'짠' 바닷물에서 신재생에너지가 철철~ (동아사이언스 2013년 09월 15일 18:00)

'짠' 바닷물에서 신재생에너지가 철철~

에너지기술연구원 제주글로벌연구센터 가보니

 

 

에너지기술연구원 제주글로벌연구센터 가보니

한국에너지기술연구원의 해수염분차발전장치. 해수와 담수 사이에 반투과성막 '멤브레인'을 설치하면 농도차에 의해 담수가 해수쪽으로 끌려들어가 대기압의 26배인 삼투압이 발생한다

 

 

 

한국에너지기술연구원의 해수염분차발전장치. 해수와 담수 사이에 반투과성막 '멤브레인'을 설치하면 농도차에 의해 담수가 해수쪽으로 끌려들어가 대기압의 26배인 삼투압이 발생한다. - (주)동아사이언스 제공

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

가로 세로 10cm 정도의 작은 '셀'에 연결된 전구가 빛나고 있다. 바닷물과 담수의 염도차를 이용해 전력을 얻는 '역전기투석'(RED) 방식 해양염분차발전을 하고 있는 셀이다.

 

  해양 기반의 신재생에너지인 파력·조력·조류·해양온도차·해양염분차 중 총 2.6TW(테라와트·1테라와트는 1와트의 1조 배)로 가장 잠재량이 많다고 평가되는 해양염분차를 이용한 발전 연구 현황을 알아보러 12일 한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터에 방문했다.

 

  제주글로벌연구센터 양현경 연구원은 "해양염분차 발전의 역전기투석 방식에 활용되는 멤브레인은 현재 m²당 소매가가 100만 원 수준"이라며 "이 가격이 5000원 정도로 떨어지고 출력은 2W이상으로 올라야 경제성이 확보될 수 있다"고 설명했다. 

 

  '멤브레인'은 짠 바닷물과 담수의 염도차를 압력차로 바꾸어주는 장치로 해양염분차발전을 위한 핵심 기술 요소다. 

 

  멤브레인은 용매만 통과시키는 '반투과성막'을 가리킨다. 물에 녹아있는 '용질'은 둔 채 물만 선택적으로 통과시키면 반투과성을 가진다고 말한다. 삶의 달걀의 흰자 주변을 둘러싸고 있는 얇은 껍질도 바로 반투과성막이다.

 

  "그동안 해양염분차발전은 '압력지연삼투'(PRO) 방식을 이용했습니다. 하지만 이 방식은 터빈이 반드시 필요해 번거롭습니다. 그래서 2010년부터는 터빈을 없애는 신개념 발전 방식인 RED가 등장한 것입니다."

 

  압력지연삼투는 일반 반투과성막을 재료로 발전하는 방식이다. 바닷물과 담수 사이에 이 막을 두면 담수의 80~90%는 바닷물 쪽으로 이동한다. 이 때 이동해 높아진 수위가 바로 '삼투압'으로 대기압의 26배에 이르는 압력이다. PRO 방식에서는 이 압력으로 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

 

  반면 터빈이 없는 RED 방식에서는 멤브레인으로 특정 이온만 선택적으로 통과시키는 반투과성막을 이용한다. 양 연구원이 보여준 RED 방식의 셀 안에는 양이온만 통과시키는 '양이온교환막'과 음이온만 통과시키는 '음이온교환막'이 쌍을 이뤄 설치돼 있다.

 

  바닷물의 짠맛 성분인 염화나트륨(NaCl) 중 양이온인 나트륨이온(Na⁺)은 양이온교환막을 통과하고 음이온인 염화이온(Cl^-)는 음이온교환막을 통과해 이온이 양쪽으로 분리된다. 그 결과 나트륨이온이 쏠린 쪽은 (+)를, 염화이온이 쏠린 쪽은 (-)를 띠며 전압이 생긴다.

 

 

한 셀 안에는 양이온교환막과 음이온교환막, 산화-환원전극이 설치돼 해수의 염화나트륨(NaCl)을 분리해 전압을 얻고 전자의 흐름으로 전류를 얻어 최종적으로 전력을 생산하게 된다. - (주)동아사이언스 제공

 

 

 이렇게 멤브레인이 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 이유는 바로 작용기 때문이다. 고분자화합물인 멤브레인에 '-SO3^-', '-COO^-' 같은 음전하 작용기가 붙어있으면 양이온교환막이, '-NH3⁺', '-NRH2⁺' 같은 양전하 작용기가 붙어있으면 음이온교환막이 된다.

   이온교환막 주위에는 '산화-환원 전극'을 단다. 산화전극에서는 전자가 생기고, 환원전극에서는 전자가 흡수되며 전자의 흐름이 생겨 전류가 발생한다. 이 전류와 교환막 사이에 발생한 전압을 곱한 값이 바로 전력이다.

   양 연구원은 "이 셀을 효율적으로 쌓으면 단순히 한 셀에서 나오는 전력보다 더 많은 전력이 생산되기도 한다"면서 "셀을 쌓는 방법도 활발히 연구 중"이라고 말했다.

   이온교환막을 이용해 해수를 담수화하기도 한다. 한국에너지기술연구원 김동국 연구팀은 세계 최초로 '흐름전극' 기반 해수담수화 기술 'FCDi'를 개발했는데, 여기에도 이온교환막이 사용됐다. FCDi는 움직이는 전극인 흐름전극 두 개에 해수가 지나가면서 담수화되는 기술. 해수의 나트륨이온은 양이온교환막을, 염화이온은 음이온교환막을 통과해 결국 해수의 짠맛이 없어지는 원리다.

   한국에너지기술연구원 양승철 연구원은 "FCDi의 멤브레인에서 해수의 이온을 분리하면 에너지가 발생해 전력을 저장할 수 있다"며 "저에너지소비형 해수담수화 원천기술"이라고 설명했다