미래의 에너지 저장 수단으로 금속 연료를 사용할 수 있을까? 알루미늄과 철이 수소를 앞지르는 순간.

겨울철 전기 부족 문제에 대한 해결책은? 연구원들이 금속 분말, 즉 1리터의 철로 8시간 동안 사용할 수 있는 미래형 배터리를 개발하고 있습니다. 간과되었던 에너지 저장 분야의 혁명입니다.

에너지 전환은 역설적인 과제에 직면해 있습니다. 태양광 발전소는 여름에는 청정 전기를 잉여 생산하지만, 그중 일부는 사용되지 않고 버려지는 반면, 어둡고 추운 겨울철에는 심각한 전력 부족이 위협받고 있습니다. 이러한 계절적 불균형은 기후 중립으로 가는 길에 가장 고질적인 장애물 중 하나이며, 유럽은 화석 연료 수입에 막대한 비용을 지출해야 하는 상황에 계속 직면하고 있습니다. 대중의 논쟁은 종종 수소를 만병통치약으로 보는 반면, 잠재적으로 더 나은 대안이 연구의 그늘 속에서 성숙하고 있습니다. 바로 알루미늄이나 철과 같은 금속 연료에 에너지를 저장하는 것입니다.

겉보기에 특이해 보이는 이 아이디어는 자세히 살펴보면 기발하고 간단하면서도 견고한 해결책임을 알 수 있습니다. 이 원리는 가역적인 화학 순환에 기반합니다. 여름철 과잉 전기를 이용하여 금속 산화물을 순수한 금속으로 환원시키는데, 이 금속은 매우 밀도가 높고 안전한 에너지 운반체 역할을 합니다. 필요할 때, 이 금속들은 물과 조절된 방식으로 반응하여 동시에 사용 가능한 열과 수소를 방출하고, 이 수소는 다시 전기로 변환됩니다.

물리적 이점은 놀랍습니다. 알루미늄 1리터는 고압 수소보다 부피 기준으로 약 23배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 금속 분말이나 과립은 실온과 정상 압력에서 값비싼 고압 탱크나 극저온 냉각 없이 안전하게 저장 및 운송할 수 있습니다. 이는 금속 연료가 건물과 산업의 계절별 에너지 저장 방식에 혁명을 일으킬 뿐만 아니라, 전 세계 에너지 흐름을 재편하고 유럽이 지정학적 에너지 의존에서 벗어날 수 있는 길을 열어줄 수 있음을 의미합니다. 스위스와 독일의 시범 프로젝트는 이 기술이 단순한 실험실 아이디어가 아니라, 안전하고 완전 재생 가능한 에너지 공급을 위한 이전에는 부족했던 핵심 요소가 될 수 있음을 이미 보여주고 있습니다.

적합:

• OST 연구 – 스위스 동부 응용과학대학교 | 에너지 운반체 및 공급자로서의 금속 연료

스위스의 천재적 아이디어: 눈에 띄지 않는 금속 과립이 어떻게 우리의 에너지 의존성을 끝낼 수 있을까?

계절별 에너지 저장 문제는 에너지 전환 과정에서 가장 고질적인 문제 중 하나입니다. 유럽의 여름철 태양광 발전 잉여 전력은 꾸준히 증가하고 있지만, 겨울철에는 바로 이러한 에너지가 부족합니다. 알루미늄이나 철과 같은 금속 연료는 핵심 요소에서 수소보다 우수한 해결책을 제시하며, 에너지 부문을 근본적으로 변화시킬 수 있습니다.

유럽은 근본적인 에너지 문제에 직면해 있습니다. 스위스만 해도 태양광 발전의 대규모 확장에도 불구하고 2050년까지 겨울철 전력 부족이 약 8~10테라와트시에 이를 것으로 예상됩니다. 독일을 비롯한 유럽 연합 전체가 유사한 구조적 문제에 직면해 있습니다. 태양광 발전은 여름철 과잉 생산을 초래하여 일부는 감축해야 하지만, 겨울철에는 심각한 전력 부족을 초래합니다. 이러한 계절적 불균형은 유럽의 옥상과 공공 공간에 태양광 패널이 추가 설치될수록 더욱 심화됩니다. 동시에 난방 및 교통 부문의 전기화 증가로 인해 특히 겨울철 전력 수요는 더욱 심각해지고 있습니다.

유럽의 화석 연료 수입에 대한 에너지 의존도는 지속 가능한 에너지 저장 솔루션의 절실한 필요성을 강조합니다. 독일은 석탄, 석유, 가스 수입에 매년 800억에서 1,300억 유로를 해외로 이전하는 반면, 유럽 연합 전체는 3,000억 유로 이상을 해외로 이전합니다. 이 막대한 자금은 국내 인프라와 미래 기술에 투자되는 대신 국외로 유출되고 있습니다. 더욱이, 최근 몇 년간의 지정학적 격변은 이러한 의존성과 관련된 위험을 뼈저리게 보여주었습니다.

