상정하는 ‘축전 용량’은 10MWh. Gravitricity의 전력 평준화 비용은 12.1센트(약 13엔)/kWh다. 이는 기존의 양수발전 시스템에서 가장 낮은 전력 평준화 비용과 거의 비슷하다. 그러나 본지가 추정한 최근 LIB 베이스의 ESS의 전력 평준화 비용 4~6엔/kWh 전후와 비교하면 아직 꽤 비싸다.

다만 Gravitricity는 세로로 파 내려가는 구멍이므로 세계 각지의 탄광터의 수갱 등도 사용할 수 있다고 설명한다. 그 경우는 비용이 대폭 내려갈 것으로 보인다.

-- 크레인으로 ‘바벨 탑’ 건설? --
스위스의 Energy Vault는 현재로서는 실용화에 가장 가까운 업체라고 할 수 있다. 이미 인도 타타그룹과 실용 시스템 건설에서 계약을 체결하였다. 소프트뱅크 그룹이 19년 8월과 21년 8월에 합계 2.1억 달러를 출자했다고 발표. 미국의 Helena와 사우디아라비아의 투자회사 Saudi Aramco Energy Ventures(SAEV) 등에서도 출자를 받고 있다.

Energy Vault의 시스템은, 높이 120~160m의 탑 위에 길이 수십 m의 ‘팔’을 여러 개 수평으로 놓은 거대한 크레인의 일종이다. 팔에 설치한 가동식 윈치 6기로, 1개 35톤의 콘크리트 블록 6000~7000개를 들어올린다. 단, 모든 블록을 꼭대기까지 매달아 올리는 것이 아니라 아래쪽에서부터 차례로 탑 주위에 쌓는 것이다. ‘완성’하면 ‘바벨 탑’이라고 불리는 약 50층의 고층 빌딩이 완성된다. 추를 매달 경우는 탑에서 약간 떨어진 장소에 낮게 다시 쌓는다.

그러나 Energy Vault는 블록의 상하 면에 철판을 붙이는 것 이외에는 블록의 적층을 안정화하는 구조나 블록끼리 고정하는 구조를 공개하지 않았다. Energy Vault는 “폭풍 등으로 인해 붕괴하는 일은 없다”라고 주장하지만 내진성에 대해서는 언급하지 않았다.

-- 거대 자동 창고형은 2022년 가동 --
이 크레인 1탑 분의 ‘축전 용량’은 표준적으로는 35MWh, 최대로도 80MWh이다. Energy Vault는 다른 실장 형태도 상정하고 있다. 그것은 거대 자동 창고형 ‘EVx’이다.

이는 높이 30층 정도의 거대한 건물 내부 전체를 자동 창고처럼 만드는 타입이다. 자세한 내부 구조는 공개하지 않았지만 “10MWh 정도의 ‘모듈’을 내부에 다수 설치하는 형태다”(Energy Vault). 최대 수 GWh의 용량도 실현 가능하게 한다.

Energy Vault에 따르면 최초의 EVx 건설은 21년 내에 미국에서 시작되어 2022년 중에 가동시킬 계획이다. Energy Vault에 출자한 SAEV도 이 EVx에 주목하고 있다고 한다.

-- 폐재 활용으로 비용을 압축 --
Energy Vault의 중력 축전 시스템에 출자가 모이는 최대 이유는 아마 저렴한 비용 때문일 것이다. Energy Vault에 따르면 전력 평준화 비용은 2~4센트/kWh로, LIB 기반 ESS의 추정 최저가와 거의 비슷하다. 태양광 발전의 발전 비용은 지역에 따라서는 2~3센트/kWh지만, 이에 중력 축전 시스템을 추가해도 5~6센트/kWh면 된다. 출력을 자유자재로 제어할 수 있는 재생가능 에너지를 저비용으로 실현하는 것이다.

저렴한 비용의 비밀은 크레인을 이용한 간단한 시스템과 추로서 수천 개를 사용하는 콘크리트 블록의 내용물이다. 이 콘크리트 블록의 주원료는 빌딩의 건축재에 사용하는 고품질의 시멘트가 아니다. “(시스템을 건설하는) 현지의 모래, 석탄 화력발전의 타다 남은 찌꺼기나 풍력발전의 망가진 블레이드, 그 외 여러 가지 산업 폐기물 등으로 조달 비용이 거의 들지 않는 재료들이다”(Energy Vault). 실제로 21년 7월에는 이탈리아의 재생가능 에너지 기업인 Enel Green Power와 파손된 풍력 발전용 블레이드의 재이용에서 제휴를 맺었다.

-- 장기간의 축적에 최적 --
중력 발전 시스템인 LIB 베이스의 ESS에 대한 특징은 저장 시간을 아무리 길게 해도 그 동안에 용량의 자연 방전 등이 전혀 없다는 점이다. 응답 시간이 짧기도 해서, 만일 비용 면에서 LIB를 밑돈다면 LIB를 제쳐 놓고 대용량 축전 시스템의 주역을 차지할 가능성도 있다.

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