에너지
콘크리트 커패시터: 에너지 저장의 미래
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콘크리트 커패시터에 에너지 저장하기
에너지 저장 분야의 관심은 대부분 배터리에 집중되어 있습니다. 한동안 꾸준히 발전하는 리튬이온 기술이 중심이었지만, 이제는 나트륨이온·전고체 배터리와 다른 대체 화학 기술도 개발되거나 상용화 단계에 들어서고 있습니다.
이러한 배터리는 모두 전기를 화학적 형태로 저장하며, 일반적으로 금속 이온을 이용해 전하를 운반합니다.
하지만 이것이 전기를 저장하는 유일한 방식은 아닙니다. 또 다른 선택지는 슈퍼커패시터입니다.
배터리가 금속 이온 덩어리에 전하를 저장하는 것과 달리 슈퍼커패시터와 울트라커패시터는 전도성 물질의 표면에 전하를 보관합니다.
출처: Sinovoltaics
이 근본적인 차이는 커패시터의 작동 방식을 바꿉니다. 에너지가 재료 표면에 있으므로 매우 빠르게 사용할 수 있어 초고속 충·방전이 가능합니다. 반면 배터리는 필요한 화학 반응의 속도에 제한됩니다.
커패시터는 배터리보다 저장량이 적고 더 비싼 재료가 필요해 비용도 높은 경우가 많으므로 지금까지 주로 틈새 제품에 머물렀습니다.
MIT 연구자 네 명이 개발한 콘크리트 기반 커패시터가 이러한 상황을 바꿀 수 있습니다. 궁극적으로 건물과 도로를 거대한 배터리로 만들 수 있기 때문입니다.
연구진은 최신 설계를 PNAS에 “건축 에너지 저장을 위한 고에너지 밀도 탄소-시멘트 슈퍼커패시터”라는 제목으로 발표했습니다.
커패시터의 활용 분야
커패시터는 내구성이 뛰어나지만 배터리보다 저장 용량이 작아 대규모 또는 장기 에너지 저장에는 사용이 제한되어 왔습니다.
그러나 손상 없이 매우 빠른 전하 변화와 훨씬 높은 전압을 처리할 수 있어 한꺼번에 많은 에너지를 생산하거나 사용해야 하는 분야에 적합합니다.
슈퍼커패시터는 자동차, 열차, 크레인, 엘리베이터에서 단기 저장, 회생 제동, 순간 출력 공급 등에 쓰입니다.
총에너지량이 반드시 큰 것은 아니지만 출력의 강도와 속도는 매우 높습니다.
전력망에서는 슈퍼커패시터가 수초에서 수분 동안의 전력 공백을 메우는 데 효과적이며 빠르게 재충전할 수 있습니다.
콘크리트 기반 커패시터 개선
콘크리트로 에너지 저장하기
배터리의 용량은 보통 서로 다른 전기화학 반응의 에너지 차이와 사용 가능한 반응성 금속의 양에 의해 제한됩니다.
커패시터의 주된 한계는 재료의 전체 표면적입니다. 따라서 다공성이 높은 재료일수록 더 많은 전하를 저장할 수 있습니다.
여러 성분으로 이루어진 이질적 재료나 단순한 재료의 중합으로 형성되어 내부에 많은 기공과 빈 공간을 가진 재료가 적합한 경우가 많습니다.
MIT 연구진은 이미 2023년에 복잡한 미세 구조를 지닌 콘크리트를 이론상 커패시터로 바꿀 수 있는지 연구했습니다.
시멘트, 물, 나노 크기의 초미세 카본블랙, 전해질을 결합해 전자 전도성 탄소 콘크리트 ec³를 만들었습니다.
Ec³는 콘크리트 내부에 전기를 저장하고 전달하는 탄소 나노네트워크를 포함합니다.
풍부한 콘크리트
시멘트와 콘크리트는 연간 각각 17억 세제곱미터와 41억 톤에 달해 모래와 철강을 포함한 다른 모든 재료보다 많이 생산됩니다.
전 세계 콘크리트의 아주 일부만 에너지 저장에 활용해도 가정, 사무실, 도시의 저장 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다.
“콘크리트의 지속 가능성을 높이는 핵심은 에너지 저장, 자가 치유, 탄소 격리 같은 기능을 결합한 다기능 콘크리트를 개발하는 것입니다.
