【신기술 1】 염분차 발전 성능 높이는 고효율 스택구조

편집부 기자
입력 2021.10.01 00:00

염분차 발전 성능 높이는 고효율 스택구조

최소한의 물만 사용, 부지 면적 및 전처리 부담도 줄어

해양 염분차 발전은 해수와 담수 사이의 염 농도 차이를 이용해 전기에너지를 생산하는 발전방식이다. 염분차 발전은 전 세계적으로 2.6 TW의 발전 잠재량을 가진 친환경적이고 안전한 에너지원이다. 우선, 화석연료를 사용하지 않을뿐더러, 발전 과정에서 배출되는 오염물질도 없다. 뿐만 아니라, 풍력이나 태양광 등과 같은 변동성 에너지원과 달리 시간과 날씨의 영향도 받지 않는다. 따라서 기존 재생에너지의 낮은 이용률이나 부하변동 문제의 해결에도 효과적일 것으로 평가되고 있다.

정리 강창대 기자 자료 한국에너지기술연구원

해양 염분차 발전의 대표적인 기술에는 역전기투석 방식이 있다. 이 기술은 해수에 포함된 이온이 이온교환막을 통해 이동하면서 얻어지는 에너지를 전기로 전환하는 방식이다. 9월 30일, 한국에너지기술연구원(에너지연) 해양융복합연구팀 남주연 박사 연구진은 역전기투석 염분차 발전의 성능을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다고 밝혔다.¹⁾

역전기투석(RED: Reverse Electrodialysis) 방식의 스택은 전극, 이온교환막, 가스켓, 스페이서로 구성되고 두 전극 사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 교차로 적층된다. 두 이온교환막 사이는 가스켓으로 구분하고 스페이서를 통해 유체가 흐를 수 있는 공간을 만들어 준다. 이온교환막 사이에 고농도 용액과 저농도 용액을 교차로 흘려주면 이온 농도의 차이에 의해 전위차가 형성된다. 그리고 이에 의해 양쪽에 위치한 전극의 표면에서 전기화학 반응을 통해 전자가 생성되면서 전기가 발생한다.

역전기투석 기술은 물만 있으면 탄소 배출 없이 전기를 생산할 수 있는 큰 장점이 있지만 상용화까지 아직 해결해야 할 과제가 남아있다. 대표적으로 농도분극현상(concentration polarization)과 유입수의 전처리 문제로 인한 에너지 손실과 비용 상승이다. 농도분극 현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상으로 이온의 이동을 감소시켜 발전 효율을 떨어뜨린다. 이를 해소하기 위해서는 유량을 빠르게 공급해줘야 하며, 이를 위해 많은 양의 물을 투입해야 한다. 또한, 물을 투입하기 전에 고형물과 부유물을 제거하기 위한 전처리 공정도 필요하다. 이러한 공정은 비용을 높이는 원인이 된다. 이러한 문제는 주로 평행흐름(parallel flow) 방식의 스택구조에서 비롯된다. 평행흐름은 적층된 이온교환막 사이로 염수와 담수가 동시에 유입되는 방식이다.

연구진은 이번 연구를 통해 캐스케이드(cascade)형 역전기투석 스택을 개발했다. 이 스택은 단일 스택 내부를 여러 단계로 구분해 전 단계에서 사용한 물을 다음 단계에서 사용하도록 재순환시켜 유입수의 이용률을 높였고, 이로 인해 농도분극 현상은 현격히 줄이면서 높은 수준으로 에너지효율이 유지되도록 했다.

에너지연의 발표에 따르면, 캐스케이드 스택의 경우 기존 방식의 스택보다 순전력(Net power)이 20% 향상됐다. 더불어 스택 내부에서 유입수의 이동거리(체류시간)가 길어졌고, 이로 인해 누설전류(Leakage current)의 경로가 차단돼 더 많은 전류가 생성되는 것을 확인했다고 한다. 뿐만 아니라, 4단 스택을 이용해 최대 전력 생산을 위해 필요한 유입수의 부피를 1/4로 저감할 수 있었으며, 기존 스택 대비 에너지밀도는 최대 480%, 효율은 최대 420% 향상됐다고 한다.

캐스케이드(cascade)형 역전기투석 스택 개념도. 염수와 담수가 평행흐름 형태로 유입되는 구조인 평행흐름(parallel flow) 방식의 스택⒜과 단일스택을 여러 스테이지로 구분하고 이전 스테이지의 염수와 담수 유출수가 다음 스테이지로 유입되는 구조의 캐스케이드 스택⒝. (자료: KIER)

실험 및 실증 데이터. 캐스케이드 스택의 경우 기존 스택 대비 에너지 밀도 및 효율을 크게 향상 시킬 수 있는 것으로 확인됐다.(자료: KIER)

효율·경제성 높이는 전극소재

한편, 에너지연은 작년 3월에 해양융복합연구팀 정남조 박사가 염분차발전의 효율과 경제성 향상에 기여할 수 있도록 전극 집전체 표면에 이황화몰리브덴 박막을 직접 합성할 수 있는 전극소재 합성 기술을 개발했다고 발표한 바 있다.²⁾ 이황화몰리브덴은 몰리브데늄과 황이 결합해 이루어진 물질로서 층상구조를 가지기 때문에 박막형태로 얻기 쉬우며 단일막 두께가 100억분의 6.5 m 정도의 초박막이며, 반도체 특성을 가지고 있다.

