푸른 전기 공장, 바다 이야기
친환경 에너지 혁신기술, 해수 전지
무한하고 환경친화적인 평생 자원, 물
전 세계적으로 대체 에너지 사업은 활발하게 이루어지고 있는데요. 우리가 주로 쓰고 있는 화석 에너지인 석유, 석탄과 같은 자원은 매장량에 한계가 있다 보니 점점 고갈되는 에너지에 대한 고민은 더 이상 무시할 수가 없는 문제입니다. 이를 해결하기 위하여 최근 풍력, 태양광, 수력과 같은 친환경 에너지에 관심이 집중되고 있는데요. 이는 매장량의 한계가 있는 화석 에너지에 계속 의존하기 어렵고 새로운 대체 에너지를 찾아 지속 가능한 삶을 꾸려야만 하는 우리 앞에 놓인 시대적 과제이기도 합니다.
인구증가, 기후변화, 수질오염 및 물 부족 문제로 인해 인류에게 깨끗한 물을 안정적으로 공급하는 것은 전 세계적으로 피할 수 없는 우리의 과제입니다. 또한 화석연료 연소로 인해 대규모 이산화탄소 배출과 이로 인한 지구온난화를 방지하기 위해 물 분해를 통해 지속 가능한 대체 에너지원인 수소를 생산하는 데에도 물이 필요하지요. 따라서 물과 청정에너지는 서로 밀접하게 연관되어 있다고 할 수 있는데요. 지구상의 수자원 중에서 97%를 차지하는 해수는 방대한 용수공급원이 될 수 있을 뿐만 아니라 에너지원으로도 직접 사용할 수 있습니다.
친환경 에너지 저장소 ‘전지’
무한한 자연 자원을 활용하는 친환경 에너지는 구름이 많아서 태양을 가린다거나 바람이 불지 않으면 에너지를 만들 수 없기 때문에 에너지를 생산하는 것만큼 저장해 놓는 것 또한 매우 중요한 과제입니다. 이때 에너지를 저장해서 사용할 수 있도록 ‘전지’가 필요합니다. ‘전지’란 물질의 화학적 또는 물리적 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치인데요. 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 화학전지는 리튬이온전지, 해수 전지 등이 여기에 속하며 물리적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 물리전지로 태양전지가 여기에 해당합니다.
현재 가장 많이 사용하고 있는 리튬이온전지는 에너지 밀도가 높고 질량이 낮아서 자동차나 휴대용 기기에도 충분히 사용할 수 있습니다. 특히 스마트폰, 노트북, 자동차 등 일상생활에서 사용하는 전자제품에 사용하고 있는데요. 하지만 풍력이나 태양광 저장장치는 대용량으로 저장할 용량이 필요하기 때문에 전지의 크기가 매우 커야 합니다. 뿐만 아니라 최근 전 세계적으로 리튬 자원은 한계에 직면해 있는데요. 이는 리튬 이온 전지의 기본 원료인 코발트 등의 원자재 가격이 폭등해버렸기 때문입니다. 이 때문에 리튬이온전지를 대체할 새로운 전지가 필요해졌습니다.
더군다나 리튬이온전지의 큰 단점 중 하나는 폭발의 위험성이 높다는 점인데요. 리튬이온전지는 분리막을 통해 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 하는 원리입니다. 이 사이에 분리막이 아주 중요한 역할을 하고 있는데요. 만약 배터리의 용량을 높이고 많은 리튬이온을 넣기 위해 분리막을 얇게 만들 경우, 폭발할 위험성이 높아집니다. 이러한 단점까지도 보완할 수 있도록 개발한 전지가 바로 ‘해수 전지’입니다.
저렴하고 안전한 친환경 에너지 저장장치, 해수 전지
해수 전지란 리튬 이온 전지를 대체하기 위해 새롭게 등장한 전지로 바닷물에 녹아있는 나트륨을 이용해 전기 에너지를 저장합니다. 해수의 나트륨 이온이 리튬 이온과 비슷한 성질을 가지고 있는데요. 바닷물 속 나트륨 이온을 추출하여 음극재에 저장했다가, 방전 시 해수를 양극으로 이용해 전기를 생산하고 저장합니다. 그 나머지는 담수화되어 음용수나 생활용수, 공업용수로 활용할 수 있습니다.
