모래 배터리가 청정 에너지를 변화시키는 방법

재생 에너지를 저장하는 새로운 방법은 긴 북유럽의 밤을 통해 깨끗한 열을 제공하는 것입니다. 

핀란드 서부의 나무가 우거진 구불구불한 시골길의 끝에서 4명의 젊은 엔지니어는 친환경 에너지의 가장 큰 도전 과제 중 하나에 대한 해답이 자신에게 있다고 믿습니다.

문제는 변화하는 계절과 변화무쌍한 기상 조건에서 재생 에너지로 1년 내내 안정적인 전력 공급을 제공하는 방법입니다. 핀란드 수도 헬싱키에서 북서쪽으로 270km(168마일) 떨어진 Vatajankoski 발전소에 자리 잡은 답은 놀라울 정도로 단순하고 풍부하며 값이 싼 모래입니다.

Vatajankoski 발전소는 세계 최초의 상업용 규모 모래 배터리의 본거지입니다. 7m(23피트) 높이의 강철 컨테이너에 완전히 둘러싸인 배터리는 100톤의 저급 건축업자용 모래, 2개의 지역 난방 파이프 및 팬으로 구성됩니다. 이 모래는 발전소 소유주인 Vatajankoski가 가져온 핀란드의 풍력 터빈과 태양 전지판에서 생성된 전기를 사용하여 600C까지 가열된 후 배터리가 됩니다.

재생 에너지는 모래 내부의 공기를 가열하는 저항 히터에 전력을 공급합니다. 배터리 내부에서 이 뜨거운 공기는 열교환 파이프를 통해 모래 주위로 팬에 의해 순환됩니다.

두꺼운 단열재가 모래를 둘러싸고 있어 외부가 얼어도 배터리 내부 온도를 600C(1,112F)로 유지합니다. 온라인으로 배터리 성능을 모니터링하는 Polar Night Energy의 수석 과학자인 Ville Kivioja는 "우리는 열 손실을 원하지 않습니다. Kankanpää의 평균 겨울 온도는 0C(32F) 미만입니다."라고 말했습니다.

배터리는 가득 차면 8MWh의 열 에너지를 저장합니다. 에너지 수요가 증가하면 배터리는 열 교환 파이프를 통해 약 200kW의 전력을 방전합니다. 이는 약 100가구와 Kankaanpää의 공공 수영장에 난방 및 온수를 공급하기에 충분하며 그리드의 전력을 보충하기에 충분합니다. 배터리는 전기 요금이 낮을 때 밤새 충전됩니다.

Kivioja는 유지 관리가 적은 시스템이라고 말합니다. 이 회사는 건설에 대량으로 사용되는 양질의 강모래 대신 건설업자가 거부한 값싼 저질 모래를 사용 하여 전 세계적으로 부족 합니다.

"[열 교환] 파이프와 모래와 관련된 마모가 없습니다. 팬이 유일하게 움직이는 부품이며 필요한 경우 교체하기 쉽습니다."라고 Kivioja는 말합니다.

모래는 장기간 열을 유지 하고 한 번에 몇 달 동안 전력을 저장 하는 데 매우 효과적인 매체입니다 . 그리고 다른 이점도 있습니다. Kivioja는 "모래는 수명이 매우 깁니다. 몇 번이든 가열되고 식을 수 있습니다."라고 말합니다. "시간이 지나면 밀도가 높아져 공간이 덜 필요합니다. 그 시점에서 모래를 더 추가할 수 있습니다."

Tommi Eronen(오른쪽)과 Ville Kivioja(왼쪽)가 개발한 모래 배터리는 Kankaanpää의 약 100가구와 수영장에 충분한 열을 제공합니다(제공: Polar Night Energy)

이 모래 배터리를 발명한 4명의 젊은 핀란드 엔지니어는 먼 길을 거슬러 올라갑니다. Tommi Eronen, Markku Ylönen, Liisa Naskali 및 Ville Kivioja는 운동에 대한 공통된 열정으로 어린 시절 결속했습니다. 단거리 선수, 사이클 선수, 트리플 점프 선수, 원반던지기 선수는 핀란드 남부 탐페레의 같은 클럽에 소속되어 십대 시절 육상 경기에서 서로를 응원했습니다.

