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- 2016년 독일 콘스탄스 호수에서 3미터 크기의 속이 빈 구체 사용한 첫 번째 테스트
- 2026년 캘리포니아 해안 수심 600~800m에 지름 10m의 속이 빈 콘크리트 구가 설치될 예정
- 해저 양수발전소는 몇 시간에서 며칠 동안 전기를 저장하는 데 특히 적합
- 저장 비용은 약 4.6cent/kwh, 투자 비용은 출력 1,354euro/kw, 용량 158euro/kwh

해저 에너지 저장에 대한 첫 번째 테스트
해저 양수발전소는 2026년부터 캘리포니아 해안에서 시험될 예정이다.

수중 에너지 저장을 위한 다음 단계:
미래에는 해저에 놓인 속이 빈 구체가 바람과 태양으로부터 과도한 전기를 흡수해 해저 양수 저장 장치로 활용하게 될 것이다. 콘스탄스 호수(Lake Constance)에서 성공적인 프로토타입 테스트를 마친 후, 현재 바다 최초의 볼(ball) 저장시설을 위한 준비가 진행 중이다. 2026년에는 캘리포니아 해안 수심 600~800m에 펌프를 포함한 길이 10m의 속이 빈 콘크리트 구가 설치될 예정이다. 

▲ 해저에 있는 빈 구체는 풍력과 태양계에서 나오는 잉여 전력을 저장할 수 있다. 이 기술에 대한 테스트는 현재 캘리포니아 해안에서 준비 중이다. © Hochtief

전기 생산량의 변동은 태양광 및 풍력 에너지의 가장 큰 문제 중 하나다. 바람과 햇빛이 많은 날에는 전력망에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 시스템을 정기적으로 꺼야 한다. 이로 인해 이 육지에서는 전기 요금이 비싸지고 긴급하게 필요한 에너지가 낭비될 수 있다. 또한 에너지 저장은 예를 들어 대형 배터리, 화학 물질 저장, 카르노 배터리 또는 펌프 저장 등의 형태로 솔루션을 제공할 수 있다.

저장 보조 수단으로서의 수압

프라운호퍼 에너지 경제 및 에너지 시스템 기술 IEE 연구소의 베른하르트 에른스트(Bernhard Ernst)는 "양수발전소는 몇 시간에서 며칠 동안 전기를 저장하는 데 특히 적합하다"고 설명한다. 하지만 이러한 저장시설은 적절한 저수조와 많은 공간을 필요로 하므로 확장 가능성은 제한적이다. 호수 바닥이나 해안 바다에 크고 속이 빈 구 형태의 수중 펌프 저장 장치가 해결책을 제공할 수 있다.

그 뒤에 있는 원리는 전기를 저장하기 위해 주변 수압에 맞서 이전에 물이 채워진 공을 비우기 위해 초과 전기를 사용하는 것이다. 저장된 에너지를 회수하려면 밸브를 열고 물이 공으로 다시 흐르도록 한다. 수압에 의해 구동되는 이러한 유입은 사용 가능한 전기를 다시 생산하는 터빈을 구동한다. 2016년 콘스탄스 호수에서 3미터 크기의 속이 빈 구체를 사용한 첫 번째 현장 테스트에서는 이러한 공 보관 원리가 얼마나 잘 작동하는지 보여주었다.

▲ 수중 양수 저장 장치가 작동하는 방식은 다음과 같다. 잉여 전기를 사용하여 물을 구 밖으로 펌핑한다. 저장 탱크를 배출하기 위해 물이 다시 유입되고, 수압으로 발전기가 있는 터빈이 구동된다. © Fraunhofer IEE

캘리포니아 앞바다 500미터 깊이에서 시험 운행

이제 다음 단계가 시작된다. 캘리포니아 해안 해저에 수중 양수 저장시설을 시험 운영하는 것이다. 국제 StEnSea 프로젝트에서는 우선 3D 프린팅 공정을 사용해 무게가 약 400톤에 달하는 9미터 크기의 속이 빈 콘크리트 구체를 생산할 예정이다. 이 작업은 롱비치에 있는 미국 스타트업 Sperra가 맡았다. 그런 다음 수중 모터 펌프와 파이프가 구형 상단에 부착되어 터빈, 펌프 및 밸브 역할을 한다.

이 볼 보관 시스템은 롱비치 해안 태평양 해저 수심 500~600m에 설치될 예정이다. 계산에 따르면 이 깊이는 수압 대 중량 비율과 구의 벽 두께에 이상적이다. 출력 0.5MW, 용량 0.4MWh 규모의 이 프로토타입은 늦어도 2026년 말 가동에 들어갈 예정이다. 이번 시험운행에는 독일 경제부와 미국 에너지부가 공동으로 자금을 지원하고 있다.

유럽에서도 대용량

이러한 수중 구형 저장 시스템은 많은 잠재력을 가지고 있다. 프로젝트 연구팀의 계산에 따르면 이 기술의 글로벌 저장 잠재력은 총 81만7000GWh(기가와트시)이다. 유럽 ​​최고의 10개 지역에서만 이러한 저장 영역은 약 16만6000GWh시 전력을 저장할 수 있다. 비교하면 우리나라 양수발전 용량은 2023년 4.7GW로 집계됐다. 기존 독일 육상 양수발전소의 용량은 40GWh 미만이다.

이 스토리지 기술은 얼마나 효율적이고 저렴할까? Ernst와 그의 팀은 6개의 30m 크기 구체, 총 출력 30MWh, 120MW 용량을 갖춘 한 저장 공원의 예를 산출했다. 따라서 저장 비용은 킬로와트시당 약 4.6센트이고, 투자 비용은 출력 킬로와트당 1,354유로, 용량 킬로와트시당 158유로이다. 이러한 펌핑 저장의 효율성은 저장 주기당 75~80%에 달한다. 이는 기존 양수발전소보다 약간 적지만 수중 구형 저장 시스템은 더 많은 장소에서 사용될 수 있다.

▲ 대규모 수중 양수 저장 시설 건설을 위해 속이 빈 콘크리트 구체를 육지에서 제작한 후 뗏목을 타고 바다로 운반하여 가라앉힌다. © Sperra

많은 해안 지역이 적합하다.

해안 해양 지역에 대한 GIS 분석에서 알 수 있듯이 구형 저장 시스템을 위한 가능한 위치가 충분하다. 연구자들은 지면의 경사, 해류, 퇴적물 이동, 육지까지의 거리와 같은 매개변수를 고려했다. 노르웨이, 포르투갈, 미국 서부 및 동부 해안, 브라질 및 일본의 해양 지역은 특히 대규모 수중 펌프 저장 시스템에 적합하다. 침수된 노천 광산과 같은 깊은 자연 호수나 인공 호수도 고려할 수 있다.

Ernst는 “세계적인 에너지 전환으로 인해 향후 몇 년 동안 스토리지에 대한 필요성이 엄청나게 증가할 것이다”며 “StEnSea 볼 보관 시스템을 통해 우리는 단기간 및 중기 보관에 특히 적합한 비용 효율적인 기술을 개발했다. 미국 해안에서의 테스트를 통해 우리는 이 스토리지 개념을 확장하고 상용화하는 데 큰 진전을 이루고 있다”고 말했다.
출처: Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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