- 수학적 해석 모델 개발로 대표적인 해양 염분차발전 기술인 역전기투석 방식의 이온 전달 원리 규명

- 수자원 분야 세계 최고 권위지 ‘워터리서치(Water Research)’에 논문 게재

■ 한국에너지기술연구원(곽병성 원장) 제주글로벌연구센터 김한기 박사는 해양 염분차발전 기술의 이온 전달 원리를 규명할 수 있는 수학적 해석 모델을 개발하고, 연구 결과를 수자원 분야 세계 최고 권위지인 ‘워터 리서치(Water Research)*’에 게재했다.

* 워터 리서치(Water Research) : 수자원 분야의 랭킹 1위의 국제 논문집(Elsevier에서 발행, SCI IF 7.051)

□ 해양 염분차발전은 해수와 담수 사이의 염 농도 차이를 이용해 전기에너지를 생산하는 발전방식으로, 높은 에너지 잠재량을 갖고 있어 상용화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

□ 대표적인 해양 염분차발전 기술인 역전기투석 방식은 해수 내에 포함된 이온이 이온교환막을 통해 이동하면서 얻어지는 에너지를 전기로 전환하는 방식이다. 최근 세공충진형 이온교환막** 등 핵심 기술이 새롭게 개발되고 있으나, 기존의 수학적 해석 모델로는 다양한 이온교환막의 이온 전달 원리를 규명할 수 없어 정확한 성능을 분석하기 어려웠다.

** 세공충진형 이온교환막 : 소수성 지지체가 갖는 나노 사이즈의 기공 내에 이온 전달을 할 수 있는 친수성 고분자를 채워, 선택적인 이온 교환을 할 수 있도록 제작된 분리막. 상용 이온교환막 대비 낮은 전기적 저항과 높은 선택도를 갖고 있음

■ 이를 극복하기 위해 연구진은 ‘전도성 이동 거리(Conductive Traveling Length, CTL)’로 명명한 개념을 기존의 수학적 해석 모델에 도입해 이온교환막 내의 이온 전달 원리를 정확하게 규명하는데 성공했다.

□ 전도성 이동 거리란 세공충진형 이온교환막 내 친수성 나노 기공을 통한 이온의 이동 거리를 의미한다. 이를 통해 이온교환막 내 나노 기공의 비율과 전기 전도도를 계산하고 기존의 모델에 적용하면 다양한 이온교환막의 특성에 따른 이온 전달 해석 결과와 역전기투석의 성능 예측 정확도를 높일 수 있다. 

□ 또, 연구진이 개발한 수학적 해석 모델은 세공충진 방식을 포함한 다양한 이온교환막에 범용적으로 적용할 수 있어 기술 상용화에도 크게 기여할 수 있다.

■ 논문의 주저자인 한국에너지기술연구원 김한기 선임연구원은 “이번 해석 모델링 개발을 바탕으로 상용화 수준의 역전기투석 장치의 설계 및 성능 예측이 가능해 기술 개발을 가속할 수 있을 것으로 예상된다”며, “향후 이온교환막 및 스택 등의 소재·부품 국산화 기술 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 한편, 한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터는 세공충진형 이온교환막 국산화를 완료하고 이를 통해 역전기투석 장치 개발에도 성공한 바 있다. 연구진은 현재 ‘전기충전 인프라 구축용 염분차발전 원천기술 개발’ 연구를 수행하는 등 해양 염분차발전 상용화를 위한 연구를 선도하고 있다.