태양광 에너지 저장 솔루션 효율, 변환 혁신에서 ‘한 차수 이상’ 증가

“세계의 재생 전기 생산 능력이 지난 30년 중 어느 때보다 빠르게 확대되고 있다”고 국제 에너지 기구가 올해 초 발표한 보고서에서 말했다.

파리 기반의 자율적인 정부간 조직에 따르면, 이 성장으로 “실질적인 달성 가능성”을 제공하며, COP28 기후 변화 회의에서 설정된 전 세계 용량을 10년 말까지 세 배로 늘리는 목표를 달성할 수 있다.

재생 가능 용량은 지난 10년 동안 크게 성장했으며, 그 중 태양광 에너지가 주요 역할을 담당했다. 2023년에 재생 가능 에너지원은 전 세계 전력의 30%를 생산했으며, 태양광 PV는 전 세계 신규 재생 가능 용량 추가량의 4분의 3을 차지했다.

태양광 에너지 비용이 계속 하락하면서 석탄보다 저렴해졌기에, 장기적인 비용 확실성 같은 경제적 이점 외에도 태양광은 회복력을 높이고 탄소 배출을 감소시킨다.

하지만 이러한 이점과 전 세계 최종 에너지 소비의 50%가 난방에 사용된다는 사실에도 불구하고, 태양광 사용량은 여전히 화석 연료에 비해 낮다.

이는 태양광이 야간에 이용할 수 없고, 피크 에너지 수요가 저녁에 집중되는 등 고유한 제한 사항이 있기 때문이다. 또한 기후 변화가 수요와 공급 모두에 영향을 미친다.

“우리는 기후 변화가 에너지 시스템 전체에 어떤 영향을 미칠지 고민해야 합니다. 안타깝게도 어떤 전력 생산 시스템도 기후 변화의 영향을 완전히 피할 수 없습니다.”

– Romany Webb, 콜럼비아 기후 학교 Sabin Center for Climate Change Law 부국장

기후 영향 측면에서, 더 빈번한 폭염은 태양광 패널 효율을 낮추고, 냉방 수요 증가가 전력망에 부담을 주어 시스템에 부정적인 영향을 미친다. 허리케인은 실제로 광발전량을 18%에서 60%까지 감소시켰으며, 열대 저기압은 태양 복사를 80%까지 감소시킬 수 있다. 강풍 같은 극한 날씨는 태양광 인프라를 추가로 손상시킬 수 있다.

이러한 모든 제한 사항은 효율적인 태양광 에너지 저장이 풍부한 가능성을 열어줄 수 있음을 의미한다.

효과적인 저장 솔루션은 잉여 전력을 저장해 햇빛이 사라지는 피크 시기에 사용할 수 있게 한다. 이를 통해 전기 부하를 수요와 공급에 맞춰 균형 잡고 지속적인 에너지 흐름을 유지할 수 있다.

태양광 저장은 또한 산불과 같은 파괴적인 사건이 발생했을 때 전력망이 정전 위험에 처하는 것을 방지한다.

그렇다면 이러한 저장 솔루션은 무엇인가? 일반적으로 배터리, 기계식, 열식의 세 가지 주요 카테고리로 나뉜다. 이 중 배터리, 특히 리튬이온 배터리가 가장 일반적이며 비용 효율적인 태양광 에너지 저장 방법이다.

연구자들은 끊임없이 새로운 혁신을 제시하고 있다. 태양광 에너지를 보다 효율적으로 수확하고 저장하는 새로운 접근법은 아직 충분히 탐구되지 않은 감작 전략을 활용한다.

더 효율적인 태양광 에너지 수확 및 저장

전 세계적인 태양광 에너지 사용 제한인 직접 가용성의 간헐성을 해결하기 위해, 독일 마인츠 요한네스 구텐베르크 대학교(JGU)와 지겐 대학교 연구진은 분자 시스템을 이용한 태양광 에너지 저장 방식을 개발했다.

전통적인 열에너지 저장 시스템이 짧은 기간만 에너지를 저장하는 데 비해, 분자 태양광 에너지 저장 시스템은 몇 주에서 몇 달까지 장기간 저장할 수 있다. 이는 에너지가 화학 결합 형태로 저장되기 때문이다.

분자 태양광 에너지 저장 시스템은 특수 분자 또는 포토스위치가 먼저 태양광을 흡수하고, 필요 시 열로 방출하는 방식으로 작동한다.

하지만 이 시스템에도 과제가 있다. 포토스위치를 흥분시키는 핵심 문제는 태양광 흡수 효율과 에너지 저장 용량 사이의 절충이다. 이는 분자 태양광 에너지 저장 시스템 전체 성능을 제한한다.

