에너지 저장의 획기적 혁신: 자체 충전 슈퍼커패시터가 에너지 효율의 새로운 기준을 설정하다

2025년 첫 주에 태양광 주식이 좋은 상승세를 보였으며 Tesla (TSLA )는 사상 최대 규모의 에너지 저장 설치를 발표했습니다.

2024년에 전기차 회사는 에너지 저장 부문이 주거 및 상업용 배터리를 생산해 태양광 에너지를 저장하고 있으며, 31.5기가와트시의 에너지 저장 제품을 설치했으며, 그 중 거의 35%(11GWh)가 2024년 4분기에만 배포되었습니다.

테슬라에 배터리 셀을 공급하는 중국 배터리 제조업체 Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)는 지난해 자체 대량 생산 가능한 에너지 저장 시스템인 TENER를 출시했습니다. 이 시스템은 6.25MWh 용량과 430Wh/L의 에너지 밀도를 갖추고 있으며 5년 동안 무감쇠를 달성했습니다.

에너지 저장 분야의 이러한 큰 발전은 에너지 수요 증가로 인해 매우 중요합니다. 이 수요는 세계 인구 증가, 도시화, 경제 성장 및 기술 발전에 의해 촉진됩니다. IEA에 따르면 전 세계 전력 수요는 향후 3년 동안 더 빠른 속도로 증가할 것으로 예상됩니다. 2026년까지 연평균 3.4% 성장할 것입니다.

여기서 에너지 저장 시스템은 전력망 공급, 전송 및 배전 시스템을 지원함으로써 증가하는 수요를 충족시킬 수 있습니다. 저장 메커니즘으로 전환함으로써 전력망 운영자는 그리드 회복력과 신뢰성을 보장합니다. 또한 더 높은 온실가스(GHG) 배출 옵션에 대한 의존을 없애줍니다.

그렇다면 에너지 저장이 정확히 무엇일까요? 말 그대로 에너지를 저장하는 것입니다. 에너지는 먼저 생산된 후 포착되고, 나중에 사용할 수 있도록 저장되어 수요와 공급을 보다 잘 맞출 수 있게 됩니다.

현재 에너지는 전기, 열, 운동, 화학, 방사선, 중력 등 다양한 형태로 존재합니다. 이는 에너지를 저장하려면 먼저 실제로 저장 가능한 형태로 변환된 뒤, 다시 전기 에너지로 변환될 때까지 보관해야 함을 의미합니다.

충전식 배터리는 일반적인 에너지 저장 장치입니다. 휴대전화에 들어 있습니다. 이러한 배터리는 화학 에너지를 저장하고 이를 빠르게 전기로 변환합니다. 또 다른 인기 있고 가치 있는 예는 수력 발전 댐입니다. 흐르는 물의 에너지를 활용해 전기를 생산하고 이를 저수지에 저장합니다.

화석 연료도 에너지 저장의 한 형태입니다. 이들은 수백만 년 전 식물과 동물에 저장된 햇빛의 화학 에너지를 보유하고 있습니다.

에너지 저장 혁신

에너지는 현대 산업 경제의 초석입니다. 결국 에너지는 요리, 난방, 조명, 건강, 교육, 교통부터 식량 생산, 산업 생산, 광물 채굴에 이르기까지 거의 모든 인간 활동에 필수적인 요소를 제공합니다. 에너지가 인류 문명에 얼마나 중요한지를 고려할 때, 에너지 저장에 대한 관심이 크게 집중되고 있습니다.

열에너지 저장(TES)은 고체, 액체-공기, 용융염 저장을 포함하는 유형입니다. 이 기술의 독특한 장점은 난방 및 냉방 수요를 즉각적인 전력 생산 및 공급 가용성으로부터 분리할 수 있다는 점입니다.

압축 공기 에너지 저장은 또 다른 에너지 저장 방식으로, 전력 수요가 낮을 때 공기를 압축해 저장 탱크에 보관하고 수요가 높을 때 방출합니다.

한편 수소 저장은 신흥 에너지 저장 기술입니다. 최근 중국은 장쑤성에 있는 최대 규모의 통합 태양광(PV)-수소 저장 프로젝트를 전력망에 연결하고 발전을 시작했습니다. 이 해상 시설은 수소 생산, PV 발전, 연료 보급 및 에너지 저장을 결합합니다. 연간 약 309,400톤의 CO2, 1,125.3톤의 이산화질소, 562.6톤의 이산화황 배출을 감소시킬 것으로 예상됩니다.

배터리는 에너지 저장을 혁신하고 있습니다. 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환을 주도하고 있으며, 분야에서 가장 빠르게 성장하여 전력 부문을 장악하고 있습니다. 지속적인 혁신 덕분에 배터리는 더욱 똑똑하고, 효율적이며, 저렴해지고 있습니다.

