보도자료

한국에너지기술연구원 보도자료

염분차 발전 성능 획기적 향상, 고효율 스택구조 개발

  • 작성일 2021.09.29
  • 조회수 5246

- 탄소 배출 없는 고효율 염분차 발전 기술 개발

- 적은 양의 염수와 담수를 공급해 높은 전력을 생산하는 고효율 스택 구조 개발

- 최소한의 물만 사용해 부지 면적 및 전처리 부담을 줄여 경제성 향상 기대

- 수자원 분야 세계적 권위지인 ‘Water Research’ 논문 게재

 

염분차 발전은 전 세계적으로 2.6TW(테라와트)의 발전 잠재량을 가진 친환경적이고 안전한 에너지원이다. 또한 기존 신재생에너지의 낮은 이용률 및 부하변동 문제를 가장 효과적으로 해결할 수 있는 에너지생산 기술로 무궁무진한 잠재력을 가졌다.

 

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 해양융복합연구팀 남주연 박사 연구진은 염수와 담수의 염분 차이에 의해 전기를 생산하는 역전기투석 염분차 발전의 성능을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다.

 

염분차 발전 기술은 용액의 이온농도 차이를 전기에너지로 전환하는 기술로 이 중 역전기투석(RED, Reverse Electrodialysis) 방식의 스택은 전극, 이온교환막, 가스켓, 스페이서로 구성되고 두 전극 사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 교차로 적층된다.

 

두 이온교환막 사이는 가스켓으로 구분하고 스페이서를 통해 유체가 흐를 수 있는 공간을 만들어 준다. 이온교환막 사이에 고농도 용액과 저농도 용액을 교차로 흘려주면 이온 농도의 차이에 의해 전위차가 형성되고 이에 의해 양쪽에 위치한 전극의 표면에서 전기화학 반응을 통해 전자가 생성되며 전기가 발생한다.

 

역전기투석 기술은 물만 있으면 탄소 배출 없이 전기를 생산할 수 있는 큰 장점이 있지만 상용화까지 아직 해결해야 할 과제가 남아있다. 대표적으로 농도분극현상과 유입수의 전처리 문제로 인한 에너지 손실과 비용 상승이다.

 

농도분극(Concentration polarization) 현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상으로 이온의 이동을 감소시켜 발전 효율을 떨어뜨리는 원인이다. 이를 해소하기 위해서는 유량을 빠르게 공급해줘야 하는데 여기에는 많은 물이 투입되어야 하며, 투입 전 고형물과 부유물을 제거하기 위한 전처리 공정도 필요해 비용 상승의 원인이 된다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 적은 양의 유입수를 이용해 농도분극 현상을 줄일 수 있는 새로운 구조의 고효율 역전기투석 스택을 개발했다.

 

기존 역전기투석 스택은 적층된 이온교환막 사이로 염수와 담수가 동시에 유입되는 평행흐름(parallel flow) 방식을 주로 사용했다. 이 방식은 농도분극 현상을 최소화하기 위해 물의 유입 속도를 높여줘야 하고 이에 따라 펌핑 및 전처리 에너지가 많이 필요하고, 사이즈가 커지게 되어 집약적 플랜트의 설계가 어렵다.

 

반면 이번 연구에서 연구진은 새로운 캐스케이드형 역전기투석 스택을 개발했다. 이 스택은 단일 스택 내부를 여러 단계로 구분해 전 단계에서 사용한 물을 다음 단계에서 사용하도록 재순환시켜 유입수의 이용률을 높였고, 이로 인해 농도분극 현상은 현격히 줄이면서 높은 에너지효율을 유지했다.

 

캐스케이드 스택의 경우 기존 방식의 스택보다 순전력*20% 향상됐다. 더불어 스택 내부에서 유입수의 이동거리(체류시간)가 길어져 누설전류(Leakage current)의 경로가 차단돼 더 많은 전류가 생성되는 것으로 확인됐다. 뿐만 아니라 4단 스택을 이용해 최대 전력 생산을 위해 필요한 유입수의 부피를 1/4로 저감할 수 있었으며 기존 스택 대비 에너지 밀도는 최대 480%, 효율은 최대 420% 향상됐다.

* 순전력(Net power): 생산된 전력에서 펌핑 및 전처리에 소모되는 전력을 뺀 전력

 

이번 연구 성과는 수자원 분야 세계적 권위지인 워터 리서치(Water Research)’ 7월 온라인 판에 게재됐다.

 

해양융복합연구팀 남주연 박사는 지금까지 역전기투석기술에 시도된 적 없는 새로운 구조의 스택을 통해 성능을 획기적으로 개선하였으며, 이번 연구결과를 통해 기존에 알려진 역전기투석 스택을 이용한 염분차 발전의 낮은 에너지 밀도, 과다한 전처리 투입 에너지 등의 문제를 해결 할 수 있어 역전기투석 기술의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 말했다.

 

이번 연구성과는 한국에너지기술연구원의 기본사업과 국토교통부의 국토교통기술촉진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

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