| 초록 |
#9월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)# 이 자료는 한국원자력연구원 에 계신 권길성전문가 께서 작성해주셨습니다. 1. 개요 파리기후변화협정의 이행과 지속 가능한 경제성장 목적으로 다양한 신재생에너지 기술이 활발히 연구되고 있다. 용액의 농도 차이를 유용한 에너지로 전환하는 농도 차 발전(Salinity Gradient Power, SGP) 기술은 신재생에너지 기술 중 하나로, 전 세계 강하구로부터 추산된 높은 잠재적 에너지량(~1.9TW)과 주변 환경으로부터 큰 영향을 받지 않는 안정적인 발전량으로 최근 주목을 받고 있다. 농도 차 발전 기술은 크게 삼투 현상을 통한 용매의 운동에너지를 이용하는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 발전, 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 통한 이온의 극성 분리를 이용하는 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED) 발전, 농도에 의존적인 전극 표면의 전기이중층 변화를 이용하는 전기용량 혼합(Capacitive Mixing, CAPMIX)으로 분류할 수 있다[1]. 본 보고서는 역전기투석 발전에 대한 연구 현황을 간략히 정리하였다. 2. 주요 연구 내용 역전기투석 발전을 통해 전기에너지가 생성되는 원리는 다음과 같다. 양이온만을 선택적으로 투과시키는 양이온교환막과 음이온만을 선택적으로 투과시키는 음이온교환막이 기기 내에 교차적으로 적층된다. 양이온교환막과 음이온교환막의 사이에는 유체가 흐를 수 있는 공간을 만들어 고농도 용액과 저농도 용액을 교차적으로 공급하면, 고농도 용액으로부터 저농도 용액으로 이온은 자발적으로 이동한다. 교차 배열된 이온교환막에 의해 양이온의 이동 방향은 음이온의 이동 방향에 대해 정반대가 되고, 기기 내부에 전위차가 발생한다. 기기 양단에 위치한 전극의 표면에서 전기화학반응에 의해 전자가 생성되며, 생성된 전자는 양전극을 연결한 외부 회로로 이동하여 전기에너지를 생성된다. 역전기투석 발전을 구성하는 핵심 요소로는 이온을 투과하는 이온교환막, 연료로 사용되는 고농도 용액과 저농도 용액이 이동하는 유로, 전기화학반응을 위한 전극 및 전해액 등이 있다. 이온교환막 연구: 이온교환막은 역전기투석 발전의 상용화를 위한 핵심 요소이다. 초기 역전기투석 발전 연구에는 상용화된 이온교환막을 사용하였다. 그러나 이온교환막의 높은 제조 비용과 낮은 성능으로 역전기투석 발전을 위한 맞춤형 이온교환막 개발이 시작되었다. 이온교환막은 막 지지체에 양이온 또는 음이온 그룹을 부착하여 제작된다. 양이온교환막에는 작용기로 카르복실기(carboxylic) 또는 술폰기(sulfonic)가 보편적으로 사용되며 최근에는 인산 또는 인산 그룹을 이용한 연구도 진행 중이다[2]. 역전기투석 발전을 위한 이온교환막으로 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 폴리에피클로로히드린(polyepichlorohydrin, PECH) 등이 개발되었으며 기존 상용화 이온교환막 대비 우수한 성능을 보고하였다[3, 4]. 다양한 원자가의 이온이 용액 내에 존재하게 되면 역전기투석 발전 성능이 떨어지는 문제가 일부 연구에서 보고되었다. 따라서 일가 이온에 대해서만 높은 선택성을 지닌 이온교환막 연구가 수행되고 있다. 또한 이온교환막 내에 무기나노물질을 첨가하여 추가적인 작용기를 형성하는 연구와 이온교환막을 대체하는 나노채널을 적용하는 연구도 함께 진행되고 있다. 유로최적화: 고분자 직조망은 역전기투석 발전에서 이온교환막 지지를 통한 유로 막힘을 방지하고 연속적인 유로 혼합을 통한 확산경계층 약화를 위해 유로 내부에 보편적으로 삽입된다. 그러나 직조된 부분에서 이온이 투과되지 못하는 음영 지역이 발생하고 높은 유로 저항을 야기하여 유체 공급을 위한 에너지 소모를 높이는 문제로 다양한 대안이 제시되고 있다. 고분자 직조망의 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 동일한 실험 조건에서 유로 내 고분자 직조망의 유무에 따른 역전기투석 발전의 성능이 평가되었고, 동일한 두께에서 고분자 직조망의 공극률 변화에 대한 연구가 수행되었다[5]. 