3'50" 읽기
- 엘리베이터 시스템을 통해 모래가 광산 샤프트 아래로 내려갈 때 연결된 발전기는 그리드에 공급할 수 있는 전기를 생산
- 광산 저장 시스템의 용량은 전 세계적으로 최대 70TWh(테라와트시)

에너지 저장 장치로서의 오래된 광산
광산 샤프트의 모래 운송은 과도한 전기를 저장하는 데 도움이 될 수 있다.

새로운 종류의 양수 저장소:
오래된 광산은 모래와 중력의 도움을 받아 과도한 전기와 저장 에너지의 균형을 맞추는 데 도움이 될 수 있다고 연구자들이 제안했다. 엘리베이터 시스템을 통해 모래가 광산 샤프트 아래로 내려갈 때 연결된 발전기는 그리드에 공급할 수 있는 전기를 생산한다. 반면에 잉여 전기가 있으면 광산에 퇴적된 모래를 표면으로 다시 가져오는 데 사용할 수 있다. 이러한 광산 저장 시스템의 용량은 전 세계적으로 최대 70TWh(테라와트시)이다. 

▲ 그림 1. (a) 전 세계 광산 활동, (b) 1983년부터 2019년까지 미국에서 운영된 지하 광산 수 (출처:관련논문 Underground Gravity Energy Storage: A Solution for Long-Term Energy Storage /MDPI)Published: 11 January 2023

태양과 바람으로부터 전기를 생산하는 데는 일일 및 계절 변동이 크다. 전력망의 수요와 공급의 단기적 변동은 특수 배터리나 수소와 같은 화학적 저장 장치로 보상할 수 있지만, 저장고 형태의 펌핑 저장 장치는 지금까지 주로 더 크고 장기적인 변동에 사용되었다. 그러나 그들은 많은 공간을 필요로 하고 모든 곳에서 구현될 수 없다.

그렇기 때문에 과학자들은 예를 들어 호수 바닥의 수중 저장 탱크 또는 해저의 압축 공기 저장소와 같이 지표 아래에 잠재 중력 에너지를 사용하는 펌핑 저장 시스템을 설치하는 방법을 오랫동안 찾고 있다. 루르(Ruhr) 지역의 이전 탄광에 있는 지하 양수식 저장 발전소도 고려되었지만 높은 비용으로 인해 구현되지 않았다.

▲ 지하 중력 에너지 저장 시스템: 다양한 시스템 섹션의 개략도.(출처:관련논문 Fig 3)

물 대신 모래

오스트리아에 있는 IIASA(International Institute for Applied Systems Analysis)의 Julian Hunt와 그의 동료들은 현재 또 다른 대안을 제안하고 있다. 그들의 아이디어는 지하 펌프 저장을 위한 저장 매체로 물 대신 모래를 사용하고 저장 위치로 저수지 대신 광산을 사용하는 것이다. "광산에는 이미 필요한 인프라가 있고 전력망에 연결되어 있어 비용이 절감되고 양수 저장소로 쉽게 전환할 수 있다"고 Hunt는 설명했다.

"지하 중력 에너지 저장"(UGES)이라고 불리는 이 방법은 에너지 저장 및 복구를 위해 광산 샤프트의 고도 차이를 사용한다. "이 중력 저장 시스템을 사용하면 수요가 높을 때 전기를 생산하기 위해 광산 바닥이 모래로 채워진다"고 연구원은 설명한다. “광산이 깊고 넓을수록 더 많은 에너지를 추출할 수 있다. 전기가 저렴하고 충분하다면 모래는 광산에서 지표면으로 다시 운반된다.”

▲ 그림 5. (a) 지하 중력 에너지 저장 장치와 UGES의 상부 저장 위치 배치 (b) 완전 충전 및 (c) 방전.

