열광전지(TPV)를 이용한 열 배터리 시스템

(Credit: Fourth Power)

열 배터리 기술은 고온의 열 에너지를 저렴한 소재에 저장하는 기술입니다. 기술적으로는 어렵지 않지만, 열 에너지에서 다시 전기로 전환하는 과정에서 에너지 효율이 낮기 때문에 실제로는 사용되지 않고 있습니다.

이 분야 스타트업 가운데 하나인 포스 파워 Fourth Power는 리튬 이온 배터리보다 10배 저렴한 열 에너지 배터리를 개발했다고 주장하고 있습니다. 고효율 에너지 전환이 가능해 주목 받고 있는 열광전지 thermophotovoltaic (TPV) 셀을 이용해 에너지 전환 효율을 높인 것이 특징입니다.

남아도는 태양광, 풍력 에너지를 열로 바꾸는 일은 쉽습니다. 전기를 열로 바꾸기만 하면 됩니다. 하지만 반대로 열을 전기로 바꾸기 위해서는 증기를 만들어 터빈을 돌려야 합니다. 비용이 많이 드는 것은 물론 에너지 효율도 30%대에 불과합니다.

TPV 셀은 태양 전지처럼 구조개 단순하고 높은 온도에서 에너지 전환 효율이 높습니다. 무엇보다 고온의 복사 에너지에 노출되면 즉시 전기를 만들 수 있어 전력망 백업 목적으로 적합합니다.

대신 고온의 열원이 필요하기 때문에 흑연을 섭씨 2500도 까지 온도를 올려 보관합니다. 저장된 열 에너지를 꺼낼 때는 섭씨 232도에서 녹는 주석을 이용합니다. 액체 주석은 세라믹으로 된 내열 펌프 시스템을 이용해 이동하면서 흑연 파이프를 뜨겁게 만들고 온도가 섭씨 2400도에서 1900도 정도로 낮아집니다. 이 열로 밝게 빛나는 파이프가 TPV 셀에 에너지를 전달하는 방식입니다.

(동영상)

포스 에너지 측은 TPV의 에너지 효율을 50% 이상으로 올리는 것을 목표로 하고 있습니다. 2022년 기록은 41% 였습니다. 현재 활발한 연구가 이뤄지는 점을 감안하면 불가능한 목표는 아닐 수 있습니다.

다만 이론적으로만 가능한 에너지 저장 시스템은 의미가 없습니다. 포스 에너지 측은 빌 게이츠의 브레이크스루 에너지 벤처 펀드 (Breakthrough Energy Ventures fund)의 지원을 받아 1MWh의 프로토타입 열 배터리를 제작할 계획입니다. 과연 의도한 목표에 도달할 수 있을지 주목됩니다.

참고

https://newatlas.com/energy/fourth-power-liquid-tin-battery/

https://www.businesswire.com/news/home/20231212339839/en/Fourth-Power-Secures-19M-for-Low-Cost-Utility-Scale-Thermal-Energy-Storage-to-Enable-a-Fully-Renewable-Grid

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