CO₂ 에너지 저장시스템, 신재생에너지 시대 리튬 배터리 대안으로 '기대'

기존 리튬 이온 배터리의 대안이 될 수 있는 또 다른 새로운 에너지 저장 시스템(ESS)이 등장할 전망이다.

이탈리아 스타트업 에너지 돔(Energy Dome)은 대표적인 온실가스 중 하나인 이산화탄소(CO₂)의 특징을 이용, 기존 리튬 이온 배터리보다 훨씬 저렴한 비용으로 훨씬 더 많은 저장 공간을 제공할 수 있는 새로운 ESS 개발에 나서고 있다.

최근 프로젝트 자금을 확보한 에너지 돔은 이탈리아 사르디니아 지방 누오로(Nuoro)의 오타나(Otttana) 시에 최초의 '열-기계 에너지 저장 시스템'을 구축하고 오는 2024년 3분기에 가동을 시작할 예정이다.


기후위기가 닥쳐오면서 풍력과 태양광 등 신재생에너지가 기존 화석 연료 에너지의 대안으로 떠오르고 있다. 하지만, 기상 조건에 따라 불규칙적으로 전력을 생산하는 풍력 및 태양광 에너지의 특성 상, 당장 사용하지 않는 전기를 장기간 보존할 수 있는 ESS는 필수 요소로 꼽힌다.
기존에 ESS 용도로 주로 사용하는 리튬이온 배터리는 풍력과 태양광 등으로 생산한 에너지를 별다른 전환 과정 없이 간편하게 전기로 저장하는 데 적합하다. 하지만 현재 배터리 기술로는 발전한 전력을 약 4~6시간만 저장할 수 있다. 최신 시스템의 경우도 최대 약 8시간 보존이 한계다.

이는 일일 그리드 관리 작업을 수행하기에 충분한 시간이지만, 현재 그보다 많은 양의 재생 가능 에너지가 그리드 시스템으로 유입되고 있다. 미래의 그리드 탄력성을 위해서는 최소 10시간의 저장 용량이 필요하며, 이상적으로는 24시간 또는 그보다 긴 저장 시간이 필요하다.


짧은 에너지 저장 시간과 유지·운영 비용 등으로 인해 현재 리튬이온 배터리 기반 ESS는 재생에너지로 얻는 전력이 늘어나더라도 전력 수요가 낮은 시간에는 오히려 발전 용량을 줄여야 한다.

그 대안으로 나온 것 중 하나가 액화 CO₂를 사용하는 방법이다. 상온에서 기체인 CO₂는 압축하면 액체 상태에 도달하고, 열을 주면 다시 팽창한다.
특히 압축기로 액화된 CO2는 기체 상태에 비해 부피가 대폭 줄어든다. 1리터의 CO₂가스를 액화하면 부피는 약 0.003리터로 줄어든다. 이는 같은 부피에 약 300배 더 많은 CO₂가스를 저장할 수 있는 셈이다.

에너지 돔의 CO₂기반 ESS는 액화한 CO₂를 지층이나 심해에 저장한다. 최대 24시간 분량에 달하는 에너지를 저장할 수 있다.

전력 수요가 낮을 때는 재생에너지로 압축기를 가동해 공기를 액체 CO₂로 변환해 저장소로 보내고, 전력 수요가 높을 때는 액화 CO₂에 열을 가해 가스로 팽창시켜서 발전용 터빈을 돌려 전기를 생성한다.

이 새로운 기술은 기존 리튬 이온 배터리 기반 ESS보다 저렴하고, 훨씬 많은 저장 용량을 제공하는데다, 유지 관리가 쉬운 것이 장점이다.


에너지 돔은 현재 이탈리아와 미국에서 각각 CO₂기반 ESS 시스템 프로젝트를 2개 진행하고 있다.

이탈리아 프로젝트는 사르디니아 지방의 오타나에서 진행 중이며, 2024년 3분기까지 약 20MWh(메가와트시) 규모의 시스템을 구축할 예정이다. 이는 미국 에너지부가 요구한 10시간 지속 시간 기준을 충족한다.

미국은 정부가 직접 장기 에너지 저장 기술 개발에 적극적으로 투자하고 있다. 지난 2021년 미국 에너지부는 초당적 기반시설법에 따라 250억 달러의 자금을 장기 에너지 저장 기술 개발을 지원하고 있으며, 2030년까지 10GW(기가와트) 이상의 장기 에너지 저장 용량을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

미국에서 진행 중인 프로젝트는 위스콘신주 포티지 타운에서 진행하고 있으며, 20MWh 규모로 2026년까지 구축을 완료할 방침이다. 이곳에는 미국 에너지부와 위스콘신주 공공 에너지기업 '얼리언트 에너지' 등도 참여 중이다. 이번 프로젝트가 성공적으로 완료되면 미국 전역으로 CO₂기반 ESS 기술이 확산될 전망이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com