고분자 직조망으로 인한 음영 영향을 줄이기 위한 목적으로 유로 내에 이온교환막을 패턴화하여 삽입하는 연구가 수행되었으며, 프레스 또는 주조 방법을 통해 이온교환막에 직접 유로를 전사하는 방법도 보고되었다[6]. 전극 및 전극액: 전극의 효율적 설계는 에너지변환 과정에서의 추가적 손실을 예방한다. 전극의 구성은 전극 자체를 레독스 커플로 적용하는 것과 레독스 커플 전해액을 사용하는 것으로 분류할 수 있다. Ag/AgCl 전극은 대표적인 레독스 커플 전극이다. 그러나 역전기투석 발전에 레독스 커플 전극을 사용하면 일정 시간이 지난 후 전극 표면이 변경되어 계획된 성능을 보장할 수 없다. 따라서 역전기투석 발전에서는 불용성 전극과 전극액이 사용된다. 현재 티타늄에 루테늄과 이리듐을 표면 코팅한 불용성 전극과 페로시안화 칼륨과 페리시안화 칼륨을 1:1 비율로 혼합한 전극액이 가장 보편적으로 사용되고 있다. 성능 예측 모델: 역전기투석 발전의 성능을 예측할 수 있는 모델이 개발되고 있다. 최초 성능 예측 모델은 유동 방향으로의 농도 변화만을 고려한 일차원 모델로 Veerman에 의해 개발되었다[7]. 이 연구에서는 용액의 상태량 변화와 확산경계층 영향 등은 고려하지 못하였다. 성능 예측 모델의 정확도를 높이기 위하여 농도 변화에 따른 용액의 상태량을 예측하는 모델이 도입되었다. 유로 형상에 의한 역전기투석 발전의 성능을 더 정확히 분석하기 위하여 상용 전산해석 프로그램이 도입되고 있으며, 국부적인 현상에 대한 모델 정립으로 성능 해석 모델에 대한 신뢰도의 추가적인 개선이 예상된다. 응용 사례들: 개발된 기초 기술을 통해 최근에서 원형 발전소(pilot plant)가 건설 및 운영되고 있다. 이탈리아에서는 세계 최초로 역전기투석 원형 발전소가 건설되어 성능 검증 중에 있다. 이 발전소에서는 성능 강화를 위해 해수가 아닌 주변의 고농축 브라인을 사용하고 있다. 강하구로 한정된 역전기투석 발전의 지역적 제약을 탈피하고 다양한 응용 분야로 확장하기 위해 담수화 기술 통합과 폐열 에너지 활용이 제안 및 검토되고 있다[8, 9]. 담수화를 통해 배출되는 브라인은 기존 해수와 비교하여 농도가 높아 역전기투석 발전의 출력 상승을 기대할 수 있으며 에너지 집약적 담수화 시설에서 화학적 에너지 회수 장치로 적용되어 에너지 절감에 도움을 줄 수 있다. 폐열 에너지 활용 기술은 용액 내 용질의 변화와 함께 진행되고 있다. 현재 대략 60oC에서 열분해가 가능한 암모늄바이카보네이트(NH4HCO3)가 용질로서 고려되고 있으며 기초적인 성능 평가가 진행 중에 있다. 특히, 역전기투석 발전에서 기술적 수준이 가장 높은 REDStack사에서 신규 프로젝트로 폐열 에너지 활용 기술을 개발 중이다. 3. 결론 2006년 이후로 역전기투석 발전에 대한 출간 문헌은 꾸준히 증가하고 있으며 연구에 참여하는 그룹도 점진적으로 확장되고 있다. 이로 인해, 기초 지식 검증에서 좀 더 확장된 실제 구동 환경에서 연구가 수행 중에 있다. 또한 해수와 강물이 위치하는 강하구로 제한되었던 역전기투석 발전 연구는 담수화 기술과의 통합 또는 폐열 에너지의 활용을 통해 응용 분야를 점점 확장하고 있다. 현재의 기반 기술을 바탕으로 성능 최적화, 효과적인 운전 전략, Scale-up 방법, 안티파울링, 이온교환막의 유지관리 방안 등에 대한 기술이 개발된다면, 역전기투석 발전은 미래 사회를 위한 에너지로 정착될 수 있을 것으로 기대한다. References 1. Jia, Zhijun et al. Blue energy: current technologies for sustainable power generation from water salinity gradient, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2014, 31, 91-100. 2. Hong, Jin Gi et al. Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review, Journal of Membrane Sci |
