바다와 강이 만나면 전기가 생긴다!

 바다와 강이 만나면 전기가 생긴다!

 

 2015년 파리기후협약이 체결됨에 따라 온실가스 배출량을 감축시키기 위한 노력과 관심이 커진 데다가, 문재인 정부가 탈원전 탈석탄 정책을 시행하면서, 자연스럽게 신재생에너지원의 개발 및 보급이 중요한 관심사가 되었다. 이런 상황 속에서, 해수와 담수의 염분농도 차를 이용한 염분 차 발전이 새롭게 떠오르고 있다.

 기존의 태양광, 풍력 등의 신재생에너지원들은 육지에 지어지기에 발전시설을 늘리는 데 한계가 있는 데 비해 지구의 대부분을 차지하는 바다를 활용한 염분 차 발전은 이런 한계가 없고, 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라에서 활용하기 좋은 기술이다. 또한, 잠재적인 발전량도 전 세계 전력소비량과 유사한, 원자력 발전소 2,600여 개의 연간 전력 생산량에 해당하는 2.4~2.6TW에 달하고, 날씨, 시간, 기후와 무관하게 발전할 수 있다는 등의 많은 장점이 있다.

 염분 차 발전은 역전기 투석과 압력지연삼투의 두 가지 발전 방식으로 나뉜다.

 역전기 투석(RED)

 역전기투석 발전은 염화 소듐을 소듐과 염소 이온으로 분리해서 전기를 생산하는 방식이다. 이는 전기를 이용해 용액의 이온을 제거하는 담수화 과정을 역으로 이용해 전기를 생산하는 방법이다. 그림과 같이 장치에 바닷물과 민물을 통과시키면 바닷물 속의 소듐 이온은 양이온 교환 막으로, 염소 이온은 음이온 교환 막으로 통과하여 전위차를 발생시킴으로써 장치 양쪽에 설치한 전극에서 전자의 흐름이 생성되어 전기에너지가 발생한다.

[그림 1. 역전기투석법]

출처: edunet-t-clear

 역전기투석 발전은 재생 가능한 자원인 바닷물과 하천수 등의 염농도가 다른 용액을 이용하는 환경친화적인 기술로서 유럽을 중심으로 많은 주목을 받고 있다. 네덜란드의 Redstack사는 일본의 fujifilm 사와 공동으로 Afsluitdijk(네덜란드에 위치한 최대 길이의 하굿둑)에 50kw급 시험 공장을 건설해 일부 운영 및 테스트를 진행하고 있고, 이후 200MW급의 상용 발전 플랜트 건설 계획을 추진하고 있다.

 더하여, 일본의 화학 물질, 섬유 등의 제조기업인 kuraray사에서 고성능의 역전기투석 발전용의 이온교환 분리막을 개발하면서 더 우수한 효율성을 가진 발전장치를 건설할 수 있는 기반을 마련했다.

[사진 1. Afsluitdijk, 도로 왼쪽은 바다, 오른쪽은 담수호로 염분 차 발전이 가능하다.]

출처: 위키백과

 우리나라도 다양한 연구를 통해 기반기술을 구축 중이다. 한국에너지기술연구원 해양융복합연구실 정남조 박사팀은 2012년부터 본격적으로 염분 차 발전 기술 개발을 진행했고, 이온 교환 분리막의 성능을 크게 높였고, 500W급 염분 차 발전 스택과 ㎾급 모듈 제작 기술을 국내 최초로 개발해냈다. 개발된 스택은 스택 내의 압력에 의해 많은 에너지 손실이 발생하는 기존 방식의 문제점을 해결하면서 최대 용량까지 늘릴 수 있어 안정적인 전기 생산이 가능하다.

 압력 지연 삼투(PRO)

 염분 농도가 다른 바닷물과 민물 사이에 물만 통과할 수 있는 반투과성 분리막을 설치하면 농도 차에 의해 삼투압 현상이 일어난다. 이때 바닷물의 수위가 올라가고, 이 물이 떨어지는 힘으로 터빈을 돌려 에너지를 생산하는 방식이 압력 지연 삼투 발전이다. 

