짭짤한 바다서 건진 짜릿한 '전기'
바닷물 - 강물 염분차 삼투압으로 전력생산
대용량화 위한 전처리·핵심소재 개발 관건
바닷물 - 강물 염분차 삼투압으로 전력생산
대용량화 위한 전처리·핵심소재 개발 관건
![[알아봅시다] 해양 염분차 발전기술](http://contents.dt.co.kr/images/201508/2015082502101876731001[1].jpg "[알아봅시다] 해양 염분차 발전기술")
석탄과 석유 등 화석연료 고갈과 환경오염을 대비해 친환경 신재생에너지 개발에 대한 관심이 지속되고 있습니다. 최근까지 활발하게 개발되고 있는 신재생에너지는 풍력, 수력, 태양광·태양열, 지열, 바이오매스 등 주로 육지를 기반으로 하고 있습니다.
하지만 육상 기반의 신재생에너지는 지형적 한계가 있고, 우리나라처럼 국토 면적이 작고 인구밀도가 높은 국가에서는 효용성이 떨어지는 한계가 있습니다. 이에 따라 지구 표면의 대부분을 차지하고 있는 바다를 활용한 해양 기반의 신재생에너지 개발이 새롭게 주목받고 있습니다. 파력, 조력, 조류, 온도차, 염분차 등이 여기에 해당합니다. 이 가운데 염분차를 에너지원으로 활용해 전기를 생산하는 '해양 염분차 발전 기술'에 대해 살펴보겠습니다.
◇무한·청정한 미래 에너지원=염분차 발전은 말 그대로 바닷물과 강물의 염분 농도 차이를 통해 얻어지는 에너지를 이용해 전기를 생산하는 기술입니다. 무한하고 청정한 바닷물을 이용하기 때문에 발전 과정에서 지구온난화의 원인으로 지목되는 이산화탄소를 비롯해 방사성물질, 오염 폐수 등을 전혀 발생시키지 않아 '친환경 미래 블루 에너지기술'로 각광받고 있습니다.
뿐만 아니라 시간이나 날씨 조건 등과 같은 환경적 요인에 영향을 받지 않고 언제든 발전이 가능하다는 점도 염분차 발전 기술의 장점인데요. 무엇보다 삼면이 바다인 우리나라 실정에 매우 적합한 미래 신재생에너지 발전 방식으로 평가받고 있습니다.
◇머지않아 해양 신재생에너지로 등재=염분차 발전 기술은 아직 유엔(UN)이 인정하는 해양 신재생에너지로 등재돼 있지 않아 세계 여러 국가의 지방 정부, 기업, 연구소, 대학 등이 '염분차 발전 통합 네트워크(INES)'를 구성해 해양 신재생에너지로 등재시키기 위한 노력을 기울이고 있습니다. 우리나라에서는 한국에너지기술연구원이 INES에 가입해 활동하고 있습니다.
현재까지 개발된 염분차 발전 기술에는 압력지연삼투 발전, 역전기투석 발전, 증기압축 발전, 혼합수력 발전, 혼합축전식 발전 등이 있습니다. 이 가운데 압력지연삼투 발전과 역전기투석 발전 기술이 가장 많은 진보를 이뤄가고 있습니다.
◇삼투압 이용한 염분차 발전=압력지연삼투 발전은 기본적으로 '삼투압'이라는 물리적 에너지를 이용합니다. 삼투압은 농도가 다른 두 용액(순수한 물과 소금물)이 멤브레인으로 불리는 반투과성 분리막으로 나눠져 있을 때, 용질(소금)의 농도가 낮은 부분에서 높은 부분으로 용매(물)가 이동하는 현상에 의해 발생하는 압력을 뜻합니다. 반투과성 분리막은 눈에 보이지 않을 정도로 매우 작은 구멍을 가진 유기성 필터로, 물과 같은 작은 분자의 물질만 투과합니다.
실제로, 순수한 물과 바닷물을 이용해 삼투압이 발생시키면 26atm(대기압의 약 26배)의 삼투압이 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 원리를 이용해 담수가 발전기 내부로 유입될 때 80∼90%의 물이 삼투압에 의해 분리막의 반대편으로 넘어가면서 높아진 해수의 압력과 체적 유량으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이 압력지연삼투 발전 기술입니다.
1973년 미국의 시드니 롭 교수가 압력지연삼투 발전의 원리를 처음으로 발표한 이후 1990년대 말 노르웨이 국영전력회사인 '스탯크래프트사'가 상용화 개발에 들어가 세계 최초로 압력지연삼투 발전의 시험 공장을 건설했고, 2011년에는 4㎾급 발전 플랜트를 구축했습니다.
◇역전기투석 발전=역전기투석 발전은 삼투압에 의해 발생한 에너지를 전기로 전환할 때 터빈을 이용하는 압력지연삼투 발전과 달리 터빈 없이 직접 전기를 생산할 수 있습니다. 즉, 전기를 이용해 용액 상의 이온을 제거하는 '전기투석의 원리'를 역으로 활용해 전기를 생산하는 방식으로, 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산합니다.
네덜란드 급수기술연구기관인 ？수스(Wetsus)의 자회사인 레드스택사가 가장 활발한 연구를 해 오고 있습니다. 레드스택사는 내년까지 50㎾급 설비를 개발하고 2018년까지 1㎿급 실험 공장을 건설할 계획입니다. 2018년 이후부터는 200㎿급의 역전기투석 발전소를 완공해 상용화할 방침입니다.
◇전처리·핵심 소재 개발돼야=염분차 발전의 최근 개발 이슈는 대용량화에 초점이 맞춰져 있으며, 대용량화를 위해 필요한 여러 인프라(전처리, 핵심 소재)에 대한 연구개발이 진행되고 있습니다. 하지만 장기 운전과 막 오염 현상을 명확히 규정하지 못해 이를 제어하기 위한 유지관리 기술을 확립하지 못하고 있으며, 핵심 소재인 전극과 이온교환막의 저가화·대면적화·고성능화를 통한 염분차 발전 스택(Stack)의 최적화 기술도 요구되고 있습니다.
우리나라에서는 한국에너지기술연구원이 주도적으로 염분차 발전 기술 확립에 나서고 있습니다. 에너지기술연은 ㎾급 스택과 모듈화 기술, 분리막(이온교환막, 삼투막) 원천기술 개발 및 고성능화, 염분차 발전을 위한 핵심 인프라 확보 등에 주력하고 있습니다. 이를 통해 내년까지 2㎾급 시스템과 핵심 기술을 확보해 선진국과의 기술 격차를 줄여나갈 예정입니다. 2020년까지는 20㎾급 파일럿 플랜트 개발을 통해 염분차 발전 대용량화를 위한 대응 기술과 독자 비즈니스 모델 구축을 위한 연구개발에 힘쓰고 있습니다.
대전=이준기기자 bongchu@
자료제공=한국에너지기술연구원
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