중력 배터리가 에너지 저장 문제를 해결할 수 있습니까?
우주의 근본적인 힘 중 하나를 활용하는 첨단 기술이 우리의 에너지 저장 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있을까요? 재생 에너지 혁명의 핵심에는 수수께끼가 있습니다. 바람이 불면 태양이 빛나고 파도가 일렁일 때 풍부한 녹색 에너지가 생성됩니다. 그러나 하늘이 어두워지고 상황이 고요할 때 우리는 무엇을 합니까?
오늘날 답은 화석 연료를 태워 그리드에 전력을 공급하는 기존 전력 생산 을 늘리는 것입니다. 이는 21세기 문제에 대한 20세기 솔루션입니다. 이는 탄소 중립 계획과 극명하게 대조되는 문제입니다.
더 깨끗한 미래는 더 큰 리튬 이온 배터리에 초점을 맞추는 것을 의미할 것이라고 일부 에너지 전문가들은 말합니다 . 다른 사람들은 녹색 수소가 세계 최고의 희망 이라고 주장합니다 . 그리고 화학이 아니라 우리 모두를 둘러싸고 있는 무한한 힘인 중력에 베팅하는 사람들이 있습니다.
"올라간 것은 내려와야 한다" – 이것은 중력 배터리를 뒷받침하는 불변의 뉴턴 논리입니다. 이 새로운 에너지 저장 기술 분야는 원칙적으로 매우 간단합니다. 녹색 에너지가 충분할 때 이를 사용하여 거대한 무게를 미리 정해진 높이까지 끌어올리십시오. 재생 가능 에너지가 제한되면 부하를 해제하여 아래쪽 중력으로 발전기에 전력을 공급합니다.
유사한 접근 방식인 "펌프 수력"은 현재 전 세계 고용량 에너지 저장의 90% 이상 을 차지 합니다 . 잉여 전력을 사용하여 물을 오르막으로 퍼낸 다음 필요할 때 수력 발전기를 통해 아래로 흐르게 합니다. 검증된 시스템입니다. 그러나 확장성과 관련된 중요한 문제가 있습니다. 수력 프로젝트는 막대한 자본 비용으로 크고 비싸며, 현기증이 나는 지형과 풍부한 물과 같은 엄격한 지리적 요구 사항이 있습니다. 세계가 제로에 도달하려면 거의 모든 장소에 대규모로 배치할 수 있는 에너지 저장 시스템이 필요합니다.
에든버러에 기반을 둔 친환경 엔지니어링 스타트업인 그래비트리시티(Gravitricity)는 이를 현실화하기 위해 노력하고 있습니다. 작년 4월에 이 그룹은 50톤 철 중량을 매달고 있는 15m(49피트) 강철 타워인 최초의 중력 배터리 프로토타입을 성공적으로 시험했습니다. 인치 단위로 전기 모터가 거대한 금속 상자를 하늘로 들어 올려 점차적으로 지구로 되돌려 놓았고 아래쪽 끌기로 일련의 발전기에 전력을 공급했습니다.
Gravitricity의 수석 테스트 및 시뮬레이션 엔지니어인 Jill Macpherson은 시연기 설치가 "소규모"였지만 여전히 약 750가구를 잠시 동안 유지하기에 충분한 0.33kW의 순시 전력을 생산했다고 말했습니다. 팀이 시스템의 잠재적인 수명에 대해 배운 것도 마찬가지로 고무적이었습니다.
"우리는 리프팅 케이블과 같은 특정 기계 부품의 수명을 연장하기 위해 시스템을 제어할 수 있음을 입증했습니다."라고 Macpherson은 말합니다. "또한 시스템은 전체 시스템을 수명 기간 동안 교체하는 대신 개별 구성 요소를 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었습니다. 따라서 수십 년 동안 작동할 수 있는 실제 범위가 있습니다."