알루미늄이나 철과 같은 금속 연료는 에너지를 방출하기 위해 산소(O₂)를 필요로 합니다. 이 반응은 연소와 유사하지만, 종종 산화의 형태를 띱니다. 예를 들어,

알루미늄 + 산소 → 산화알루미늄(Al₂O₃)

철 + 산소 → 산화철 (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

이러한 반응은 많은 열을 방출하는데, 바로 이 에너지를 저장하는 데 사용하고자 하는 것입니다.

수소(H₂)는 오늘날 널리 알려진 에너지 운반체이지만, 저장과 운송이 어렵습니다.

금속 연료는 다음과 같은 이유로 대체 연료로 간주됩니다.

◾️ 매우 에너지가 풍부합니다.

◾️ 쉽게 운반 가능(고체, 휘발성 아님),

◾️ 재사용 가능합니다. 산화물은 재활용이 가능하며, 재생 가능한 전기를 사용하여 금속으로 환원될 수 있습니다.

일부 개념에서는 산화된 금속을 순수한 금속으로 전환하는 데 수소를 사용하기도 합니다.

금속 에너지 저장의 물리학

금속 연료의 기본 원리는 뛰어난 화학적 가역성에 기반합니다. 알루미늄, 철, 실리콘과 같은 금속은 환원 과정에서 전기 에너지로 충전될 수 있으며, 이때 산화물에서 산소가 방출됩니다. 생성된 순수 금속은 고도로 압축된 에너지 저장 장치 역할을 합니다. 필요한 경우, 이 과정은 역으로 진행됩니다. 금속은 물이나 증기와 반응하여 수소와 열을 생성합니다. 수소는 연료 전지에서 전기를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 생성된 열은 난방 시스템에 직접 공급될 수 있습니다.

에너지 밀도는 금속 연료와 기체 연료를 근본적으로 구분합니다. 알루미늄은 이론상 킬로와트시(kWh)/kg 이상의 에너지 밀도와 리터당 23킬로와트시(kWh) 이상의 체적 밀도를 달성합니다. 700bar의 고압으로 압축된 수소조차도 체적 기준으로 리터당 약 1킬로와트시(kWh)에 불과합니다. 철 1리터는 평균적인 독일 가정에 8시간 이상 에너지를 공급할 수 있는 반면, 고압으로 압축된 수소 1리터는 1시간도 버티지 못합니다.

이러한 물리적 특성은 광범위한 실질적인 영향을 미칩니다. 금속 분말이나 과립은 실온 및 상압에서 보관 및 운송할 수 있습니다. 값비싼 고압 탱크나 복잡한 냉각 기술이 필요하지 않습니다. 안전 요건은 기존 벌크 재료와 유사합니다. 미세 금속 분진과 같은 폭발 위험은 더 큰 과립을 사용함으로써 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 스위스 SPF 태양광 기술 연구소(OST)는 시중에서 구입할 수 있으며 특별한 안전 조치가 필요하지 않은 알루미늄 6060 와이어 과립을 사용합니다.

재료 후보의 비교

알루미늄은 금속 연료 중 가장 유망한 후보로 여겨집니다. 이론적으로 킬로와트시/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 가진 알루미늄은 다른 모든 무독성 금속을 크게 능가합니다. 물과 반응하면 저장된 에너지의 약 50%는 열로, 나머지 50%는 수소로 방출됩니다. 수소는 연료 전지에서 50% 효율로 전기로 변환될 수 있으며, 전체 에너지 비율은 약 75%의 열과 25%의 전기로 구성됩니다. 이러한 조합은 일반적으로 열 수요가 큰 건물 에너지 시스템에 이상적입니다.

알루미늄의 난제는 에너지 집약적인 생산에 있습니다. 1차 알루미늄 1kg당 약 13~17kW의 전기 에너지가 필요합니다. 이 공정에서 석탄 화력을 사용하면 알루미늄 1kg당 최대 20kg의 이산화탄소가 발생합니다. 재생 에너지를 사용하더라도, 기존의 홀-에루 공정은 탄소 양극이 소모되고 이산화탄소를 생성하는 반응으로 인해 알루미늄 1톤당 약 1.5톤의 이산화탄소를 배출합니다.

