기후 기술은 온실가스 배출량 감소 또는 지구 온난화의 영향을 해결하는데 명시적으로 초점을 맞춘 기술로 정의할 수 있다. 시장조사기관 Holon IQ에 의하면 2022년 불확실한 세계정세 속에서도 기후 기술 부문 글로벌 투자는 약 701억 달러 규모를 기록, 2021년 대비 무려 2배 가까이 증가하며 가파른 성장 행보를 이어갔다. 미국은 특히 기후 기술 부문 투자를 선도하고 있으며, 2010년 이후 2023년 1분기까지 누적 투자 금액이 약 922억 달러에 이른다.

최근 기후 기술에서 주목받는 분야 중 하나는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)이다. 에너지 저장 시스템은 태양광∙풍력∙조력 등의 재생에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 활용할 수 있는 저장 장치를 의미한다. 지난 20년 동안 재생에너지의 사용이 증가하면서 에너지 저장 시스템의 연구 개발 중요성은 더욱 높아지는 추세다. 왜냐하면 태양광∙풍력∙조력과 같은 자원은 항상 도시에서 소비되는 에너지와 동일한 속도로 에너지를 생성하지 않기 때문이다. 전통적인 화석 연료가 지배하고 있는 에너지 시스템에서 재생에너지 시스템으로 전환하려면 이러한 불균형을 해소할 수 있는 에너지 저장 시스템이 필수적이다. 이와 같은 수요를 입증하듯 에너지 저장 분야는 2022년 기준으로 글로벌 벤처 캐피탈 펀딩 라운드 총 559회, 투자금 184억 달러를 기록하며 가장 활발한 투자를 받았다.

<2022년 기후 기술 분야별 투자 금액(좌)과 펀딩 라운드 횟수(우)>

[자료: Holon IQ]

열에너지 저장 시스템과 열배터리의 부상

앞서 언급한 바와 같이 재생에너지만으로는 산업 부문에서 필요한 열을 ‘지속적으로’ 제공하기 어렵기 때문에 에너지 저장 시스템의 필요성이 생긴다. 에너지 저장 시스템은 저장되는 에너지의 형태에 따라 기계적, 전기적, 전기화학적, 화학적 및 열적 기술로 분류할 수 있다. 열에너지 저장 시스템(Thermal Energy System, TES)은 전기에너지 저장의 대표주자인 배터리가 급속도로 부상하기 이전부터 존재하고 있었지만, 최근에는 열을 보존했다가 열에너지 사용처로 그대로 전달하고자 하는 목적의 열에너지 저장 시스템이 주목받고 있다.

철강산업을 비롯해 다양한 제조업 부문에서는 많은 열이 필요하다. 최종 에너지 소비처에서 필요로 하는 에너지 형태가 열(또는 냉방)인 비중은 전체의 절반을 넘는다. 현재 이러한 열은 대부분 천연가스 같은 화석 연료를 태워서 얻고 있고, 글로벌 온실가스 배출량의 30%가량은 산업 및 건물의 열에너지 소비에서 기인한다. 열을 저장했다가 다양한 산업 부문에서 활용한다면 그 자체로 재생에너지원이 되고, 탄소 배출도 획기적으로 절감할 수 있다.

<부문별 최종 에너지 소비처 및 에너지 관련 CO₂ 배출량 비중>

[자료: McKinsey]

열에너지 저장 시스템은 일정 기간 저장 매체를 냉각 또는 가열해 저온 또는 고온에서 열에너지를 일시적으로 저장할 수 있는 기술이다. 저장된 에너지는 몇 시간, 며칠 또는 몇 달 후에 난방 또는 냉방 애플리케이션 및 전력 생산에 사용된다. 열에너지 저장 시스템은 ▲ 탄소 배출 및 에너지 소비가 낮고, ▲ 시스템 비용 및 유지 보수 비용이 낮으며, ▲ 오염물질의 배출이 적고, ▲ 운영 유연성이 우수하며, ▲ 저장용량이 높고, ▲ 필요시 모든 열 또는 전기 소스에서 에너지 공급이 가능하다는 점에서 잠재성이 높다. Long-Duration Energy Storage Council과 McKinsey & Co.의 분석에 따르면 2022년 11월 기준, 열에너지 저장 시스템 시장은 2040년까지 1조6000억 달러에서 2조5000억 달러 사이의 누적 투자가 발생하고 시장 규모가 1조7000억 달러에서 3조6000억 달러 범위로 증가할 것으로 전망했다.

