최근인 7월 25일 독일 베를린 소재 프라운호퍼 신뢰성 미세통합 연구소(Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, 이하 IZM)는 발전된 전기를 장기 저장(long-term storage) 할 수 있음과 동시에 공정 과정 중 청정 녹색 수소 연료를 생산 할 수 있는 아연 건전지 시스템을 개발했다고 발표했다.

그동안 태양광이나 풍력 발전된 청정 신재생 전기는 기후와 날씨 변화에 따라 전력 생산량이 들쭉날쭉 변화하기 때문에 수급이 불안정하다는 것이 약점으로 지적돼왔다. 

신재생 에너지 발전소가 변동적인 전력 공급을 상쇄해 주고 전기 송전 그리드망의 안정적 출력 조절을 확보하기 위해서 대용량 전력 저장 시설이 필수적인 이유다.

해결책으로써 이제까지 양수발전소(pumped storage power plant)가 대규모 신재생 에너지 전력망과의 호환성 및 유연한 전압·전류·에너지 저장 제어 기능을 담당해왔다. 건전지 저장소와 수소 연료를 사용하는 방법도 있다.

♢ 아연 배터리의 혁신 포인트 — 저렴한 제조가, 전기 보존 효율성 향상, 긴 수명

이번 프라운호퍼 IZM가 공개한 새 아연 전지 기술은 ‘PtG(Power-to-Gas)’ 청정에너지 생산 기술의 연장선으로, 미활용 재생 에너지 전력을 이용해 물을 전기분해한 후 생성된 수소를 저장하거나 다른 물질로 전환하는 현재 친환경 대안적 발전 기술로써 선호되고 있다.

기성 리튬이온 배터리 보다 공급이 수월한 원료 — 강철, 아연, 수산화칼륨 — 을 사용해 생산 비용을 10분의 1로 낮출 수 있고 폐기 후 분리·재활용이 손쉬워 환경친화적이다. 

전기 보존 효율성은 50% 높였고, 전력 발전 공정 과정에서 부수적으로 수소를 얻을 수 있다. 또, 기존 리튬이온 배터리의 수명이 3~6년인데 비해 아연 건전지는 10년(충방전 횟수 4,000 여회) 동안 용량 감축 없이 더 오래 사용할 수 있다.

♢ 아연 건전지 작동 메커니즘

전지 충전 과정에서 건전지 속 물은 산화돼 산소를 발생시키고, 산화아연(zink oxide)은 아연으로 환원된다. 아연 배터리가 매 수소 생성 과정에서 소비하는 물(H2O)은 외부에서 재주입해야 한다.

건전지 방전 과정에서 아연은 다시 산화 아연으로 전환하며 물(H2O)을 생성시키고 그 과정에서 소량의 수소와 산소로 배출되는데, 이때의 반응으로 전기가 발생된다. 이 공정에서 매 1kg 수소 당 8.3 kW/시 분량의 전기가 생산된다.

수소는 압력 전해액에 속에 보존되는데, 이는 기성 압축수소나 액화수소 상태의 냉각 수소 보다 두 배가량 많은 양 보존할 수 있음을 뜻하다, 즉 저장 공간 효율성 50% 향상을 뜻한다.

아연 건전지의 방출 및 방전 감축력도 기성 리튬이온 건전지 대비 저장 효율을 50% 높이는데 기여한다.

리튬이온 건전지를 이용한 수소 발전기는 통상 수소 1kg을 생산하는데 최고 73kW/시 전력을 소모한다. 이 과정을 거쳐 저장된 압축수소 1kg이 발휘하는 전력 발생량은 33 kW/시로 시간이 흐름에 따라 에너지 저장력 저하와 수소의 압축 및 냉각 과정에서 방전까지 발생한다.

반면, 아연 배터리는 수소 1kg을 생산하는데 52.3 kW/시 전기량이면 충분하다.전기 발전 과정에서 발생하는 방전량까지 산출해 넣을 경우 아연 건전지의 순 전력 소모량은 44 kW/시 가량이 된다.