바로 여기서 혁신이 시작됩니다. 유럽 연구 프로젝트 REVEAL에서 OST가 이끄는 과학자들은 소위 불활성 양극을 사용하여 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 알루미늄 생산 공정을 개발하고 있습니다. 이 양극은 전기분해 과정에서 소모되지 않는 금속 합금으로 구성되어 이산화탄소 대신 순수한 산소를 방출합니다. 아이슬란드 파트너사인 IceTec은 쉽게 구할 수 있는 지열 및 수력 에너지를 활용하여 이 기술의 산업적 구현을 ​​위해 함께 노력하고 있습니다. Trimet과 같은 독일 기업들도 이 개발을 추진하고 있으며, 이미 시범 설비를 가동했습니다.

철은 실용적인 대안으로 자리매김하고 있습니다. 에너지 밀도가 킬로와트시(kWh/kg) 기준으로 약 0.2~0.3kWh로 알루미늄보다 현저히 낮지만, 다른 많은 저장 기술과 비교해도 경쟁력을 갖추고 있습니다. 철의 결정적인 장점은 가용성과 저렴한 비용입니다. 지구 지각에서 네 번째로 풍부한 원소인 철광석은 세계 시장 가격에 큰 영향을 미치지 않으면서도 사실상 무제한으로 공급됩니다.

철과 물이 반응하면 열이 거의 발생하지 않습니다. 저장된 모든 에너지는 생성된 수소로 전달되고, 수소는 약 50%의 효율로 전기로 변환될 수 있습니다. 이러한 비율 때문에 철은 전력 수요가 매우 중요한 분야에 특히 매력적입니다. 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)의 벤델린 슈타르크 교수가 이끄는 연구팀은 횔거베르크 캠퍼스에서 산화철을 이용하여 계절에 따라 수소를 저장하는 시범 시설을 운영하고 있습니다. 이 기술은 기존 수소 저장 기술보다 약 10배 저렴한 것으로 알려져 있습니다.

녹색 수소를 이용한 직접 환원은 이미 철 생산 분야에서 산업적으로 확립되었습니다. 아르셀로미탈과 티센크루프 같은 기업들은 수소 기반 철강 생산으로의 전환을 위해 노력하고 있습니다. 이 기술은 에너지 저장에 직접 사용될 수 있습니다. 성숙도는 9점 만점에 6점에서 7점 사이로 시장 진입 준비 단계에 근접했습니다. 이 플랜트는 정상 압력과 약 섭씨 800도에서 운전될 수 있어 기술적 복잡성을 제한합니다.

실리콘은 세 번째 선택지입니다. 알루미늄과 유사한 높은 에너지 밀도와 우수한 가용성을 갖추고 있습니다. 지각에서 산소 다음으로 풍부한 원소이기 때문에 자원 제약이 거의 없습니다. 태양광 산업 덕분에 생산 기술은 잘 확립되어 있습니다. 그러나 에너지 저장 매체로서 실리콘에 대한 연구는 알루미늄과 철에 비해 덜 발전되어 있습니다. 다름슈타트 공과대학교는 A-STEAM 프로젝트의 틀 안에서 실리콘을 연구하고 있지만, 산업 분야에 적용되기까지는 몇 년이 걸릴 것으로 예상됩니다.

변혁의 경제학

금속 연료의 경제적 타당성은 탄소 없는 금속 추출 생산 비용에 크게 좌우됩니다. 기존 알루미늄 가격이 톤당 약 2,650달러인 상황에서, 불활성 양극 기술이 산업적으로 도입될 경우 2035년에 약 400달러의 추가 비용이 발생할 것입니다. 장기적으로는 비용이 2020년 수준에서 안정화될 것으로 예상되지만, 기존 생산 방식을 그대로 유지할 경우보다 약 300달러의 프리미엄이 발생할 것으로 예상됩니다.

그러나 이러한 추가 비용은 전체적인 맥락에서 고려됩니다. 알루미늄 산업의 탈탄소화에 대한 투자는 약 1조 달러로 추산되며, 그중 약 절반은 저탄소 에너지 공급에 배정됩니다. 저탄소 양극재에는 2천억 달러가 예산으로 책정되어 있습니다. 이러한 투자는 동시에 알루미늄의 기존 용도를 훨씬 뛰어넘는 완전히 새로운 에너지 저장 시장의 토대를 마련합니다.

금속 저장을 통해 재생 에너지를 전기와 열로 다시 변환하는 전반적인 효율은 세 가지 금속 모두 50%에서 60% 사이입니다. 이 값은 처음에는 효율이 85%에서 95%인 리튬 이온 배터리에 비해 낮아 보입니다. 그러나 평가에는 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 첫째, 이 비교는 저장 기간이 비슷한 응용 분야에만 적용됩니다. 배터리는 몇 시간에서 며칠 동안 적합한 반면, 금속 연료는 몇 달에서 몇 년까지 적합합니다. 배터리의 경우, 저장 기간이 길어질수록 킬로와트시당 비용이 급격히 증가하는 데, 이는 투자 비용이 더 적은 사이클에 분산되기 때문입니다.

