그린 에너지 혁명: 산업 폐기물이 차세대 배터리를 구동하다

전 세계적으로 청년과 성인 모두의 환경 문제에 대한 인식이 높아지고 있습니다. 기후 변화 위협과 그로 인한 지구의 해로운 영향을 마주하면서, 점점 더 많은 사람들이 자신의 행동이 환경에 미치는 영향을 고민하고 지구를 구하는 운동에 참여하고 있습니다.

PwC의 2021년 글로벌 소비자 인사이트 펄스 설문조사에 따르면 전 세계 응답자 중 절반이 더 친환경적으로 변했다고 밝혔으며, 2023년 조사에서는 그 결과 10명 중 8명이 지속 가능한 제품에 대해 최대 5%까지 추가 비용을 지불할 의향이 있다고 나타났습니다.

2019년 조사와 비교하면, 당시 35%의 응답자가 지속 가능한 제품을 선택하고, 37%가 친환경 포장을 찾으며, 41%가 가능할 때 플라스틱 사용을 피한다고 답했지만, 2021년 조사 결과는 이들 비율이 10~20% 포인트 상승한 것으로 나타났습니다.

지속 가능한 생활 방식은 전 세계 소비자들에게 점점 더 중요해지고 있으며, 이들은 기업과 브랜드가 더욱 지속 가능하고 친환경적이기를 원합니다.

이러한 행동 변화는 긍정적인데, 전 세계적으로 매년 약 20억 톤의 산업 폐기물이 생산되고 있기 때문입니다. 산업 폐기물은 전체 폐기물의 절반 정도를 차지하지만, 실제로 약 2%만이 재활용되고 있습니다.

산업 폐기물의 주요 원인은 금속 가공, 화학 제조, 식품 가공, 제약 제조, 석유·가스 추출 등 다양한 공정에서 발생하는 부산물입니다. 폐기물 관리가 부적절하면 환경에 부정적인 영향을 미치는 추가 산업 폐기물이 발생할 수 있습니다.

하지만 소비자들의 인식이 높아지고, 더 많은 국가가 효과적인 폐기물 처리에 집중하며 산업 폐기물 관리 솔루션에 대한 수요가 급증함에 따라, 전 세계 산업 폐기물 관리 시장은 $1.79 billion by 2032까지 성장할 것으로 예상됩니다. 새로운 기술의 등장과 폐기물 종류의 복잡성이 증가하면서 이 성장에 기여하고 있습니다.

미국에서는 산업 폐기물 관리 시장이 더욱 성장할 것으로 예상되며, 이 기간 동안 약 $323.81 billion의 가치에 이를 것으로 전망됩니다.

폐기물 관리 외에도, 연구자와 기업들은 업사이클링, 제품 재설계, 생분해성 대체재, 순환 경제 모델, 미생물 솔루션, 혁신적인 재활용 기술 등 다양한 폐기물 처리 방안을 모색하고 있습니다.

쓰레기를 보물로 바꾸는 것이 최근 연구자들의 주요 과제였습니다. 우리는 최근 코넬 연구팀이 전자 폐기물에서 금을 추출하고 이를 촉매로 사용해 CO2를 유기 물질로 전환한 사례를 공유했습니다.

새로운 연구에서는 산업 폐기물로 친환경 배터리를 개발하고 있으며, 이는 휴대폰 및 자동차와 같은 기기에 사용되는 배터리의 대안이 되고 있습니다.

현재 사용되는 배터리는 리튬과 코발트와 같은 금속에 의존하고 있으며, 이들 금속은 침습적이고 집약적인 채굴을 통해 확보됩니다.

전기차의 급속한 보급과 전동 자전거, 소비자 전자기기, 에너지 저장, 전동 공구 등 배터리를 많이 사용하는 분야의 수요 증가가 금속 기반 솔루션에서 녹색 에너지 전환을 촉진할 필요성을 제기하고 있습니다.

산업 폐기물을 활용한 에너지 저장

재생 가능하고 본질적으로 간헐적인 에너지 자원에 대한 의존도가 증가함에 따라, Northwestern 연구팀은 전력망의 수요를 충족시키기 위해 에너지 저장 용량 확대를 주장하고 있으며, 이를 위해 산업 규모의 유기 폐기물을 효율적인 저장 솔루션으로 전환하여 지속 가능한 에너지를 제공하고 있습니다.

연구의 초점은 연구가 레독스 흐름 배터리(RFB)에 있었으며, 이는 유연성, 확장성, 장기간 사이클링 능력 때문에 탐구되는 충전식 배터리입니다.

