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신재생에너지를 저장해주는 요물 ‘바나듐 흐름전지’

  • 2014.02.17.
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‘열’과 ‘바람’을 저장할 수 있을까요?  있다면 여러분은 이것들을 어떤 곳에 사용하실 건가요?
사랑하는 사람과 가족을 위해 따뜻한 온기와 시원한 바람을 선사하는 데 쓸까요?

신재생에너지 중 태양열이나 풍력은 고갈될 염려가 없는 무궁무진한 자원이지만 자연의 법칙에 순응해야 한다는 것이 가장 큰 약점이었습니다. 태양열에너지는 깜깜한 밤에, 풍력에너지는 바람이 없는 날에는 전기를 생산할 수 없기 때문입니다. 그런데 앞으로는 태양광과 바람을 배터리처럼 저장할 수 있게 됐습니다. 바로 ‘바나듐 흐름전지’라는 희한한 물건 덕분입니다. 실제로 지난 2003년 호주 킹 섬에서는 7만l 용량의 바나듐 흐름전지 탱크에 풍력에너지를 저장해 디젤발전기의 사용량을 절반으로 줄였다고 합니다.

새로운 자연에너지 저장수단으로 떠오르고 있는 바나듐 흐름전지에 대해 알아보겠습니다.

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‘바나듐’은 원자번호 23번의 전이금속입니다.
이 원소는 단단하면서도 연성과 전성이 좋아 자연 상태에서는 화합물 형태로 존재합니다. 전이금속의 화합물들은 여러 가지의 아름다운 색깔을 띠는 특징이 있습니다. 바나듐은 그중에서도 색깔이 특히 곱고 다양하기로 유명한데요, 바나듐을 처음 발견한 스페인의 광물학자 안드레스 델리오(Andres del Rio)는 이 화합물이 여러 가지 영롱한 색깔을 띠는 것을 보고 ‘모든 색’을 뜻하는 그리스어 ‘panchrome’에서 이름을 따와 ‘판크로뮴’이라 불렀다고 합니다.

그러나 1805년 한 프랑스 화학자는 바나듐이 크로뮴(Cr)에 불과하다는 이유로 델리오의 발견을 부정하였습니다. 델리오의 발견은 그 후 25년이 지난 1830년에야 스웨덴 화학자 닐스 세프스트룀(Nils G. Sefstrom)에 의해 재인정 됐습니다. 세프스트룀은 강철의 부서짐을 연구하던 중 스웨덴산 철광석에서 바나듐을 발견했습니다. 형형색색을 띠는 이 원소의 아름다움에 매료된 그는 북유럽 신화에서 미와 사랑의 여신인 ‘바나디스’라는 이름을 붙였다고 합니다.

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바나듐을 강철에 첨가하면 강도가 커집니다. 이렇게 만들어진 ‘바나듐강’은 주로 자동차 부품이나 고속 공구 등에 사용됩니다. 또 티타늄에 바나듐을 섞으면 강도와 열안정성이 높아지기 때문에 항공기 동체나 제트 엔진의 부품 등에 사용됩니다.

이런 바나듐 성분은 멍게 등의 해양생물과 일부 버섯에도 들어 있는데요, 흐름전지(flow battery)는 바나듐 금속이 녹아 있는 전해질을 사용해 만든다고 합니다. 흐름전지란 전기를 바나듐 수용액이 든 탱크에 화학물질의 형태로 저장했다가 필요할 때마다 수돗물처럼 밸브를 틀어서 사용하는 방식입니다. 때문에 흐름전지 탱크만 있으면 언제 어디서든 전기 에너지를 쓸 수 있고, 탱크 크기에 따라 저장용량도 얼마든지 키울 수 있다고 합니다.

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전기자동차에 흐름전지를 사용하면 전지 가격을 약 1/4 수준으로 낮출 수 있고, 한번 충전으로 최대 800km까지 갈 수 있다고 합니다.

또, 바나듐 흐름전지는 바람이 세거나 태양열이 강할 때 자연에너지를 많이 저장해두었다가 필요할 때 꺼내 사용할 수 있습니다. 때문에 이 시설을 설치하면 풍력발전소는 바람이 불지 않는 날에도 전기를 공급할 수 있고, 태양열발전소에서는 해가 없는 밤에도 발전이 가능하게 됩니다. 일본 훗카이도의 한 전력회사에서는 태양광 발전소에 보조설비로 커다란 바나듐 흐름전지를 설치할 계획이라고 하는데요, 여기서 한 가지 거론되는 바나듐 흐름전지의 문제는 가격이 비싸다는 점입니다.

이런 단점을 보완하기 위해 미 하버드대 연구진은 바나듐 가격의 1/3 수준인 유기물질 ‘퀴논’으로 만든 흐름전지를 발표했습니다. 퀴논은 원유나 식물에서 쉽게 구할 수 있는데다 산화-환원 반응이 바나듐보다 1,000배나 빨라 충전시간까지 절약할 수 있는 장점이 있습니다. 이와 비슷한 사례는 또 있습니다.

이와 비슷한 사례는 또 있습니다. 스페인의 전력업체 아벤고아사는 미국 애리조나주의 솔라나 태양열 발전소에서 액체 상태의 소금을 이용한 야간 발전에 성공했습니다. 이것은 낮에 증기를 만들고 남은 열을 액체 소금 12만 톤에 저장했다가, 해가 지면 섭씨 550도 이상의 열로 다시 증기를 만들어 발전기를 돌리는 방식입니다. 이로써 아벤고사는 해가 진 후 6시간 동안 약 3만 가구가 쓸 수 있는 120MW의 전력을 생산해냈다고 합니다.

한국에너지기술연구원은 바나듐 흐름전지를 얇게 만드는 신기술을 개발하는 한편, 도시경관전문기업인 누리플랜과 함께 재난 및 정전 대비와 전력부하조절을 위한 200kWh급 바나듐 레독스 흐름전지 개발에 몰두하고 있습니다. 흐름전지를 얇게 만들면 만들수록 그만큼 저장공간이 커지고 값비싼 바나듐을 적게 사용할 수 있게 됩니다. 또 200kWh급 바나듐 레독스 흐름전지를 일단 개발하면 1MWh급 개발은 시간문제라고 합니다. 이런 신기술이 빨리 개발돼 우리나라의 태양열발전소와 풍력발전소도 흐름전지를 활용해 전력부족 걱정 없이 전기를 편리하게 사용할 수 있었으면 합니다.

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코멘트(2)

  • 정대섭 3 년 전에

    바나듐을 담는 저장 탱크는 어떤것들이 사용되는지요?? 철탱크에 라이닝을 하는 것으로 알고 있는데 PE나 EVA재질의 플라스틱 시트도 사용가능할지요?

  • 박제형 4 년 전에

    퀴논이 어찌보면 가격도 싸고 충전시간도 빠른대신

    상대적으로 바나듐보다 부족한 부분이 무엇이 있나요??

    없다면 에너지 연구원에서 바나듐 대신 퀴논을 이용하는게 더 좋을텐데 말이죠

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