열 배터리, 금속 채굴 없이 급속히 성숙 중

대규모 에너지 저장 필요

There is a growing need for battery systems that are able to hold a lot of power for several hours or days. This is because solar and wind power are intermittent, fluctuating throughout the day and from day to day.

또 다른 요인은 금속 가공과 같은 산업 공정의 에너지 수요입니다. 이러한 공장들은 24시간 내내 전력이 필요하며, 보통 1,000~1,500°C 범위의 높은 열을 생산합니다.

전기차에 사용되는 리튬이온 배터리를 대규모로 적용하는 것은 현실적이지 않을 것으로 보입니다. 이들은 비용이 너무 비싸고 내구성이 부족하며 원자재 소비도 많습니다.

이 때문에 다양한 대체 배터리 화학이 유틸리티 규모 에너지 저장을 위해 고려되어 왔습니다. 우리는 이들 옵션 대부분을 기사 “에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술“에서 살펴보았습니다. 여기에는 리튬-인산철, 나트륨이온, 레독스 플로우, 철-공기, 용융 금속, 니켈-수소, 나트륨-황 등…

이 모든 배터리는 어느 형태로든 전기 형태로 에너지를 저장하며, 보통 금속의 산화·환원을 통해 이루어집니다.

The issue is that even very common metals like iron or aluminum would still require a lot of mining. So what if we store energy in another form?

열 저장

There is a surprisingly large number of options for storing energy without using electricity as a means of storage. We looked at them in further detail in “배터리 없는 에너지 전환을 위한 비화학적 대안“. These options include:

• 압축 공기.
• 중력 배터리(암석, 양수 수력).
• 열 배터리.
• 플라이휠.
• 열 태양광.

Each of these options, battery and non-batteries, have advantages and disadvantages. The ideal storage energy solution would fit a few characteristics:

• 금속 및 희귀 소재가 필요 없음.
• 장기 지속 에너지 저장.
• 저비용.
• 사용 가능한 부지나 자원에 제한 없이 손쉽게 확장 가능.
• 최소 손실로 전기로 활용 가능.

앞의 4~5가지 항목에 대해 열 저장이 적합합니다. 핀란드 기업 Polar Night Energy의 모래 배터리와 같이, 여름에 남는 에너지를 겨울에 저장할 수 있어, 추운 북부의 햇빛 없는 겨울에 난방 시스템을 재생에너지로 운영하는 데 필수적이며, 이는 저품질 모래와 프레임 및 배관용 약간의 금속만을 사용합니다.

출처: Polar Night Energy

유사한 열 배터리는 Rondo Energy에 의해 구상되고 있으며, 벽돌을 최대 1,500°C까지 가열하여 시멘트나 철강 생산과 같은 산업 공정에 열을 활용합니다.

이러한 열 배터리는 목표 제품 자체를 먼저 가열해야 할 경우, 예를 들어 아파트용 지역 난방이든 산업용 열이든 잘 작동합니다.

출처: Rondo Energy

하지만 열 배터리는 전력망에 에너지를 공급하는 데 적합하지 않다고 여겨졌습니다. 열을 다시 전기로 변환하는 효율이 보통 20~30% 수준이기 때문입니다. 이는 저장된 에너지의 4~5분의 1이 실제로 손실된다는 의미이며, 다시 말해 저장된 에너지는 생산 시보다 5배 더 비싸게 됩니다.

태양광 에너지가 이제 화석 연료와 동등해졌음에도 여전히 5배 저렴해지지는 않았습니다. 그러나 이 문제는 열광전이라는 기술 혁신으로 일시적일 수 있습니다.

열광전 셀 – 태양광 발전이지만 열을 이용

Thermophotovoltaics is the idea of creating power in a similar way to traditional photovoltaics but with heat rather than sunlight —or, more precisely, infrared light emitted by heated materials.

전통적인 태양광 패널에서는 일정 임계값 이하의 빛 주파수는 전류를 생성하기에 에너지가 부족해 낭비됩니다. 모든 적외선 빛이 바로 이러한 경우이며, 적외선 전자기파는 에너지가 너무 낮습니다.

This is not a new technology in itself, but it has always suffered from too low an efficiency level to be adopted widely. This was true until the recent achievement by researchers at the University Of Michigan, which released their results in a scientific publication titled “고효율 에어브리지 열광전 셀”.

그들은 1,500°C 이하 온도에서 기록적인 44% 효율을 달성했다고 주장합니다. 이는 이전 최고 37%에 비해 크게 높은 수치입니다.

연구진은 “머지않은 미래”에 50% 효율에 도달할 방법이 있다고 생각합니다.

출처: Cell

열광전 셀은 어떻게 작동하나요?

First, the storage material, which can be stone, sand, carbon, bricks, ceramics, etc., must be heated, either with excess electricity from renewables or direct solar heat.

1435°C에서 방출되는 적외선 광자 중 약 20~30%가 연구팀의 열광전 셀에서 전기를 생성할 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

출처: Design Boom

열광전 패널에 사용된 반도체로는 다른 적외선 주파수를 전기로 변환할 수 없었습니다.

그렇다면 어떻게 44%에 도달했을까요? 기발한 “트릭”은 반도체 바로 뒤에 얇은 공기층을 추가하고, 그 공기층 너머에 금 반사판을 배치하는 것이었습니다.

이렇게 하면 적절한 에너지 수준의 광자는 포획되어 전기를 생산할 준비가 되고, 나머지 광자는 가열된 물질로 되돌려져 재가열됩니다. 이후 다시 적절한 파장의 광자로 열광전 셀에 전달될 기회를 얻게 됩니다.