수년 전부터 거의 10년간 진행된 획기적인 연구에서, 스웨덴의 챌머스 공과대학과 KTH 왕립공과대학 과학자들은 기존 실험보다 10배 뛰어난 구조 배터리를 만들었습니다. 구조 배터리는 구조의 일부로 무게를 견딜 수 있는 에너지 저장 장치입니다.

과학자들은 배터리의 양극과 음극 사이에 버퍼 유리 ‘패브릭’을 층층이 배치하고, 첨단 폴리머 전해질을 채운 뒤 오븐에서 경화시켰습니다. 그 결과 에너지 밀도 24Wh/kg, 강성 25GPa를 갖춘 견고하고 평평한 배터리 셀이 만들어졌으며, 모든 방향의 인장 시험을 견뎌냈습니다. 이 ‘무게 없는’ 구조 배터리는 주로 전기차에 사용되지만 전동 자전거, 위성, 노트북, 항공기에도 활용될 수 있습니다.

현재 연구자들은 배터리의 추가 향상에 집중하고 있지만, 상용화는 아직 이루어지지 않았습니다.

보다 나은 솔루션을 만들기 위해, 연구자들은 이제 자체 충전 전력 시스템을 탐구하고 있습니다. 이러한 시스템은 에너지를 수집하고 저장하여, 5G 기술, 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI)으로 특징지어지는 차세대 기술 시대에 크게 도움이 됩니다.

이러한 자체 충전 에너지 저장 장치는 차세대 산업 혁명을 위한 안정적이고 자율적이며 지속 가능한 전력을 제공할 수 있습니다.

지금까지 다양한 에너지 수확 기술을 에너지 저장 장치와 통합하려는 많은 시도가 이루어졌습니다. 여기에는 태양전지, 열전 발전기, 트리보전기 나노발전기(TENGs), 압전 나노발전기(PENGs)가 포함됩니다.

새로운 연구에서 과학자들은 태양 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 고성능 자체 충전 에너지 저장 장치를 구축했습니다.

새 장치는 전이 금속 기반 전극 재료를 활용하여 기존 슈퍼커패시터 장치의 성능을 크게 향상시켰습니다. 연구진은 슈퍼커패시터와 태양전지를 결합해 새로운 에너지 저장 기술을 만들어 고성능을 달성했습니다.

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자체 충전 에너지 저장 장치

전 세계 에너지 소비 증가와 휴대용 및 스마트 전자 기기에 대한 의존도가 높아짐에 대응하는 차세대 고용량 에너지 장치에 대한 수요를 충족하기 위해, 자체 충전 장치는 지속 가능하고 독립적인 전원 공급 솔루션으로 등장했습니다.

태양 에너지를 수집하고 저장하는 장치 중 하나는 태양전지와 슈퍼커패시터를 결합한 포토-슈퍼커패시터입니다. 실리콘 태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 슈퍼커패시터는 이 에너지를 저장합니다.

최근 연구에서는 한국 정부(MSIT)와 DGIST R&D 프로그램이 지원한 한국연구재단(NRF) 보조금을 받아, 연구진이 실리콘 태양전지와 이진 전이 금속 슈퍼커패시터를 결합한 새로운 자체 충전 에너지 저장 장치를 선보였습니다.

가장 널리 사용되는 PV 기술인 결정질 실리콘 광전(PV) 기술은 실제로 ITRPV에 따르면 2022년에 설치된 총 135GW 중 95%를 차지하는 유망한 재생 에너지 저장 도구입니다.

한편, 태양 에너지 장치 중 실리콘 기반 제품은 높은 전력 변환 효율, 장기간 안정성, 풍부한 재료, 무독성, 확립된 생산 기술 등으로 인해 미래의 주요 전원으로 큰 주목을 받고 있습니다.

슈퍼커패시터는 높은 신뢰성, 높은 전력 밀도, 긴 사이클 수명, 짧은 충전 시간 덕분에 고성능 장치를 구동하는 유망한 후보로 활용되고 있습니다.

연구에서 언급했듯이, 휴대용 전자 기기의 사용 급증으로 자체 충전 커패시터가 필요합니다. 이는 언제 어디서나 빠르게 충전될 수 있는 시스템에 대한 요구를 만들었습니다.

또한 환경 보호와 지속 가능한 개발을 촉진하기 위해 재생 에너지에 대한 의존도가 증가하고 있습니다. 태양 에너지를 활용함으로써 자체 충전 시스템은 배터리 교체 필요성을 줄이고 전력망 접근이 제한된 지역에서도 효율적인 에너지 공급을 가능하게 합니다.