열에너지 저장 시스템에 사용되는 방식은 다양하지만, 현재로서는 현열축열 방식이 기술의 완숙도가 높은 것으로 알려져 있다. 현열축열 방식은 축열재의 열용량에 의한 온도변화를 근거로 열을 저장하는 것으로, 쉽게 말하면 온돌을 떠올리면 된다. 흙, 모래, 자갈, 돌, 벽돌, 콘크리트 벽돌 등과 같은 재료들이 축열재로 적합하며, 이들은 열에너지를 저장하고 방출할 수 있다는 점에서 ‘열배터리(Heat Battery)’로도 불린다.

열배터리 생산에 뛰어든 미국의 스타트업들

열에너지 저장 시스템의 잠재력에 기대어 열배터리 시스템을 구축하려는 미국의 스타트업들이 속속 등장하고 있다. 열배터리 시스템은 대부분 설계가 단순하고, 시중에서 이용 가능한 재료를 사용하며, 필요한 장소에 신속하게 구축할 수 있다.

캘리포니아 샌프란시스코 지역 인근에 위치한 Rondo Energy는 2023년 3월 캘리포니아의 에탄올 공장에 첫 상업용 시범 시스템을 배치하고 열배터리를 가동하기 시작했다. Rondo Energy의 열배터리는 먼저 ① 풍력, 태양열과 같은 재생에너지 혹은 전기 그리드에서 발생한 전기가 발열체를 통해 이동하며 열로 변환되고, ② 변환된 열은 발열체 주변을 둘러싼 벽돌 더미로 방출되면서 벽돌의 온도를 1,500℃ 이상으로 높인다. 여기서 벽돌은 매우 낮은 손실(하루 1% 미만)률로 몇 시간 또는 며칠 동안 열에너지를 저장할 수 있다. ③ 저장된 열을 사용할 때가 되면 송풍기를 통해 뜨거운 공기를 필요한 곳으로 이동시킨다. 뜨거운 공기(열)이 어떻게 사용될지는 사용처에 따라 달라지겠지만, 현재 Rondo Energy의 시범 시스템에서는 에탄올을 생산하는 발효 과정에 활용된다. ④ 뜨거운 공기(열)는 기존 인프라에 통합되어 송풍기 제어에 다시 활용되기도 하고, ⑤ 증기 형태로도 모든 산업 공정에 24/7 공급된다.

<Rondo Energy의 열배터리 시스템>

[자료: Rondo Energy]

Rondo Energy 열배터리의 잠재성을 포착한 다양한 기업들의 투자도 잇따르고 있다. Rondo Energy는 2022년 탈탄소화 및 전기화 분야에서 세계 최고 권위를 갖는 Breakthrough Energy Ventures와 Energy Impact Partners가 주도하는 2200만 달러 규모의 시리즈 A 펀딩 라운드를 성공적으로 마감했다. Breakthrough Energy Ventures는 빌게이츠가 설립한 회사로, 순배출 제로화를 위해 세계를 선도하는 최첨단 기술 기업을 지원하는 곳으로 잘 알려져있다.

한편, 캘리포니아 실리콘밸리 지역에 위치한 스타트업 Antora Energy 또한 2018년부터 열배터리 시장의 한 축을 형성하고 있다. Antora Energy는 2023년 초 5000만 달러 규모의 시리즈 A 펀딩을 마무리한데 이어 최근 대규모 상업 및 산업 분야에서 재생에너지 열 시스템을 배치하는 데 중점을 둔 기업인 Medley Thermal을 인수하며 무탄소 열 솔루션 상용화를 선도하고 있다.