레독스 흐름 배터리 시장은 현재 배터리 시장의 작은 부분을 차지하고 있지만, 2024년 3억 달러 이하에서 2033년에는 10억 달러를 훨씬 초과할 것으로 예상됩니다. 이 확장은 재생 에너지로의 전환 증가, 신뢰할 수 있는 대규모 에너지 저장 솔루션 필요성, 정부 지원 정책, 배터리 효율성 향상 및 비용 절감을 위한 지속적인 기술 발전에 의해 추진될 것입니다.

RFB의 발전은 대규모 에너지 저장에 실용적인 옵션이 되지만, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있습니다.

최근 몇 년간, 레독스 활성 유기 분자(ROM)의 안정성을 높이는 진전이 이루어졌으며, 이는 대규모 에너지 저장을 위한 지속 가능한 RFB 구축에 유망한 후보로 여겨집니다. 그러나 대부분의 평가 중인 ROM은 다단계 합성이 필요하고, 시작 물질의 제한된 가용성으로 적용이 방해받고 있습니다.

또한 양극액(anolyte)이 종종 안정성이 부족하다는 사실이 있습니다. 양극액은 RFB에서 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하고 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. RFB에 사용되는 양극액의 종류는 용량, 가역성 및 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

그래서 Northwestern 연구자들은 산업 폐기물에서 유래한 유기 화합물을 비수계 레독스 흐름 배터리(NARFB)용 ROM으로 활용하기 시작했습니다. 이러한 배터리의 다양한 변형이 전력망 규모 적용을 위해 연구되고 있지만, 폐기물 유기 물질을 이용한 이번 시도는 해당 분야에서 최초입니다.

폐기물 분자는 트리페닐포스핀 옥사이드(TPPO)로, 매년 수천 톤이 발생하는 잘 알려진 산업 폐기물 부산물이며, 다양한 유기 산업 합성 과정에서 생성됩니다. 화학적으로 안정적이며 제한된 용도가 있는 이 부산물은 무용지물로 남아 신중한 처분이 필요합니다.

가치가 없는 활용되지 않은 부산물은 트리페닐포스핀(TPP)의 뛰어난 반응성 때문에서만 허용되어 왔습니다.

Northwestern, DOE 기본 에너지 과학 사무국, 그리고 국립 과학 재단 대학원 연구 장학금의 지원을 받아, 연구진은 ‘원팟’ 반응을 통해 이 폐기물을 가치 있는 제품으로 전환할 수 있었습니다. 결과 용액은 에너지 저장을 위한 강력한 잠재력을 보여주며, 폐기물 유래 유기 레독스 흐름 배터리의 실현 가능성을 열어줍니다.

우리의 발견은 폐기물 화합물을 가치 있는 자원으로 전환하는 잠재력을 보여주며, 배터리 기술 혁신을 위한 지속 가능한 경로를 제시합니다.

– 주저자 Christian Malapit, Northwestern 화학자이며 Weinberg College of Arts and Sciences 화학과 조교수

그는 엔지니어와 재료 과학자가 배터리 연구를 주도하고 있지만, 그들의 연구가 보여주듯 합성 화학자도 ‘유기 폐기물 제품을 에너지 저장 분자로 분자 수준에서 설계함으로써 분야에 기여할 수 있다’고 강조했습니다.

전통적인 리튬이나 고체 전해질 배터리만큼 인기가 없지만, 고체 전해질 배터리는 각각 액체 또는 고체 전극에 대량의 에너지를 저장하는 반면, 레독스 흐름 배터리는 전해질 간 화학 반응을 이용해 에너지 흐름을 촉진하여 저장합니다.

최신 발견으로 RFB는 유기 분자를 활용하고 높은 안정성과 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있게 되어 금속 기반 경쟁자에 근접하게 되었습니다.

첫 번째 저자 Emily Mahoney(말라핏 연구실 박사과정)에게 따르면, 이 두 가지 매개변수는 ‘전통적으로 함께 최적화하기 어려웠다’고 하는데, 이제 폐기물 기반 분자에 대해 이를 입증했으니 ‘흥미롭다’고 말했습니다.

하지만 에너지 밀도와 안정성을 동시에 달성하려면 전자가 서로 가깝게 포장되면서도 저장 용량을 잃지 않는 방법이 필요합니다. 연구팀은 반세기 전의 논문에서 인산 옥사이드의 전기화학을 설명한 내용을 전략으로 삼았습니다.

