터빈 필요없는 역전기투석… 500W급 염분차 스택발전
20㎾급 파일럿 플랜트기술… 2020년까지 개발 끝내기로
미생물로 폐수처리도 박차
20㎾급 파일럿 플랜트기술… 2020년까지 개발 끝내기로
미생물로 폐수처리도 박차
에너지기술연 제공
제주에너지기술연구센터 가다
제주 구좌읍 김녕리에 위치한 한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터. 센터 내 해양융복합연구실에 들어서자 해수와 담수의 염분 차이를 이용해 전기를 생산하는 '해양 염분차 발전' 실험이 한창이었다. 해양 염분차 발전은 풍력, 태양광 발전과 달리 시간이나 날씨 같은 환경 조건에 영향을 받지 않으면서 무한한 자원인 바닷물을 이용해 언제든 전기를 생산할 수 있다. 발전 과정에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 포함한 다른 오염물질을 배출하지 않아 친환경적이란 장점도 있다. 2011년 완공된 제주글로벌연구센터는 제주의 해양환경자원을 활용한 신재생에너지 기술 개발과 실증연구의 거점으로 주목받고 있다.
◇바닷물과 민물의 염분차로 전기 생산=에너지기술연은 대표적인 염분차 발전 방식인 '역전기투석 방식'과 '압력지연삼투 방식'의 핵심 기술을 확보하고, 후속 연구에 박차를 가하고 있다.
실험실에는 '역전기투석 방식' 실험장치가 놓여 있었다. 이 장치는 스택 내 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산한다.
커다란 두 개 통에 담겨 있던 해수와 담수는 전원 스위치를 켜자, 통에 연결된 여러 개의 유로관을 통해 쏟아져 나와 검은색의 스택을 통과했다. 몇 초 지났을까. 스택 옆에 있던 가로등에 불이 들어와 실험실 안을 환하게 밝혔다. 염분차 발전 시스템이 정상적으로 전기를 생산했음을 보여준 것이다.
양이온교환막과 음이온교환막을 번갈아 배치한 스택에 해수와 담수가 통과하면 해수에 포함된 나트륨이나 칼륨 등의 양이온은 양이온교환막으로, 염소나 질산염 등의 음이온은 음이온교환막으로 통과하게 된다. 이러한 이온 분리·이동에 의해 이온의 전위차가 생겨 양쪽에 설치된 전극에서 산화와 환원 반응이 일어나 전기를 만들어내는 것이다.
김찬수 박사는 "역전기투석 발전은 압력지연삼투 발전과 달리 터빈이 필요 없다"며 "500W급 염분차 발전 스택을 발전시켜 2020년까지 20㎾급 파일럿 플랜트와 핵심기술을 개발할 계획"이라고 말했다.
◇미생물로 폐수처리하고 에너지도 얻어=옆 실험실에서는 미생물을 이용해 폐수에서 전기를 생산하는 생물전기화학기술의 하나인 '해수 전처리용 미생물 전기분해셀 기술' 실험이 진행되고 있었다. 이 기술을 이용하면 해수에서 수소 가스를 얻고, 동시에 해수에 포함된 칼슘, 마그네슘 같은 성분을 회수해 자원화할 수 있다. 해수에는 용해성 염류나 미생물, 조류 등이 들어있어 지하수나 지표수에 비해 분리막 오염 발생 가능성이 높다. 이 때문에 해수에 포함된 막 오염 성분을 제거할 수 있는 전처리 공정이 필수적이다.
실험실에서 진행하는 미생물 전기분해셀의 작동원리는 이렇다. 산화전극부에 붙어 있는 폐수 속의 미생물은 다양한 유기오염물질을 처리하며 전자를 생성한다. 생성된 전자는 산화전극부로 전달되면서 전기를 발생시키고, 약간의 전기를 추가로 가해주면 환원전극부에서 수소를 생성한다.
남주연 박사는 "해수 내 칼슘, 마그네슘은 고농도로 농축이 되거나, 알칼리 상태에서 고형물을 형성해 유로를 좁히거나 막을 오염시켜 염분차 발전의 경제성과 효율성을 떨어뜨린다"면서 "미생물전기분해셀 기술은 수소 생산과 동시에 해수 내 유기 오염물질을 제거하고 자원화할 수 있는 우리만의 저에너지 소비형 해수 전처리 기술"이라고 설명했다.
에너지기술연은 미생물 전기분해셀 기술이 해수 전처리 분야의 새로운 공정으로 자리매김하도록 성능검증을 계속 하는 동시에 해수로 인한 부식방지 소재와 백금 대체 촉매도 개발할 계획이다.
김녕(제주)=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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