전기 내화벽돌: 열전지로 중공업 탈탄소화 한다.

 

MIT의 분사 기업인 Electrified Thermal Solutions는 산업 공정에 전력을 공급할 만큼 높은 온도에서 열을 저장하는 전기 전도성 내화벽돌을 개발했다.

비수요 시간대에 저렴하고 깨끗한 전기를 활용할 수 있는 이 시스템은 확장 가능하며 탄소가 없는 전기원을 활용하여 중공업을 탈탄소화할 준비가 되어 있다.

 

산업용 열 생성

시멘트, 강철, 화학, 제지 생산과 같은 제조 산업은 일반적으로 화석 연료를 태워서 생성되는 엄청난 양의 열이 필요하다.

산업 분야의 탄소 발자국을 줄이기 위해 일부 신생 기업은 재료의 제조 방식을 재고하거나 재료 자체를 재설계하기도 한다. MIT 동문인 다니엘 스택 SM '17, PhD '21은 열원 자체에 집중하여 배출의 근본 원인을 해결하고 있다.

 

전기 열로 획기적인 발전

스택은 2014년 MIT에 입사한 이래 전기로 구동되는 열 배터리를 개발해 왔다. 이 배터리는 전통적으로 단열 및 열 저장에 사용되는 특수 설계된 세라믹 내화벽돌을 가열한다. 그는 2021년에 Electrified Thermal Solutions를 공동 설립했는데, 이 회사의 전기 내화벽돌은 수 시간 동안 효율적으로 열을 저장하고 공기나 가스를 화씨 3,272도까지 가열하여 방출할 수 있다는 것을 증명했다. 이는 가장 에너지 집약적인 산업 공정도 구동하기에 충분하다.

 

3,000°F 북쪽의 온도를 달성하는 것은 전기 난방 산업에 획기적인 진전을 의미하는데, 이는 세계에서 탈탄소화가 가장 어려운 부문 중 일부가 처음으로 재생 에너지를 활용할 수 있게 해주기 때문이다. 또한 전기가 가장 저렴하고 깨끗할 때 전기를 사용하는 새로운 저비용 모델을 열어준다.

 

전기 난방의 경제적 및 환경적 이점

스택은 "Electrified Thermal에서 글로벌 관점을 가지고 있지만, 미국에서는 지난 5년 동안 유연한 전기 구매를 선호하는 에너지 가격에서 놀라운 기회가 생겨나는 것을 보았다."라고 말한다. "전국 중부, 특히 풍력 벨트에서 많은 지역의 전기 가격이 1년 중 20% 이상 마이너스이고, 비수요 시간대에 전기 가격을 낮추는 추세는 전국적인 현상이다. Joule Hive Thermal Battery와 같은 기술을 사용하면 저렴하고 깨끗한 전기를 사용할 수 있고, 긍정적인 기후 영향을 고려하지 않고도 산업용 난방 수요에 대한 가격에서 화석 연료와 직접 경쟁할 수 있다."

 

내화벽돌 기술의 개발 및 진화

스택의 연구 계획은 2014년 MIT 핵 과학 및 공학과에 석사 과정으로 합류하면서 빠르게 바뀌었다.

스택은 "나는 차세대 원자로를 연구하기 위해 MIT에 갔지만, 거의 첫날부터 집중한 것은 벽돌을 가열하는 방법이었다."라고 말한다. "내가 기대했던 것은 아니었지만, 나의 지도 교수인 [주요 연구 과학자] 찰스 포스버그와 에너지 저장에 대해 이야기하고 그것이 핵 에너지뿐만 아니라 전체 에너지 전환에 왜 가치 있는지에 대해 이야기했을 때, 제가 더 일하고 싶은 프로젝트가 없다는 것을 깨달았다."

 

내화벽돌은 수천 년 동안 벽난로와 오븐에 사용되어 온 보편적이고 저렴한 점토 벽돌이다. 2017년 포스버그와 스택은 내화벽돌이 재생 가능 자원에서 열을 저장할 수 있는 잠재력을 보여주는 논문을 공동 집필했지만, 이 시스템은 여전히 ​​토스터와 스페이스 히터의 금속 코일과 같은 전기 저항 히터를 사용했으며, 이는 온도 출력을 제한했다.

스택은 박사 학위 과정에서 포르스버그와 협력하여 전기 전도성이 있는 내화벽돌을 만들어 저항 히터를 대체하여 벽돌이 직접 열을 생성하도록 했다.

