[알쓸신발②] 곧 전기 낚시터가 될 바다

[알아두면 쓸데있는 신기한 발전소 ②]

곧 전기 낚시터가 될 바다

16기 김창준, 17기 김민석

 

산업과 기술이 발전함에 따라 에너지에 대한 수요는 증가했으며, 그 수요를 충족시키기 위해서 여러 가지 발전소들이 생겨났다. 하지만 현대에 이르러 사회는 이런 발전소들이 일으키는 환경오염과 같은 문제들에 대해서 인식하기 시작하였고 이 문제에 대한 해결책으로 친환경적인 신재생에너지가 대두되었다.

 우리나라는 여러 가지 신재생에너지가 도입이 되고 있지만 기술적인 문제, 기후의 영향과 같은 여러 요인들로 인해 아직 확실히 정착하지는 못하고 있다. 바다로 이루어진 우리나라에서 바다는 유용한 에너지원으로  파력, 조력, 조류, 온도차, 염분차 등 다양한 에너지원이 꼽히고 있다. 이 중 가장 잠재력이 뛰어난 것으로 주목 받는 부분이 바로 바닷물을 이용한 염분차 발전이며 현재 상용화가 가시권에 들어와 있다고 한다.

▣ 기존 염분차 발전

 바닷물의 염분은 보통 3퍼센트(%) 정도이고, 강물의 염분은 0.05퍼센트 이하다. 염분차 발전의 원리는 바로 이러한 염분 농도의 차이를 삼투압으로 유발시키는 과정에 있으며 이용률이 100%에 달하는 청정에너지 기술이다.

[자료1. 삼투압 이용 염분차 발전 개념도]

                                                                                                                                  출처 : 한겨래신문

 염분차 발전소는 강이 바다로 흘러들어가는 강어귀에 설치해야 바닷물과 민물을 동시에 취수해 사용할 수 있어 경제적이다. 우리나라 5대 강이 바다와 만나는 곳에서 염분차 발전을 할 경우 일반 해수를 쓸 경우 발전용량은 3479㎿ 해수담수화를 거친 고농도 염수를 쓸 경우 1만9885㎿에 이르러 각각 수력(6292㎿)의 55%, 316%의 전력을 생산할 수 있을 것으로 추정된다.

 염분차 발전의 가장 보편적인 방식으로는 압력지연삼투(PRO) 발전과 역전기투석(RED) 발전이 있다. 압력지연삼투 발전은 삼투압이라는 물리적 에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다.

 바닷물과 강물의 중간에 물입자만 통과할 수 있는 얇은 막을 두면 염분이 상대적으로 낮은 강물이 바닷물 방향으로 흘러서 염분의 농도를 비슷하게 하려는 현상인 삼투압이 발생하게 된다. 이때 바닷물과 강물 사이에는 약 24 표준대기압(atm) 정도의 압력차이가 발생하며, 이는 약 240미터(m) 높이의 수력발전소 댐에서 떨어지는 낙차와 같은 힘이다.

 반면에 역전기투석 발전은 염화나트륨(NaCl)의 이온을 분리하면서 전기를 생산하는 기술이다. 적용 시스템으로는 양이온만을 투과시키는 양이온교환막(CEM)과 음이온만을 투과시키는 음이온교환막(AEM)이 병렬로 배치된 구조를 사용한다.

 해수와 담수를 통과시킬 때, 양이온 교환막 쪽으로는 해수에 포함된 나트륨이온(Na+)이 통과하고, 음이온 교환막 쪽으로는 염소이온(Cl-)이 통과하게 된다. 이때 각 이온교환막 사이에 전압이 생성되며, 산화 전극과 환원 전극에서의 산화·환원 반응을 통하여 전자의 흐름이 형성되면서 전기가 발생하게 된다.

 염분차 발전은 에너지 밀도가 높기 때문에 잠재력이 큰 재생에너지로서 주목을 받고 있지만 지금까지는 삼투압 등 압력이나 전기로 막을 이용해 이온을 제거하는 방식으로 발전해 에너지의 효율적 측면에서 한계가 지적 됐다. 또한 이온 교환막을 통한 이온의 이동은 발전 효율에 있어 큰 영향을 미치는 부분이기에 이온의 이동이 쉬울수록, 즉 이온교환막의 전기저항이 낮을수록 좋다. 하지만 이전에 사용할 수 있었던 이온 교환막들은 두께가 두꺼워 저항이 높고, 가격도 낮지 않기에 경제적인 부담이 컸으며 이런 단점은 염분차 발전 상용화의 걸림돌이 되고 있었다.