자체 충전 커패시터의 또 다른 동력은 슈퍼커패시터의 빠른 충·방전 특성으로, 이는 비상 상황이나 고전력 소비가 필요한 경우에 매우 유용합니다.

고성능 자체 충전 슈퍼커패시터

자체 충전 커패시터의 필요성과 그 많은 이점을 고려하여, 지난달 Energy 저널에 발표된 최신 연구에서는 슈퍼커패시터와 실리콘 태양전지를 결합한 자체 충전 장치를 제작했습니다.

이를 위한 전극 설계에 연구팀은 니켈(Ni) 기반 탄산염 및 수산화물 복합 재료를 사용했습니다. 이후 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 아연(Zn)과 같은 전이 금속 이온을 추가해 전극의 전도성과 안정성을 극대화했습니다.

전이 금속 이온을 도입함으로써 순수 니켈 이온만 사용할 때 발생하는 전도성 감소 문제를 해결할 수 있었습니다. 이러한 금속 이온을 도입해 이진 화합물 전극 재료를 만들었으며, 이는 높은 전기 전도성, 가역 용량 및 구조적 안정성을 제공했습니다.

이러한 접근은 전극 성능을 크게 향상시켰으며, 에너지 및 전력 밀도와 충·방전 안정성에서 눈에 띄는 진전을 보여주었습니다.

단위 무게당 에너지 저장량은 35.5 Wh·kg⁻¹에 도달했으며, 이는 이전 연구에서 기록된 5~20 Wh·kg⁻¹를 크게 초과합니다. 단위당 에너지 흐름은 2555.6 W·kg⁻¹로, 이전 연구의 1000 W·kg⁻¹보다 훨씬 높습니다.

훨씬 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 갖춘 최신 연구는 높은 전력을 빠르게 방출할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 비대칭 슈퍼커패시터 장치는 고전력 장치에도 즉각적인 에너지 공급을 가능하게 합니다.

이것이 전부가 아니라, 이 고성능 장치는 반복적인 충·방전 사이클에서도 최소한의 열화를 보였으며, 장기 사용에도 적합합니다.

연구팀은 이 장치를 실리콘 태양전지와 결합하여 태양 에너지를 실시간으로 저장하고 활용할 수 있게 했습니다. 이 조합은 에너지 저장 효율을 63%까지 달성했으며, 장치의 전체 효율은 5.17%로, 상용화 가능성을 입증하고 에너지 저장 기술 발전에 크게 기여합니다.

“이 연구는 슈퍼커패시터와 태양전지를 결합한 한국 최초의 자체 충전 에너지 저장 장치를 개발한 중요한 성과입니다.”

– DGIST 나노기술 부문 선임 연구원 Jeongmin Kim

Kim은 전이 금속 기반 복합 재료를 활용함으로써 에너지 저장 장치의 제한을 극복하고 지속 가능한 에너지 솔루션을 만들 수 있었다고 덧붙였습니다.

하지만 이것이 연구의 끝은 아니며, 경북대학교 RLRC 연구원 Damin Lee는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 자체 충전 장치의 효율성을 더욱 향상시키고 상용화 가능성을 높이기 위해 후속 연구를 지속할 것입니다.”

관련 분야에 종사하는 기업들

이제 에너지 저장 솔루션을 제공하고 발전시키는 몇몇 기업을 살펴보겠습니다.

1. Tesla (TSLA )

이 전기차 제조업체는 에너지 저장 시장에도 적극 참여하고 있습니다. 그들의 에너지 제품에는 고급 에너지 저장 솔루션을 통합한 Powerwall과 Megapack이 포함됩니다.

시가총액 1.318조 달러를 가진 Tesla는 세계 8위 기업이며, X(전 Twitter), SpaceX (SPCX ), Neuralink, The Boring Company에도 관여하고 있는 CEO Elon Musk는 4,370억 달러의 순자산을 보유한 세계 최고 부자입니다.

작성 시점 기준으로 Tesla 주가는 412.82달러이며, 올해 1.63% 상승했습니다. 2025년 초의 이 상승은 2024년 주가가 약 67% 급등한 뒤 이어진 것입니다.

흥미롭게도 Tesla의 대부분 상승은 연말 2개월 동안 발생했으며, 대통령 당선자인 Donald Trump가 2025년 미국 대통령 선거에서 승리함에 따라 주가가 75% 상승했습니다. Musk는 실제로 이번 선거 사이클에서 가장 큰 기부자로, 트럼프와 다른 공화당 후보들을 지원하기 위해 최소 2억 7,700만 달러를 지출했습니다.