둘째, 열은 완전히 사용 가능한 에너지원으로 간주되어야 합니다. 난방이 필요한 건물의 경우, 열 75%와 전기 25%를 사용하는 시스템이 순수 전기보다 더 이상적일 수 있습니다. 순수 전기는 먼저 히트 펌프를 통해 변환되어야 합니다. 스위스 연구진은 알루미늄 저장 시스템을 통해 겨울철 전기 및 난방 비용이 킬로와트시당 약 20센티미터(약 20cm)가 될 것으로 예상합니다. 이는 많은 대체 에너지 공급 옵션과 경쟁력을 가질 수 있습니다.

수소를 이용한 전력-가스 전환(Power-to-Gas)은 열을 활용하지 않고 단순히 전기로 재전환할 경우 효율이 30~40%에 불과합니다. 메탄화를 적용하면 이 효율은 약 33%로 떨어집니다. 최적화된 열병합 발전(CHP)과 지속적인 폐열 활용을 통해서만 높은 발열량을 기준으로 80% 이상의 효율을 달성할 수 있습니다. 그러나 실제로 이러한 효율을 달성하는 경우는 드뭅니다. 더욱이 수소 저장 및 운송에는 상당한 비용이 발생합니다. 지하 염동굴은 지질학적으로 적합한 위치에서만 실현 가능합니다. 스위스처럼 이러한 지형이 없는 국가에서는 값비싼 지상 탱크나 수입품만 대안으로 남습니다.

기술마다 저장 비용은 상당히 다릅니다. 계절별 열에너지 저장 시스템은 저장된 에너지 1MWh당 25~400스위스프랑(약 250~400스위스프랑)의 비용이 듭니다. 전기 에너지의 경우, 양수 발전소의 비용은 1MWh당 약 100스위스프랑(약 1000프랑)이지만, 다른 계절별 에너지 저장 시스템의 비용은 10배 이상 증가합니다. 리튬 이온 배터리는 현재 저장 용량 1KWh당 400~1,000유로(약 490~1,000유로)의 비용이 듭니다. 이러한 가격은 크게 하락했지만, 계절별 저장에는 여전히 엄청나게 비쌉니다.

양수발전소는 일일 및 주간 주기로 매우 효과적으로 작동하여 70~85%의 효율을 달성합니다. 그러나 1년에 한 번만 주기를 갖는 계절별 저장의 경우, 추가 전력 1kWh당 2유로 이상의 비용이 발생합니다. 적합한 위치의 지리적 제약은 확장 가능성을 더욱 제한합니다. 재생에너지로 완전히 전환된 경제에서는 기존 양수발전 용량만으로는 충분하지 않을 것입니다.

시스템 통합 및 섹터 결합

금속 연료의 강점은 '부문 결합' 개념에 완벽하게 통합된다는 점에 있습니다. 이 용어는 전통적으로 분리되어 있던 전기, 열, 교통 부문을 연결하는 것을 의미합니다. 전기 부문의 재생에너지 전환은 이미 상당히 진전되었지만, 열 공급과 교통 부문은 여전히 ​​화석 연료에 크게 의존하고 있습니다. 유럽은 석탄, 석유, 가스 수입에 매년 3천억 유로 이상을 지출하고 있으며, 이는 자국 경제에 손실을 초래하고 있습니다.

금속 연료는 유연한 섹터 결합을 가능하게 합니다. 여름에는 잉여 태양광 발전 전력을 사용하여 금속 산화물을 환원합니다. 생성된 금속은 저장됩니다. 겨울에는 산화가 일어나 열과 수소가 생성됩니다. 열은 난방 시스템으로 직접 유입되며, 이상적으로는 히트 펌프와 결합하여 온화한 온도에서 효율을 높입니다. 수소는 연료 전지에서 전기로 변환되고, 이 과정에서 발생하는 폐열은 난방 시스템으로 다시 공급됩니다.

이러한 조합은 유럽 에너지 시스템의 핵심 문제를 정확히 해결합니다. 독일에서는 난방 수요가 전체 최종 에너지 소비량의 약 절반을 차지합니다. 이 중 상당 부분은 겨울철에 집중되어 있습니다. 주로 열을 공급하면서 상당한 양의 전기를 생산하는 에너지 저장 시스템은 이러한 수요를 완벽하게 충족합니다. 루체른 응용과학예술대학교는 주거용 건물의 지속적인 단열과 히트펌프를 결합하면 스위스의 겨울철 전력 부족을 사실상 해소할 수 있다고 분석했습니다. 금속 에너지 저장 시스템과 함께 이러한 시스템을 사용하면 여름철 잉여 전력을 최적으로 활용하여 안정적인 겨울철 전력 공급을 보장할 수 있습니다.