콘크리트는 이미 세계에서 가장 많이 쓰이는 건축 재료입니다. 이 규모를 다른 이점에도 활용하지 않을 이유가 있을까요?”
Ec³ 성능 개선
에너지 밀도 높이기
2023년의 초기 시제품은 평균 가정의 하루 에너지 수요를 충족하려면 일반적인 지하실에 들어가는 콘크리트와 비슷한 45세제곱미터의 ec³가 필요했습니다.
흥미로운 결과였지만 비용과 실용성 때문에 상업적으로 활용하기 어려운 규모였습니다.
새 버전은 같은 에너지를 9분의 1인 5세제곱미터에 저장할 수 있습니다.
옆으로 밀어 표를 확인하세요 →
| 기술 | 에너지 밀도 | 충전/방전 속도 | 수명 | 핵심 재료 |
|---|---|---|---|---|
| 리튬 이온 배터리 | 150–250 Wh/kg | 분–시간 | 약 2,000회 | 리튬, 코발트, 니켈 |
| 슈퍼커패시터 | 5–10 Wh/kg | 초 | 100만 회 이상 | 활성탄 |
| 콘크리트 커패시터 (ec³) | 약 50 Wh/kg(예상) | 초–분 | 10만 회 이상 | 시멘트, 카본블랙, 전해질 |
심층 분석
성능 향상은 집속 이온 빔으로 ec³의 얇은 층을 차례로 제거한 뒤 주사전자현미경과 FIB-SEM 단층촬영으로 분석해 이루어졌습니다.
연구진은 전도성 나노네트워크의 고해상도 영상을 재구성했습니다. 이 구조는 ec³ 기공을 둘러싼 프랙털 형태의 망을 이루어 전해질이 스며들고 전류가 흐르도록 합니다.
이 분석 도구를 이용해 연구진은 다양한 전해질과 농도가 저장 밀도에 미치는 영향을 실험했습니다.
“Ec³에 사용할 수 있는 전해질 후보가 매우 다양하다는 사실을 확인했습니다.
해수도 포함됩니다. 따라서 해상 풍력 발전소의 지지 구조처럼 해안과 해양 환경에서 유용한 재료가 될 수 있습니다.”
소독제 같은 일상 제품에도 쓰이는 4차 암모늄염을 포함한 유기 전해질은 산업용 투명 전도성 액체인 아세토니트릴과 혼합했을 때 가장 좋은 성능을 보였습니다.
콘크리트 배터리 제조 개선
기존에는 ec³ 전극을 굳힌 뒤 전해질에 담가야 했지만, 연구진은 전해질을 혼합수에 직접 넣을 수 있다는 사실을 발견했습니다.
이는 더 많은 에너지를 저장하는 두꺼운 전극을 타설하는 데 필수적이었습니다.
연구진은 구조적 형태와 에너지 저장이 함께 작동할 수 있음을 보여주기 위해 소형 ec³ 콘크리트 아치를 제작했습니다.
9볼트에서 아치는 자체 무게와 추가 하중을 지탱하면서 LED 조명에 전력을 공급했습니다.
구조 건전성 자동 모니터링
시험 아치의 전하를 높이자 조명이 깜박이는 현상이 나타났습니다. 이는 콘크리트가 손상되기 시작하고 저장 기능이 약해지고 있음을 보여줬습니다.
눈에 보이는 균열이 없어도 구조 손상을 파악할 수 있어 실제 건물에 매우 유용할 수 있습니다.
“일종의 자가 모니터링 기능이 있을 수 있습니다. 건축 규모의 ec³ 아치가 강풍 같은 하중을 받으면 출력이 변동할 수 있습니다.
이 신호로 구조물이 언제 어느 정도의 응력을 받는지 확인하거나 전반적인 상태를 실시간으로 감시할 수 있습니다.”
자가 가열 콘크리트
이 콘크리트는 전기를 저장할 뿐 아니라 열전도율도 높습니다. 표면의 얼음을 녹일 수 있으며 일본 삿포로에서 제설용 소금의 대안으로 이미 사용되었습니다.
저장한 에너지를 열로 방출하면 도로, 인도, 보행로의 얼음을 녹이는 데도 활용할 수 있습니다.
콘크리트 배터리와 에너지 저장의 미래
지금까지 전력망 규모의 저장은 주로 열 배터리, 수소 저장, 또는 리튬·코발트·니켈을 나트륨·철·알루미늄 같은 저비용 재료로 대체한 배터리로 구상되었습니다.