돌과 모래로 만든 전통적인 핀란드 벽난로에 대한 기사를 읽으면서 Eronen은 전구를 보는 순간을 가졌습니다.

20대가 되면서 그들의 관심은 스포츠에서 과학으로 바뀌었습니다. 핀란드 남부의 짧고 따뜻한 겨울은 기후 변화에 대처하려는 공통된 동기를 불러일으켰습니다.

Eronen은 "우리가 어렸을 때 스케이트를 타던 Näsijärvi 호수의 얼음이 덮인 날 수가 지난 몇 년 동안 극적으로 감소했습니다. 기후 변화가 우리 눈앞에서 일어나고 있습니다."라고 말합니다. 2016년에 공학 석사 학위를 위해 연구를 하는 동안 Eronen은 재생 에너지를 위한 수성 저장 시스템을 찾고 있었습니다. 그러나 돌과 모래로 만든 전통적인 핀란드 벽난로에 대한 기사를 읽는 동안 Eronen은 전구를 보는 순간을 가졌습니다.

"그것은 나를 생각하게 했다: 물보다 고체 물질이 태양열 및 풍력 에너지를 저장하는 데 더 적합할까요?" 에로넨은 말한다.

그는 Ylönen과 함께 모래 배터리 프로토타입 개발을 시작했습니다. Tampere 근처 Eronen의 할아버지의 정원에서 파일럿 배터리를 성공적으로 테스트한 두 사람은 운동 클럽에서 어린 시절 친구를 모집하여 Polar Night Energy를 시작했습니다. 7월에는 Kankaanpää의 Vatajankoski 발전소에 최초의 상업용 모래 배터리를 설치했습니다 .

녹색 에너지 저장

혁신은 전 세계적으로 열광적인 반응을 불러일으켰습니다. "내 전화는 계속 울리고 수천 개의 읽지 않은 이메일이 있습니다."라고 Eronen은 말합니다.

새로운 에너지 저장 시스템의 소규모 상업적 응용은 거의 뜨거운 주제가 되지 않지만, 모래 배터리는 재생 가능한 소스로부터 전력 공급을 균일하게 할 수 있는 잠재력으로 주목을 받았습니다( 안정적인 공급 상자 찾기 참조).

태양열 및 풍력 에너지의 실행 가능한 저장은 암흑 시간이 길고 겨울에 열에 대한 필요성이 증가하지만 여름에는 햇빛이 더 오래 지속되는 북유럽 국가에 특히 중요합니다.

우크라이나 전쟁의 여파로 핀란드는 EU에 재생 에너지 생산량을 늘릴 것을 촉구하고 있습니다. 산나 마린 핀란드 총리는 지난 9월 "에너지 위기에서 벗어날 수 있는 유일한 방법은 재생 가능하고 배출이 없는 에너지 생산에 막대한 투자를 하는 것" 이라고 말했다 .

모래 배터리의 발명가들은 이것이 그들의 솔루션이 나오는 곳이 되기를 희망합니다.

핀란드 북부에 있는 University of Oulu의 물, 에너지 및 환경 공학 연구 부서의 부사장인 Eva Pongrácz는 "처음에 '왜 그 생각을 하지 못했을까?'라는 생각이 들었습니다. "이렇게 간단하고 참신하고 혁신적인 아이디어입니다. 이것이 녹색 에너지의 지속적인 공급을 위한 솔루션이 될 수 있을까요? 단 하나의 답이 있을 것이라고는 생각하지 않지만 이것이 솔루션의 일부입니다."

저렴하고 실행 가능하며 지속 가능한 저장 기술의 부족은 세계가 재생 에너지로 전환하는 데 가장 큰 장애물 중 하나입니다(제공: Getty Images)

그러나 배터리가 다른 배터리, 특히 전기 화학적 대응물인 리튬 이온 배터리와 비교하여 성능 면에서 정확히 얼마나 우수합니까?