해수 전지는 지구상에서 가장 풍부한 자원인 해수를 에너지원으로 이용해 전기 에너지를 저장하고, 생산하기 때문에 매우 친환경적인 에너지 저장장치인데요. 제조하는 과정이나 전지를 사용하는 과정에서 유해 물질을 배출하지 않아 친환경적입니다. 하지만 우리나라는 리튬 원료를 100% 수입하기 때문에 가격 부담이 만만치 않습니다. 해수 전지의 단가는 리튬이온전지의 4분의 1 수준으로 측정이 되는데요. 리튬이온전지보다 생산 가격이 절반 이상 저렴하기 때문에 그 비용 부담을 줄일 수 있지요. 더군다나 해수 전지는 바닷속의 나트륨을 원료로 하기 때문에 전지 생산에 사용할 수 있는 원료의 한도도 제한이 없습니다.
또한 모든 전지가 에너지 밀도가 높고 전압이 높으면 안전성 문제가 발생하는데요. 해수를 이용함으로써 열 제어가 자체적으로 가능해 폭발이나 화재의 위험도 적습니다. 그뿐만 아니라 나트륨 이온을 이용해 전하를 운반하는 해수 전지는 리튬이온전지보다 더 오래 쓸 수 있다는 장점이 있습니다. 해수 전지는 물과 소금만 있으면 작동해 가정과 산업체의 에너지 저장장치(ESS)로 활용 가능하며, 특히 대형 선박 및 잠수함, 원자력 발전소의 비상 전원 장치로도 적용할 수 있습니다.
해수 전지 개발의 선두 주자, 대한민국
세계 최초로 우리나라는 해수 전지 R&D를 시작했습니다. 울산과학기술원(UNIST)의 김영식 교수팀은 2014년 세계 최초로 해수 전지 개발에 성공하였고 그 원천기술을 보유하고 있습니다. 한국동서발전 울산화력본부에 해수 전지를 이용한 10kWh급 에너지저장시스템(ESS) 설비를 설치해 시범 테스트까지 성공적으로 마쳤습니다. 또한 여기서 주목할만한 것으로 이 기술이 해양 환경에 올바르게 적용이 될 수 있도록 '한국해양과학기술원'과 공동연구를 펼치고 있습니다.
우리나라는 세계 유일의 해수 전지 원천기술 보유국으로 2020년 11월 14일 울산과학기술원 내에 해수자원화기술 연구센터를 준공함으로써 앞으로 기술개발과 사업화에 큰 힘을 실어줄 전망입니다. 또한 최근 울산과학기술원 연구팀에서 해수 전지 구성 부품인 고체전해질의 안정성을 입장한 연구 결과를 발표하기도 했는데요. 연구팀의 연구 결과에 따르면 고체전해질은 순수한 물(증류수)보다 오히려 다양한 이온이 공존하는 바닷물에서 더 안정한 것으로 나타났습니다.
이는 앞으로 해수 전지에서 핵심적인 역할을 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여 더 오래 쓸 수 있는 해수 전지를 개발하는 데 보탬이 될 것입니다. 이처럼 효율적인 전력 활용과 고품질 전력을 확보할 수 있고 안정적인 전력공급을 할 수 있는 이차 전지로써 해수 전지의 가치는 무궁무진한데요. 기존 리튬 원료를 100%로 수입하던 나라에서 지속 가능한 친환경 에너지를 생산할 수 있는 해수 전지를 역수출하는 나라로 도약할 그날을 기대합니다!
출처
김관엽(2018), 해수를 이용한 연료전지, KOSEN Export Review.
최봉임(2020), 해수전지를 이용한 친환경 배터리 개발에 관한 연구, 신라대학교 일반대학원 공학 석사 학위논문.
한국기후환경네트워크 공식블로그:지금 주목받고 있는 신재생에너지, 해수전지
https://blog.naver.com/greenstartkr/221492041737
한국동서발전 공식블로그:세계 최초 해수전지 배터리 상용화, 우리나라에서 시작됩니다!
https://blog.naver.com/iamewp/221434358350
한국에너지공단 공식블로그:바닷속에서 꺼내쓰는 배터리가 있다? 해수 전지 배터리
https://blog.naver.com/kea_sese/221487861604
SCIENCE TIMES “해수전지 핵심 고체전해질 ‘바닷물서 더 안정’ 원리 입증”
UNIST News Center:바닷물로 전지 만든다…‘블루오션’ 해수전지 상용화 박차
http://news.unist.ac.kr/kor/20170131-01/
* 본 내용을 각색하여 지구수호미디어 <플래닛타임즈>에 발행하였습니다.
http://planet-times.com/sub_read.html?uid=562