이에 마인츠와 지겐 연구팀은 연구를 수행해 새로운 접근법으로 이 문제를 극복하고자 했다.

새로운 클래스의 포토스위치는 지겐에서 처음 소개되었으며, 기존 리튬이온 배터리와 비교해 놀라운 에너지 저장 잠재력을 보여주었다.

가장 널리 사용되는 배터리 화학은 하나 이상의 리튬이온 셀과 회로 기판으로 구성된다. 리튬이온 셀은 전극, 양극, 음극, 전기를 전도하는 전해질, 전류 수집체, 그리고 분리막을 포함한다. 반면 포토스위치는 전자기 복사에 노출되면 구조 기하와 화학적 특성이 변하는 분자이다.

새로운 포토스위치는 뛰어난 에너지 저장 잠재력을 가지고 있지만, 기능이 자외선(UV) 빛에만 활성화된다는 제한이 있었다. UV 빛은 10~400 나노미터 파장을 가지며 태양 스펙트럼의 일부에 불과하다.

따라서 최신 연구는 간접 광수확 기술을 제안했다. 이는 광합성에서 빛을 수확하는 방식과 유사하다. 여기서는 가시광선을 강하게 흡수하는 감작제가 두 번째 화합물로 도입된다. JGU 화학과 교수인 크리스토프 케르지히(Cristoph Kerzig) 교수는 박사과정 학생 틸 쯔에링거와 함께 연구를 이끌며 다음과 같이 설명했다:

“이 접근법에서는 감작제가 빛을 흡수하고 이후 포토스위치에 에너지를 전달한다. 이 조건에서는 포토스위치를 직접적으로 흥분시킬 수 없다.”

이 새로운 접근법을 통해 연구팀은 태양광 에너지 저장 효율을 한 차수 이상 향상시켰다. 에너지 변환에서의 이 중요한 진전은 가정용 난방 솔루션과 대규모 에너지 저장 모두에 적용 가능성을 열어준다.

마인츠 연구팀은 또한 복잡한 시스템을 탐색하기 위해 정밀한 분광 분석을 수행해 근본 메커니즘을 이해하려 했다.

시스템 작동 방식을 상세히 파악하면 “빛 수확 한계를 크게 끌어올릴 수 있다”고 1저자 쯔에링거는 말했으며, 이는 빛을 저장된 화학 에너지로 변환하는 효율성도 향상시킬 수 있다고 덧붙였다.

운용 조건에서 흡수된 각 광자는 화학 결합 형성 과정을 촉발할 수 있다. 이는 여러 에너지 손실 경로가 존재하는 광화학 반응에서는 드물게 관찰되는 현상이다.

연구진은 태양광을 이용해 에너지 저장 및 방출 상태를 수차례 사이클링함으로써 시스템의 실용성을 검증했으며, 이는 실제 적용 가능성을 강조한다.

태양광 에너지 수확 및 저장의 최신 개발

태양광이 재생 에너지 믹스에서 차지하는 큰 역할 때문에, 연구자, 기업, 정부 이니셔티브가 모두 태양광이 어떻게 작동하는지 깊이 이해하고 더 나은 수확 및 저장 솔루션을 개발하려는 노력을 집중하고 있다.

노스캐롤라이나 주립대학(NC State University)의 새로운 연구는 햇빛이 전기로 변환되는 과정에서 유기 셀에서 일어나는 현상을 더 깊이 이해하는 데 초점을 맞췄다. 연구진은 스캔 프로브 현미경이라는 새로운 방법을 개발해 빛 에너지가 전하로 변환되는 인터페이스를 시각화하고, 이를 통해 태양전지 효율을 개선했다.

탄소 기반 고분자 재료로 만든 유기 태양전지는 유연하고 가벼운 태양광 응용 및 반투명 혹은 완전 투명 창 응용에 활용될 잠재력이 있지만, 페로브스카이트나 실리콘 태양전지에 비해 빛을 전기로 변환하는 효율은 낮다.

이는 두 가지 재료가 혼합된 구조 때문인데, 하나는 전자를 수확(공여체)하고, 다른 하나는 전자를 전달(수용체)한다. 두 물질 사이의 인터페이스에서 전압 손실이 발생해 유기 태양전지 효율을 제한한다.

최신 연구에 따르면, 공여체와 수용체 물질 간의 에너지 차이와 인터페이스상의 에너지 무질서가 전압 손실을 유발한다.

NC State University의 재료공학 교수이자 공동 저자인 아람 아마시안(Aram Amassian)은 에너지 오프셋이 최소인 물질을 선택하면 전압 손실을 줄일 수 있다고 설명했다. 용매와 가공 파라미터를 최적화해 인터페이스 무질서를 감소시키면 에너지 손실을 추가로 줄일 수 있다.