 

"전기 히터는 가장 큰 제한 요소이다. 너무 빨리 타버리고, 고장나고, 충분히 뜨거워지지 않는다." 스택이 설명한다. "내화벽돌 자체가 매우 저렴하고 풍부한 재료이기 때문에 화염과 같은 온도까지 올라가 며칠 동안 그대로 있을 수 있기 때문에 히터를 사용하지 않기로 했다."

포스버그와 스택은 기존 내화벽돌의 화학 성분을 조정하여 전도성 내화벽돌을 만들 수 있었다. Electrified Thermal의 벽돌은 기존 내화벽돌과 98% 유사하며 동일한 공정을 사용하여 생산되므로 기존 제조업체가 저렴하게 만들 수 있다.

 

상용화 및 영향

박사 과정의 마지막에 스택은 이 발명품을 상용화할 수 있다는 것을 깨달았다. 그는 MIT 슬론 경영대학원에서 수업을 듣고 MIT 창업을 위한 마틴 트러스트 센터에서 시간을 보냈다. 그는 또한 StartMIT 프로그램과 I-Corps 프로그램에 들어갔고 미국 에너지부와 MIT의 벤쳐 멘토링 서비스(VMS)의 지원을 받았다.

 

스택은 "보스턴 생태계, MIT 생태계, 그리고 에너지부의 도움을 통해 MIT 연구실에서 이를 출시할 수 있었다."라고 말한다. "우리가 만들어낸 것은 전기 전도성 내화벽돌, 즉 우리가 e-벽돌(e-Brick)이라고 부르는 것이다."

 

Electrified Thermal은 단열된 기성품 금속 상자에 내화벽돌 배열을 포함한다. 이 시스템은 최종 용도에 따라 매우 다양하게 구성 가능하지만, 이 회사의 표준 시스템은 약 5메가와트의 에너지를 수집하여 방출하고 약 25메가와트시를 저장할 수 있다.

 

이 회사는 시스템이 고온을 생성할 수 있는 능력을 입증했으며 매사추세츠주 메드포드에 있는 본사에서 시스템을 순환하고 있다. 이러한 작업을 통해 Electrified Thermal은 에너지부 사무소에서 기술을 확장하고 제조업체와 협력하기 위해 총 4,000만 달러를 벌었다.

 

스택은 "다른 전기 난방과 비교했을 때, 우리는 시중의 다른 어떤 솔루션보다 더 뜨겁게 작동하고 더 오래 지속될 수 있다."라고 말한다. "즉, 그렇지 않으면 탈탄소화할 수 없는 많은 산업 현장에서 화석 연료를 대체한다는 의미이다."

 

미래 방향 및 글로벌 영향

Electrified Thermal은 시멘트, 강철, 유리, 기본 및 특수 화학 물질, 식품 및 음료, 펄프 및 종이 제조업체를 포함한 수백 개의 산업 회사와 협력하고 있다.

"산업용 난방 문제는 태양 아래 있는 모든 사람에게 영향을 미친다."라고 스택이 말했다. "모두 근본적으로 동일한 문제를 가지고 있다. 에너지 전환을 위해 저렴하고 탄소 배출이 없는 방식으로 난방을 얻는 것이다."

이 회사는 현재 메가와트 규모의 상용 시스템 버전을 구축하고 있으며, 향후 7개월 내에 가동될 것으로 예상한다.

 

스택은 "내년은 업계에 대한 거대한 증거가 될 것이다."라고 말했다. "우리는 상업용 시스템을 사용하여 고객이 확인해야 하는 다양한 운영 지점을 선보일 것이며, 연말까지 고객 현장에서 시스템을 운영할 수 있기를 바란다. 시중의 다른 솔루션은 우리가 낼 수 있는 종류의 온도를 낼 수 없기 때문에 전기 난방에 있어서는 엄청난 성과이자 처음이다."

 

Electrified Thermal은 제조업체와 협력하여 내화벽돌과 케이싱을 생산함으로써 대규모 산업 전반에 걸쳐 신속하고 저렴한 비용으로 시스템을 구축할 수 있기를 바란다.

 

스택은 "처음부터 우리는 이러한 e-벽돌을 기존 공급망과 제조 공정 내에서 빠르게 확장하고 생산할 수 있도록 설계했다."라고 말한다. "중공업의 탈탄소화를 원한다면 탄소 제로 전기 자산에서 전기를 열로 전환하는 것보다 더 저렴한 방법은 없다. 우리는 에너지 전환을 달성하면서 전 세계 에너지의 두 자릿수 백분율이 시스템을 통과하면서 이러한 기능을 잠금 해제하는 최고의 기술이 되고자 한다."