집을 거대한 배터리로 바꿀 수 있는 시멘트

콘크리트는 아마도 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 건축 자재일 것입니다. 약간만 조정하면 우리 집에도 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.

매사추세츠 주 케임브리지에 있는 실험실 벤치에는 광택이 나는 검은색 콘크리트 원통 더미가 액체에 담겨 케이블로 얽혀 놓여 있습니다. 평범한 관찰자에게 그들은 많은 일을 하고 있지 않습니다. 그런데 Damian Stefaniuk가 스위치를 켰습니다. 인간이 만든 암석 블록이 LED에 연결되어 있으며 전구가 깜박거리며 살아납니다.

Stefaniuk는 처음에 LED가 켜졌을 때를 설명하면서 "처음에는 믿지 않았습니다."라고 말했습니다. "외부 전원을 분리하지 않은 줄 알았는데, 그래서 LED가 켜졌네요. 

"정말 멋진 날이었습니다. 우리는 학생들을 초대했고, 교수들에게도 초대했습니다. 처음에는 그들도 그것이 효과가 있다고 믿지 않았기 때문입니다."

설렘의 이유는? 이 무해하고 어두운 콘크리트 덩어리는 에너지 저장의 미래를 나타낼 수 있습니다.

대부분의 재생 가능 에너지원의 약속은 태양, 바람, 바다가 우리에게 제공하는 끝없는 청정 에너지입니다. 

그러나 태양이 항상 빛나지는 않고, 바람이 항상 불지 않으며, 메가와트 단위로 물이 깊숙이 흐르지도 않습니다. 이는 간헐적으로 발생하는 에너지원으로, 에너지가 부족한 현대 사회에서 문제를 야기합니다.

이는 우리가 그 에너지를 배터리에 저장해야 함을 의미합니다. 그러나 배터리는 리튬과 같은 재료에 의존하는데, 이는 에너지 및 운송 시스템을 탈탄소화하려는 전 세계의 노력으로 인해 발생하는 수요를 충족 하는 데 필요한 것보다 공급이 훨씬 부족합니다 . 전 세계에는 101개의 리튬 광산이 있으며,  경제 분석가들은  이러한 광산이 증가하는 글로벌 수요를 따라잡을 수 있는 능력에 대해 비관적입니다 . 환경 분석가들은 리튬 채굴이 많은 양의 에너지와 물을 사용하기 때문에 우선 재생 에너지원으로 전환함으로써 얻을 수 있는 환경적 이점을 무시한다고 지적합니다. 리튬 추출 과정에서 독성 화학물질이 현지 수자원으로 누출되는 경우도 있습니다 .

리튬 매장량에 대한 몇 가지 새로운 발견에도 불구하고 이 물질의 한정된 공급, 전 세계 소수의 광산에 대한 과도한 의존 및 환경 영향으로 인해 대체 배터리 소재에 대한 연구가 진행되었습니다.

Stefaniuk과 그의 콘크리트가 등장하는 곳입니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 그와 그의 동료들은 물, 시멘트, 그을음이라는 세 가지 기본적이고 저렴한 재료 로 슈퍼커패시터라고 알려진 에너지 저장 장치를 만드는 방법을 발견했습니다. 카본 블랙이라는 물질과 같습니다.

Damian Stefaniuk는 탄소 시멘트 슈퍼커패시터를 사용하여 휴대용 게임 장치에 전력을 공급할 수 있었습니다(제공: Damian Stefaniuk)

슈퍼커패시터는 에너지를 저장하는 데 매우 효율적이지만 몇 가지 중요한 면에서 배터리와 다릅니다. 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 빠르게 충전할 수 있으며 동일한 수준의 성능 저하가 발생하지 않습니다. 그러나 슈퍼커패시터는 저장된 전력을 빠르게 방출하기 때문에 장기간에 걸쳐 꾸준한 에너지 공급이 필요한 휴대폰, 노트북 또는 전기 자동차와 같은 장치에서는 그 유용성이 떨어집니다.

그러나 Stefaniuk에 따르면 탄소-시멘트 슈퍼커패시터는 세계 경제의 탈탄소화 노력에 중요한 기여를 할 수 있습니다. "규모를 확대할 수 있다면 이 기술은 재생 에너지 저장이라는 중요한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

그와 MIT 및 하버드 대학교 Wyss 생물 영감 공학 연구소의 동료 연구원들은 슈퍼커패시터에 대한 여러 가지 응용 프로그램을 구상하고 있습니다. 

그 중 하나는 태양에너지를 저장한 도로를 만들어 이를 방출하여 도로를 따라 주행하는 전기 자동차를 무선으로 충전하는 것일 수도 있습니다 . 탄소-시멘트 슈퍼커패시터에서 에너지가 빠르게 방출되면 차량 의 배터리 성능이 빠르게 향상될 수 있습니다. 또 다른 방법은 주택의 에너지 저장 기초가 될 것입니다. "구조를 지지할 뿐만 아니라 그 내부에 에너지가 저장되는 벽, 기초 또는 기둥을 갖는 것"이라고 Stefaniuk은 말합니다.

하지만 아직 초기 단계입니다. 현재 콘크리트 슈퍼커패시터는 입방미터당 300와트시 미만의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이는 10와트 LED 전구에 30시간 동안 전력을 공급할 수 있는 양입니다. 

전력 출력은 "기존 배터리에 비해 낮아 보일 수 있지만, 30~40 입방미터(1,060~1,410 입방피트)의 콘크리트 기반이면 주거용 주택의 일일 에너지 수요를 충족하기에 충분할 수 있습니다"라고 Stefaniuk은 말합니다. "전 세계적으로 콘크리트가 널리 사용된다는 점을 고려할 때 이 재료는 경쟁력이 뛰어나고 에너지 저장에 유용할 가능성이 있습니다."