<Antora Energy의 100㎾h 열배터리 프로토타입 시스템의 모습>

[자료: Antora Energy]

Antora Energy의 열배터리 시스템이 Rondo Energy와 다른 점이 있다면 열 이외에도 필요처에 전기 에너지를 공급할 수 있다는 점이다. Antora Energy는 최근 연간 2㎿ 규모의 TPV(Thermophotovoltaic, 열광발전) 전지를 생산하기 시작했다고 밝혔다. TPV전지가 있으면 열배터리에 열을 저장해뒀다가 TPV를 통해 다시 전기로 변환할 수 있으므로 수요처에 따라 출력되는 에너지의 형태를 조절할 수 있다는 장점이 있다. Antora Energy의 보도자료에 의하면 Antora Energy는 TPV 제조라인 건설을 위해 캘리포니아 에너지 위원회로부터 자금을 조달받았으며, 미 국립 과학 재단과 에너지부에서도 지원을 받았다.

미국 메사추세츠주에 위치한 Electrified Thermal Solution도 Joule Hive라는 브랜드로 열배터리 시스템을 구축하고 있다. Electrified Thermal Solution은 자사의 Joule Hive가 스틸 용기 내부에 허니콤 형태의 전기 전도성 내화벽돌을 포함하고 있으며, 100% 효율의 줄 발열(Joule Heating)을 통해 최대 2000℃까지 열 저장이 가능한 것으로 소개하고 있다.

<Electrified Thermal Solution의 열배터리 ‘Joule Hive’의 모습>

[자료: Electrified Thermal Energy]

시사점

미국 환경보호청(EPA)의 분석에 따르면 2021년 기준 미국의 온실가스 배출량의 23%는 산업 부문에서 배출된다. 특히 시멘트, 철강, 화학 산업의 대부분의 공정은 열을 필요로 하고 있으며, 여기에 필요한 열을 생산하기 위해 화석 연료를 지속적으로 태워야 하므로 막대한 양의 온실가스가 배출된다. 실리콘밸리 인근 벤처투자기업에서 근무하는 M씨는 인터뷰에서 “열배터리는 중공업 부문의 공정에 필요한 온도에서 화석 연료 기반 열원을 대체할 수 있는 열에너지를 저장할 수 있는 수단이 되기 때문에 관련 업계에서 차세대 주요 관심사로 떠오르고 있다”라면서 “열배터리 기술이 충분히 성숙한 단계에 이르렀고, 공급망을 통해 빠르게 확장할 잠재력이 있다”라는 의견을 밝혔다.

한편 미국에서는 2018년 9월부터 미국 고등연구계획에너지국(ARPA-E)이 10~100시간 동안 전기 그리드에 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장 시스템을 개발해 그리드 탄력성과 성능을 높일 수 있는 기회를 확보하려는 목적으로 '기간 전력 추가 저장(Duration Addition to electricitY Storage, DAYS)'라는 프로그램을 운영 중이다. 해당 프로그램을 통해 자금이 지원되는 11개 프로젝트의 약 절반은 열에너지 저장 시스템을 사용하고 있을 정도로 열에너지 저장 부문에 관심이 매우 높은 상황이기 때문에 열배터리의 시장가치도 높아지고 있다.

열배터리의 주요 과제는 상기 언급한 시멘트, 철강, 화학 산업과 같은 중공업 부문에서 필요로 하는 막대한 에너지 수요를 충분히 충족시킬 수 있을 정도의 시스템을 구축하는 것이다. 해당 업계에서는 제조업체에서 본격적으로 열배터리를 채택해 실질적으로 잠재성을 입증하고, 산업 부문에서 온실가스 배출량을 의미 있는 수준으로 줄이기까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 전망하고 있다. 하지만 열배터리는 지금 이 순간에도 기후 기술 부문의 새로운 혁신의 한 축으로 거듭나고 있다.

자료: Holon IQ, McKinsey, Rondo Energy, Antora Energy, Electrified Thermal Energy, Breakthrough Energy Ventures, MIT Technology Review, EPA, DOE, ARPA-E, KOTRA 실리콘밸리 무역관 자료 종합