[그림 2. 압력 지연 삼투]

출처: edunet-t-clear

 압력 지연 삼투 발전은 다른 염분 차 발전 방식들보다도 온실가스 등의 산업 폐기물 배출량이 적다는 장점이 있다. 경제성을 확보하면서 이러한 장점을 살리고자 하는 노력이 각국에서 활발히 진행 중이다. 노르웨이의 statkraft 사는 2009년에 4㎾급 압력지연삼투 방식의 염분차발전 플랜트를 세계 최초로 개발했고, 일본의 쿄와기전공업은 2009년~2014년 나가사키 하수처리장 인근에서 5㎾급 압력지연삼투 방식의 염분 차 발전 플랜트를 개발해 실증실험을 했고, 실험성공과 각종 연구 등을 바탕으로 ‘우미노나카미치 나타 해수담수화센터’에 100㎾급 염분 차 발전 플랜트를 건설했다. 이외에도 미국, 유럽의 각국에서도 발전플랜트를 건설하고 있다.

 우리나라의 경우, 앞서 소개한 정남조 박사팀이 빨대 모양으로 생긴 중공사 형태의 삼투막을 개발했고, 이를 활용할 기술도 세계최초로 확보하는데 성공했다. 연구팀이 개발한 중공사형 삼투막은 물의 이동면적을 극대화할 수 있고, 단위 면적당 전력인 전력밀도도 매우 높다. 더하여, 해수 담수화 분야에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 염분 차 발전의 걸림돌

 염분 차 발전은 일단 친환경적인 기술이고, 우리나라의 입지 조건과 잘 맞는다는 등 장점이 많지만, 앞으로 해결해야할 부분도 적지 않다.

 역전기투석 발전의 경우 이온교환막이 상업화의 걸림돌이 되고 있다. 아직은 상용화된 이온교환막들을 역전기투석발전에 사용하기엔 경제성이 현저히 떨어진다. 이온교환막을 통한 이온의 이동은 발전 효율에 있어 큰 영향을 미치는 부분이기 때문에 이온의 이동이 쉬울수록, 즉 이온교환막의 전기저항이 낮을수록 좋다. 하지만 현재 사용할 수 있는 이온교환막들은 두께가 두꺼워 저항이 높고, 가격도 낮지 않아 많은 양의 이온교환막을 사용하는 역전기투석법에 적용하기엔 경제적인 부담이 크다. 이 때문에 이온교환막의 투과도를 높이기 위한 연구가 많이 진행 중이다.

 압력 지연 삼투 발전은, 발전 과정 중에 발생하는 농도 분극(concentration polarization)이라는 현상 때문에 꽤 애를 먹고 있다. 농도분극 현상은 물이 막 사이를 통과할 때, 물속의 이온이 막에 의해 저지돼 막 내부에 이온이 농축되어 발생한다. 발생 위치에 따라 내부농도분극과 외부농도분극으로 나눈다. 내부농도분극은 지지층 내부에서 이온이 축적되어 막 사이의 유효삼투압을 감소시키는 효과를 발생시켜 발전효율을 떨어뜨린다. 외부농도분극은 저농도 용액인 민물이 막을 통과할 때, 고농도 용액인 바닷물의 농도를 감소시키고, 결과적으로 막 전후의 삼투압 차이가 감소하고 구동력, 투과도가 차례로 줄어들어 발전효율이 떨어진다. 따라서 압력 지연 삼투 발전의 상용화를 위해서는 농도분극 현상 해결이 필수적이다.

앞으로의 염분 차 발전 

 해결해나갈 문제들이 많은 만큼, 염분 차 발전의 약진을 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 세계 각국의 정부, 회사, 연구소 등이 염분 차 발전 통합 네트워크(INES)를 만들어 기술 개발에 힘쓰고 있고, 네트워크에는 우리나라의 한국에너지기술연구원도 가입되어 있다.

 우리나라는 삼면이 바다고, 강과 바다가 만나는 곳이 많기 때문에 지정학적으로 염분 차 발전이 유리하고, 분리막 등의 관련 기술이 상당히 우수하기 때문에 염분차 발전 분야에서 강점을 들어낼 여건이 충분한 셈이다. 꾸준한 기술 개발과 해수 담수화 분야와 기술연계 등으로 세계적인 염분 차 발전 강국으로 발돋움하기를 기대해본다.

참고 자료

차세대 해양에너지: 염분차 발전

나종찬․김한기*․김찬수*․한문희 저 RED 전력밀도에 미치는 해수/담수 유량의 영향