열기를 품은 벽돌이 중공업처럼 심각한 오염을 초래하는 산업에서 재생에너지 사용을 가능하게 할 비법이 될 수 있다고 생각하는 소수의 스타트업들이 있다.

철강에서 이유식에 이르기까지 다양한 제품을 생산하는 산업에는 많은 열이 필요하다. 현재 이러한 열은 대부분 천연가스 같은 화석 연료를 태워서 얻는다. 중공업은 전 세계 온실가스 배출량의 4분의 1을 차지하지만, 온실가스 배출량이 적은 대체 동력원(풍력과 태양광 등)으로는 공장에서 제품을 제조할 때 필요한 열을 지속적으로 공급할 수 없다.

이러한 상황에서 열 배터리(heat battery)가 대안으로 떠올랐다. 점점 더 많은 회사들이 청정 전기로 생산한 열을 붙잡아서 나중에 사용하기 위해 벽돌 더미에 저장하는 시스템을 구축하고자 노력하고 있다. 이러한 시스템은 대부분 설계가 단순하고, 시중에서 이용 가능한 재료를 사용하며, 필요한 장소에 신속하게 구축될 수 있다. 캘리포니아에서는 올해 초에 한 곳에서 시범 가동을 시작했고, 다른 시범 시스템들이 뒤이어 예정되어 있다. 이러한 시스템들은 여전히 초기 단계이지만, 열 저장 시스템은 산업체들이 화석 연료 사용을 줄이는 데 도움을 줄 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

미래의 토스터

열 배터리의 잠재적인 성공 비결 중 하나는 단순성이다. 캘리포니아에 본사를 둔 열 저장 스타트업 론도 에너지(Rondo Energy)의 CEO 존 오도넬(Hone O’Donnell)은 “열 배터리 시스템의 규모를 크게 확장하고 싶다면, 열 배터리가 지루하지만 신뢰할 수 있다는 점에 모두가 동의하면 된다”고 말한다.

론도 에너지는 지난 3월 캘리포니아의 에탄올 공장에 첫 상업용 시범 시스템을 배치했다. 이 시스템은 기본적으로 세심하게 설계된 벽돌 더미로 이루어져 있다.

론도 에너지의 시스템에서 전기는 발열체를 통해 이동하여 열로 변환된다. 오도넬은 이것이 토스터에 사용되는 것과 같은 방식이라고 말한다. 단지 토스터보다 훨씬 더 크고 더 뜨거울 뿐이다. 그렇게 변환된 열은 벽돌 더미를 통해 방출되며, 벽돌의 온도를 1,500℃ 이상으로 높인다.

벽돌을 보관하는 강철 단열 컨테이너는 벽돌들의 온도를 몇 시간 또는 심지어 며칠 동안 뜨겁게 유지할 수 있다. 가둬놓은 열을 사용할 때가 되면, 송풍기들이 벽돌을 향해 공기를 내뿜는다. 공기는 벽돌 틈새를 통해 이동하며 최대 1,000℃까지 도달할 수 있다.

오도넬은 그 후에 열이 최종적으로 어떻게 사용되는지는 산업 공정에 따라 달라질 것이라고 말한다. 그러나 많은 시설에서는 아마도 물을 고압 증기로 바꾸는 데 이렇게 확보한 열을 사용할 것이다.

캘리포니아의 바이오 연료 공장에 설치된 론도 에너지의 시범 프로젝트에서 증기는 에탄올을 생산하는 발효 과정에서 사용된다. 많은 다른 산업 공정에서는 증기를 사용해서 원자로나, 정제 같은 다른 단계에서 온도를 조절한다.

열 배터리는 1,000°C가 넘는 온도가 필요한 시멘트 및 철강 생산 등 오늘날 증기를 사용하지 않는 고온 공정을 위해 특별히 설계될 수 있다.

많은 산업 공정이 하루 24시간 내내 운영되기 때문에 지속적인 열 공급이 필요하다. 열 전달을 세심하게 제어하는 방식을 통해 론도 에너지의 시스템은 재생에너지원으로 전기를 저렴하게 이용할 수 있는 짧은 기간을 활용해서 빠르게 충전할 수 있다. 론도 에너지의 열 배터리를 이용해서 밤낮으로 끊임없이 열을 공급하려면 약 4시간의 충전이 필요할 것이다.

엄청난 양의 열

열 저장 기술의 주요 과제 중 하나는 중공업의 막대한 에너지 수요를 충족시킬 수 있을 정도의 시스템을 구축하는 것이다. 비영리단체 클라이밋웍스(ClimateWorks)의 산업 부문 수석 담당자 레베카 델(Rebecca Dell)은 중공업 분야에서 ‘어마어마한’ 양의 열을 사용한다고 말한다. 매년 산업계에서 사용되는 모든 에너지 중에서 약 4분의 3은 열 에너지이며, 전기는 4분의 1에 불과하다. 산업용 열은 전 세계 에너지 수요의 약 20%를 차지한다.