그래비트리시티 프로토타입이 위쪽을 가리키고 있는 동안 회사의 초점은 이제 바닥 아래에 있습니다. 엔지니어들은 작년에 영국, 동유럽, 남아프리카, 칠레에서 폐기된 탄광을 조사하는 데 보냈습니다. 전무 이사인 Charlie Blair는 그 근거가 매우 간단하다고 설명합니다. "지구의 지질학을 사용하여 무게를 지탱할 수 있는데 왜 타워를 지을까요?" 깔끔한 솔루션인 것 같습니다. 지구본에는 최소 300m(984피트), 그리고 아마도 훨씬 더까지 확장될 실제 크기의 그래비트리시티 설비를 수용할 수 있을 만큼 깊이 사용되지 않는 광산 갱도가 새겨져 있습니다. 블레어는 정책 입안자들이 이른바 "정의 로운 전환 " 에 대한 대중의 열의를 활용하기를 열망하는 가운데 이를 실현하려는 정치적 의지가 있다고 말했습니다. 커뮤니티. 따라서 충분한 자금이 있으면 지하 프로토타입(체코 공화국에 있을 가능성이 높음)이 2024년까지 작동해야 합니다. 하지만 먼저 일련의 과제를 극복해야 합니다.
"우리는 기존 토목 구조물(갱도 안감, 갱도 주변)을 면밀히 살펴보고 완전히 건전하고 수천 톤을 지탱할 수 있는지 확인해야 합니다."라고 Blair는 설명합니다. "메탄 가스와 광산이 범람하는 것과 관련된 잠재적인 안전 문제도 있습니다."
이를 염두에 두고 Gravitricity는 자체적으로 특수 제작된 샤프트를 가라앉히는 것도 고려하고 있습니다. 초기 비용이 더 많이 들지만 라인을 따라 훨씬 더 큰 균일성을 약속하는 노력입니다.
그러나 모든 혁신가가 표면 아래 솔루션의 장점을 인식하는 것은 아닙니다. 스위스 남부의 계곡에서 중력 배터리 분야의 또 다른 리더인 Energy Vault의 인상적인 강철 및 콘크리트 프로토타입이 20층 이상 높이에 서 있습니다. 친환경 전력 공급이 수요를 초과하면 여러 AI 제어 크레인 중 하나가 30톤 블록 한 쌍을 위로 들어 올립니다. 수요가 공급을 초과하면 다시 내려가 수천 가구에 충분한 에너지를 생성합니다.
기술이 시험되고 테스트되었으며 약 4억 200만 달러(3억 2500만 파운드) 상당의 투자를 받은 Energy Vault는 상용 출시를 시작할 준비가 되었습니다. 이를 위해 회사는 각진 스위스 프로토타입보다 미학적으로 더 즐거운 것을 설계했습니다. 트롤리 시스템에 수천 개의 무게를 저장하는 "EVx"라는 모듈식 건물입니다.
Energy Vault의 CEO인 Robert Piconi는 "에너지 엘리베이터의 창고라고 생각하십시오. "깨끗한 전기가 들어오면 재활용 재료로 만들어진 블록이 올라가고 그리드에 공급이 필요할 때 다시 내려갑니다. 100MWh의 저장 용량을 가진 EVx는 하루에 약 25,000가구에 전력을 공급할 수 있습니다."
각 시설의 크기와 배치는 전체 저장 용량을 결정하지만, 낮은 수준에서도 건물은 수십 에이커를 차지합니다. 이것이 문제가 될 수 있습니까? Piconi는 시스템이 도심에서 멀리 떨어진 풍력 및 태양열 발전소 근처에 위치할 가능성이 높기 때문이라고 말합니다.
"우리는 깊은 구멍을 파거나 위치에 대한 다른 큰 제한 요소를 가질 필요가 없습니다. 기본적으로 20층 건물을 지을 수 있는 곳이면 어디든지 작동할 것입니다."라고 그는 말합니다.
유럽, 미국, 중동, 호주, 중국 전역에서 관심이 쏟아지면서 Energy Vault의 오더북이 빠르게 채워지고 있습니다. 후자는 특히 흥미진진하다고 Piconi는 말합니다. 그는 이것이 세계 최대 의 온실 가스 배출국에 대한 방향의 변화를 의미할 수 있기를 희망합니다.
그리드 균형 잡기
그것은 희망적인 생각일 수 있지만 조만간 모든 국가에서 일종의 녹색 에너지 저장 장치를 수용해야 할 것입니다. 여기에는 장기 저장, 재생 가능 발전이 낮을 때 장기간 불을 끄는 것, 그리드에 추가 공급이 필요할 때 짧은 전기 버스트가 포함됩니다.