스위스 연구진의 모델에 따르면, 모든 다세대 주택에 금속 저장 시스템을 설치하면 2050년까지 예상되는 겨울철 전력 부족량인 8테라와트시를 크게 줄일 수 있습니다. 전체 다세대 주택의 절반만 설치해도 수 테라와트시에 달하는 전력을 공급할 수 있습니다. 이 솔루션의 분산형 구조는 값비싼 전력망 확장 조치를 피하고, 이중화를 통해 전력 공급의 안정성을 강화합니다.

산업 응용 분야에 대한 새로운 전망이 나타나고 있습니다. 공정 열은 산업 에너지 수요의 상당 부분을 차지합니다. 히트 펌프, 전극 보일러 또는 저항 가열을 이용한 직접 전기화는 기술적으로 실현 가능하며 이미 다양한 온도 범위에서 사용 가능합니다. 그러나 금속 연료는 특히 고온 공정 및 기저부하 안정성에 대한 해결책을 제공할 수 있습니다. 철 분말의 연소는 섭씨 1,800도 이상의 온도에 도달할 수 있으며, 이는 많은 산업 공정에 충분합니다.

전환된 석탄 화력 발전소는 금속 분말을 사용하여 운영될 수 있습니다. 연소, 증기 순환, 발전 등 기존 인프라를 최대한 활용할 수 있습니다. 생성된 금속 산화물은 회수하여 재생 에너지가 풍부한 시설로 운반하여 환원할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 기존 시설을 활용하고 일자리를 보존하며 동시에 탈탄소화에도 기여할 것입니다. 다름슈타트 공과대학교(TU Darmstadt)는 Clean Circles Initiative의 일환으로 이 개념을 연구하고 있습니다.

산업 초점: B2B, 디지털화(AI에서 XR까지), 기계 공학, 물류, 재생 에너지 및 산업

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기술적 성숙도 및 개발 전망

다양한 구성 요소의 기술적 성숙도는 상당히 다릅니다. 에너지 방출을 위한 금속 산화는 오랫동안 알려져 왔으며 이미 특수 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 알루미늄과 철 입자는 아리안 부스터 로켓, 불꽃놀이, 그리고 기타 불꽃놀이 응용 분야에 사용됩니다. 따라서 기본적인 화학 공정은 이미 숙달되어 있으며 이해되고 있습니다.

적당한 온도에서 물이나 증기를 이용한 제어 반응을 통해 열과 수소를 생산하는 기술은 현재 시범 단계에 있습니다. 라퍼스빌에 위치한 SPF 태양광 기술 연구소는 REVEAL 프로젝트의 일환으로 개발된 프로토타입을 시운전했습니다. 이 프로토타입은 가동되면 화학 공정을 통해 알루미늄에서 건물에 필요한 열과 전기를 생산하는 방법을 보여줄 것입니다. 생산된 에너지는 건물과 산업 시설에 전력을 공급하거나 지역 난방망에 공급할 수 있습니다.

취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)는 횔거베르크 캠퍼스에서 철 기반 수소 저장 시범 시설을 운영하고 있습니다. 각각 600kg의 산화철을 담은 스테인리스 스틸 탱크 3개는 장기적으로 약 10MWh의 수소를 저장할 수 있습니다. 이는 변환 기술에 따라 4~6MWh의 전기를 생산합니다. 이 시설은 2024년부터 운영되어 왔으며, 2026년까지 계절별 태양광 발전으로 캠퍼스 겨울철 전력 수요의 5분의 1을 충당할 수 있도록 확장될 예정입니다. 산화철을 최대 1,000톤까지 확장하면 2GWh의 전기를 생산할 수 있으며, 이는 낭드드랑스 양수 발전소 용량의 10분의 1에 해당합니다.

가장 큰 기술적 과제는 무탄소 금속 생산에 있습니다. 철의 경우, 친환경 수소를 이용한 직접 환원 기술은 이미 산업적으로 검증되었습니다. 현재 여러 철강 회사들이 시범 공장을 건설하고 있으며 2030년에서 2040년까지 점진적으로 전환할 계획입니다. 이 기술은 9점 만점에 약 7~8점의 성숙도를 보이며, 상업적 이용 가능성에 근접하고 있습니다.

불활성 양극 기술은 알루미늄 산업에서 획기적인 발전을 앞두고 있습니다. 에센에 위치한 Trimet은 2024년부터 생산 조건 하에서 시범 공장을 운영해 왔습니다. 2040년까지 산업 현장에 적용하고 2045년까지 기후 중립화를 달성할 것으로 예상하고 있습니다. 노르스크 하이드로(Norsk Hydro)와 리오틴토(Rio Tinto)와 같은 다국적 기업들도 이 기술에 막대한 투자를 하고 있습니다. 애플은 이미 스마트폰용 불활성 양극을 갖춘 파일럿 공장에서 첫 번째 알루미늄을 구매했습니다. 이는 이 기술의 상업적 관심과 신뢰성을 보여줍니다.