이 연구는 실제로 인산 옥사이드를 배터리 연구에서 레독스 활성 성분으로 사용한 ‘첫 사례’였습니다.

감소된 인산 옥사이드는 전통적으로 매우 불안정했지만, 최신 연구의 분자 공학 접근법은 그 불안정을 해결하여 ‘에너지 저장에 적용되는 길을 열었다’고 평가했습니다.

이제 분자의 성능을 평가하기 위해 연구팀은 정적 전기화학 충·방전 실험을 수행했습니다. 350회의 충전·방전 사이클을 거친 후에도 배터리는 뛰어난 상태를 유지했으며, 시간에 따라 거의 용량 손실이 없었습니다.

350 사이클 동안 용량 감소가 없었던 이 연구는 ‘이 분자가 뛰어난 성능뿐 아니라 자원 지속 가능성 덕분에 분야를 선도할 것’이라고 결론짓습니다.

레독스 흐름 배터리와 관련해, 산업 화학 폐기물인 트리페닐포스핀 옥사이드를 에너지 저장에 활용하는 것 외에도, 혁신적인 막 설계, DMQA를 전해질 물질로 사용, 그리고 TEMPO 양극재의 히르슈펠드 전하 조정 등 다양한 연구가 RFB 발전에 기여하고 있습니다.

다른 산업 폐기물이 배터리 기술을 구동하다

중요한 돌파구이지만, 이 연구만이 산업 폐기물을 활용해 유용한 제품을 만드는 유일한 사례는 아닙니다. 수년간 여러 연구가 폐기물을 활용해 배터리 기술을 향상시켜 왔습니다.

이에는 철강 제조의 부산물인 강슬래그를 활용하는 것이 포함되며, 이는 에너지 저장 소재로 연구되었습니다. 한 연구에서 연구진은 강슬래그 파우더(SSP)와 유리 파우더(GP)를 사용해 녹색 구조 슈퍼커패시터 셀(SSC)을 만들었으며, 이 셀은 강도와 면적 용량 측면에서 뛰어난 다기능성을 보였습니다.

또 다른 연구에서 연구진은 강슬래그의 열 성능을 조사했으며, 이를 합리적인 열 저장 소재로 확인했습니다. Na2CO3 활성화를 통해 열 저장 용량을 25% 이상, 열 전도율을 32% 이상 향상시킬 수 있었습니다.

강슬래그의 활용은 연구에만 국한되지 않습니다. 세계 두 번째로 큰 철강 생산업체인 ArcelorMittal은 이 부산물을 철강 제조 공정에서 열 에너지 저장용으로 시험했으며, 화석 연료 사용을 줄였습니다. 이 회사는 실제로 Linz-Donawitz(LD) 슬래그를 활용해 약 30개의 새로운 제품을 만들고 있으며, 이 제품들은 도로 및 울타리 기둥 제작, 시멘트 원료, 하수 처리 등에 사용됩니다.

강슬래그, 석탄재, 광산 폐기물 등 다양한 재료도 지속 가능한 탄소 저장에 활용되고 있습니다. 산업 부산물의 CO2 저장 잠재력은 2100년까지 연간 29억~85억 톤으로 추정됩니다(산업 폐기물 생산량에 따라 달라짐).

플라이 애쉬는 석탄 화력 발전소의 부산물로, 배터리 양극재로 연구되고 있습니다. 사우디아라비아 연구진은 플라이 애쉬 탄소를 알칼리 금속 이온 배터리의 양극재로 활용했으며, 높은 용량과 우수한 사이클 안정성을 보였습니다. 별도의 연구에서는 이 부산물을 나노구조 실리콘 파우더로 전환해 리튬 이온 배터리 양극 활성 물질로 사용했으며, 좋은 전기화학적 성능을 나타냈습니다.

에너지 생산 과정에서 발생하는 활용되지 않은 바이오매스 및 폐기물은 탄소 소재로 효과적으로 활용되어 배터리, 태양전지, 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치에 사용할 수 있습니다. 폐기물을 활용함으로써 폐기물 재활용의 어려움과 화석 연료 소비 문제를 동시에 해결합니다.

바이오매스에서 유래한 탄소는 식물 및 동물 폐기물을 인공 공정을 통해 다공성 탄소 소재로 전환함으로써 만들어집니다. 이러한 구조는 비교적 높은 전도성, 표면적, 다공성을 가지고 있어 특히 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 응용에 뛰어난 후보가 됩니다.

