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Nikkei Electronics_2021.10 Hot News (p12-14)

유럽과 미국에서 중력 축전 시스템 대두
소프트뱅크 등 출자, 저렴한 이용 비용으로 리튬 2차전지와 경합

유럽과 미국에서는 재생가능 에너지의 대량 도입이 진행되면서, 그 출력 변동을 평준화 혹은 잉여 전력을 축전할 필요성이 높아지고 있다. 그 결과, 낡아서 거의 사라진 기술부터 완전히 새로운 기술까지 다양한 축전 기술이나 에너지 축적 매체가 각광을 받으면서 개발 러시가 일어나고 있다. 그 중에서도 대부분의 투자가들이 주목하고 있고, 실용화도 시작된 것이 신형 중력 축전 시스템이다.

중력 축전이란, 전기로 모터 또는 윈치를 움직여 추를 아래에서 위로 들어 올리는, 즉 전기에너지를 추의 위치에너지로 변환해 ‘축전’하는 기술이다. ‘방전’ 시에는 추를 떨어뜨려 그 위치에너지를 전력으로 변환한다. 참고로 위치에너지는 추의 질량이 m, 중력 가속도가 g, 끌어올리는 높이가 h일 때 mgh가 된다. 손실을 무시하면, 약 1kWh의 전력량으로 약 3.67톤의 추 1개를 100m 끌어올릴 수 있다는 계산이 나온다.

중력 축전 자체는 새로운 기술이 아니다. 양수발전 시스템으로서 100년 이상 전부터 전력 계통에서 널리 사용되고 있다. 물을 ‘추’로서 사용하고 있는 것이다.

그러나 기존의 양수발전 시스템에는 과제가 많다. 예를 들면, 응답시간이 수십 초~100초로 재생가능 에너지의 출력 변동을 흡수하기에는 늦다는 점이다. 기존형 양수발전의 지금까지의 주된 용도는, 점심 시간의 전력 수요의 급감 등과 같은 화력발전의 응답이 늦는 몇 분 단위의 수요 변동을 보충하는 것이었다. 한편, 재생가능 에너지의 출력 변동은 초 단위이기 때문에, 수십 초의 응답시간으로는 출력 변동을 흡수하기에 늦다.

그리고 ‘축전’과 ‘방전’의 1사이클의 효율(종합 효율)이 최대 70%라는 점도 과제 중 하나이다. 이는 양수발전에서 이용하는 펌프의 효율은 액체(물)를 취급하는 관계로 약 90%가 거의 한계에 달한 데다가 수로의 관과 물과의 마찰에 의한 손실이 있기 때문이다.

이용 비용(전력평준화 비용)은, 이전에는 양수발전이 축전 시스템으로서 가장 저렴한 비용이었다. 그러나 급속히 저가격화가 진행되는 최근의 리튬(Li)이온 2차전지(LIB)를 이용한 정치형 축전 시스템(ESS)과 비교하면 비싸지고 있다.

-- LIB 수준의 응답성이나 효율을 실현 --
한편, 신형의 중력 축전 시스템은 양수발전의 과제의 대부분을 해결할 수 있다. 기존형의 양수발전에서 과제였던 느린 응답 시간은, 신형 중력 축전 시스템에서는 1초 이하로 극적으로 개선된다. 충방전의 종합 효율도 신형은 85% 전후로 거의 LIB 같은 수준이다. 이는 추의 승강에 효율이 낮은 펌프가 아니라 효율이 95% 내외로 높은 모터를 사용할 수 있는데다 수로의 관과 물의 마찰로 인한 손실도 신형에는 없기 때문이다. 신형은 설치 장소의 선택지도 비교적 넓다.

전력평준화 비용은 구현에 따라 약간 다르다. 현시점에서 신형 중력 축전 시스템의 대표적인 업체는 영국의 그래비트리시티(Gravitricity)와 스위스의 에너지 볼트(Energy Vault)이다.

