토양 열 저장이 재생 에너지 저장 문제를 해결할 수 있다

대규모 에너지 저장 필요

수시간 또는 수일 동안 많은 전력을 저장할 수 있는 배터리 시스템에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 이는 태양광과 풍력 발전이 간헐적이며 하루 동안 및 날마다 변동하기 때문입니다.

추운 기후에서는 상황이 더욱 악화됩니다. 온도가 특히 낮을 때 건물 난방을 위해 에너지 소비가 증가하는 경우가 많습니다. 따라서 하늘이 흐리거나 태양광 패널에 눈이 쌓일 때 에너지 수요가 가장 높아집니다.

전기차에 사용되는 리튬이온 배터리를 대규모로 적용하는 것은 현실적인 해결책이 아닐 가능성이 높습니다. 비용이 너무 비싸고 내구성이 부족하며 원자재 소비도 많습니다.

이 때문에 유틸리티 규모의 에너지 저장을 위해 다양한 대체 배터리 화학이 고려되고 있습니다. 우리는 이들 옵션 대부분을 “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” 기사에서 살펴보며, 리튬인산철, 나트륨이온, 레독스 플로우, 철-공기, 용융 금속, 니켈-수소, 나트륨-황 등을 포함합니다.

이 모든 배터리는 전기를 형태로 에너지를 저장하며, 일반적으로 금속의 산화·환원을 통해 이루어집니다.

문제는 철이나 알루미늄과 같은 흔한 금속조차도 많은 채굴이 필요하다는 점입니다. 그렇다면 에너지를 다른 형태로 저장한다면 어떨까요?

열 저장

전기를 저장 수단으로 사용하지 않고 에너지를 저장할 수 있는 옵션이 놀라울 정도로 많이 존재합니다. 우리는 이를 “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”에서 자세히 살펴보았습니다. 이러한 옵션에는 다음이 포함됩니다:

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

각 옵션(배터리 및 비배터리)은 장단점이 있습니다. 이상적인 에너지 저장 솔루션은 다음과 같은 몇 가지 특성을 갖추어야 합니다:

• 금속 및 희귀 소재가 필요하지 않음.
• 다주 혹은 다개월에 걸친 장기 에너지 저장.
• 저비용.
• 사용 가능한 부지나 자원에 제한받지 않고 손쉽게 확장 가능.
• 최소 손실로 전기로 다시 변환 가능.

첫 번째부터 네 번째(또는 다섯 번째) 기준에 대해 열 저장이 적합합니다. 우리는 전용 기사 “Heat Batteries Rapidly Maturing Without the Need for Mining Metals”에서 가능한 “열 배터리” 기술을 탐구했습니다.

하지만 이러한 솔루션도 여전히 거대한 절연 사일로에 모래를 채우거나 순수 탄소 블록을 1500°C까지 가열하는 등 저장 용량을 제조해야 합니다.

리투아니아 카우나스 공과대학(Kaunas University of Technology) 연구진은 이제 추가 제조 없이 건물 아래 토양에 직접 에너지를 저장하는 새로운 가능성을 탐구하고 있습니다.

그들은 이 결과를 저널 Sustainability¹의 특집호에 “Research on Increasing the Building’s Energy Efficiency by Using the Ground Beneath It for Thermo-Accumulation”라는 제목으로 발표했습니다.

토양 열 용량

토양은 광물과 물이 혼합돼 있어 대용량의 열용량을 가지고 있습니다. 이는 일정 부피 또는 질량당 저장할 수 있는 열에너지의 양을 의미합니다. 토양의 물리적 구조, 유기물 함량, 입도, 광물 조성 등이 토양의 열변화를 결정합니다.

이 때문에 토양은 일정 깊이(보통 2~3미터/6.5~10피트) 이하에서 보다 일정한 온도를 유지하며, 해당 지역의 연평균 온도를 반영합니다.

출처: MDPI

이 원리는 지열 히트펌프에 활용됩니다. 지열 히트펌프는 여름에 토양에 저장된 열을 겨울에 가정 난방에 사용하며, 훨씬 차가운 대기에서 열을 끌어오는 대신에 이용합니다. 또한 더운 기후에서는 낮 동안 지표면보다 토양이 더 차가워 역방향으로도 작동할 수 있습니다. The same principles are also being deployed in geothermal greenhouses,

열 확산 측정

실험 설계

다층 토양에서 열 확산을 연중 측정하고 분석한 연구는 거의 없었으며, 이는 토양을 실용적인 열 배터리로 활용할 수 있는 잠재력을 제대로 이해하는 데 도움이 됩니다.

