- 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*이 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.