본질적으로, 셀은 처음에 포착하지 못한 광자를 재활용하여 전체 변환 효율을 높입니다.

미래의 열 배터리

An efficiency of 44% or even 50% might not look that impressive when compared to pumped hydro (70-85%) or lithium-ion batteries (85-95%).

하지만 이는 대규모 유틸리티 규모 에너지 저장의 보급이 기술만큼이나 경제와도 밀접하게 연관되어 있다는 점을 간과하는 것입니다.

배터리는 재활용이 필요하기 전까지 수년의 수명을 가집니다. 또한 그 규모로 배터리를 배치하기엔 리튬이 충분히 없으며 구리, 니켈, 코발트는 더욱 부족합니다. 특히 이러한 금속 생산량이 이미 전기차에 많이 사용되고 있기 때문입니다.

반면 열 배터리는 수십 년 동안 거의 유지보수가 필요 없으며, 암석, 모래, 점토 외에는 거의 재료가 필요하지 않습니다. 장소와 규모에 구애받지 않아 거대하게 구축해도 수력 발전과 달리 생태계에 거의 영향을 주지 않습니다.

마지막으로, 열은 에너지를 수주·수개월 동안 저장해야 할 때 가장 효율적인 방법 중 하나이며, 거의 모든 배터리가 시간이 지남에 따라 전력을 누출하는 반면, 잘 절연된 열 저장 시스템은 훨씬 낮은 누출률을 보입니다.

“이것은 배터리의 한 형태이지만 매우 수동적입니다. 전기화학 셀처럼 리튬을 채굴할 필요가 없으므로 전기차 시장과 경쟁할 필요도 없습니다.

수력 저장을 위한 양수 물과 달리, 물 공급원이 근처에 없어도 어디든 설치할 수 있습니다,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

따라서 전반적으로 열 배터리는 재생에너지의 간헐성을 완화하는 완벽한 에너지 저장 솔루션이 될 수 있습니다. 또한 풍부하거나 햇빛이 많은 달의 초과 에너지를 온대 기후에서는 겨울에, 열대 기후에서는 우기 동안 저장할 수 있습니다.

열 저장 / 열광전 기업

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI Marlow는 현재는 다소 작은 생산 분야열광전 셀의 선두주자인 II-VI Inc.의 계열사입니다. 2022년에 II-VI Inc.는 레이저 제조업체 Coherent Inc.를 인수하고 이후 회사명을 변경했습니다.

이 회사는 인듐 포스파이드, 에피택셜 웨이퍼, 갈륨 비소 등 레이저, 광학 및 포토닉스에 사용되는 첨단 소재 전문가이며, 지난 10년간 다수의 인수를 통해 크게 성장했습니다.

출처: Coherent

회사의 열광전 사업은 전체 매출 중 작은 부분에 불과하며, 광섬유, 레이저 등이 매출의 대부분을 차지합니다. 그러나 이는 투자자에게 좋은 소식이 될 수 있는데, 혁신이 새로운 시장을 열 경우 산업 규모로 신기술을 신속히 배치할 자본이 있다는 의미이기 때문입니다.

출처: Coherent

예를 들어, 초과 재생에너지의 유틸리티 규모 저장이라는 거대한 시장…

미시간 대학이 “특허 보호를 신청했으며 (…) 기술을 시장에 도입할 파트너를 찾고 있다”고 밝힌 만큼, Coherent와 같은 기업이 새로운 열광전 셀을 시장에 내놓을 가능성은 놀랍지 않습니다. 특히 열광전 및 유사 첨단 소재의 산업 생산에 이미 전문성을 갖추고 있기 때문입니다.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

The thermophotovoltaic cells used by the Michigan University researchers were made with InGaAsP (indium gallium arsenide phosphide).

“So we investigate whether translating the air-bridge architecture from ternary to quaternary group III–V absorbers (InGaAsP lattice matched to InP substrates) can enhance the efficiency within the target range of emitter temperatures.”

If this technology becomes a standard format for utility-scale energy storage, we will need InGaAsP, and a lot of it.

따라서 이 시나리오에서는 30년 동안 InGaAsP 생산의 선두주자로 자리 잡은 일본 대기업 Sumitomo에 투자하는 것이 합리적입니다.

For more than 30 years, the Semiconductor Division of Sumitomo Electric has maintained its leadership position as the world’s largest manufacturer of gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP).

Sumitomo라는 이름은 III-V 소재 분야에서 품질의 대명사가 되었습니다. Sumitomo Electric은 전 세계 고객에게 우수한 품질의 기판을 제공함으로써 높은 수율과 전기적 특성이 일관된 디바이스를 생산하는 명성을 얻었습니다.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries와 그 복합 반도체 부서는 세계적인 종합상사(sōgō shōsha) 중 하나인 대규모 Sumitomo 그룹의 계열사입니다.

Besides InGaAsP, the main of Sumitomo Electric Industries’ activity is producing:

• 통신 장비(광섬유, 5G)
• 자동차 배선 및 고전압 케이블
• 전자 제품(플렉시블 인쇄 회로, 데이터 와이어, 여과 막)
• 고품질 소재(탄화물, 절삭 공구, 프리스트레싱 강선).

출처: Sumitomo

대량 생산 고품질 소재에 대한 전문성과 InGaAsP 생산에서의 선도적 위치, 그리고 종합상사의 비즈니스 네트워크는 Sumitomo Electric Industries가 열광전의 대규모 채택에서 주요 수혜자가 될 것을 보장합니다.

이 성장은 디지털화·AI가 진행 중인 통신 분야와 전기차 관련 제품(케이블, 배선) 모두 급성장하고 있는 부문에도 긍정적일 것입니다.