따라서 연구팀은 다양한 깊이에서 여러 측정을 수행하는 실험 설계를 만들었습니다. 열 확산을 측정하기 위해 전기 저항을 추가했습니다. 토양 내 열 방출에 대한 실험 연구는 12월에 시작해 7월에 완료되었습니다.

출처: MDPI

실험 측정값은 토양 내 열 확산에 대한 디지털 시뮬레이션과 비교했으며, 두 결과가 유사해 시뮬레이션의 타당성을 입증했습니다.

출처: MDPI

“1년간의 측정은 토양 온도의 자연스러운 계절 패턴을 드러냈으며, 건물 아래 고립된 토양 부피를 수동적으로 활용하는 것만으로도 열 손실을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있음을 확인했습니다.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

수분 에너지 저장

연구진은 이미 토양의 수분 함량과 공기 포켓이 토양의 열 확산 속도와 열용량에 크게 영향을 미친다는 것을 알고 있었습니다. 깊이가 증가함에 따라 축적 시간도 늘어나 토양이 열을 더 천천히, 더 오랜 기간 저장할 수 있게 됩니다.

수분의 활동성도 토양 내 열 확산의 핵심 요인으로 밝혀졌으며, 물은 토양 층 사이뿐 아니라 측면으로도 열을 전달할 수 있습니다.

한 실험에서 토양을 가열해 수분이 증발하기 시작했으며, 이는 액체 물이 증기로 변하는 상변화를 일으켰습니다. 액체 물이 증기로 변하는 이 ‘상변화’는 상당한 열을 흡수해 토양의 전체 열 저장 용량을 증가시키고 분포 패턴도 바뀝니다.

“상변화는 열을 저장하는 효율적인 방법이 될 수 있습니다. 훨씬 더 많은 에너지를 토양에 충전할 수 있습니다.

증기가 지하를 통과하면서 열을 더 넓은 영역에 분산시킵니다. “증기 흐름이 도달한 곳마다 급격한 온도 상승을 관찰했습니다. 이는 에너지가 이동하고 제어될 수 있음을 의미합니다.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

실용적 적용

모든 부지를 배터리로 전환하기

모든 건물은 큰 부지를 차지하므로, 토양을 구조적 안정성과 열 저장 모두에 활용하면 별도의 노력이 필요하지 않습니다. 특히 신축 건물의 경우, 기초 공사 중에 열 교환 장치를 설치하면 됩니다.

콘크리트나 아스팔트로 된 넓은 면적에도 동일하게 적용될 수 있습니다.

“이러한 시스템은 지역 난방 네트워크의 균형을 맞추거나 전력망 과부하 시 스트레스를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 주거용 건물, 거리, 주차장 아래에 열 축적 장치를 설치해 개별적으로 사용할 수도 있습니다.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

아이디어는 햇빛이 강한 시간대와 풍량이 많은 날에 남는 전력을 활용해 토양을 거대한 열 배터리처럼 가열하는 것입니다. 초기에는 주변 토양을 가열하는 데 가장 많은 에너지가 필요했습니다.

실험 설계에서는 연속적인 열 흐름을 약 일주일간 가해 안정적인 평형에 도달했으며, 그 이후에는 토양에 더 이상 열을 추가해도 새로이 흘러나오지 않았습니다.

분산형 전력망 및 열

이 기술의 주요 장점은 농촌 및 도시 환경 모두에서 분산된 태양광 생산을 손쉽게 활용할 수 있다는 점입니다.

하지만 전력망은 하루 동안 크게 변동하는 부하를 처리하도록 설계되지 않아 문제를 일으킬 수 있습니다. 이 점에서 배터리 파크는 큰 도움이 되지 않으며, 전력망 자체가 배터리를 공급하기 위해 업그레이드가 필요합니다.

대신, 특정 건물에서 발생한 잉여 태양광 전력을 지역적으로 열 형태로 토양에 전달하고, 밤이나 며칠 후에 다시 활용해 가열할 수 있습니다. 이렇게 하면 가장 햇빛이 강한 시간대에 지역 전력망이 과부하되지 않습니다.