규모 확장은 여전히 ​​중요한 요소입니다. 전 세계 알루미늄 생산량은 연간 약 7천만 톤이며, 철강 생산량은 거의 20억 톤입니다. 계절별 에너지 저장에 크게 기여하려면 추가 생산 용량이 필요할 것입니다. 그러나 이것이 반드시 원자재 시장을 불안정하게 만들지는 않을 것입니다. 알루미늄과 철은 지구 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나입니다. 자원은 사실상 무한합니다. 생산량은 주로 저렴한 재생 에너지의 가용성에 의해 제한될 것입니다.

바로 여기에 중요한 기회가 있습니다. 재생 에너지에 대한 우수한 여건을 갖추고 있지만 국내 수요는 낮은 지역들이 금속 생산지가 될 수 있습니다. 지열과 수력 발전을 갖춘 아이슬란드, 강렬한 일조량을 자랑하는 북아프리카, 풍력 자원을 보유한 파타고니아 등은 대규모 수출용 금속을 생산할 수 있습니다. 운송은 간편하고 안전합니다. 컨테이너선은 액체 수소나 액화 천연가스에 수반되는 위험과 비용 없이 정상적인 조건에서 금속 입자를 운송할 수 있습니다.

세계 에너지 흐름 재고

금속 에너지 운반체를 통한 에너지 공급의 국제화는 세계 무역 흐름을 근본적으로 변화시킬 것입니다. 유럽은 화석 연료 수입에 매년 3천억 유로 이상을 지출합니다. 독일만 해도 8천억에서 1천3백억 유로를 지출합니다. 이 막대한 자금은 주로 유럽의 가치와 상충되는 정책을 펼치는 권위주의 정권 국가로 흘러들어갑니다. 이러한 수입에 자금을 지원하는 것은 지정학적 불안정을 심화시키고 유럽을 협박에 취약하게 만듭니다. 최근 에너지 위기가 뼈저리게 보여준 바와 같습니다.

금속 에너지 운반체로의 전환은 이러한 의존성을 해소하는 동시에 새로운 파트너십을 구축할 수 있습니다. 재생 에너지 자원이 풍부하지만 국내 산업화가 부족한 국가들은 귀중한 수출 전망을 확보하게 될 것입니다. 태양광 발전 잠재력을 갖춘 모로코, 풍력 및 지열 발전 용량을 갖춘 칠레, 재생 에너지에 적합한 광활한 국토를 보유한 호주는 금속 생산국이 될 수 있습니다. 이 국가들은 대부분 민주주의 국가이며 유럽과 근본적인 가치를 공유합니다. 따라서 에너지 수입은 독재 정권을 지원하는 것이 아니라 개발 자금 조달에 기여할 것입니다.

금속 연료의 순환 경제는 화석 연료의 순환 경제와 근본적으로 다릅니다. 석탄, 석유, 가스는 비가역적으로 연소되어 온실가스로 전환됩니다. 반면 금속은 폐쇄 루프 형태로 순환합니다. 산화된 금속은 환원 공장으로 다시 운반되어 재장전됩니다. 이 순환은 이론적으로 물질 손실이나 분해 없이 무한히 반복될 수 있습니다. 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 연구진은 철 반응기의 저장 용량이 순환할 때마다 조금씩 증가하는 것을 관찰했습니다.

이러한 순환적 접근 방식은 광범위한 경제적 파급 효과를 가져옵니다. 금속 생산에 대한 투자는 여러 사이클에 걸쳐 투자 비용을 회수합니다. 사이클마다 용량이 감소하는 배터리와 달리, 금속 저장 시스템은 무한정 사용 가능합니다. 환원 및 산화 설비와 금속 자체에 대한 초기 투자는 상당할 수 있지만, 수십 년이 지나면 저장된 킬로와트시당 비용은 경쟁력을 갖추게 됩니다.

스위스 연구진의 모델 계산은 알루미늄 저장 시스템의 전기 및 열 비용이 킬로와트시당 약 20상팀(centime)이라고 가정합니다. 이는 재생에너지 생산 비용과 비슷하며 겨울철 최대 부하 전력 비용보다 훨씬 낮습니다. 기술 성숙도와 확장성이 높아짐에 따라 비용은 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다. 태양광 및 풍력 에너지의 역사는 학습 곡선 효과로 인해 비용이 얼마나 극적으로 절감될 수 있는지를 보여줍니다.

