염수와 담수 농도차 이용한 '염분차 발전' 성능 향상

에너지연, '캐스케이드형 역전기투석 스택' 개발
유입수 활용 줄이고, 농도분극 현상 억제..효율 높여

한국에너지기술연구원은 염분차 발전의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 구조의 캐스케이드 역전기투석 스택을 개발했다. 에너지연 제공

한국에너지기술연구원은 남주연 박사 연구팀이 염수와 담수의 염분 농도 차이를 이용해 전기를 생산하는 '역전기투석 염분차 발전'의 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

염분차 발전은 용액의 이온 농도 차이를 전기에너지로 전환하는 기술로, 전 세계적으로 2.6테라와트(TW)의 발전 잠재량을 지닌 친환경적이고 안전한 에너지원이다.

이 가운데 역전기투석 방식은 이온교환막 사이에 고농도 용액과 저농도 용액을 교차로 흘려 전위차에 의해 양쪽의 전극에서 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 이 방식은 물만 있으면 탄소 배출 없이 전기를 생산할 수 있지만, 농도분극 현상과 유입수의 전처리 등에 따른 에너지 손실과 비용 상승으로 상용화까지 해결해야 할 과제가 많다.

농도분극 현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 것으로, 이온의 이동을 감소시켜 발전 효율을 떨어 뜨리는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 유량을 빠르게 공급해야 하고, 고형물과 부유물을 제거하기 위한 전처리 공정이 요구된다.

연구팀은 적은 양의 유입수를 이용해 농도분극 현상을 줄일 수 있는 새로운 구조의 '캐스케이드형 역전기투석 스택'을 개발했다. 캐스케이드 스택은 단일 스택 내부를 여러 단계로 구분해 사용한 물을 재순환시켜 유입수 이용률을 높일 수 있고, 농도분극 현상을 줄여 높은 에너지 효율을 유지할 수 있다.

기존 방식의 스택보다 순전력(생산된 전력에서 펌핑 및 전처리에 소모되는 전력을 뺀 전력)을 20% 이상 높일 수 있고, 스택 내부의 누설 전류 경로를 차단해 더 많은 전류를 생성시킬 수 있다.

특히 4단 스택을 이용하면 최대 전력 생산에 필요한 유입수 부피를 4분의 1수준으로 줄일 수 있고, 에너지 밀도도 최대 480%, 효율은 최대 420% 각각 향상시킬 수 있다고 연구팀은 설명했다.

남주연 에너지연 박사는 "지금까지 역전기투석기술에 시도해 본 적이 없는 새로운 구조의 스택을 만들어 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다"며 "염분차 발전의 낮은 에너지 밀도, 과다한 에너지 투입 등의 문제를 해결할 수 있어 역전기투석 기술의 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 수자원 분야 국제 학술지 '워터 리서치(7월)' 온라인판에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr