도날드 사도웨이: 재생 에너지의 잃어버린 연결고리

여기 강연장의 조명들을 밝히는 전기는 방금전에 만들어진 것입니다. 현재 상황에서는 전기의 수요와 공급이 일정한 균형을 이루어야만 하기 때문이죠. 저를 여기 스테이지까지 걸어나오게 하는 시간에 수십 메가와트의 풍력 에너지를 전력망에 쏟아 붓지 않는다면, 그 수요와 공급의 차이는 즉시 다른 발전기로 부터 얻어야 합니다. 하지만 화력이나 원자력 발전소는 그렇게 빨리 대응 할 수 없습니다. 거대한 배터리는 할 수 있습니다. 거대한 배터리가 있다면, 오늘날 화력, 가스, 원자력이 하는 똑같은 방법으로, 풍력, 태양열을 전력망에 사용하게 어렵게하는 단절의 문제점을 해결 할 수 있습니다.

배터리는 많은 장비들을 움직이는 중요한 요소입니다. 배터리는 태양에서 전기를 끌어 올 수 있습니다. 해가 비치지 않을 때도 말입니다. 그리고 그것은 모든것을 변화 시킵니다. 풍력이나 태양열과 같은 재생에너지들은 날개에서 나오는데요. 여기부터 중앙 스테이지 정도죠. 저는 오늘 그런 장치에 대해서 말하고자 합니다. 액체금속(리퀴드 메탈) 이라고 불립니다. 이것은 새로운 형태의 에너지 저장장치인데, 제가 MIT에서 제 학생들과 박사후 과정의 사람들과 함께 개발한 것입니다.

올해 테드 강연의 주제는 풀 스펙트럼(전체 영역) 입니다. 옥스포드 영어사전에서는 스펙트럼을 "가장 긴 전파부터 가시광선 영역이 아주 일부분인 짧은 감마선 까지를 포함하는 전자기장 방산선의 전체 파장영역" 이라고 정의합니다. 그래서 오늘 저는 MIT에서 저희 팀이 어떻게 세상에서 가장 중요한 문제를 자연에서 그 해결책을 끌어왔는지에 대해서만 말하려는 것은 아닙니다. 저는 전체 영역을 언급하고 싶고, 이 새로운 기술을 개발하는 과정에서 저희가 변혁의 교훈이 될 수 있는 놀라운 이론과 널리 퍼뜨릴만한 아이디어들을 어떻게 알게 되었는지를 말하고 싶습니다. 그리고 현재 에너지 문제에 대해서 미국을 배제한다면 우리는 나가는 길을 유지할 수 없습니다. 출구 조차도 뚫을 수 없습니다. 출구를 만들어 낼 수도 없습니다. 우리는 예전 미국의 방법으로 이것을 할 것입니다. 그리고 우리의 출구를 함께 만들 것 입니다.

(박수)

자 시작해보죠. 배터리는 이태리 파듀아 대학의 알레산드로 볼트 교수에 의해 약 200년전에 발명 되었습니다. 그의 발명은 전기화학과 같은 새로운 과학분야을 낳았고, 전기도금과 같은 신기술도 만들어 냈습니다. 아마도 대략보면, 볼트의 배터리 발명이 교수의 효용성에 대해 처음으로 보여준 것 같아요.¼ (웃음) 볼트 때까지만해도, 아무도 교수가 쓸모 있는 사람이라고 생각하지 않았으니까요.

여기 최초의 배터리 그림입니다. 염분으로 적셔진 판지로 구분해서 동전, 아연, 은으로 쌓아 놓았습니다. 이것이 배터리 설계의 시작점입니다. 서로 다른 합성합금으로 된 두개의 전극과 물에 소금을 용해시킨 전해액이죠. 과학이라는게 이렇게 간단합니다. 당연히 몇개의 세부사항은 제외하고 이야기했습니다.

제가 배터리 과학은 어렵지 않고, 전력망 수준의 저장장치가 필요하다고 말했습니다. 하지만 사실은 오늘날 특별히 고전력이나 장시간 사용수명, 초저가의 요구사항을 충족하는 전력망을 구성 할 수 있는 간단한 배터리 기술은 없습니다. 우리는 문제를 다른 시각에서 생각해 볼 필요가 있습니다. 우리는 크게 생각해야 합니다. 그리고 저렴한 쪽으로 생각해야 합니다.

그럼, 이제 아주 멋있는 화학을 찾는 방식은 포기합시다. 그리고 그냥 많고 많은 제품을 생산하는 방식으로 비용곡선을 추구해 볼 겁니다. 대신에 시장에서 받아들여질 만한 가격을 만들어 봅시다. 그래서 그말은 주기율표의 어떤 원소들은 당연히 논의대상이 아니라는 것입니다. 이 배터리는 지구상에서 아주 흔한 원소들로 만들어져야 합니다. 말하자면, 먼지처럼 싼 물건을 만들려면 그냥 먼지로 만들어야 한다는 거죠. (웃음) 가능한 지역에서 조달 가능한 먼지여야겠죠. 그리고 간단한 제조방법과 돈이 많이 들지 않는 공장에서 이 배터리가 만들어져야 합니다.