또한 토양이 차가운 온도도 저장할 수 있어, 어느 정도 냉각에도 활용될 수 있습니다.

추가 연구

시스템의 경제성을 보다 깊이 평가해야 하며, 사용 장비 가격, 건설 비용, 전력망 업그레이드 비용 절감 효과, 그리고 토양이 열을 경제적으로 유지할 수 있는 기간 등을 통합해야 합니다.

현재까지는 이 시스템이 하루-밤 주기 혹은 며칠 간의 에너지 수요 균형을 맞추는 데 더 적합해 보이며, 다개월 및 계절적 균형보다는 효율적일 것으로 보입니다.

기술을 실용화하기 전에 조사해야 할 또 다른 사항은 지열 산업에서 이미 사용 중인 기존 솔루션을 어떻게 활용할 수 있는가입니다.

“우리의 당면 목표는 기존 솔루션(예: 보어홀, 파일, 기타 지하 열 교환 기술)을 통합해 산업 및 주거 부문 모두에 혜택을 줄 수 있는 시스템을 구축하는 것입니다.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

지열 에너지에 투자하기

이 분야는 다른 재생 에너지에 비해 아직 규모가 작으며 기술적으로 빠르게 진화하고 있습니다. 우리는 이를 “Geothermal Power: Green Energy That is Red-Hot”에서 자세히 논의했습니다.

이는 이 분야의 가장 앞선 스타트업 대부분이 아직 비상장이라는 의미입니다. 예를 들어, 폐쇄형 루프 지열 에너지 Eavor, 초임계 지열 Quaise, 혹은 인증 투자자만 접근 가능한 펀드인 Baseload Capital 등이 있습니다.

또한 Iceland Drilling과 같은 고급 지열 기업은 대형 석유·가스 시추 기업(Archer Wells – ARCH.OL)의 일부일 수 있음을 의미합니다.

그럼에도 일부 기업은 상장되어 일반 투자자도 접근할 수 있습니다. 여러 중개업자를 통해 지열 관련 기업에 투자할 수 있으며, 이 웹사이트에서 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 기타 국가별 최고의 중개업자에 대한 추천을 확인할 수 있습니다.

지열 기업

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat은 세계 최대의 지열 소유 및 운영 기업입니다. 이 회사는 미국, 케냐, 인도네시아, 중앙아메리카 및 카리브해 지역에 자산을 보유하고 있으며, 총 용량은 1.5GW로 전 세계 지열 발전 용량의 10%에 해당합니다. 2024년 한 해에만 253MW가 추가되었습니다.

출처: Ormat

회사는 네바다, 유타, 캘리포니아 등에서 새로운 탐사 시추를 다수 진행하며 전력 생산 용량의 강력한 성장을 목표로 하고 있습니다. 총합으로 2028년까지 2.6~2.8GW의 전력 생산 용량에 이를 것으로 예상됩니다.

출처: Ormat

Ormat은 또한 에너지 저장 시장에 진입했으며, 현재 290MW가 가동 중입니다. 추가로 385MW 저장 용량이 개발 중이며, 장기적으로는 2.9GW의 잠재력을 가지고 있습니다.

출처: Ormat

또한 Ormat은 지열 기술 공급업체이기도 하며, 이 분야 전문성을 74%의 바이너리 플랜트 프로젝트에 제공하고 있습니다. 바이너리 플랜트는 전 세계 지열 에너지 시장의 61%를 차지하며, 이는 Ormat이 전 세계 시장의 45%를 장악하고 있음을 의미합니다.

출처: Ormat

지열 에너지는 현재 빠르게 성장하는 분야이지만, 대부분의 유틸리티와 산업 기업이 기술에 익숙하지 않아 여전히 보수적인 편입니다.

이러한 점에서 Ormat은 성장하는 수요를 활용하기에 유리한 위치에 있으며, 업계에서 가장 확립된 기업 중 하나로서 베이스로드 재생 에너지를 제공하고 있습니다. 이는 다른 친환경 기술들이 아직 달성하기 어려운 부분입니다.

Ormat Technologies 최신 소식

연구 참고:

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). 건물의 에너지 효율성을 향상시키기 위해 지하 토양을 열 축적에 활용하는 연구. 탄소 중립을 위한 건물 내 재생 에너지 통합 및 적용 2판 https://doi.org/10.3390/su17010262}