화석 연료는 이러한 대규모 산업 공정에 동력을 공급하는 가장 명확하고 경제적인 방법이었다. 그러나 풍력 발전과 태양광 발전 가격이 지난 수십 년 동안 90% 이상 하락했다. 델은 이러한 가격하락 덕분에 전기가 산업 전반에 걸쳐 더 큰 역할을 할 가능성이 커졌다고 말한다.

오도넬은 “우리는 열을 발생시키기 위해 무언가를 태우는 행위를 멈추고 더 저렴하게 열을 공급할 수 있는 매우 대단한 순간에 서 있다”고 말한다.

산업계에서 저렴한 재생에너지를 사용하기 위한 잠재적인 선택지가 몇 개 더 있다. 일부 시설들은 고열 대신에 전기를 직접 사용하도록 조정할 수 있다. 예를 들어, 기존 공장의 모든 인프라를 교체하는 데 수십 년이 걸릴 수도 있지만 기업들은 시멘트와 강철을 생산하기 위해 전기화학 공정을 연구하고 있다. 전기를 사용해서 수소를 만들고 나중에 수소를 태워서 다시 전기를 만드는 것 또한 여전히 비용이 매우 많이 들고 비효율적인 경우가 많기는 하지만 또 다른 잠재적인 방법이기도 하다.

산업계의 막대한 열 수요를 충족시키려는 모든 노력에는 상당한 전력 생산 확대가 필요할 것이다. 델에 따르면 표준 시멘트 공장은 거의 항상 열의 형태로 약 250메가와트의 에너지를 사용한다. 이 정도 에너지는 주민 25만 명의 사용량에 해당하기 때문에 대규모 산업 시설을 전기화하면 거의 소도시에 해당하는 전력 수요가 추가된다는 의미가 된다.

한 번에 벽돌 하나

열 배터리를 산업계에 접목하려고 시도하는 것은 론도 에너지뿐만이 아니다. 캘리포니아에 본사를 둔 안토라 에너지(Antora Energy)도 탄소를 사용하는 열 저장 시스템을 구축하고 있다. 회사의 공동 설립자이자 최고운영책임자(COO)인 저스틴 브리그스(Justin Briggs)는 “시스템은 매우 단순하다. 말 그대로 고체 블록에 불과하다”고 말한다.

안토라 에너지의 시스템은 전기를 열로 전환하기 위해 별도의 발열체(론도 에너지의 ‘토스터 코일(toaster coil)’같은)를 사용하는 대신에 탄소 블록을 저항성 히터(resistive heater)로 사용하여 열을 생성하고 저장한다. 브리그스는 이를 통해 비용과 복잡성을 줄일 수 있다고 설명한다. 그러나 흑연이나 다른 형태의 탄소는 공기 중에서 고온에 분해될 수 있기 때문에 이 시스템은 주의 깊게 밀봉되어야 한다.

안토라 에너지는 단순히 산업계에 열만 공급하는 대신에 전기를 공급하는 선택지도 제공할 계획이다. 안토라 에너지의 접근방식은 태양 에너지를 포획하는 태양광 패널과 유사한 장치인 열광전지(thermophotovoltaics)를 활용한다. 태양광 대신 안토라 에너지의 장치는 뜨거운 블록에서 방출되는 열 에너지를 포획하여 전기로 변환한다.

열을 열로 변환하는 저장 시스템은 효율성이 90%를 넘길 수 있지만, 열을 전기로 변환하는 것은 훨씬 더 어려운 일이다. 안토라 에너지의 장치는 오늘날 사용되는 많은 가스 터빈과 비슷한 양의 전기를 생산하는 데 사용될 때 50% 미만의 효율성을 보인다.

안토라 에너지는 현재 캘리포니아 프레즈노에 첫 번째 시범 시스템을 구축하고 있다. 이 시스템은 대략 선적 컨테이너 정도의 크기이며 올해 말부터 가동될 예정이다.

시중에서 이용 가능한 재료를 사용한다고 해도 열 저장이 제조업체에 역할을 입증하고 산업계의 온실가스 배출을 의미 있는 수준으로 줄이려면 상당한 시간이 걸릴 것이다. 그러나 이 기술은 기후 친화적인 신산업 분야를 이루는 중요한 부분이 될 수 있다. 오도넬은 “우리는 ‘제로카본(zero-carbon)’ 경제로 전환하는 데 필요한 모든 도구를 가지고 있다”고 말한다. 이제 그것들을 만들 시간이다.