열에너지 재활용: 가정 기후 제어, 주차장 및 컴퓨팅

전 세계 열에너지 저장 시장은 2022년 44억 달러 규모에서 2030년에는 80억 달러에 이를 수 있으며, 연평균 성장률(CAGR)은 약 7.7%에 달합니다. 저장에 대한 수요가 확대됨에 따라 열에너지 사용이 지속적으로 증가하고 있음을 나타냅니다.

하지만 열에너지는 정확히 무엇이며, 어떻게 저장할 수 있을까요? 앞으로의 섹션에서 이 질문들을 깊이 파헤쳐 열에너지가 현대 세계의 요구에 맞는 효율적인 에너지 사용 패러다임을 어떻게 만들고 있는지 살펴보겠습니다.

열에너지의 간략한 역사

열에너지와 그 잠재력을 인식한 역사는 1847년으로 거슬러 올라갑니다. 이 공로는 전 세계적으로 존경받는 영국의 물리학자이자 수학자 제임스 프레스콧 줄에게 돌아갑니다.

간단히 말하면, 줄은 열과 기계적 에너지 사이의 관계를 밝혀 결국 에너지 보존 법칙, 즉 열역학 제1법칙에 도달했습니다. 이 법칙은 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수는 있지만, 생성되거나 소멸될 수는 없다고 명시합니다.

줄 과학자가 이 혁신적인 결론에 도달한 과정은 흥미로운 실험이었으며, 오늘날 우리가 열에너지라고 부르는 현상의 본질을 이해하는 데 도움을 줍니다.

그 실험에서 줄은 전기 모터가 일정량의 물을 1도 올리기 위해 수행해야 하는 작업량을 측정했습니다. 또한 물이 천공된 실린더를 통과할 때의 온도 상승과 가스를 압축할 때 발생하는 열을 측정했습니다.

연구 과정에서 그는 유체에 가해진 기계적 에너지량이 항상 발생한 열 에너지와 동일함을 발견했으며, 이는 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 재활용할 수 있음을 시사합니다.

보다 넓은 관점에서 이 실험은 우리 우주와 에너지 시스템에 대해 많은 것을 말해줍니다. 가장 중요한 점은 우주 전체의 에너지는 일정하게 유지되며, 한 형태의 에너지가 다른 형태로 변환된다는 것입니다.

줄의 발견은 열역학이라는 본격적인 학문 분야를 탄생시켰습니다. 우리는 이미 이 패러다임의 제1법칙을 살펴보았습니다. 그 외에 세 가지 법칙이 더 있습니다. 이 네 가지 기본 법칙은 열, 일, 온도와 그 상호작용이 에너지, 복사, 물질의 물리적 특성에 어떤 영향을 미치는지를 규정합니다.

열에너지의 잠재력과 그것이 우리의 프로세스에 어떻게 도움이 될 수 있는지를 완전히 이해하려면 열역학을 파악하는 것이 중요합니다. 열역학은 열에너지가 다른 형태로, 그리고 그 반대로 변환되는 방식을 설명합니다. 열에너지는 물체 내부 입자들의 움직임에 의해 발생하는 열에서 비롯됩니다. 움직임이 빠를수록 더 많은 열이 생성됩니다.

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열에너지 생성의 과학: 전도, 대류, 복사

입자나 분자의 움직임이 열을 발생시킵니다. 그러나 이러한 움직임이 열을 생성하는 방법은 최소 세 가지가 있습니다.

전도 과정에서는 물체가 움직이지 않은 상태에서 구성 입자들의 움직임으로 열이 발생합니다. 전도에 의한 열 발생의 실제 예는 스테인리스 스푼을 요리 냄비 안에 넣고 일정 시간 두었을 때, 냄비가 아래에서 가열되고 있는 동안 스푼의 온도가 상승하는 경우입니다.

대류 과정은 고체 표면과 움직이는 액체 또는 가스 사이에서 에너지 전달이 일어나는 경우입니다. 물을 팬에 넣고 팬에 직접 열을 가해 물을 가열하는 것이 대류에 의한 에너지 전달의 예시입니다.

마지막으로 복사 과정에서는 열이나 열에너지가 교환되기 위해 두 물체가 서로 접촉할 필요가 없습니다. 이 과정의 전형적인 예는 백열등을 얼음 근처에 두어 얼음을 녹이는 것입니다. 램프와 얼음이 직접 닿지는 않지만 얼음이 녹습니다.

이러한 열에너지 생성 방법들은 인간의 눈에 직접 보이지 않으며 외부 또는 물리적 현상을 통해서만 인식될 수 있지만, 우리가 일상에서 접하는 많은 사례들을 통해 쉽게 알아볼 수 있습니다.

