1. 최적화 덕후:
보일러 온수의 온도를 가능한 낮게 설정한 상태에서, 수도꼭지에서는 최대한 뜨거운 물을 틀어서 아기 목욕물을 받다가
마지막에 찬물로 목욕물을 받는 분이 있을까요?
이렇게하면 보일러에서 수도꼭지까지의 배관에서 손실되는 열에너지를 최소화 할 수 있으면서도
마지막까지 수도꼭지에 남아있는 잔열을 회수하며 목욕물 온도를 맞추는 느낌이라 기분이 좋아요.
에너지 전문가는 아니지만 공학쪽 최적화를 좋아하는 최적화 덕후 입장에서
요즘의 에너지 관련 동향이 재밌어 보여서 관련글을 남겨 봅니다.

2. 개요:
현존하는 신재생 에너지중에 가장 핫한 태양광과 풍력은 기존 에너지원들과는 다르게 모두 간헐성을 가지고 있습니다.
아무때나 원할때 얻을 수 있는게 아니라,
태양이 비춰야, 혹은 바람이 불어야 에너지를 얻을 수 있는 발전원 들입니다.
이러한 간헐성을 극복하기 위한 여러가지 대안들이 제시되고 있는데,
이 글에서는 그 대안들에 대해서 간략히 정리 해보고자 합니다.

3. 수소(저장):
예전부터 신재생 에너지와 좋은 콤비로 여겨지던 수소입니다.
에너지가 과잉생산 될 때 수소를 생산해서 저장하고, 에너지가 부족할때 수소를 소모해서 에너지를 얻는다는 계획이죠.
깔끔한 방법이긴 한데 몇가지 문제들이 있습니다.
일단 가장 큰 문제가 저장입니다.
수소를 액화 시키려면 엄청나게 낮은 온도와 엄청나게 높은 압력이 필요한대, 이 과정에서 필연적으로 에너지가 소모됩니다.
수소의 생산&소비 기관에서의 에너지 손실 과는 완전히 별개로, 고압으로 저장하는데만 10%정도의 에너지 손실이 발생하고, 이건 기체의 압력 증가와 관련된 물리적인 한계라서 극복이 불가능해 보여요.
게다가 수소분자는 매우 작아서 새나가지 않게 손실 없이 계속 저장하고 있는것도 어렵다고 하네요.
한때 유망 하다던 수소저장 합금(?)신소재(?) 같은쪽 연구는 요즘 잘 안되고 있는것 같습니다.

4. 암모니아(저장):
수소 저장의 대안중에 하나가 암모니아 입니다.
NH3 라서, 아예 탄소원자를 함유하고 있지 않기 때문에 이상적인 환경에서는 탄소배출과 무관한 연료가 될 수 있습니다.
암모니아 크래킹 같은 키워드로 검색해보면 이런저런 재밌는 글들을 보실 수 있습니다.

대략적인 장점은, 암모니아는 (절대값이) 낮은 온도와 압력에서도 액화되어 수소보다 저장과 운반이 훨씬 쉽고,
암모니아로 만든 상태에서는, 너무나도 조그마한 수소분자 보다는 유출을 차단하기 훨씬 쉽다는 겁니다.
이미 인류가 산업적으로 광범위하게 다루고 있는 물질이라는 장점도 있고요.
이쪽도 나름 유망한 방향인지 연구실 레벨이 아니라 신재생 에너지와 연계해서 산업적인 암모니아 생산 공장을 건설하는 나라들도 있더군요.
선반에도 실험적으로 적용하는 사례가 있습니다.

