탄소배출 없는 '염분차 발전'..최소한 물로 전력생산량 확 늘린다

- 에너지硏, 높은 전력 생산하는 고효율 스택구조 개발

한국에너지기술연구원 제주글로벌신재생에너지연구센터 연구원이 염분차발전 스택 성능평가를 수행하고 있다. [한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 염분차(鹽分差) 발전은 전 세계적으로 2.6TW(테라와트)의 발전 잠재량을 가진 친환경적이고 안전한 에너지원으로 각광받고 있다. 이와 관련 국내 연구진이 염분차 발전기술의 효율을 획기적으로 끌어릴 수 있는 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 남주연 박사 연구팀은 염수와 담수의 염분 차이에 의해 전기를 생산하는 역전기투석 염분차 발전의 성능을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

염분차 발전 기술은 용액의 이온농도 차이를 전기에너지로 전환하는 기술로 이 중 역전기투석 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 현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상으로 이온의 이동을 감소시켜 발전 효율을 떨어뜨리는 원인이다. 이를 해소하기 위해서는 유량을 빠르게 공급해줘야 하는데 여기에는 많은 물이 투입돼야 하며, 투입 전 고형물과 부유물을 제거하기 위한 전처리 공정도 필요해 비용 상승의 원인이 된다.

이 같은 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 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 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.

기존 스택과 이번에 개발한 캐스케이드 스택 구조.[한국에너지기술연구원 제공]

캐스케이드 스택의 경우 기존 방식의 스택보다 순전력이 20% 향상됐다. 스택 내부에서 유입수의 이동거리(체류시간)가 길어져 누설전류의 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.

남주연 박사는 “기존 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 연구 성과는 수자원 분야 국제학술지 ‘워터 리서치’ 7월 온라인 판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com