또 다른 최근 연구는 가정용 에너지 저장 시스템의 용량을 신뢰성 있게 추정해 향후 주거용 PV 시스템 도입 규모를 가늠하려 했다.

이를 위해 연구진은 세 가지 핵심 단계로 구성된 확장 가능한 용량 추정 기법을 도입했다: 저장 시스템이 완전 충전 상태와 완전 방전 상태를 판단하고, 두 상태 사이의 용량을 계산한다.

이 방법을 독일 가정 8년 동안 21개의 리튬이온 배터리 기반 시스템에 적용한 결과, 평균적으로 시스템은 매년 2~3%의 용량을 손실한다는 분석이 나왔다.

특히 이 방법은 제조업체와 태양광 기업이 자체 에너지 저장 시스템 용량을 추정하는 데 활용될 수 있다. 또한 연구진은 100년 이상에 걸친 140억 개 데이터 포인트를 포함한 방대한 데이터셋을 공개했으며, 이는 추가 연구나 컴퓨팅 모델 학습에 활용될 수 있다.

올해 6월, 연구진은 혁신적인 광수확 시스템을 개발했는데, 이는 “얇은 층(thin layer)에서 많은 빛 에너지를 흡수할 수 있다”는 점에서 자연광수확 시스템과 유사하다.

무기 반도체와 유사한 밴드 구조를 가지고 있어 가시광선 전체 영역을 전반적으로 흡수하며, 유기 염료의 높은 흡수 계수를 활용해 많은 에너지를 흡수한다.

이 시스템은 네 종류의 메르옥시아닌 염료가 접히고 밀접하게 쌓여 초고속·고효율 에너지 전달을 가능하게 한다. 연구에 따르면 이 시스템은 조사된 빛 에너지의 38%를 변환할 수 있다.

태양광 에너지의 효율적인 저장과 변환 손실 감소를 위해 전 세계 연구진이 올해 초 연구를 진행했으며, 광·전기화학 변환 동역학을 분석해 원하는 기능에 맞는 분자를 설계했다.

연구진은 노르보르다이엔(norbornadiene)을 조사했는데, 이는 두 개의 고리 구조를 가진 탄화수소 이성질체이며, UV 빛에 노출되면 더 높은 응력의 쿼드리사이클란(quadricyclane)으로 전환된다.

노르보르다이엔-쿼드리사이클란 시스템의 순수 에너지 밀도는 리튬이온 배터리와 비슷하므로, 역전환을 신뢰성 있게 제어할 수 있다면 전기를 저장할 수 있는 효율적인 태양광 모듈을 구현할 수 있다.

탄화수소 분자를 활용하면 희귀 금속이 필요 없고 비용 효율적인 방법을 제공하며, 쉽게 재활용·폐기할 수 있다. 이러한 최신 개발은 전 세계적인 태양광 채택을 확대하려는 노력을 입증한다.

진보로 혜택을 받을 수 있는 기업들

이제, 이러한 분자 태양광 에너지 저장 시스템에서 혜택을 받거나 제공할 수 있는 가장 두드러진 기업 두 곳을 살펴보겠다. 이 두 기업은 NextEra Energy, Inc. (NEE )와 Enphase Energy, Inc. (ENPH )이며, 모두 미국 기반으로 재생 에너지에 적극 참여하고 있다.

1. NextEra Energy (NEE )

재생 에너지 기술에 대한 투자로 알려진 NextEra Energy는 저장 효율성 측면에서 이러한 기술로부터 이익을 얻을 수 있다.

시가총액 1,610억 달러에 현재 주가는 78.37달러이며, 올해 현재까지 29% 상승했다. EPS(TTM)는 3.37, P/E(TTM)는 23.24이며, 배당 수익률은 2.63%이다.

이 에너지 인프라 기업은 최근 2024년 3분기 실적을 발표했으며, 순이익이 18억 5천만 달러로 2023년 3분기 12억 9천만 달러에서 증가했다. 조정 주당순이익도 전년 대비 10% 상승했다. CEO인 John Ketchum은 이 결과가 “지속적인 견고한 재무·운영 성과”를 보여준다고 밝혔다.

한편, NextEra Energy가 소유한 Florida Power & Light Company(FPL)는 순이익 12억 9천만 달러를 기록했으며, 자본 지출은 20억 달러, 규제 자본은 전년 대비 9.5% 증가했다. Ketchum은 허리케인 Helene과 Milton으로 영향을 받은 플로리다 고객들을 언급하며, FPL의 “하드닝 및 스마트 그리드 기술 투자 덕분에 수십만 건의 정전이 방지되었다”고 말했다.