추가로 흥미로웠던건, 인류가 비료용 암모니아 생산을 위해서 100여년간 사용하던 하버-보슈 공정의 효율을 뛰어넘는 암모니아 생산 방법에 관련한 최근 연구들이 많이 있다는 거였어요.
암모니아 생산 자체가 원래도 비료 생산 등으로 인류에 계속 필요하던 공정이었는데, [더 절박해지니 더 좋은 기술이 나오는건가?] 하는 생각이 드네요.
다만, 암모니아로 만들어버리면 다시 거기서 수소를 분리한다거나 아니면 암모니아를 화석연료랑 혼소시키는 방식을 쓰는것 같던데,
전자는 다시 추가적인 에너지 효율 감소의 문제가 있고, 후자는 그게 탄소중립 에너지인가? 하는 문제가 있습니다.
우리나라에서도 UNIST 에 계시는 교수님이 볼밀링 방식이라고 쇠구슬을 마찰시키거나 하면서 운동에너지를 활용(?)해서 기존보다 더 효율적으로 암모니아를 생성하는 연구들을 하시는것 같은데, 저도 전문가가 아니라서 업적용 뉴스 배포인지 인더스트리 스케일에서도 실제로 실용성이 있는지는 모르겠네요.

5. e-fuel(저장):
수소 저장의 또다른 대안으로 e-fuel 로 저장하는 방식도 있는것 같습니다.
아예 신재생 에너지로 연료를 만들어버리는 방식인데, 이러면 그렇게 생성한 연료가 연소시 이산화탄소를 방출하더라도,
그게 애초에 이산화탄소를 포집해서 만든거라서 전체적으로 보면 지구 CO2의 농도 증가에 영향을 미치지 않고,
기존의 화석 연료와 같은 기관에서 소모할 수 있다는 장점이 있기에 이런저런 테스트가 되고 있는것 같은데,
아직 경제성이 따라오는지 모르겠습니다.
이쪽은 저도 많이 찾아보지 않아서 쓸 말이 없어요.

6. ESS(저장):
신재생 에너지로 생산한 전력이 넘칠때 베터리로 저장하고, 모자랄때 뽑아쓰는 방식입니다.
문제가 되는건 비용과 화재인데, 여러가지 대안들이 있습니다.
일단 전기차와는 다르게 무게당 에너지 저장량이 그다지 중요치 않으니
전기차에서는 더이상 사용할 수 없는 (메모리 효과로 인해 만충시 용량이 감소한) 폐 베터리들을
ESS로 사용하는 방식이 있는데, 베터리를 완전히 폐기해서 리튬만 따로 뽑아내는것보다는 친환경적이고 효율적일 수 있을것 같아요.
추가로 리튬이온 베터리중에서도 에너지 저장 밀도가 좀 떨어지지만 화재 등에서 좀 더 안전하고 가격도 저렴한 리튬인산철(LFP) 베터리도 ESS용으로는 촉망받는 후보인것 같더군요.
스마트폰, 전기자동차 처럼 무게당 에너지량이 중요한 첨단장비 랑은 다르게 ESS는 가격당 에너지량이 좀 더 중요해서
기존의 리튬이온 베터리랑은 조금 다른 접근들이 있는것 같아요.
이제는 진짜 글로벌 대기업이 된 테슬라에서도 최근 ESS를 엄청나게 밀고 있는데 어떻게 결론날지 모르겠네요.

7. 차라리 소비!:
이건 너무 급진적이고 개인적인 느낌을 적는것 같지만, 저장하는 방식 외에도 소비 하는 방법도 괜찮지 않을까 싶습니다.
모든 에너지 저장방식들이 아직은 가격이 비싸고 비효율이 발생하니까,
차라리 평균적으로 신재생 전기를 좀 과생산을 하되, 너무 과생산될때는 싸게 풀어버리는 방식이에요.
한국에서도 제주도 같이 신재생 에너지가 많이 보급된 외부와 단절된 곳에서는 신재생 에너지의 간헐적 과생산도 큰 문제가 되는데,
AWS instance 의 spot price처럼, 과생산 상태에서는 싼 가격으로 전기를 공급하면 누군가는 쓰겠죠?
예를들어 예전에 다큐멘터리 같은데서 플라스틱 쓰레기를 깔끔하게 처리할 수 있는 플라스마 소각 방식에 대해서 봤었는데,
플라스틱은 엄청 쌓아둘 수 있으니 쌓아두다가 과생산된 싼 전기가 나올때마다 플라스마 소각로를 돌리는것도 나쁘지 않겠다? 정도의 개인적인 생각인데 경제성이 나올지는 모르겠습니다.
우리나라에서는 정치적인 이슈를 해결할 수 있을지는 모르겠지만, 가성비가 떨어지는 예전세대 채굴기로 신재생 전기가 과잉 생산될때만 비트코인을 채굴한다거나 하는 방식같은것도 고려해볼 수 있을것 같고요.
한국에서도 최근 제주도 같은곳에서는 비슷한 방향으로, 과생산된 전기를 싸게 풀면서 이런 방향으로 인센티브를 주려는 움직임이 있긴 하더군요.