이 두 번째 요점은 녹색 에너지 개발자가 직면한 심각한 문제와 관련이 있습니다. 전력망은 재생 가능이 아닌 기존 발전소에서 작동하도록 설계되었습니다.
에든버러 대학의 전기 공학 전문가인 Thomas Morstyn은 "항상 그리드는 균형을 유지해야 합니다."라고 설명합니다. "운영자는 끊임없이 수요와 공급을 일치시켜야 하지만, 바람이나 태양처럼 본질적으로 간헐적이며 급격한 변동에 민감한 경우에는 까다롭습니다."
엄청나게 느린 하강과 결합된 중력 배터리의 무게는 엄청난 양의 토크를 생성하여 시스템이 거의 즉시 최대 전력을 제공할 수 있도록 합니다. 따라서 이 기술은 그리드 평형을 유지하는 데 특히 능숙하여 초 단위 변동을 제거하여 심각한 기반 시설 손상 및 정전의 위험을 줄입니다.
리튬은 어떻습니까?
그러나 휴대폰, 랩톱 및 전기 자동차에 전원을 공급하는 유형인 리튬 이온 배터리 는 동등하게 빠르게 증가할 수 있으며 중력 솔루션과 유사한 왕복 효율 수치를 보입니다. 리튬 전지의 비용도 최근 몇 년 동안 크게 떨어졌습니다. 그렇다면 단순히 더 큰 화학 배터리를 구축하지 않는 이유는 무엇입니까?
이 질문에 답할 때 초기 비용뿐만 아니라 시스템의 총 수명 비용을 고려하는 것이 중요합니다. 중력 배터리는 기계적 장치이므로 파손될 수 있습니다. 케이블이 끊어지거나 기어박스가 걸리거나 녹이 슨 부분이 나타날 수 있습니다. 이러한 문제는 문제가 있지만 치명적이지는 않습니다. 개별 구성 요소를 비교적 쉽게 교체할 수 있습니다. 이 "수리 가능성"은 중력 배터리가 50년 동안 지속될 수 있음을 의미한다고 모로코 라바트 국제 대학의 에너지 저장 전문가인 Asmae Berrada는 말합니다. ( 리튬 배터리를 둘러싼 큰 질문 에 대해 읽어보십시오 . )
전기화학적 대응물과는 다른 이야기입니다. "리튬 이온 전지는 성능이 저하되어 저장 용량이 시간이 지남에 따라 돌이킬 수 없을 정도로 떨어집니다."라고 연구에 따르면 리튬 배터리의 수명 비용이 기계적 대안의 두 배라는 것을 발견한 Berrada가 설명 합니다 . "또한 수명을 유지하려는 경우 화학 배터리가 매일 몇 번 순환할 수 있는지에 대한 제약이 있습니다. 이는 부품을 더 쉽게 교체할 수 있기 때문에 중력 시스템이 실제로 걱정할 필요가 없는 것입니다."
코발트 채광이 아동 노동과 관련되어 있고 환경 피해 가 있는 인권 침해 에 대한 우려를 더하면 Berrada는 친환경 에너지를 저장하는 비리튬 수단이 필수적이라고 확신합니다. 따라서 그녀와 그녀의 팀은 스페인과 모로코 정부가 자금을 지원하는 자체 수성 중력 배터리 프로토타입을 개발하고 있습니다.
큰 고체 중량을 들어 올리는 대신 잉여 녹색 동력이 잠긴 피스톤을 위쪽으로 이동시키는 데 사용되며 반환 여정에서는 고압수가 발전기를 통과해야 한다고 Berrada는 설명합니다. 유사한 시스템이 캘리포니아 와 독일 에서 개발 중이며 네바다의 연구원 들은 철도에서 영감을 받은 고유한 솔루션을 모색하고 있습니다.
이들 중 몇 개가 결실을 맺게 될지는 장담할 수 없습니다. 의심의 여지가 없는 것은 세계가 대담하고 창의적인 기후 솔루션을 필요로 한다는 것입니다. 이 전선에서 은색 총알은 없지만 진정으로 무한하고 편재하는 힘을 활용하는 중력 배터리는 거의 확실히 역할이 있습니다.