또한 NextEra Energy Resources는 연속 두 분기 동안 신규 재생 및 저장 프로젝트 3GW를 백로그에 추가했으며, 2030년까지 총 10.5GW 규모의 재생·저장 프로젝트를 위해 Fortune 50 고객 두 곳과 계약을 체결했다.

“우리 사업의 지속적인 강력한 실적과 규모, 경험, 기술은 전력 수요 증가가 우리 부문에 가져다줄 기회를 활용할 수 있게 할 것이다.”

– Ketchum, NextEra Energy CEO

지난 주, 이 선도적인 청정 에너지 기업은 골드만삭스, JP 모건, 미즈호 등 주요 금융기관에 15억 달러 규모의 지분을 매각하는 계약을 체결했다. 이 자금은 AI 관련 에너지·전력 프로젝트에 투자하고, 미지급 상업 어음 부채를 상환하는 데 사용될 예정이다.

AI 열풍으로 AI 데이터 센터의 전력 수요가 증가함에 따라, NextEra Energy는 재생 에너지 사업을 확대하고 있으며, 아이오와 주의 Duane Arnold 원자력 발전소 재가동에 대한 연방 규제당국과의 논의 및 연구도 진행 중이다.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

태양광 인버터와 저장 장치를 전문으로 하는 Enphase Energy는 상업적으로 실현 가능할 경우 혁신적인 분자 저장 기술을 도입해 에너지 회복력과 효율성을 높일 잠재력이 있다.

시가총액 118억 달러에 현재 주가는 87.46달러이며, 올해 현재까지 33.87% 하락했다. EPS(TTM)는 0.44, P/E(TTM)는 198.82이다. 2024년 3분기에 이 글로벌 에너지 기술 기업은 매출 3억 8090만 달러와 비GAAP 매출 총이익률 48.1%를 기록했다. 이 기간 동안 Enphase는 173만 대 이상의 마이크로인버터와 172.9 MWh의 배터리를 출하했다.

마이크로인버터 기반 태양광·배터리 시스템의 세계 최고 공급업체인 Enphase는 해당 분기에 자유 현금 흐름 1억 6160만 달러를 기록했으며, 현금·현금성 자산·시장성 증권은 17억 7천만 달러에 달했다.

이 기간 동안 Enphase는 AI 기반 소프트웨어를 출시해 태양광과 소비 예측을 전기 요금과 통합해 소비자가 절감 효과를 극대화하도록 지원했다.

10월에는 IQ8™ 마이크로인버터를 출시해 선택된 국가에서 고출력 태양광 패널을 지원했으며, 미국 일부 주에서 그리드 서비스 프로그램(가상 발전소) 지원을 확대했고, 호주에서는 25년이라는 가장 긴 표준 주거용 보증을 제공하는 IQ8X 마이크로인버터를 출시했다.

그 이전 두 달 동안에는 가장 강력한 Enphase Energy System을 선보였으며, 캘리포니아에서 기존 순에너지 계량(NEM) 태양광 시스템을 벌금 없이 확장하는 솔루션을 발표했으며, IQ EV 충전기를 위한 NACS 커넥터를 출시했고, 유럽 여러 국가에서 고출력 태양광 모듈을 지원하는 IQ8 마이크로인버터를 출하했다. 또한 네덜란드에서는 동적 전기 요금과 제3자 EV 충전기·히트펌프 통합을 지원하는 IQ Energy Management를 도입했다.

현재 회사는 2세대 IQ® EV 충전기, 백업 기능이 포함된 3상 IQ 배터리, 유럽 시장용 IQ® Balcony Solar Kit 출시를 준비 중이며, 차세대 IQ® Meter Collar, 10 kWh IQ 배터리, 향상된 IQ® Combiner를 포함한 4세대 에너지 시스템을 내년 초 미국에서 선보일 예정이다.

전반적으로 Enphase의 유럽 매출은 2분기 대비 15% 감소했으며, 이는 “유럽 수요의 추가 약화” 때문이라고 밝혔다. 반면 재고가 정상 수준으로 회복되면서 미국 매출은 전분기 대비 43% 상승했다.

결론

전 세계적인 재생 에너지 추진 속에서, 태양광은 청정하고 풍부한 솔루션으로 부상했다. 그러나 비용, 보다 효율적인 솔루션, 인프라 부족 등 다양한 요인으로 전 세계적인 채택은 여전히 제한적이다.

분자 태양광 저장부터 유기 태양전지 혁신에 이르는 최신 발전은 태양광 에너지를 더욱 효율적으로 만들고, 악조건에서도 전력 수요를 충족시키며, 지속 가능한 미래로 나아가는 큰 잠재력을 제공한다.

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