우리 발 밑에 숨어 있는 거대한 '배터리'

대수층 열에너지 저장 시스템의 작동 원리.Martin Bloemendal 및 Theo Olsthoorn

이 이야기는 원래 Wired에서 출판되었으며 Climate Desk 협력의 일환으로 여기에 재현되었습니다.

빗물이 떨어지면, 그것은 대수층, 다공성 암석층 또는 모래나 자갈과 같은 느슨한 물질로 스며듭니다. 수천년 동안 인간은 식수를 얻기 위해 이러한 액체 띠를 파헤쳐 왔습니다. 그러나 이러한 지하 수영장의 또 다른 영리한 용도, 즉 대수층 열 에너지 저장 장치(ATES)에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

배터리는 나중에 사용할 에너지를 저장합니다. 대수층은 비슷한 일을 하는 데 활용될 수 있습니다. 즉, 지구의 단열 특성을 활용하여 열 에너지를 보존하고 이를 지상 건물과 주고받을 수 있습니다. 대수층의 물 온도는 상당히 안정적으로 유지되는 경향이 있습니다. 이는 용광로에서 천연가스를 태우거나 에어컨을 가동하기 위해 화석 연료에서 추출한 전기를 활용하는 대신 물에 저장된 에너지로 인근 구조물을 가열하고 냉각할 수 있는 방법을 제공합니다.

ATES 시스템은 표면과 아래 대수층 사이를 흐르는 두 개의 별도 우물(따뜻한 우물과 차가운 우물)로 구성됩니다. 겨울에는 화씨 60도 정도 되는 따뜻한 우물에서 지하수를 퍼 올려 열교환기를 통해 흐르게 합니다. 히트펌프와 결합된 이 공정은 지하수에서 열을 추출하여 구조물 내부를 따뜻하게 유지합니다.

그런 다음 이제 더 차가워진 지하수를 두 번째 우물로 펌핑합니다. 이것은 여름에 건물을 식히기 위해 펌핑할 수 있는 약 화씨 45도의 차가운 물 웅덩이를 제공합니다. 네덜란드 델프트 공과대학에서 ATES를 연구하고 있는 수문지질학자 마틴 블로멘달(Martin Bloemendal)은 “건물에서 열을 빼내고 이를 다른 우물에 직접 주입하여 지하수를 가열합니다.”라고 말합니다. "그런 다음 겨울에는 따뜻한 우물에서 추출합니다." 지하수는 소비되지 않고 재사용되기 때문에 이 과정은 계절이 변함에 따라 무한정 번갈아 반복됩니다. 이 시스템은 식수로 사용할 수 없는 기수 또는 오염된 대수층을 활용할 수도 있습니다.

물 펌프 및 기타 장비는 태양열이나 풍력과 같은 재생 가능한 전력으로 작동하기 때문에 이러한 초효율 에너지 저장 장치는 화석 연료 수요를 낮추고 많은 탄소가 대기로 유입되는 것을 방지합니다. 난방과 냉방은 미국 에너지 소비의 3분의 1, 유럽 에너지 소비의 절반을 차지합니다. 실제로 Applied Energy 저널에 실린 새로운 논문에서는 ATES가 미국 가정과 기업의 냉난방에 사용되는 천연가스와 전기의 사용을 40%까지 줄일 수 있다는 사실을 발견했습니다.

이는 막대한 양의 에너지를 오랜 기간 동안 저장하는 방법입니다. 일종의 지하 배터리로서 항상 활용할 준비가 되어 있습니다. 미국 지질조사국(United States Geological Survey)의 지열 자원 조사 프로젝트 책임자인 Erick Burns는 "지방 도시에서는 열을 저장할 수도 있고 차갑게 저장할 수도 있습니다. 이제 나중에 비용을 지불할 필요가 없습니다."라고 말합니다. (USGS는 도시 규모의 지열 에너지를 조사하는 새로운 국제 컨소시엄의 일부입니다.) "멋진 점은 배터리처럼 중요한 광물이 필요하지 않다는 것입니다."

이 기술은 우물과 기타 장비를 위한 전용 시설을 공유할 수 있기 때문에 병원과 같은 대형 건물이나 대학 캠퍼스와 같은 건물군에 이상적입니다. 이는 그리드 수요가 높은 시기에 특히 효과적입니다. 미국에서는 사람들이 에너지를 많이 소비하는 AC 장치를 켜는 늦여름 오후에 수요가 급증합니다. ATES는 훨씬 적은 전력을 사용하므로 그리드의 부하를 줄이고 충돌을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이러한 시스템이 태양광이나 풍력 에너지로 작동할 수 있을 뿐만 아니라 리튬 이온 배터리의 분산 네트워크에 의해 백업될 수 있다면 정전에 대한 복원력을 모두 발휘할 수 있습니다.

"이러한 시스템은 재생 에너지를 통합할 때 매우 이상적입니다"라고 새 논문의 주 저자이자 에너지 시스템 연구원인 ATD Perera는 말합니다. (Perera는 현재 프린스턴 대학에 있지만 로렌스 버클리 국립 연구소에서 연구를 수행했습니다.)