그래서 약 6년전에, 이 문제를 생각하기 시작했습니다. 그리고 새로운 측면을 적용하기 위해서, 전기 저장장치 분야를 뛰어넘는 부분에서 영감을 찾았습니다. 사실 전기를 저장하지도, 생산하지도 않는 기술을 생각했습니다. 그 대신에 대용량의 전기를 소비만 하는 기술을 말이죠. 알루미늄 제품에 대해서 이야기 하고 있는 것입니다. 이 과정은 미국의 홀과 프랑스의 헤로울트이라는 22살의 커플에 의해서 1886년에 발명되었습니다. 그 발견이 있고 난 후 몇년 후에, 알루미늄은 평범한 금속에서 은만큼이나 비싼 귀한 금속으로 바뀌게 되었죠.

이 사진에서 현대적인 알루미늄 제련소의 배터리 공간을 보고 계시는데요. 대략 15미터 정도 너비에 800미터 정도가 이어집니다. 볼트의 배터리 처럼 3가지의 중요 물질들이 순차적으로 이어져 있습니다. 볼트의 배터리는 상온에서 작동합니다. 고체 전극과 염분 성분의 전해질로 맞추어져 있죠. 홀-헤로울트 전지는 알루미늄이 용해되는 아주 고온에서 작동합니다. 전해질은 소금과 물의 용해질이 아니고, 소금을 녹인 물질입니다. 이것이 액체금속의 조합인데요, 녹인 소금과 고온에서 이 액체금속을 통해 고전류를 흐르게 할 수 있습니다. 오늘날 파운드 당 50센트 미만의 비용으로 광석에서 순수 금속을 생산해 낼 수 있습니다. 이것이 바로 현대 전기제련의 경제적 기적이라고 할 수 있습니다.

이것이 바로 제가 거대한 규모의 경제를 실행 할 수 있는 배터리를 발명하는데 관심을 기울기게 된 이유입니다. 그리고 제가 해냈습니다. 저는 배터리를 완전 액체로 만들었습니다. -- 전극으로 액체금속을 사용하고, 전해질로 녹인 소금을 사용했죠. 어떻게 했는지 보여 드리겠습니다. 제일 윗 부분에 저밀도의 액체금속을 놓습니다. 그리고 고밀도 액체금속을 맨 밑에 놓구요, 그리고 녹인 소금을 이렇게 중간에 넣습니다.

자, 그러면, 금속물질들은 어떻게 선택할까요? 저는 항상 주기율표에서 시작합니다. 드미트리 메델레예프 교수가 만들었죠. 우리가 알고 있는 모든 물질은 여기 표시된 원소들의 조합으로 만들어집니다. 사람의 신체도 마찬가지죠. 예전에 어느날인가, 매장량이 풍부하고, 다른 성질의 반밀도를 가지며 상호 반응하는 금속을 찾고 있던 순간을 기억합니다. 제가 우연히 답을 알아냈을 때 전율을 느꼈습니다. 마그네슘을 맨 위에 놓고, 그리고 안티몬을 가장 밑에 층에 놓습니다. 아 그런데 이건 말씀드려야하겠네요, 교수가 되서 좋은 것 중에 하나는, 색깔있는 분필을 쓸 수 있다는 거죠.

(웃음)

그래서 전류를 만들기 위해서, 마그네슘은 두개의 전자를 내보내고, 마그네슘 이온이 됩니다. 그리고 전해질을 따라서 이동하게 되구요, 여기 안티몬에서 두개의 전자를 받아드리고, 그리고 합금을 만들기 위해서 섞어 버리게 되죠. 이 전자들은 실제로 장치들을 움직이는데 사용됩니다. 자 이제 배터리를 충전하기 위해서, 전기를 연결 합니다. 마치 풍력발전과 비슷합니다. 그리고 전류를 꺼꾸로 흐르게 하는거죠. 이 전류가 마그네슘을 분리하도록 하고, 다시 전극 윗부분으로 전달 됩니다. 그래서 배터리의 초기 상태로 복원 합니다. 이 전극들 사이를 흐르는 전류는 온도를 보존 할 만큼의 열을 만들어내죠.

이론뿐이지만, 정말 멋지지 않나요? 하지만 이 배터리가 정말 작동 할 까요? 다음에는 뭘 해야 할 까요? 연구실로 가봅시다. 자 제가 경험 많은 노련한 전문가를 고용 했을까요? 아닙니다. 제가 지도하는 학생을 뽑아서 어떻게 문제를 생각 할 것인지를 가르쳤습니다. 제 관점에서 보게하고, 그리고 그냥 내버려 두었습니다. 여기 사진의 학생입니다. 데이비드 브래드웰이죠. 이 친구는 "이게 정말 될까?" 라고 고민 중이죠. 이때 제가 데이비드에게 말하지 않는 것은 저도 이 배터리가 작동한다는 확신이 없었다는 점입니다.