Pongrácz 는 랩톱, 휴대폰 및 전기 자동차에 전원을 공급하는 데 사용하는 리튬 이온 배터리 의 한 가지 큰 문제 는 사용 하지 않을 때도 계속해서 성능이 저하된다는 점 입니다. Pongrácz는 "모래 배터리에는 화학 반응이 없으므로 유사한 노화 과정을 거치지 않습니다."라고 말합니다.

영국 버밍엄 에너지 저장 센터의 이사인 Yulong Ding은 리튬 배터리는 대규모 저장 애플리케이션에 적합하지 않으며 본질적으로 가연성도 있다고 덧붙였습니다.

다음으로 환경 문제가 있습니다. Pongrácz는 "리튬은 모래보다 환경에 훨씬 더 큰 영향을 미칩니다. 정제된 리튬 1톤이 생산될 때마다 추출 방법에 따라 약 3 ~ 9톤 의 CO2가 배출됩니다.

그러나 Polar Night Energy 팀은 몇 가지 큰 도전에 직면해 있습니다. 기술을 확장하여 실제로 차이를 만들 수 있고 열 외에도 상당한 양의 전기를 생성하는 데 사용할 수 있습니까?

물론 한계가 있다고 전문가들은 지적합니다. "모래 배터리는 기존의 화학 배터리보다 5~10배 적은 에너지를 저장합니다."라고 영국 셰필드 대학교 전자 및 전기 공학과의 Dan Gladwin은 말합니다.

Polar Night Energy 팀은 이를 인정하지만 모래 배터리가 훨씬 더 비용 효율적인 솔루션이라고 주장합니다. 연구팀은 그들의 배터리가 같은 양의 에너지를 저장하는 리튬 배터리보다 8~10배 저렴하다고 계산했다. Kankaanpää 모래 배터리를 사용하여 8MWh의 에너지를 생성하려면 약 $200,000(174,000파운드)의 비용이 든다고 Eronen은 말합니다. 8MWh의 에너지를 저장하는 리튬 이온 배터리는 최소 1,600,000달러(1,391,000파운드)가 든다고 그는 말합니다.

재생 에너지 저장은 겨울에 난방이 많이 필요하고 여름에 일조량이 긴 북유럽 국가에 특히 중요합니다(Credit: Alamy)

Gladwin은 모래 배터리가 기후가 추운 국가의 주택 난방에 적합하지만 전력망에 전력을 반환하는 데 사용하면 효율성이 떨어진다고 경고합니다.

"더 널리 사용할 수 있게 하려면 배터리의 열을 75-80% 효율로 다시 전기로 변환하는 방법을 개발해야 합니다. 그러면 게임 체인저가 될 것입니다."라고 그는 말합니다.

Eronen은 현재 이용 가능한 기술로 열을 다시 전기로 변환하는 프로세스의 효율이 30%에 불과하다고 말합니다. 그러나 그는 그것을 중요한 문제로 보지 않습니다. "핀란드와 같은 추운 나라에서는 변환 후 남은 열의 70%를 거의 항상 열 공급이 필요한 지역 난방 네트워크에 버리고 있습니다."라고 그는 말합니다.

발전용 배터리를 확장하는 다음 단계는 열을 그리드로 다시 변환하기 위해 터빈을 추가하는 것입니다. Eronen은 "몇 년 안에 우리는 이를 수행할 수 있는 작업 시스템을 갖게 될 것입니다."라고 말합니다.

Polar Night Energy는 핀란드의 다른 지역난방 회사에 두 번째 배터리 건설 계약을 체결하는 중입니다.

"이것은 훨씬 더 큰 시스템을 위한 것입니다. 난방 전력 2MW 및 저장 용량 500MWh입니다. 이는 Kankaanpää에 있는 것보다 10배 더 큽니다."라고 Eronen은 말합니다.

Pongrácz는 현재로서는 모래 배터리가 핵심적인 북유럽 솔루션으로 남아 있다고 말합니다. 그녀는 "연간 평균 기온이 섭씨 10도(화씨 50도) 미만이기 때문에 겨울이 춥고 난방이 필요한 9월부터 5월까지 핀란드에서 매우 유용합니다. 지역난방망에.

그러나 이론상으로 에너지 저장 솔루션은 뉴욕, 샌프란시스코 및 코펜하겐을 포함하여 지역 난방 인프라가 있는 세계 어디에서나 복제될 수 있습니다.