시멘트 생산은 전 세계 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출량의 5~8%를 차지합니다.

MIT의 Stefaniuk와 그의 동료들은 처음에 재료로 센트 크기의 1V 슈퍼커패시터를 만든 후 직렬로 연결하여 3V LED에 전원을 공급함으로써 개념을 입증했습니다. 이후 그들은 12V 슈퍼커패시터를 생산하기 위해 이를 확장했습니다 . Stefaniuk는 또한 더 큰 버전의 슈퍼커패시터를 사용하여 휴대용 게임 콘솔에 전력을 공급할 수 있었습니다.

그리고 연구팀은 이제 하루 동안 집에 전력을 공급하는 데 필요한 약 10kWh의 에너지를 저장할 수 있는 최대 45입방미터(1,590입방피트) 크기의 버전을 포함하여 더 큰 버전을 구축할 계획입니다. 

슈퍼커패시터는 카본 블랙의 특이한 특성으로 인해 작동합니다. 즉, 전도성이 높습니다. 이는 카본 블랙이 시멘트 분말 및 물과 결합되면 전도성 물질의 네트워크로 가득 찬 일종의 콘크리트가 만들어지며 끊임없이 가지가 뻗은 작은 뿌리와 유사한 형태를 취한다는 것을 의미합니다.

커패시터는 두 개의 전도성 판으로 구성되며 그 사이에 멤브레인이 있습니다. 이 경우 두 판은 모두 염화칼륨이라는 전해질 염에 담근 카본 블랙 시멘트로 만들어졌습니다.

소금에 젖은 판에 전류를 가하면 양전하를 띤 판에 염화칼륨의 음전하 이온이 축적됩니다. 그리고 막은 전하를 띤 이온이 판 사이에서 교환되는 것을 방지했기 때문에 전하의 분리로 인해 전기장이 생성되었습니다. 

슈퍼커패시터는 매우 빠르게 많은 양의 전하를 축적할 수 있기 때문에 풍력이나 태양광과 같은 간헐적인 재생 가능 에너지원에서 생산되는 잉여 에너지를 저장하는 데 유용한 장치가 될 수 있습니다. 이렇게 하면 바람이 불지 않거나 태양이 빛나지 않을 때 그리드의 압력이 완화됩니다. Stefaniuk이 말했듯이 "간단한 예는 태양광 패널로 구동되는 독립형 주택입니다. 낮에는 태양 에너지를 직접 사용하고 밤에는 기초에 저장된 에너지를 사용합니다."

슈퍼커패시터는 완벽하지 않습니다. 기존 반복은 전력을 빠르게 방전하므로 하루 종일 집에 전력을 공급하는 데 필요한 안정적인 출력에 적합하지 않습니다. Stefaniuk은 그와 그의 동료들이 혼합물을 조정하여 탄소-시멘트 버전을 조정할 수 있는 솔루션을 연구하고 있지만 테스트를 마무리하고 논문을 발표할 때까지 세부 사항을 공개하지 않을 것이라고 말했습니다.

MIT의 연구원들은 탄소 시멘트 슈퍼커패터를 다양한 응용 분야에 사용할 수 있도록 확장하기 위해 노력하고 있습니다(제공: Getty Images)

극복해야 할 다른 문제도 있을 수 있습니다. 카본 블랙을 더 추가하면 슈퍼커패시터가 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 콘크리트도 약간 약해집니다. 연구원들은 에너지 저장뿐만 아니라 구조적 역할을 하는 모든 용도에는 최적의 카본 블랙 혼합을 찾아야 한다고 말합니다.

탄소-시멘트 슈퍼커패시터는 리튬 의존도를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 그 자체로 환경에 영향을 미칩니다. 시멘트 생산은 전 세계적으로 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출량의 5~8%를 차지하며 , 슈퍼커패시터에 필요한 탄소-시멘트는 기존 구조물에 개조하기보다는 새로 만들어야 합니다.

그럼에도 불구하고 영국 Teesside University의 지속 가능한 엔지니어링 센터를 이끄는 Michael Short는 이것이 유망한 혁신인 것 같다고 말했습니다. 이 연구는 "건축 환경 자체를 에너지 저장 매체로 사용하는 것과 관련하여 많은 흥미로운 잠재적인 길을 열어준다"고 그는 말합니다. "재료도 흔하고 제조가 상대적으로 간단하기 때문에 이는 이 접근 방식이 더 많이 조사되어야 하며 잠재적으로 더 깨끗하고 지속 가능한 미래로 전환하는 데 매우 유용한 부분이 될 수 있다는 것을 시사합니다."

그러나 이것을 실험실에서 실제 세계로 옮기려면 더 많은 연구가 필요할 것입니다.

"실험실 또는 벤치 규모에서 더 큰 규모와 볼륨의 더 넓은 배포로 이동하는 것을 고려할 때 새로운 발견이 문제가 되는 경우가 많습니다. 이는 제조 복잡성, 자원 부족 또는 때로는 기본 물리학 또는 화학으로 인해 발생할 수 있습니다. 바람직한 특성 더 작은 규모로 발생하는 것은 더 크게 만들려고 시도하면 줄어들거나 심지어 사라질 수도 있습니다."

그러나 환경적으로 비친화적인 시멘트 문제를 극복할 수 있는 방법이 있을 수 있다고 Short는 덧붙입니다. Teesside University의 그의 동료들은 이미 철강 및 화학 산업의 부산물로 만들어진 저배출 시멘트를 연구하고 있습니다  .

저배출 시멘트 및 에너지 저장 콘크리트와 같은 프로젝트는 사무실, 도로 및 주택이 청정 에너지로 구동되는 세상에서 중요한 역할을 하는 미래에 대한 전망을 높입니다.