에너지 변환기로서의 엘리베이터 시스템

정확히 어떻게 작동할까? 펌핑된 물 저장 터빈에서 위치 에너지를 전기로 변환하는 동안 광산 저장고의 특수 엘리베이터 시스템이 이를 수행한다. 화물 컨테이너에는 모래 카트가 이동 및 회생 제동으로 수동적으로 내려갈 때 전기를 생성하는 발전기가 있는 롤러 시스템이 장착되어 있다. "이러한 영구 자석 모터 기어는 92% 이상의 효율성을 가지고 있다"고 연구원들은 설명했다.
자동 굴착기와 컨베이어 벨트는 모래를 표면과 터널의 컨테이너로 운반한다. 이들은 전기로 구동되기 때문에 예를 들어 내리막길을 주행하거나 브레이크를 밟을 때 에너지의 일부를 회수할 수도 있다고 팀은 설명했다. 전반적으로 그들은 광산 저장소의 효율성을 70~80%로 설정했다.

작은 양수 발전소와 같은 용량

Hunt와 그의 팀은 샤프트 높이, 모래 양 및 저장 주기 기간이 다른 UGES 시스템의 예를 사용하여 그러한 UFGES 시스템이 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지 계산했다. "200미터 깊이의 샤프트, 1미터 x 1미터 크기의 화물 컨테이너 및 초당 0.25미터의 운송 속도를 갖춘 프로젝트는 0.35MW(메가와트)의 전기를 생성할 수 있다"고 연구원들은 보고했다.

▲ 그림 8. 지하 광산의 공간적 분포와 각각의 깊이.

더 깊은 샤프트와 더 큰 컨테이너를 사용하면 출력이 증가한다. 1,000m 깊이와 4x4m 화물 크기에서 생성되는 전기의 양은 113MW로 증가한다. 헌트와 그의 팀은 "이는 대략 작은 수력 양수 발전소의 용량과 맞먹는다"고 말했다. 추운 지역에서는 이러한 광산 저장 시설을 지열 에너지 발전과 결합할 수도 있다. 그런 다음 에너지 용량은 화물로 상 변화 물질을 사용하여 추가로 증가할 수 있다.

▲ 그림 9. 지하 광산의 공간적 분포와 저장 가능성.

주로 건조한 지역에서 가치가 있음

비용은? "UGES 시설의 에너지 저장 비용은 높이 1,500미터에서 킬로와트시당 1달러에서 고도 200미터에서 킬로와트시당 10달러까지 다양하다"고 과학자들은 말했다. 그러나 설치된 용량을 기준으로 비용은 킬로와트당 약 2,000~4,000달러입니다. 이는 양수식 저장 발전소의 2~4배다.

▲ 그림 10. 국가별 지하 중력 에너지 저장 잠재력(GWh).

"투자 및 운영 비용이 낮다는 점에서 후자에 우선순위를 두어야 한다"고 연구자들은 인정했다. "그러나 공간이나 물 부족 또는 부적합한 지하수 보호로 인해 양수 저장 시설이 불가능하다면 UGES가 대안을 제시한다." 지하수 양수 저장 발전소와 달리 모래는 지하수와 저장 터널은 밀폐할 필요가 없다.

▲ 그림 12. 전 세계 주요 지역별 에너지 저장 잠재력 및 사이트 수.

최대 70TWh(테라와트시)의 글로벌 잠재력

"경제를 탈탄소화하려면 에너지 시스템을 재고하고 기존 자원을 기반으로 혁신적인 솔루션을 찾아야 한다"고 IIASA의 공동 저자인 Behnam Zakeri는 말한다. “폐광을 에너지 저장 장치로 전환하는 것은 가능한 많은 솔루션 중 하나의 예일 뿐이다. 우리는 그것들이 어떻게 사용되는지 적응해야 한다.” 연구원들은 또한 최근 에너지를 저장하기 위해 고층 건물에서 엘리베이터 시스템의 잠재력을 조사했다.

전 세계 연구원들은 사용 가능한 광산 저장 용량을 7~70테라와트시 이상으로 추정한다. 중국에서만 5TW(테라와트)의 잠재력이 있으며, 인도와 미국에서는 이러한 UGES 시스템이 약 649 및 579GW의 전기를 저장할 수 있다. 유럽에서도 오래된 광산의 용량은 550기가와트시 이상이라고 Hunt와 그의 동료들은 보고했다.
(Energies, 2023; doi: 10.3390/en16020825)
출처: Energies, International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]