바닷물에서 전기와 식수가 만들어진다? 염분 차 담수화 융합기술!

바닷물에서 전기와 식수가 만들어진다? 염분 차 담수화 융합기술!

대학생신재생에너지기자단 21기 박지원

 

한국에너지기술연구원이 세계 최초로 바닷물에서 전기와 식수를 생산하는 기술을 융합한 기술을 개발하여 단일 플랜트 실증을 마쳤다고 한다. 이 공정의 핵심 소재인 분리막을 기존 최고 수준에 대비하여 2배 이상 향상해 세계적인 선도 기반도 마련하였다. 또한, 한국에너지기술연구원은 에너지의 소모량을 최소화하기 위하여 역삼투 모듈의 앞뒤에 역전기 투석 발전기를 연계하여 융합 공정을 개발하였다. (역전기투석-역삼투-역전기투석)

[자료 1. 역전기투석-역삼투-역전기투석 파일럿 전경]

출처 : 한국에너지기술연구원 공식 블로그

 

염분 차 담수화 융합기술의 원리

우선 역삼투란 '삼투압보다 높은 압력을 가하여 반투막으로 용매를 걸러내는 기술'이다. 하지만 여기에는 문제가 있다. 바로 에너지 소모가 크다는 점이다. 최적화 역삼투 공정은 1t의 담수를 생산하는 과정에서 3.5kWh(킬로와트시) 전기에너지가 소모된다. 이는 담수 생산 단가의 30%에 해당하는 양이며, 1.6kg/ton의 이산화탄소를 발생시키는 것과 같은 양이기도 하다. 또한, 이때 배출되는 농축 해수가 해양 생태계를 어지럽히게 된다는 문제도 제기되었다. 2019년 기준 전 세계 1만 6,000여 개의 해수 담수화 플랜트에서 쏟아내는 농축 해수의 양은 하루에 약 1억 4천만 t이며, 이에 세계 담수화 시장 점유율 50% 이상인 중동 지역의 해양 오염은 심각한 상황이다.

 

이에 연구진은 바닷물과 민물 사이의 전위차를 이용하여 전기를 생산하는 역전기 투석 염분 차 발전을 역삼투 해수 담수화 공정에 더하는 융합 공정을 구현하여 문제를 해결했다. 바로 역삼투 공정의 앞뒤에 역전기 투석 발전기를 연계하는 방식이다.

역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED)은 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산하는 것을, 역삼투(Reverse Osmosis, RO)는 삼투압보다 높은 압력을 가할 때, 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져나오는 현상을 말한다.

 

[자료 2. 기술 개념도]

출처 : 한국에너지기술연구원 공식 블로그

 

 

염분 차 담수화 융합기술의 에너지, 환경적인 장점

[자료 3. 단일공정과 융합 공정의 차이]

출처 : 한국에너지기술연구원

염분차 담수화 융합기술은 에너지 소모량 절감과 농축해수의 친환경 처리라는 해수 담수화의 두 가지 기술적 현안을 동시에 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 역전기투석 발전기는 해수를 이용해 에너지를 생산함과 동시에 해수의 농도를 20% 이상 낮춘 후 역삼투 공정에 공급할 수 있다. 따라서 이 낮아진 농도만큼 역삼투에 필요한 에너지 소모량 또한 줄어들게 된다.

 이후 역삼투 공정을 통해 담수와 함께 배출되는 농축 해수는 고밀도의 에너지원으로 저장이 되며 후단에 설치된 역전기투석 발전기를 이용하여 필요할 때 전기로 전환된다. 특히 최종 배출되는 농축해수는 기존 해수 수준의 농도로 배출되어 환경오염에 미치는 영향을 줄였다. 연구진은 하루 100톤의 담수 생산 실증을 마쳤다. 융합 공정은 기존의 단일 공정 대비 에너지 소모량을 30% 이상 절감하였으며 담수 생산 단가를 10% 이상 절감하였다. 에너지의 소모량 문제와 환경문제라는 두 마리 토끼를 모두 잡은 것이다.

역전기투석 공정의 핵심 소재인 분리막의 성능도 향상시켰다. 이 공정에 적용된 패턴형 이온교환분리막은 일본의 기술과 비교하여 두께는 1/10, 성능은 2배, 오염성은 3배 이상 향상된 결과가 나타났으며 실용화 수준의 기술을 확보하였다. 

 

 

앞으로의 기대

염분 차-해수담수화 융합 기술은 기존의 해수담수화 기술의 이슈인 에너지 소모와 환경오염을 해결하여, 에너지의 소모량을 저감시키며 농축 해수의 친환경적인 처리가 가능해질 것이다. 또한 해수를 이용하여 장기적인 에너지 저장과 대용량 발전이 가능하여 미래의 에너지기술의 핵심이 될 것으로 기대된다. 특히 세계 시장점유율이 높은 중동, 동남아시아, 유럽 등에서는 대용량 실증과 정부의 지원을 통하여 세계적인 기술의 선도가 가능할 것으로 보인다.

 

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염분차 해수 담수화 융합기술 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "곧 전기 낚시터가 될 바다", 16기 김창준 17기 김민석, https://renewableenergyfollowers.org/2997

[알쓸신발②] 곧 전기 낚시터가 될 바다

2. "바다와 강이 만나면 전기가 생긴다!", 11기 양선모, https://renewableenergyfollowers.org/2298

바다와 강이 만나면 전기가 생긴다!

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참고문헌

[염분 차 담수화 융합기술의 원리]

1)  “바닷물로 전기·먹는물 만든다”…가격·환경 다잡은 해수담수화 신기술 개발, 헤럴드경제, 22.07.21, http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20220720000929

2) 한국에너지기술연구원 공식블로그, "바닷물에서 전기도 식수도...염분차-담수화 융합 기술 개발", 22.07.27, https://blog.naver.com/energium/222830802399

[염분 차 담수화 융합기술의 장점]

1) 박희윤, "바닷물서 전기도 식수도 생산한다", 서울경제, 22.07.21, https://www.sedaily.com/NewsView/268LWXJUEV