위험과 과제

유망한 잠재력에도 불구하고, 상당한 어려움과 위험 요소가 여전히 존재합니다. 기술 개발은 아직 완료되지 않았습니다. 특히, 불활성 양극을 이용한 이산화탄소 무함유 알루미늄 생산은 이제 막 산업화 단계로 접어들고 있습니다. 이 기술을 확립하려는 이전의 수많은 시도는 실패로 끝났습니다. 불활성 양극은 획기적인 성과를 거두지 못한 채 항상 완성 직전에 있다는 평을 받고 있습니다.

전기료 상승은 문제를 야기합니다. 불활성 양극은 이산화탄소를 배출하지 않을 뿐만 아니라 탄소 양극처럼 공정 에너지를 제공하지도 않습니다. 따라서 알루미늄 1톤당 전기 수요가 증가합니다. 이미 유럽의 높은 에너지 비용을 고려할 때, 이는 경쟁력을 약화시킬 수 있습니다. 알루미늄 생산은 에너지 가격이 특히 저렴한 지역으로 더욱 이전될 수 있으며, 유럽은 단순한 수입국으로 전락할 것입니다.

재생에너지 경쟁이 심화되고 있습니다. 수많은 산업 분야에서 전기화를 위해 노력하고 있습니다. 산업계는 화학 공정과 철강 생산을 위해 친환경 수소를 필요로 합니다. 교통수단은 수백만 대의 전기차로 전기화되고 ​​있습니다. 데이터 센터를 갖춘 디지털 인프라는 점점 더 많은 전력을 소비하고 있습니다. 이러한 경쟁 환경에서 금속 저장 솔루션은 여전히 ​​경제적 우위를 입증해야 합니다.

인프라 요건은 상당히 높습니다. 겨울철 에너지 공급에 크게 기여하려면 수백만 개의 분산형 저장 시스템이나 대규모 중앙 집중형 시설이 필요할 것입니다. 이러한 인프라 구축에는 시간, 자본, 그리고 정치적 의지가 필요합니다. 이러한 시스템의 투자 회수 기간은 수십 년에 달할 수 있으며, 이는 민간 투자자들의 투자를 저해할 수 있습니다. 정부 보조금과 규제 인센티브가 필요할 가능성이 높습니다.

대규모로 확장된 금속 생산이 환경에 미치는 영향은 비판적으로 검토되어야 합니다. 생산 공정이 탄소 중립적이라 하더라도, 막대한 양의 전기를 소비합니다. 이 전기는 다른 모든 에너지 수요와 더불어 재생 가능 에너지원에서 공급되어야 합니다. 풍력 및 태양광 발전소 건설에 필요한 토지는 상당합니다. 더욱이 알루미늄 생산을 위한 보크사이트 채굴에는 대규모 채굴이 필요하며, 이는 생태적, 사회적 결과를 초래합니다.

새로운 에너지 기술에 대한 대중의 수용은 매우 취약합니다. 모든 대규모 산업 시설은 지역 주민들의 저항에 직면합니다. 풍력 터빈, 태양광 발전소, 그리고 송전선 건설은 시민 주도의 노력으로 지연되거나 방해를 받는 경우가 많습니다. 고온에서 작동하고 상당한 양의 전기를 소비하는 금속 환원 공장 또한 비슷한 저항에 직면할 수 있습니다. 이점, 위험, 그리고 환경적 영향에 대한 투명한 소통이 필수적입니다.

유럽에 대한 전략적 관점

유럽에 있어 금속 연료 개발은 미래 시장에서 기술 리더십을 확립할 수 있는 전략적 기회를 제공합니다. 스위스와 독일의 연구 기관들은 이 분야를 선도하는 세계적인 기관들입니다. REVEAL 프로젝트는 유럽의 주요 파트너들을 하나로 모으는 프로젝트입니다. 유럽에서는 야금, 화학 공정 공학, 에너지 시스템 통합 분야의 산업 전문 지식을 쉽게 활용할 수 있습니다.

유럽의 조율된 전략은 여러 요소를 포함할 수 있습니다. 첫째, 연구 자금 지원의 지속 및 강화입니다. 이전 투자는 상당한 진전을 이루었습니다. 자금 지원 규모를 확대하면 기술 우위를 더욱 확대할 수 있습니다. 둘째, 시장 진입을 위한 규제적 인센티브를 마련하는 것입니다. 발전차액지원제도(FIT) 또는 투자 보조금은 조기 도입자들에게 동기를 부여할 수 있습니다.

셋째, 유럽 에너지 인프라 전략과의 통합입니다. 계획된 수소 네트워크는 금속 에너지 운반체도 수용할 수 있도록 확장될 수 있습니다. 기존 가스 인프라는 부분적으로 재활용될 수 있습니다. 넷째, 금속 생산에 이상적인 조건을 갖춘 국가들과의 국제 협력입니다. 북아프리카 국가들과의 개발 파트너십, 남미 생산 시설 투자, 또는 아시아로의 기술 이전을 통해 윈-윈(win-win) 상황을 조성할 수 있습니다.