-- 탄광터의 수직 갱도에 기대 --
그래비트리시티는 21년 4월에 높이 15m의 실증 시스템을 영국 에든버러의 항구에 건설했다. 겉보기에는 일반적인 엘리베이터처럼 보인다. 이것은 지상 시스템이지만 실용화할 때에는 땅속에 150~1500m의 세로 굴을 파고, 거기에 수백~수천 톤의 추를 넣어 올렸다 내렸다 한다. 생각하고 있는 ‘축전 용량’은 10MWh이다. 그래비트리시티의 전력평준화 비용은 12.1센트(약 13엔)/kWh이다. 이 비용은 기존의 양수발전 시스템에서 가장 낮은 전력평준화 비용과 거의 비슷하다. 그러나 최근의 LIB 베이스의 ESS가 본지 추정으로 4~6엔/kWh 전후인 것과 비교하면 아직 꽤 비싸다.

다만 그래비트리시티는 세계 각지의 탄광터의 수직 갱도 등도 세로 굴로서 사용할 수 있다고 판단한다. 그 경우는 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 보인다.

-- 크레인으로 바벨탑 건설? --
또 다른 업체인 에너지 볼트는 현재, 실용화에 가장 가까운 업체라고 할 수 있다. 이미 인도 Tata 그룹과 실용 시스템 건설에서 계약을 완료했다. 또한 소프트뱅크 그룹이 19년 8월과 21년 8월에 합계 2.1억 달러의 출자를 발표했다. 미국의 과제 해결회사 Helena나 사우디아라비아의 투자회사인 SAEV(Saudi Aramco Energy Ventures)로부터도 출자를 받았다. 일각에서는 조만간 미국 주식시장에 상장할 것이라는 계획이 보도되기도 했다.

에너지 볼트의 시스템은, 높이 120~160m의 탑 위에 길이 수십 m의 ‘팔’을 여러 개 수평으로 설치한 거대한 크레인의 일종이다. 팔에 설치한 가동식 윈치 6기로, 1개 35톤의 콘크리트 블록을 6,000~7,000개 끌어 올린다. 단, 모든 블록을 꼭대기까지 매달아 올리는 것이 아니라 아래쪽에서부터 차례로 탑 주위에 쌓는 것이다. 완성하면 ‘바벨탑’이라고도 불리고 있는, 약 50층의 고층 빌딩이 완성된다.

-- 거대 자동 창고형은 2022년 가동 --
이 크레인 1개 탑의 ‘축전 용량’은 표준적으로는 35MWh, 최대로도 80MWh이지만, 에너지 볼트는 한층 더 대용량의 실장 형태도 생각하고 있다. 그것이 자동 창고형 ‘EVx’이다.

이는 높이 약 30층의 거대한 건물 내부 전체를 자동창고처럼 만드는 유형으로, 자세한 내부 구조는 공개하지 않았다. “10MWh 정도의 ‘모듈’을 내부에 다수 설치하는 모습이다. 최대 수 GWh의 용량도 실현 가능하게 한다”(에너지 볼트).

에너지 볼트에 따르면 최초의 EVx 건설은 21년 내에 미국에서 시작하고, 22년 중에 가동시킬 계획이다. 에너지 볼트에 출자한 SAEV도 이 EVx에 주목하고 있다고 한다.

-- 폐재 활용으로 비용 압축 --
에너지 볼트의 중력 축전 시스템에 출자가 모이는 최대 이유는, 아마 그 저렴한 비용 때문일 것이다. 에너지 볼트에 따르면 전력평준화 비용은 2~4센트/kWh로, LIB 기반 ESS와 비용이 같거나 오히려 싸다.

저렴한 비용의 비밀은, 크레인을 사용한 간단한 시스템과 추로서 수천 개를 사용하는 콘크리트 블록의 재료에 조달 비용이 거의 들지 않는 각종 폐재를 이용했기 때문이다. 예를 들면, “(시스템을 건설하는) 현지의 모래, 석탄 화력발전의 타다 남은 찌꺼기나 풍력발전의 망가진 블레이드 등을 사용한다”(에너지 볼트). 21년 7월에는 이탈리아 재생에너지 기업 에넬 그린 파워(Enel Green Power)와 파손된 풍력발전용 블레이드를 재이용하기로 제휴를 맺었다.

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