그러나 태양광으로 산업 문명을 완전히 가동할 만큼 저장 규모를 확대하려면 콘크리트처럼 어디에나 있는 재료가 이상적일 수 있습니다.
대체 화학 배터리도 많은 구리를 필요로 하는 반면, 콘크리트는 희귀 재료를 더 적게 사용합니다.
또한 일상적인 도시 경관과 건축물에 훨씬 자연스럽게 통합할 수 있습니다.
연구진은 전기차를 충전하는 주차 공간과 도로, 전력망 없이 완전히 자립하는 주택 같은 응용 분야를 연구하고 있습니다.
이 콘크리트는 일반 콘크리트와 같은 구조적 강도를 가지므로 그대로 대체할 수 있으며, 배터리 단지를 위한 별도 공간과 시공이 필요하지 않습니다.
“현대 나노과학과 문명의 오래된 건축 재료를 결합해 삶을 지탱할 뿐 아니라 에너지까지 공급하는 인프라의 문을 열고 있습니다.”
지속 가능한 시멘트에 투자하기
CRH 가격 차트
세계적인 시멘트 생산업체 CRH는 건설 산업을 더 지속 가능하게 만드는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 미국과 유럽 모두에서 공급하는 건축 자재 총량 기준 1위입니다.
회사는 28개국 3,390개 사업장에서 78,500명을 고용하고 있으며 CRH Americas가 세계 매출의 65%를 차지합니다.
출처: CRH
회사는 서방 정부의 강력한 인프라 지출이 성장을 뒷받침할 것으로 기대합니다. 재산업화와 첨단 제조업의 국내 복귀도 도움이 될 전망입니다.
CRH의 지속 가능성 및 탈탄소화 전략
CRH는 여러 사업을 통해 지속 가능성 측면에서 의미 있는 성과를 냈습니다.
- 북미 최대 재활용 업체로서 2023년에 폐기물과 산업 부산물 4,390만 톤을 재활용했습니다.
- 시멘트 공장에서 대체 연료 비중을 36%로 높여 2023년 CO2 배출량을 8% 줄였습니다.
- 2030년까지 2021년 대비 배출량을 30% 감축할 계획입니다.
이는 칭찬할 만하지만 너무 적고 늦은 조치로 볼 수도 있습니다.
CRH는 산업의 근본적인 변화도 추진하고 있습니다. Holcim과 함께 저탄소 시멘트 기업 Sublime에 7,500만 달러를 투자했습니다.
2020년 MIT에서 분사한 Sublime Systems는 전해조로 상온에서 시멘트를 생산해 에너지와 화석연료를 많이 쓰는 가마를 대체합니다. 다른 칼슘원을 사용해 석회석에서 발생하는 CO2도 피할 수 있습니다.
매사추세츠 홀리요크의 첫 상업 시설은 이르면 2026년에 문을 열 수 있습니다. 성공하면 시멘트 산업을 바꾸고 저배출 콘크리트의 대규모 생산을 열 수 있습니다.
“Sublime은 시멘트 제조를 혁신하는 기업입니다. 깨끗한 전기부터 무탄소 원료까지 전체 공정을 바꿉니다. 그 잠재력에 기대가 크며 대규모 상용화를 함께 추진하게 되어 기쁩니다. 이 투자는 혁신 기술을 확대해 건설 탈탄소화를 가속하려는 Holcim의 전략과 완전히 부합합니다.”
Nollaig Forrest – Holcim 최고지속가능성책임자
CRH는 다른 탈탄소화 및 지속 가능성 스타트업에도 투자했습니다.
- 탈탄소화가 어려운 산업을 위한 탄소 포집 기술을 개발하는 Cool Planet Technologies에 2,370만 유로.
- CO2를 산업 부산물과 광물에 영구 저장하는 전기식 광물화 기술의 Carbon Upcycling Technologies에 CRH와 다른 투자자들이 3,470만 달러.
- 현지 재료를 최적화하고 AI로 시멘트 사용량, 탄소 배출, 생산비를 줄이는 ‘레시피 서비스’ 플랫폼 AICrete.
- AI로 물 소비를 줄이고 절약을 늘리는 FIDO AI의 시리즈 B 투자.
CRH는 수익성 높은 콘크리트 업계 선도기업으로, 기존 시설을 개선하는 동시에 차세대 시멘트·콘크리트 기술 스타트업에 자본을 공급하며 탈탄소화에 적극 대비하고 있습니다.
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