하나 아쉬운건, 우리나라도 거대한 국가간 에너지 그리드에 묶여있으면 서로 품앗이 하듯이 한 나라가 햇빛이 안 비출때 다른나라에서 전기를 수입 해온다거나,
아니면 아예 프랑스-독일 관계처럼 원전-태양광 으로 서로 보충해줄 환경이라면 효율성을 올리기에 정말 좋을탠데...
우리나라의 에너지 환경은 참 여러모로 하드코어 하다는 생각이 들어서 씁쓸하네요.

8. 지구 CO2 베터리:
급진적인 김에 좀 더 나가서 하나 더 적어보,
[지구의 CO2 농도의 역수] 자체를 거대한 베터리의 잔량이라 정의하고, 아무튼 CO2 농도를 유지하거나 낮추면 되는거잖아? 하는 생각도 있습니다.
장점이라면 신재생 에너지의 간헐성 "따위" 는 압도하는 어마어마하게 큰 베터리라서,
굳이 에너지 손실을 감수하며 신재생 에너지를 수소나 다른 화학 에너지로 바꾸거나 (행성 지구보다는) 엄창나게 작은 ESS용 베터리 같은걸 만드는데 천문학적인 돈을 쓸 바에는,
신재생 에너지로 DAC(공기중에서 탄소 직접 포집) 기기를 돌리고[=지구 CO2 베터리 충전],
다른쪽 지구 어딘가 들에서는 CO2를 방출하더라도[=지구 CO2 베터리 방전]
아무튼 지구의 총 CO2 농도를 조절 하면 된다는 생각이죠.
이러면 태양광, 풍력 같이 간헐성 문제가 있는 에너지 뿐만이 아니라, 수력, 지열 같이 지역성 까지 있는 에너지원까지 완전히 효율적으로 사용할 수 있어요.
예를들어 아이슬란드에서 지열발전으로 생산한 에너지를 굳이 먼나라까지 운반하지 말고, 산지에서 바로 CO2 를 포집하는데 사용하는거죠.

다만 아직 DAC 기술의 경제성이 충분히 나오지 않고 있기도 하고,
이 지구라는 너무나도 거대한 베터리는 이해관계자가 너무 많아서 치팅을 막기가 힘들기에
사실상 현실성이 없는 제안이라는 문제가 있습니다.

9. DAC 안전망
근데 개인적으로는 8번을 가능하게 하는 수준의 협력 뿐만이 아니라,
그냥 탄소배출 감소에 필요한 협력 정도에도 인류전체의 협력에는 좀 비관적인 편이라서,
결국은 협력이 잘 안되고 지구의 CO2 농도가 임계점을 넘으려고 할때라도 급하게 CO2를 능동적으로 줄일 수 있는 DAC 공장들이
인더스트리 스케일로 존재하고 있는게 지구에 안전하지 않을까? 하는 생각 입니다.
DAC 쪽 경재성이 빨리 확보되면 좋을텐데요...

10. 마치며:
비전문가 입장에서 그냥 흥미 위주로 찾아본것들을 간단하게 정리해봤어요.
엉뚱한 소리 하는 부분이 있거나 좀 더 전문 지식이 있으면 댓글 해주시면,
제 개인적인 취미생활에도, 다른 PRG 분들의 지식에도 많은 도움이 될것 같습니다.

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