예를 들어, 태양 복사가 대기를 가열합니다, 그 결과 우리는 더위를 느낍니다. 마찬가지로 지열 에너지 역시 존재하는데, 이는 지구 깊은 곳에서 지속적으로 흐르는 강렬한 열입니다. 암석에 존재하는 방사성 원소의 붕괴가 이러한 열의 주요 발생원입니다. 또한 해수면은 장시간 햇빛에 직접 노출되어 거대한 열에너지 저장 잠재력을 가지고 있습니다. 연료 전지도 열에너지에서 생산된 에너지를 활용하는 데 도움을 줍니다.

열에너지 재활용: 전 세계의 노력

원리상 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환됩니다. 따라서 에너지를 재활용하는 것은 자연 과학 원칙에 부합합니다. 이는 에너지의 즉각적인 활용을 넘어 그 진정한 잠재력을 활용하는 효율적인 방법입니다. 여기서는 재활용된 열에너지의 몇 가지 사례를 살펴보겠습니다.

지하 주차장에서 발생하는 열에너지로 지하수 가열

마틴 루터 대학교 할레-비텐베르크(MLU), 카를스루에 공과대학, 그리고 바젤 대학교의 연구팀이 심층 연구를 수행했습니다 독일, 오스트리아, 스위스의 도시들에 있는 31개의 지하 주차장을 조사했습니다.

이 중 6곳에서는 인근 지하수의 온도도 측정했습니다. 그들이 만든 열 프로파일을 통해 지하 주차장이 연중 지속적으로 지하수를 가열한다는 결론에 도달했습니다. 이 열은 주로 주차된 차량의 엔진에서 발생한다는 점을 주목해야 합니다.

MLU 지구과학자 Maximilian Noethen은 “공공 지하 주차장은 종종 더 깊고 차량이 짧은 시간만 주차되기 때문에, 사설 주차장보다 지하수 가열에 더 큰 기여를 합니다.”라고 설명했습니다.

연구진은 또한 이 열에너지를 재활용할 잠재력을 강조했습니다. 예를 들어, 베를린 지하 주차장의 연간 에너지 출력은 약 0.65 페타줄에 달하며, 이론적으로 약 14,660가구에 열을 공급할 수 있습니다.

전자 기기의 열 재활용

이 연구는 중국 중앙남방대학교와 마틴 루터 대학교 할레-비텐베르크(MLU)의 물리학자들이 수행했습니다. 이 연구는 기술 장치에서 발생하는 열을 컴퓨팅에 활용할 수 있는 가능성을 제시합니다. 필요한 것은 특정 재료를 결합하는 것입니다.

전자 기기는 전류가 흐르면서 열이 발생합니다. 이 열은 방출되어 손실됩니다. MLU 물리학 교수인 Dr. Jamal Berakdar에 따르면 “수십 년 동안 사람들은 전자기기에서 손실된 에너지를 재활용할 방법을 찾고 있었습니다.”

열 재활용을 위한 새로운 방법은 기존 전자 회로 대신 비전도성 자기 스트립을 일반 금속 스페이서와 함께 사용하는 것을 제안합니다. “우리 기술은 남는 열을 효과적으로 활용함으로써 정보 기술 분야의 에너지 절감에 기여할 수 있습니다.”라고 Berakdar는 설명합니다.

열 저장을 위한 소금 배터리

이 연구는 최근 진행된 것으로, 라드부드 대학교 박사 과정 연구원 Lian Blijlevens가 열 저장을 위한 소금의 유용성에 대한 연구를 방어하려 하고 있습니다. 여기서 말하는 소금은 일반 식탁용 소금이 아니라 스트론튬 클로라이드와 같은 종류입니다.

Blijlevens 연구의 핵심은 소금 수화물과 물 함유 소금을 결정 형태로 저장하도록 설계된 소금 배터리입니다. 이 배터리를 재충전하려면 소금을 가열하여 결정에서 물을 배출시킵니다.

“열이 필요할 때는 결정에 수증기를 추가하면 열이 다시 방출됩니다.”라고 Blijlevens는 결론짓습니다.

이러한 연구 논문들은 이 분야의 활발한 혁신 분위기를 보여주며, 일부 솔루션은 기업 규모에서 열에너지를 재활용하는 데 도움을 줍니다. 다음 섹션에서는 이러한 솔루션 제공업체들을 논의합니다.

에너지 재활용 솔루션 제공업체: 기업 규모

#1. Calefa

Calefa는 핀란드에 기반을 둔 열 재활용을 위한 턴키 솔루션 제공업체입니다. 이 회사는 모듈식 AmbiHeat 히트펌프 플랜트를 제공하며, 주변 에너지 원과 레트로핏 시스템을 활용해 폐열을 재활용합니다. 히트펌프를 솔루션으로 언급했으므로, 왜 이것이 가정 기후 제어를 위한 최고의 옵션.

