태양광, 이제 야간에도 저장 가능!
이는 자연환경에서 에너지원을 추출하는 신재생에너지의 원리상 앞으로 반드시 극복해야 할 중요 사안이다. 실제로 전 세계의 많은 연구기관들이 이러한 신재생에너지의 약점을 극복하기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 특히, 태양광의 경우 다른 신재생에너지에 비해 환경적 제약요소가 현저히 적기 때문에 이러한 한계적 요소를 타파하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양광 등 신재생에너지 솔루션을 통해 에너지를 저장해 피크시간에 발전하는 ESS 또한 이러한 시장의 수요에 따라 새롭게 떠오르고 있는 성장 솔루션이다. 이러한 가운데 미국 텍사스 대학 알링턴 캠퍼스 재료공학부 소속의 연구진이 야간과 같이 대규모 태양에너지를 저장할 수 있는 에너지 전지를 새롭게 개발했다고 전해 관련시장의 관심을 모으고 있다.

광전기 화학전지 활용해 태양광발전 약점 극복하다!
이 혁신적인 솔루션은 에너지발전 동력 공급원으로 태양광에 직접적으로 의존하는 일반적인 태양에너지 시스템의 단점을 보완하는 데 크게 공헌했다. 기존의 태양광발전 시스템은 야간이나 구름이 태양을 가리는 흐린 날씨에는 사용하기 힘들다는 단점이 있었다. 이에 연구팀은 야간에서조차 대용량의 태양광에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 ‘전체 바나듐광전기 화학적 흐름 전지’를 개발하기에 이르렀다. 연구진은 이번 연구결과의 성공에 힘입어 현재보다 더욱 규모가 큰 시제품을 연구를 진행하고 있다. 이번 연구팀을 주도한 재료공학부 소속 푸장 리우 조교수는 “이번 연구를 통해 태양에너지의 저장과 사용이 과거보다 훨씬 진화할 수 있는 기회를 얻을 수 있었다”고 설명했다.

에너지 시장에서 신재생에너지의 중요도는 점점 높아지고 있다. 최근 개발도상국은 물론, 선진국들 사이에서도 에너지 부족에 대한 관심이 고취되고 있기 때문이다. 이러한 상황에서 화석연료와 일반 전력계통과는 달리 태양광은 활용방안과 에너지원의 용량이 무궁무진하다는 장점이 있다. 특히, 태양광으로부터 무한한 에너지를 이용할 수 있다는 점은 그동안 에너지 부족으로 골머리를 싸고 있던 관련 에너지시장에게 큰 매력으로 다가온다. 이러한 태양광에너지발전 시장에서 가장 중요한 것은 바로 에너지를 저장할 수 있는 역량일 것이다. 태양광에너지는 태양이 떠 있는 시간에만 저장할 수 있기 때문이다.

이번 연구는 미국 화학학회 ACS 카탈리시스 저널의 최신판에 ‘전체 바나듐 광전기 화학적 저장전지에 가역적인 전자저장 : 바나듐 산화환원 반응과 하이브리드 광촉매 사이의 시너지’라는 제목으로 발표되며, 관련 학계의 관심을 불러 일으켰다. 하지만 이러한 광전기 화학전지를 활용한 태양에너지 전환과 저장연구가 어느 날 하늘에서 떨어진 열매처럼 갑자기 발견된 것은 아니다. 이전에도 이와 비슷한 발상의 연구는 진행된 바 있다. 그것도 약 40여년에 걸쳐서 말이다. 하지만 그럼에도 앞서 언급한 태양광의 간헐적인 특성에도 불구하고, 태양광에너지의 효율방식에 대한 연구는 여전히 현재까지 도전과제로 남아 있다.

규모는 더 작고, 용량은 높은 저장시스템 등장
연구진은 이번 연구결과가 수록된 논문에서 WO3/TiO2 하이브리드 광전극이 광전기 화학적 태양에너지 전환과 저장을 수행할 수 있는 전체 바나듐 광전기화학 전지를 새롭게 개발했다고 발표했다. 이를 위해 연구진은 야간과 같은 어두운 조건 하에서 태양광에너지의 전화 및 저장하는 시스템의 광전기 화학적 반응과 일광의 조사를 연구하기 위해 제로저항 전류계와 전기화학적 인피던스 분광계를 배치했다는 점이다. 이를 통해 연구진은 태양광에너지를 저장 및 방출하는 시스템적 접근이 어두운 환경조건에서도 실현가능하다는 예비결과를 도출할 수 있었다.

또한, 이번 결과는 수소 텅스텐 브론즈가 반도체로부터 태양광에서 발생하는 전자의 저장과 방출에 영향을 준다는 사실을 입증하는 계기가 됐다. 또한, 이번 연구결과는 전자저장과 전체 바나듐 전해질 사이의 중요한 시너지가 우수한 가역성, 높은 용량의 전자저장, 광전류의 개선 등 기존의 기술보다 상당히 앞선 장점을 제공할 가능성이 있다고 해석돼 관련 학계와 산업에서 중요한 위치를 가질 것으로 기대된다. 한편, 전문가들은 이번 획기적인 연구가 시장내 에너지 생성과 소비에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 분석하고 있다.

전문가들은 “리우 박사와 동료 연구진은 보다 더 지속가능한 미래를 구축하는 데 공헌했다”며, “현재 각광받고 있는 태양광을 이용하고 사용할 수 있는 인간의 능력을 한층 더 개선할 수 있는 혁신적인 단계를 달성한 것”이라고 전했다. 이번 논문의 저자인 동 리우 조교수는 “현재 태양광발전 기술은 어두운 환경에서는 에너지를 저장하는 데 한계가 따른다는 단점이 있다”며, “이번 연구를 통해 태양에너지와 전지에서 전자를 동시에 가역적으로 저장할 수 있다는 사실을 증명했다”고 설명했다.

동 리우 조교수는 “이번 연구를 통해 실현한 야간동안 저장한 전자의 방출은 그동안에는 제한적인 방식의 태양광에너지 저장범위를 폭넓게 확장해 하루 24시간을 모두 에너지를 저장할 수 있도록 할 것”이라고 전했다. 한편, 이번 논문의 또 다른 저자인 웨이 박사는 이번 연구를 통해 기존의 방식보다 더욱 높은 용량의 태양광에너지를 저장할 수 있다고 밝혔다. 그의 설명에 따르면, 바나듐 광전기화학 전지는 다른 시스템에 유리한 에너지 저장 방안을 제공할 수 있다. 즉, 기존보다 더 작은 단위의 솔루션이 더욱 높은 에너지 용량을 보유할 수 있게 된 것이다. 이에 각 관계자들은 태양광에너지가 직면하고 있던 장벽을 뛰어넘을 것으로 예상되는 이번 연구결과를 통해 글로벌 에너지시장에 어떤 영향을 줄지 기대를 모으고 있다.

SOLAR TODAY 황 주 상 기자(st@infothe.com)

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