지정학적 차원을 과소평가해서는 안 됩니다. 화석 연료 수입 의존도 감소는 유럽의 정치적 행동의 자유를 크게 증가시킵니다. 겨울철 국내 또는 신뢰할 수 있는 해외 에너지원을 통해 에너지 공급을 확보할 수 있는 능력은 외부 충격에 대한 회복력을 강화합니다. 에너지원과 공급망을 다각화하면 권위주의 정권의 협박 가능성을 줄일 수 있습니다.

동시에 새로운 의존성도 생겨납니다. 유럽은 현재 화석 연료에 의존하는 것과 유사하게 금속 수입에 의존하게 될 가능성이 있습니다. 차이점은 금속의 가역성과 순환성에 있습니다. 금속은 재활용 및 재사용이 가능합니다. 이는 유한한 화석 자원에서 나타나는 실존적 희소성을 방지합니다. 더 나아가, 충분하고 저렴한 재생 에너지가 공급된다면 원칙적으로 유럽 내에서 생산이 이루어질 수 있습니다.

에너지 저장의 미래

금속 연료는 에너지 전환 과제에 대한 유일한 해결책이 될 수 없습니다. 오히려 다양한 저장 기술 포트폴리오의 일부가 될 것입니다. 리튬 이온 배터리는 단시간(몇 시간에서 며칠) 동안은 그 성능을 유지할 것입니다. 양수 수력 발전소는 전력망 안정화와 일·주간 변동의 균형을 맞추는 데 필수적입니다. 수소는 산업계에서 공정 가스 및 환원제로 사용될 것입니다.

금속 연료는 계절별 장기 저장, 특히 열 공급에 특화된 분야입니다. 높은 에너지 밀도, 취급 용이성, 저렴한 원자재, 그리고 우수한 섹터 결합력이라는 장점을 모두 갖추고 있습니다. 이러한 장점들을 결합하면 다른 기술보다 우수합니다. 향후 연구를 통해 이러한 이론적 장점이 실제로 얼마나 빨리 실현될 수 있는지 확인할 수 있을 것입니다.

앞으로 몇 년이 매우 중요할 것입니다. 현재 여러 시범 공장이 가동 중이거나 건설 중입니다. 이러한 프로젝트를 통해 얻은 경험은 기술적, 경제적 기대가 충족되는지 여부를 보여줄 것입니다. 불활성 양극 기술의 개발은 이산화탄소 없는 알루미늄 생산이 실제로 대규모로 가능해질지 여부를 결정할 것입니다. 업계와 정책 입안자들의 이 기술에 대한 투자 의지가 향후 개발 일정을 결정할 것입니다.

금속 저장 시스템을 기존 에너지 시스템에 통합하려면 기술 혁신뿐만 아니라 규제 및 시장 관련 혁신도 필요합니다. 금속 저장 시스템의 특수성을 고려한 새로운 사업 모델을 개발해야 합니다. 투자 안정성을 확보하기 위해서는 생산자, 저장 운영자, 에너지 공급자 간의 장기 계약이 필수적입니다. 기후 및 에너지 관련 편익에 대한 평가는 적절한 시장 가격 또는 지원 메커니즘에 반영되어야 합니다.

에너지 저장에 대한 공론은 더욱 확대되어야 합니다. 너무 오랫동안 논의는 수소를 보편적인 해결책으로만 여겨져 왔습니다. 하지만 현실은 더욱 복잡합니다. 다양한 응용 분야에는 각기 다른 해결책이 필요합니다. 금속 연료는 이러한 환경에서 중요한 위치를 차지할 자격이 있습니다. 그 장점은 무시할 수 없을 만큼 중요하며, 잠재력은 너무나 크기 때문에 활용되지 않고서는 안 됩니다.

에너지 시스템의 변혁은 금세기 최대의 기술적, 경제적 과제 중 하나입니다. 혁신을 위한 용기, 투자 의지, 그리고 새로운 해결책에 대한 열린 마음이 필요합니다. 금속 연료는 그러한 해결책 중 하나를 제시합니다. 금속 연료는 단순한 실험실의 호기심을 넘어, 계절별 에너지 저장의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력을 지녔으며, 겨울철 전력 부족 문제를 해결하는 토대가 될 수 있고, 에너지 자립으로 가는 길을 열어줄 수 있습니다. 금속 연료는 수소를 대체하는 것은 아니지만, 수소를 효과적으로 보완하고 일부 응용 분야에서는 수소를 능가하는 대안입니다. 향후 개발에는 관심과 지원, 그리고 비판적인 검토가 필요합니다. 앞으로 몇 년 안에 금속 연료가 그 약속을 실현할 수 있을지가 판가름날 것입니다.

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