하지만 데이비드는 젊고 똑똑합니다. 그리고 박사학위를 받아야만 했기 때문에 이 친구는 만들어야만 했습니다. (웃음) 데이비드가 이 연구실에서 최초의 액체금속 배터리를 만들기 시작한거죠. 그래서 MIT에서 자금을 지원해 주었고, 데이비드는 초기의 희망적인 결과를 만들었습니다. 그리고 저는 일반 기업들과 연방정부로 부터 주요 연구자금을 모을 수 있었습니다. 그리고 제 연구진을 20명으로 늘릴 수 있었는데요, 대학원생들, 박사후 과정 학생들, 그리고 몇명의 학부생들도 있었습니다.

또한 저는 정말 좋은 사람들을 모을 수 있었습니다. 그들은 경력쌓기가 아니라 순수한 과학과, 사회를 위한 저의 열정에 함께 했습니다. 여러분이 이들에게 왜 액체금속을 연구하냐고 물어보시면, 대답은 1962년 라이스 대학교에서 말했던 케네디 대통령의 연설내용을 생각하면 됩니다. -- 제가 편하게 말하겠습니다. -- "우리는 전력망 수준의 저장장치를 연구합니다, 연구가 쉬어서가 아니라, 너무 어렵기 때문이죠."

(박수)

이 연구는 액체금속 배터리 분야의 대단한 발전입니다. 저희는 시간당 1와트의 전력으로 시작합니다. 저는 이것을 샷글래스(작은잔)라고 합니다. 그리고 400개가 넘는 샷글래스를 가지고 실험했습니다. 다양한 화학물질들의 성능을 완벽하게 끌어 내기 위해서죠. 단순히 마그네슘이나 안티몬만을 사용하는게 아닙니다. 시간당 20와트까지 크기를 확장했습니다. 저는 이것을 하키퍽 이라고 합니다. 그리고 똑같이 주목 할 만한 결과를 얻었습니다. 그리고 여기 접시처럼 생긴 배터리가 있죠. 이건 시간당 200와트의 전력을 생산합니다. 저희 기술은 탄탄하고 확장성이 좋다는 것을 증명하고 있습니다. 하지만 발전 속도가 만족스럽지는 않았습니다. 그래서 1년 반정도 전에, 데이비드와 다른 연구원과 함께 저는 개발 속도와 제조 과정을 빠르게 하기 위해서 회사를 설립했습니다.

그래서 현재 LMBC에서는 초기 샷글래스 모델의 1,000배에 가까운 시간당 1킬로와트의 전력 생산이 가능한 지름 40cm 짜리 배터리를 제작하고 있습니다. 우리는 이 모델을 피자라고 부릅니다. 그리고 곧 시간당 4킬로와트 짜리 모델을 생산할 것 입니다. 이 모델은 지름이 약 90cm 정도 됩니다. 이 모델은 비스트로 테이블이라고 부릅니다. 하지만 아직 발표하지는 않았습니다. 이 기술을 변형 할 수 있는데요, 이런 비스트로 테이블 모델을 모듈 단위로 쌓고, 모듈들을 약 12m 정도 컨테이너 안에 넣어서 필요한 곳에 놓는 것입니다. 그러면 2메가와트 짜리라고 쓸수 있죠, 시간당 2백만와트 입니다. 이정도는 미국의 200가구가 하루에 사용하는 전력량을 감당 할 수 있습니다. 여기 전력망 수준의 저장장치 입니다. 저소음, 배기가스도 없고, 움직이는 부품도 없고, 원격으로 제어가 가능하고, 정부 보조금 없이도 시장에서 사용가능한 가격입니다.

우리가 이것들에서 무엇을 배웠을까요? (박수) 우리가 이것들에서 무엇을 배웠을까요? 제가 여러분과 함께 그 놀라움과 이단적인 이론을 함께 공유해 보겠습니다. 그것들은 눈에 보이는것을 넘어서 존재합니다. 온도를 봅시다. 흔히들 말하기를 상온정도로 온도를 유지하라고 합니다. 그리고 제어 시스템을 거기에 설치하고, 열 손실을 막으라고 하죠. 액체금속 배터리는 물질 제어를 통해 높은 온도에서 작동하도록 설계되었습니다. 이 배터리는 서지전류에서 나오는 고온의 온도 상승에도 잘 대처합니다. 확장성을 볼까요. 보통 배터리는 많이 생산해서 가격을 낮춥니다. 액체금속은 적게 생산하지만 크게 만들어서 가격을 낮춥니다. 그리고 마지막으로 인적 자원을 생각해보죠. 일반적으로 배터리 기술자나, 방대한 경험과 지식을 활용하는 경험많은 전문가를 고용합니다. 액체금속 배터리를 개발하기 위해서, 제가 지도하는 학생들과 박사후 과정 학생들과 함께 했습니다. 배터리 하나에, 전기적 잠재력을 극대화 하려고 노력했습니다. 제가 학생들을 지도 할 때, 인적 잠재력을 극대화 하려고 했던것 처럼요. 그건 말이죠, 액체금속 배터리의 이야기는 단순한 기술발명 이상의 것입니다. 이것은 발명가를 또는 전체 영역을 발명하는 청산진입니다.

(박수)