이번 달 말에 트럼프가 취임함에 따라 Tesla에 긍정적인 발전이 기대됩니다. 그 이전에도 회사는 2024년 4분기에 약 459,000대의 차량을 생산하고 495,000대 이상을 출하했다고 보고했습니다. 이를 통해 2024년 전체 생산량은 1,773,443대, 출하량은 1,789,226대에 달했습니다. 그러나 BYD와 미국의 전통 자동차 제조업체인 Ford와 같은 경쟁이 심화되었습니다.

2024년 4분기 전체 재무 실적(순이익 및 현금 흐름 포함)은 Tesla가 2025년 1월 29일에 발표할 예정입니다. 이전 분기에는 매출 251.8억 달러와 순이익 21.7억 달러를 기록했습니다. 이 기간 동안 자동차 매출은 2023년 3분기 대비 2% 증가한 200억 달러였으며, 에너지 생성 및 저장 매출은 52% 상승해 23.8억 달러에 달했습니다.

4분기 에너지 저장 설치량은 11.0 GWh로 사상 최고치를 기록했으며, 연간 총 31.4 GWh를 달성했습니다. 비교적으로 전년에는 14.7 GWh를 설치했으며, 이는 2022년 대비 두 배에 해당합니다. 또한 2020년에는 3.0 GWh에 불과했으므로, 4년 만에 저장 용량이 10배 증가한 셈입니다.

이러한 수치는 Tesla의 상하이 기가팩토리가 이번 주 시범 생산을 시작하면서, 연초에 대량 생산이 예상된다는 점과 맞물립니다.

2. Enphase Energy

글로벌 에너지 기술 기업인 Enphase Energy (ENPH ) 는 국내외 시장 확대에 적극 나서며, 태양광 솔루션을 전문으로 합니다. 여기에는 태양 에너지를 전기로 변환하는 마이크로인버터와 주거 및 상업용 에너지 저장 시스템이 포함됩니다.

시가총액 97.4억 달러를 가진 ENPH는 현재 72.15달러에 거래되고 있으며, 올해 이미 5% 이상 상승했습니다. 이러한 상승은 2024년 주가가 46% 이상 하락한 뒤 나타났습니다. ENPH의 최고가는 2022년 12월에 339달러에 도달했습니다. Enphase Energy의 EPS(TTM)는 0.44, P/E(TTM)는 164.01입니다.

2024년 3분기에 회사는 3억 8,090만 달러의 매출을 보고했습니다. 지역별로 미국 매출은 재고가 정상화되면서 전 분기 대비 43% 증가했으며, 유럽 매출은 수요 약화로 15% 감소했습니다. Enphase는 이번 분기에 총 1,731,768개의 마이크로인버터를 출하했으며, 이는 730MW DC와 172.9MWh의 IQ® 배터리에 해당합니다.

4분기에 Enphase Energy는 매출을 3억 6,000만 달러에서 4억 달러 사이로, IQ 배터리 출하량을 140~160 MWh로 추정합니다. 한편 순 IRA 혜택은 3,800만 달러에서 4,100만 달러 사이가 될 것으로 예상됩니다.

인플레이션 감축법(IRA)은 바이든 행정부 하에 초당적 지지를 받아 도입되었습니다. 2022년에 법률로 서명된 3,690억 달러 규모의 패키지는 세액 공제, 보조금, 투자 등을 통해 재생 에너지에 인센티브를 제공했으며, 이는 재생 에너지 부문의 게임 체인저가 되었습니다.

3분기 말 Enphase Energy는 현금·현금성 자산·유가증권으로 17.7억 달러를 보유했으며, 자유 현금 흐름은 1억 6,160만 달러였습니다. 동시에 영업 현금 흐름은 1억 7,010만 달러를 창출했습니다.

이 기간 동안 Enphase는 AI 기반 소프트웨어를 출시해 소비자들이 에너지 사용을 이해하고, 태양광 및 소비량 추정을 전기 요금과 통합함으로써 복잡해지는 에너지 요금 시장에서 절약을 극대화하도록 지원했습니다.

결론

전 세계 에너지 수요가 폭염, 강력한 경제 성장, 그리고 전기차(EV)와 AI와 같은 기술 채택 증가 등으로 인해 사상 최고 속도로 크게 상승함에 따라, 이러한 수요를 충족시킬 수 있는 에너지 저장 솔루션이 필요합니다.

여기서 고성능 자체 충전 에너지 저장 장치의 개발은 에너지 저장 기술의 진보와 전 세계 에너지 수요 충족에 있어 중요한 단계입니다. 아직 상용화되지 않았지만, 이러한 혁신은 안정적이고 신뢰할 수 있는 에너지 공급을 보장하고 재생 에너지 통합에 대한 막대한 잠재력을 열어줄 수 있습니다!

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