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Oct 27, 2023

Polar Night Energy가 모래를 디자인하다

이 후원 기사는 COMSOL이 귀하에게 제공한 것입니다. 객관적으로 노력하면서

이 후원 기사는 COMSOL이 귀하에게 제공한 것입니다.

우리가 자연을 객관적으로 연구하려고 노력하다 보면, 자연의 힘이 우리에게 개인적으로 어떤 영향을 미치는지 자주 생각하게 됩니다. 우리는 책상에 앉아 다양한 형태의 열에 대해 생각할 수 있지만, 발가락이 차가우면 주의가 산만해질 수 있습니다! 집과 직장의 난방을 높일 때, 우리는 따뜻함에 대한 개인적인 필요와 석유, 가스, 석탄, 바이오매스와 같은 화석 연료 연소가 미치는 세계적인 영향 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 인위적인 기후 변화는 인류에게 과제를 안겨줍니다. 미래에 세상이 과열되는 것을 방지하기 위해 우리는 어떻게 지금 따뜻하게 유지할 수 있을까요?

작고 추운 나라 핀란드(그림 1)에 위치한 Polar Night Energy라는 스타트업이 답하려고 하는 것은 어려운 질문입니다. 길고 어두운 겨울 밤으로 유명한 지역에서 Polar Night Energy는 탐페레 시에 저장된 태양 에너지로 건물을 하루 종일, 밤새도록, 겨울 내내 난방할 수 있는 시스템을 구축하고 있습니다. 명백한 모순은 여기서 끝나지 않습니다. 희귀하고 값비싼 재료로 만들어지는 복잡한 클린테크 솔루션 시대에 Polar Night Energy의 열 저장 및 분배 시스템은 간단한 덕트, 펌프, 밸브 및 모래로 구성됩니다. 새로운 시스템은 인내심 있고 사려 깊으며 인간적인 방식으로 글로벌 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

그림 1. 일부가 북극권 위에 있는 핀란드 국가. Polar Night Energy의 열 저장 시스템은 현재 Tampere 및 Kankaanpää 도시에 설치되어 있습니다.

큰 문제는 큰 해결책을 요구하며, 아마도 기후 변화보다 더 큰 21세기 문제는 없을 것입니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 많은 정부와 조직에서는 화석 연료 사용을 줄이는 데 도움이 되는 새로운 기술에 투자하고 있습니다. 이러한 계획은 주로 재생 가능한 전력 생산, 배전 및 저장에 중점을 두었습니다.

Polar Night Energy의 CEO인 Tommi Eronen은 "사람들에게 청정 에너지에 대해 물으면 전기를 생각합니다."라고 말합니다. "그러나 우리는 난방으로 인한 배출도 줄여야 합니다." 핀란드의 에너지 관련 배출량 중 82%는 가정용 건물 난방에서 발생합니다(참고 1). Eronen은 "우리가 지구 기후 목표를 달성할 수 있다는 희망을 가지려면 이 모든 것을 대체하고 싶습니다"라고 말합니다.

1960년대와 관련된 진언인 "세계적으로 생각하고 지역적으로 행동하라"의 정신은 Polar Night Energy의 혁신가 팀과 함께 살아있습니다. 그들의 여정은 창립자인 Tommi Eronen과 Markku Ylönen이 대학 동창이었을 때 제기한 질문에서 시작되었습니다. "태양 에너지만 사용하는 엔지니어를 위해 에너지 자급자족하고 비용 효율적인 히피 공동체를 구축하는 것이 가능합니까?" 졸업 후, 코드명 "Hippie Commune"이라는 프로젝트는 Polar Night Energy가 되었고, Eronen은 CEO로, Ylönen은 CTO로 임명되었습니다.

가벼운(그러나 진지한) 학생 프로젝트로 시작된 것이 핀란드 탐페레 시에서 3MWh/100kW 파일럿 플랜트로 이어졌으며, 2020~2021년 겨울에 가동을 시작했습니다. 이 시스템은 전기를 사용하여 공기를 가열한 다음 물을 가열하는 교환기를 통해 순환하고 이를 도시 히에단란타 지구의 여러 건물에 분배합니다(그림 2).

그림 2. Polar Night Energy 시스템의 구성 요소 및 작동 주기에 대한 개략도.

시스템 내부에는 전기로 구동되는 저항 가열 요소가 공기를 600°C 이상으로 가열합니다. 뜨거운 공기는 모래로 채워진 열 저장 용기 내부의 파이프 네트워크를 통해 순환됩니다. 그런 다음 뜨거운 공기는 용기 밖으로 다시 열교환기로 흘러 들어가 물을 가열하고 건물 난방 시스템을 통해 순환됩니다. 모래의 열 저장 용량은 저항 요소가 냉각된 경우에도 순환 공기가 여전히 물(및 건물)을 따뜻하게 유지할 수 있을 만큼 뜨겁다는 것을 보장합니다.

"우리는 파이프, 밸브, 팬, 전기 가열 요소만 가지고 있습니다. 여기에는 특별한 것이 없습니다!" 에로넨은 웃으며 말합니다.

저명한 화학공학자인 도널드 새도웨이(Donald Sadoway)는 다음과 같이 말한 것으로 인용됩니다. "더러운 값싼 배터리를 만들고 싶다면 먼지를 이용해 배터리를 만들어야 합니다." Polar Night Energy의 시스템은 다른 에너지 인프라와 동일한 핵심 과제에 직면해 있습니다. 사람들이 필요할 때, 필요한 곳에서, 관리 가능한 가격으로 전력을 공급해야 합니다. 이는 에너지를 생산하는 것만큼 에너지를 저장하고 분배하는 것이 중요하다는 것을 의미합니다. 기존 인프라는 익숙한 방식으로 이러한 과제를 해결합니다. 연소 기반 난방의 경우 석유 및 가스와 같은 연료를 저장하고 연소할 수 있는 곳으로 이동합니다. 또한 전력망은 효율적인 전력 분배를 지원하고 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능한 수단을 통해 생성된 에너지를 활용합니다. 그러나 간헐적인 일광과 강한 바람의 특성은 완고한 문제입니다. 재생 에너지 투입량의 최고점과 최저점 전반에 걸쳐 안정적인 전력 출력을 유지하려면 에너지 저장이 필요합니다. 그러나 최근 배터리 기술의 발전에도 불구하고 전력을 저장하는 데는 상대적으로 비용이 많이 들고, 특히 건물 난방에 필요한 규모에서는 더욱 그렇습니다. 전기를 저장하는 대신 "배터리"가 열을 저장할 수 있다면 어떨까요?