▣ 기존 문제의 해결

 염분차 발전은 바닷물에서 민물로 염분이 넘어가면서 양이온과 음이온이 서로 이동해 전자를 주고 받는데 이 반응을 유도하는 부품, 즉 촉매의 주재료가 백금이었다. 하지만 백금과 같은 고가의 소재의 사용으로 인해 경제성 확보가 어려웠고 이 부분은 염분차 발전의 상용화를 가로막는 부분 중 하나였다.

 하지만 국내 연구진이 염분차 발전의 경제성을 높일 수 있는 전극 소재를 개발했다고 한다. 정남조 해양융복합연구팀 박사의 연구팀은 "백금을 이용해 1㎡ 크기의 부품을 만드는데 300만원이 필요하지만 이황화몰리브덴으로 대체하면 재료값이 10만원도 들지 않기에 발전의 효율성과 경제성을 동시에 높일수 있으며, 이번 전극소재 합성 기술의 개발로 수입 의존도가 크고 고가인 수처리 분야의 전극 소재를 대체해 관련 분야의 전극 소재 국산화 기술 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 연구팀은 이황화몰리브덴을 사용한 성능 실험 결과 백금과 거의 동등하거나 오히려 더 높은 성능을 확인했다고 한다.

 또한 염분차 발전의 부품은 양 전극과 분리막 등으로 이뤄졌는데 연구팀이 1㎡ 크기로 만들어 전력을 생산한 결과 3W정도 나온다. 정 박사는 염분차발전이 1㎡당 2W 이상이면 경제성이 있다고 설명했다. 이를 최적화 시켜 층층이 쌓아 1㎥ 크기의 부품으로 만들면 현재 10~20㎾의 전력이 생산된다. 국내 연구진은 이러한 성과는 물 속 염분의 차이를 이용하는 염분차 발전 부품을 기존보다 30배 수준으로 낮출 수 있는 것으로 대체했으며 이를 이용해 3년 이내로 파일럿 발전시설을 만들고 상용화를 준비할 계획이라고 설명했다.

 

[자료 2. 제주 글로벌신재생 에너지 연구 센터의 염분차 발전 실험 설비]

출처 : 한국에너지기술연구원

 정 박사는 단독 발전시설로 만들기 위해서는 해결해야 할 일들이 있다고 설명했다. 가장 중요한 것은 해수담수화 설비처럼 물 속의 이물질을 걸러내야 한다. 이물질이 발전부품 속 분리막이나 전극에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.  공장에서 나오는 폐염수는 희석하거나 정화처리를 한 뒤에 버려야 한다. 또 발전시설은 큰 설비를 건설해야 해 토목비용도 만만치 않다. 이 비용을 상쇄할 수 있는 방법은 다른 시설과 함께 연계하는 것이다. 염분차발전은 염분의 농도가 크며 클수록 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 정 박사는 "정화처리비용이 적지 않아 염분차발전을 적용하면 적절하게 희석이 가능해 산업공정과 연계하면 경제성을 더 높일 수 있다"고 설명했다

 앞서 말했듯이 현재 우리나라도 친환경 에너지 시대로 나아가기 위해 여러 신재생 에너지가 도입되고 이를 상용화하기 위한 많은 노력들이 진행 중에 있다. 하지만 기술적인, 경제적인, 기후의 영향과 같은 이유들로 인해서 아직 확실히 정착을 하고 있지 못하는 상황이다. 이런 상황 속에서 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라에 바닷물을 활용하는 염분차 발전이 상용화를 이룰 수 있다면 우리의 방향성이 되어 있는 “친환경 에너지 시대”가 그리 멀지 않을지도 모른다.

 

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참고문헌

[기존 염분차 발전]

1) the science times "바다와 강이 만나 에너지를 만든다“, 2015.01.13

 

[기존 문제의 해결]

1) 한국에너지기술연구원 공식블로그 “바닷물로 전기 만드는 무공해 발전기, 5년내 상용화 가 능”, 2020.04.01

2) 한겨래 “민물과 바닷물 혼합해 전기 뽑는 염분차 발전”, 2019.08.12.

3) 아시아경제 “염분차로 '저렴하게' 전기 생산한다”, 2020.03.10