역전기투석 기술에서 전극촉매는 전기화학 반응을 발생시켜 시스템의 전자 이동을 유도함으로써 전기를 생성하는 역할을 한다. 문제는 전극촉매에 고가의 백금 소재가 사용되고 있다는 점이다. 역전기투석 기술의 경제성 확보를 위해 저렴하면서도 대면적 합성이 가능한 기술의 개발이 요구돼 왔다.

정남조 박사의 연구진은 전극촉매의 전기화학 반응 활성을 돕는 집전체의 성분(금속 및 탄소)과 구조(1차원, 2차원, 3차원)에 상관없이 주 촉매반응 부위가 표면에 많이 분포되어 고활성이면서 가격도 저렴한 이황화몰리브덴 박막을 집전체에 직접 합성하는 기술 개발을 시도했다.

기존 합성방식은 집전체의 구조가 복잡하고 대면적일수록 전극촉매의 합성 불균일성이 두드러지게 발생한다. 이는 반응 활성의 불균일성으로 이어져 성능감소나 소재의 장기 불안정성, 전구체 손실 등을 초래한다. 이에 연구진은 합성을 위해 공급된 전구체가 반응기 내에서 공급량에 따라 자가 기화압에 의해 집전체 구조와 상관없이 모든 표면에 균일한 농도로 분포될 수 있는 합성 장치를 구현했다. 이로써 사용된 전구체의 손실을 최소화하면서 매우 균일한 농도로 합성할 수 있고 높은 수준의 전극 성능을 얻을 수 있었다.

세공충진 이온교환막 내 이온 전달 원리 및 전도성 이동 거리를 고려한 이온 전달 해석 결과 (자료: KIER)

전도성 이동 거리 적용 전(점선)과 후(심볼)의 비교 결과 (자료: KIER)

이온교환막의 이온 전달 원리

또 한편, 에너지연은 2019년 9월 역전기투석 방식의 이온 전달 원리를 수학적 해석 모델 개발로 규명했다고 발표하기도 했다.

앞서 살펴본 것처럼, 염분차발전 기술인 역전기투석 기술은 해수 내에 포함된 이온이 이온교환막을 통해 이동하면서 얻어지는 에너지를 전기로 전환하는 방식이다. 최근 전기적 저항이 낮고 선택도가 높은 세공충진형 이온교환막 등이 개발되고 있으나, 기존의 수학적 해석 모델로는 다양한 이온교환막의 이온 전달 원리를 규명할 수 없어 정확한 성능을 분석하기 어려웠다고 한다.

에너지연의 제주글로벌연구센터 김한기 박사 연구진은 ‘전도성 이동 거리’(conductive Traveling Length, CTL)로 명명한 개념을 기존의 수학적 해석 모델에 도입해 이온교환막 내의 이온 전달 원리를 정확하게 규명하는데 성공했다.³⁾

전도성 이동 거리란 세공충진형 이온교환막 내 친수성 나노 기공을 통한 이온의 이동 거리를 의미한다. 이를 통해 이온교환막 내 나노 기공의 비율과 전기 전도도를 계산하고 기존의 모델에 적용하면 다양한 이온교환막의 특성에 따른 이온 전달 해석 결과와 역전기투석의 성능 예측 정확도를 높일 수 있다.

또, 연구진이 개발한 수학적 해석 모델은 세공충진 방식을 포함한 다양한 이온교환막에 범용적으로 적용할 수 있어 기술 상용화에도 크게 기여할 수 있다. 논문의 주저자인 한국에너지기술연구원 김한기 선임연구원은 “이번 해석 모델링 개발을 바탕으로 상용화 수준의 역전기투석 장치의 설계 및 성능 예측이 가능해 기술 개발을 가속할 수 있을 것으로 예상된다”며, “향후 이온교환막 및 스택 등의 소재·부품 국산화 기술 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

에너지연 제주글로벌연구센터는 세공충진형 이온교환막 국산화를 완료하고 이를 통해 역전기투석 장치 개발에도 성공한 바 있다. 연구진은 현재 ‘전기충전 인프라 구축용 염분차발전 원천기술 개발’연구를 수행하는 등 해양 염분차발전 상용화를 위한 연구를 선도하고 있다.

1) 한국에너지기술연구원의 기본사업과 국토교통부의 국토교통기술촉진연구사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 수자원 분야 권위지인 〈워터 리서치〉(Water Research) 7월 온라인 판에 게재됐다. 논문의 제목은 “Enhanced energy recovery using a cascaded reverse electrodialysis stack for salinity gradient power generation”이다.

2) 이 연구의 결과는 표면과학 분야의 권위지인 〈어플라이드 서피스 사이언스〉(Applied Surface Science) 2020년 2월 28일자에 게재됐다. 논문의 제목은 “Thickness-modulated and interface-engineered MoS2-TiO2 heterostructures as a highly active and inexpensive cathode for reverse electrodialysis”이다.

3) 이 연구는 수자원분야의 권위지인 〈워터리서치〉(Water Research) 온라인판 2019년 8월 10일자에 게재됐다. 논문의 제목은 “Nernst?Planck analysis of reverse-electrodialysis with the thin-composite pore-filling membranes and its upscaling potential”이다.