저급 폐열을 이용한 암모니아 배터리 재생

미 펜실베니아 주립대학(Penn State University)의 한 연구진은 저급 폐열(Waste Heat)을 수확하여 전기로 변환하는 효율적인 방안을 암모니아 배터리(Ammonia Battery)에 활용하는 연구를 수행하고 있다. 이 대학 환경공학과 교수인 Bruce E. Logan은 "전기생산을 위해 폐열을 활용한다면 추가적인 화석연료(Fossil Fuel)를 사용하지 않으면서 발전량을 증가시킬 수 있다. 열적재생 배터리(Thermally Regenerative Battery)는 고체상태 배터리(Soild-state Battery) 대비 적은 비용으로 폐열을 저장하였다가 전기로 변환할 수 있는 탄소 중립(Carbon-neutral)적인 방법"이라고 말한다.

저급 폐열은 다양한 에너지 생산 방법에서 얻어지는 인공적인 산물이다. 자동차의 경우, 겨울철에 발생하는 폐열은 자동차의 난방 시스템을 가동하는데 활용되지만 여름철에는 큰 필요가 없기 때문에 외부로 방출되어 사라진다. 석탄, 원자력 및 다른 발전소는 전기를 생산하기 위해 많은 열이 필요하지만 전기 생산 후 남는 과잉의 폐열은 냉각탑으로 이송되어 처리된다. 또한 지열원(Geothemral Source) 또는 태양발전소와 같은 많은 산업지역에서는 그냥 버려지는 저급 열이 생성되고 있다. 이에 연구진은 폐열을 포획하여 더 많은 전기를 생산하는데 활용하고자 하였다. 다른 연구팀들은 이러한 목적을 달성하고자 다양한 방법을 시도하고 있으나 대부분의 경우 너무 적은 양의 전기가 생산되거나, 지속적으로 열원을 공급할 수 없다는 문제에 직면하고 있다.

Logan 교수와 연구진은 암모니아를 기반으로 한 열적 재생 배터리를 활용하고 있다. 이 배터리는 산화전극(Anode) 주위에 둘러싸고 있는 전해질에만 암모니아가 투입된 구리 전극들로 이루어져 있다. 이 대학 환경공학과 박사후 연구원 과정을 수행 중인 Fang Zhang은 "이 배터리는 산화전극 주위의 전해질에서 복합물(Complex)을 형성하기 위해 암모니아를 전부 소비하거나, 음극 근처의 전해질에 있는 구리 이온이 고갈될 때까지 사용할 수 있다. 그러고서 반응이 멈추게 된다"고 설명하였다. 여기서 반응이 재생되지 않는다면 꾸준한 전기 제공원으로서 활용하려는 이러한 배터리의 목적에는 그리 부합하지 않는다. 따라서 연구진은 외부로부터 얻어지는 저급 폐열을 활용하여 배터리 산화전극액에 남아있는 폐액의 암모니아를 증류하여 제거하고, 원래의 환원전극 배터리 체임버(Chamber) 내로 이를 재충전하도록 하였다.

이제 암모니아가 있는 체임버는 산화전극 체임버가 되고, 구리는 다른 체임버에 있는 전극에 재증착되어 기존 산화전극의 역할을 환원전극으로 변경시킨다. 연구진은 암모니아가 두 개의 체임버 사이로 오고 갈 수 있도록 변경하여 전극의 구리 양을 유지하였다. 이들은 Energy and Environmental Science 저널에 "우리는 구리 암모니아 복합물의 형성으로부터 전기를 생산하면서 매우 효율적이고 경제적이며 규모 확대가 가능한 암모니아 기반의 열적 재생 배터리를 개발하였다"고 보고하였다. 연구진은 액상 암모니아 주입을 통해 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있으며, 필요시 배터리에 저장되어 있는 화학에너지는 효과적으로 전기에너지로 변환될 수 있음을 강조하였다.

기존 방법에 있어 한 가지 문제는 염분이 있는 물과 염분이 적은 물을 사용하는 시스템에서 생산되는 에너지 양이 사용된 물의 양을 고려할 때 상대적으로 너무 작다는 것이었다. 열적 재생 암모니아 배터리 시스템은 배터리 화학에너지 중 약 29%를 전기로 변환할 수 있으며, 추가적인 최적화 작업을 통해 변환율을 크게 개선할 수 있을 것이다.

연구진은 다수의 사이클을 통해 1㎡당 약 60W의 전기를 생산하였으며, 이는 다른 액상기반 열전기 에너지 변환 시스템에서 생산되는 전력밀도(Power Density) 대비 6~10배 정도 높은 것이다. 현재 열적 재생 암모니아 배터리가 최적화된 상태는 아니기 때문에 추가 개선을 통해 더 많은 전기를 생산하면서 배터리 가동 비용을 절감할 수 있을 것으로 연구진은 보고 있다. 이들은 배터리의 수를 늘려 전력밀도를 높일 수 있었으며, 이러한 방법을 통해 상업적으로 매력적인 규모까지 확대가 가능하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 저급 폐열을 이용한 암모니아 배터리 재생