히트펌프는 한 위치에서 다른 위치로 열을 전달하는 다목적 기후 제어 장치입니다. 열을 생성하지 않고 이동시켜 가정 난방이나 냉방에 에너지 효율적인 선택이 됩니다. 겨울에는 외부에서 열을 추출해 실내로 전달하고, 여름에는 그 반대로 작동합니다.

조직이 발표한 데이터에 따르면, Calefa는 지난 10년간 폐열 또는 주변 에너지를 활용하는 에너지 시스템을 거의 200건 제공했습니다. 이를 통해 3,400만 달러 이상의 비용을 절감하고, 약 650,000 MWh의 에너지와 1억 4,200만 킬로그램 이상의 이산화탄소 배출 감소를 달성했습니다.

#2. Heata

Heata는 영국에 기반을 둔 혁신적인 스타트업으로, 컴퓨터에서 발생하는 열을 이용해 무료 온수를 제공하는 아이디어를 제시했습니다. 이 스타트업은 영국 가스와 함께 혁신 프로젝트로 시작되어 연료 부족 또는 연료 빈곤에 처한 사람들을 돕고 있습니다.

그들은 블록체인 분야를 조사하면서 비트코인 채굴자들이 사용하는 막대한 에너지와 그 과정에서 발생하는 대량의 폐열을 알게 되었습니다. 이 열을 재활용하기 위해 Heata 팀은 비트마이너를 광유에 담그고 라디에이터에 연결해 아이디어의 실현 가능성을 테스트했습니다.

아이디어가 실행 가능하다는 것을 확인한 뒤, 연중 일정한 수요가 있는 온수 저장 탱크를 도입했습니다. 또한 비트코인 채굴에서 일반 컴퓨팅으로 전환해 이 산업의 탈탄소화 노력을 지원하고 있습니다.

2017년에 설립되어 영국 서리 주 고달밍에 본사를 둔 Heata는 기업이 탄소 발자국을 줄이고 가정은 연간 최대 £450의 에너지 비용을 절감하도록 돕습니다. 이 스타트업은 올해 10월에 100만 파운드의 시드 펀딩을 마감했습니다.

데이터 센터 열 재활용

세계경제포럼은 데이터 센터(서버를 보관하는 시설)를 활용해 주택을 난방하고 이산화탄소 배출을 줄이는 기술 기업들을 주목했습니다. 여러 이니셔티브가 이 과정을 촉진하고 있으며, International Data Corporation에 따르면 데이터 센터 난방 시장은 2025년까지 25억 달러 규모에 이를 수 있습니다.

스톡홀름 데이터 파크는 스웨덴에서 스톡홀름 데이터 센터가 발생시키는 폐열을 활용해 주택을 난방하는 이니셔티브 중 하나입니다. 야심 차게 2035년까지 스톡홀름 전체 난방 수요의 10%를 이 방식으로 충당할 계획입니다. 더 큰 규모에서 이 잠재력을 반영하자면, 싱크탱크 Energy Innovation은 가장 큰 데이터 센터가 100메가와트 이상의 에너지를 생산할 수 있어 80,000가구에 전력을 공급할 수 있다고 지적합니다.

Switch Datacenters는 네덜란드에 기반을 둔 또 다른 기업으로, 가스 발전기를 데이터 센터 난방으로 대체해 천연 가스 의존도를 낮췄습니다. 회사 CEO에 따르면, 이 시스템을 통해 서버 열의 최대 97%를 가정과 사무실에 전달할 수 있다고 합니다.

미래: 글로벌 기술 대기업 마이크로소프트의 도전

마이크로소프트는 핀란드 기업 Fortum과 협력해 헬싱키 수천 가구를 난방하고 있으며, 협력이 성공을 거두면서 Fortum은 이 솔루션이 헬싱키 가구의 40%를 난방하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.

지속 가능성에 대한 약속을 확대하기 위해 마이크로소프트는 헬싱키에 있는 두 개의 신규 데이터 센터에 재생 에너지를 공급하기로 결정했으며, 이 결정으로 연간 이산화탄소 배출량을 40만 톤 줄일 것으로 예상됩니다.

하지만 이 환경 이니셔티브는 마이크로소프트의 글로벌 영향력 중 한 측면에 불과합니다. 전 세계적으로 유명한 이 회사는 2023 회계연도에 2,110억 달러의 매출과 880억 달러 이상의 영업 이익을 기록했습니다. 열에너지 재활용 노력에 대한 마이크로소프트의 참여는 지속 가능성 약속을 강조할 뿐 아니라 이러한 사업에 큰 가시성과 적응력을 부여합니다.

이제 다시 열역학 제1법칙으로 돌아가 보겠습니다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환하려는 노력이 있을 때 가장 효과적으로 활용됩니다. 열에너지 재활용은 그를 위한 효율적인 단계입니다. 앞으로 몇 년간 채택이 크게 성장하지 않을 이유는 없습니다.