회사의 프로젝트 관리자인 Liisa Naskali는 "어쨌든 난방 시설을 넘어서는 훨씬 더 많은 가능성이 있습니다."라고 말합니다. "확대하면 고열을 필요로 하는 모든 종류의 산업 공정, 즉 빵집, 세탁소 [및] 제철소에 사용할 수 있습니다."

Eronen은 Polar Night Energy가 2023년까지 "전 세계에 모래 배터리를 건설하는 진정한 글로벌 기업"이 되는 것을 목표로 하고 있다고 말합니다. 해상 풍력 발전의 거대한 붐( 2025년까지 풍력 에너지가 핀란드 전력 소비의 25%를 차지할 것)이 이를 가능하게 할 것이지만 여전히 "할 일이 많습니다".

"생산 변동의 균형을 맞추기 위해 엄청난 저장 용량이 필요할 것입니다."라고 그는 말합니다.

Polar Night Energy의 공동 설립자인 Markku Ylönen과 Tommi Eronen은 운동과 과학에 대한 공통된 사랑으로 결속된 소꿉친구입니다(Credit: Polar Night Energy)

국제 확장 계획을 지원하기 위해 Polar Night Energy는 모래가 부족한 곳에서 모래를 다른 입상, 불연성 재료로 대체하는 방법을 찾고 있습니다. "이 아이디어는 주변을 둘러보고 현지에서 적절한 재료를 찾는 것입니다. 예를 들어 산업 공정의 부산물을 테스트하고 사용할 수 있는지 확인할 수 있습니다."라고 Eronen은 말합니다.

지금까지 확장에 대한 가장 큰 도전은 기업과 지방 자치 단체가 신기술에 대한 투자를 꺼리는 것입니다. "핀란드에서 지역난방 회사는 열 공급에 대한 서비스 의무가 있으며 해당 의무를 이행하지 않으면 벌금을 내야 합니다. 그렇기 때문에 새로운 기술에 대한 대규모 투자를 승인하기 전에 신중한 실수를 선호하는 것입니다." Naskali는 말합니다. 핀란드 에너지 회사 Vatajankoski는 예외입니다. "우리는 기후 변화에 대처할 방법을 찾고 있습니다. 우리는 화석 연료를 태우지 않고 열을 생산하는 방법에 대한 기술을 찾고 있었고 Polar Night Energy를 발견했습니다... 이것은 강력한 기술입니다."라고 Naskali와 마찬가지로 배터리의 가장 큰 잠재력은 산업용에 있다고 믿습니다.

"일부 산업은 예를 들어 건조를 위해 300C(572F)의 매우 뜨거운 공기가 필요합니다. 우리는 이제 전기를 사용하여 열을 생산하는 Kankaanpää 지역의 산업 회사와 협력을 고려하고 있습니다. 밤새 충전할 수 있는 모래 배터리가 있으면 유연성을 제공하고 가격 변동으로부터 보호합니다."라고 그는 말합니다.

극한의 기온, 가뭄, 산불이 전 세계를 뒤덮고 있음을 지적하면서 젊은 핀란드 엔지니어들은 새로운 기술로 전환할 때까지 기다릴 여유가 없다고 말합니다. Kivioja는 "우리는 [기후] 위기를 피하기 위해 지금 용감한 결정을 내려야 합니다.

"우리 과학자들과 엔지니어들은 기후 변화를 분류해야 하는 많은 압력을 받고 있습니다."라고 그는 말합니다. "저는 원반던지기 대회에서 그랬던 것처럼 그 압박감을 영감으로 바꿉니다. 당신이 현장에 있을 때 다음 던지기를 준비하고 있을 때 압박감에 얼어붙을 수 없습니다. 직업."

Eronen은 "회사를 시작하는 것은 스포츠에서 경쟁하는 것과 약간 비슷합니다. 당신은 이기고 싶어합니다"라고 말합니다. 그는 Ylönen과 함께 2018년 헬싱키에서 열린 에너지 컨퍼런스에 참석하기 위해 고향인 Tampere에서 170km(106마일)를 이동하기로 결정했습니다. 충격을 주다'."