탄소 소재는 높은 다공성과 비표면적 덕분에 슈퍼커패시터 전극으로 널리 사용되며, 바이오매스 탄소는 원료가 풍부하고 비용이 낮으며 높은 전력 밀도, 긴 사이클 수명, 낮은 오염 등의 장점을 가지고 있습니다.

과학자들은 플라스틱 폐기물을 활용해 차세대 배터리용 고성능 양극재를 만들고 있습니다. 싱가포르 연구팀은 화학적으로 연결된 분자를 더 짧은 분자로 분해하여 폐기된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 병으로부터 고분자 전해질을 제조하는 방법을 개발했습니다.

또한 오래된 리튬 이온 배터리를 재활용하면 코발트, 리튬, 니켈을 회수하여 새로운 에너지 저장 시스템에 재사용할 수 있습니다.

전 세계 리튬(Li) 공급의 대부분은 천연에서 염수와 경암 광석 형태의 1차 생산물로 존재하며, 주로 호주, 중국, 라틴아메리카에서 채굴됩니다. 코발트 공급은 (1차 생산물로는 10% 미만이며 나머지는 구리·니켈 광산의 부산물) 주로 콩고 민주공화국(DRC)에서 이루어져 전 세계 생산량의 65%를 차지합니다.

따라서 오래된 배터리 부품을 재활용하면 폐기물을 줄일 뿐만 아니라 새로운 원자재에 대한 수요도 감소시킵니다. 비록 공급은 풍부하지만, 자원 집약적인 채굴과 지리적 분포 제한이라는 문제에 직면해 있습니다.

관련 상장 기업

이제 관련 산업에서 진전을 이루고 있는 기업들을 살펴보겠습니다.

1. Fluence Energy, Inc. (FLNC )

Fluence는 전 세계적인 에너지 저장 솔루션 제공업체로, Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack, Ultrastack을 통해 청정 에너지 전환을 촉진하고자 합니다. 또한 Fluence IQ 플랫폼은 인공지능 서비스를 제공해 재생 에너지와 저장을 관리·최적화합니다.

현재 시점에서 Fluence Energy의 시가총액은 30억 달러이며, 주가는 $16.56에 거래되고 있어 연초 대비 4.28% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -0.08이며 P/E(TTM)는 -219.92입니다. 9월 30일 종료된 분기에 회사는 매출 13억 달러와 최초로 순이익 6,770만 달러를 기록했습니다. 분기 주문량은 12억 달러였으며, 백로그는 약 45억 달러로 증가했습니다. 현금 보유액은 5억 1,870만 달러였습니다.

“역대 최고 매출 및 수익성”이라고 CEO Julian Nebreda는 “전 세계, 특히 미국 시장이 주도하는 배터리 에너지 저장 솔루션에 대한 전례 없는 수요”를 강조했습니다.

2. Waste Management (WM )

Waste Management은 산업 폐기물 재활용에 집중하며, 주거, 상업, 지방 자치 고객을 위한 수집, 재활용, 처리 서비스를 제공하는 환경 솔루션 기업입니다.

현재 시점에서 Waste Management의 시가총액은 833억 9천만 달러이며, 주가는 $207.53에 거래되고 있어 연초 대비 2.84% 상승했습니다. EPS(TTM)는 6.54, P/E(TTM)는 31.71이며, 배당 수익률은 1.45%입니다.

2024년 3분기에는 매출이 7.9% 증가했으며, 이는 가격 책정 강화를 통한 실행력, 재활용 가능한 원자재 가격 상승, 매립량 급증 덕분입니다. Waste Management는 이번 분기에 8개의 재활용 프로젝트를 완료했으며, 계획된 자동화 및 신규 프로젝트의 절반 이상이 북미 전역에 연간 150만 톤의 재활용 용량을 추가했습니다.

“우리의 강력한 실적은 수집 및 처리 사업이 주도했으며, 현장 인력 유지, 비용 구조 최적화, 차별화된 고객 서비스 제공에 집중한 결과가 수익 성장으로 이어졌습니다.”

– CEO Jim Fish

결론

산업 폐기물은 인구 증가와 기술 발전으로 지속적으로 늘어나고 있으며, 적절히 관리되지 않으면 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 대기 및 수질 오염 외에도, 이 폐기물은 토양 악화, 지구 온난화, 생태계 파괴를 일으킵니다. 폐기물의 소량만이 재활용되는 현실에서, 산업 폐기물을 에너지 저장 매개체로 전환하는 최신 발견은 환경에 매우 유익하며 지속 가능하고 건강한 미래로 가는 길을 열어줍니다.

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