생활 속의 에너지 – 바다와 강이 만나면 전기가 생긴다!!?

GS칼텍스 - 2013.10.30

역대 최대 규모로 개최된 2013 대구 세계 에너지 총회장은 참가국과 정부, 기업, 학계의 다양한 분야 에너지분야 최신 기술을 선보이는 자리이기도 했습니다. 생활 속 에너지 이야기, 오늘은 한국에너지기술연구원에서 연구 중인 바닷물로 전기를 생산하는 신재생에너지, 염분차 발전에 대해 전해드립니다.

OECD “환경전망 2050 보고서”는 2050년에 세계 인구가 90억으로 증가하고, 세계 경제는 약 4배, 에너지 사용량은 80% 증가할 것으로 예상하고 있습니다. 더욱이 온실가스로 인한 기후변화는 저탄소형 국가로의 전환을 요구하고 있습니다. 이러한 변화는 에너지 수입국인 우리나라 미래 경제에 커다란 불안 요소로 작용할 것입니다.

현재 세계의 공통과제는 바로 신재생에너지입니다. 신재생에너지는 화석연료 등 오염물질을 사용하거나 배출시키지 않고 무한으로 사용할 수 있는 에너지를 통칭합니다. 특히 지구온난화가 심각해지는 만큼 더욱 더 그 필요성이 대두되고 있습니다.

신재생에너지는 햇빛, 바람, 물 등 여러 자연친화적 요소를 사용하는데, 자연의 자원을 그대로 사용하는 만큼 환경에 큰 영향을 받는다는 한계도 가지고 있습니다. 하지만 새롭게 대두되고 있는 해양에너지인 염분차 발전은 날씨 등 환경의 영향을 받지 않고, 오염물질 또한 전혀 배출시키지 않는다는 장점을 가지고 있어 우리가 더욱 더 주목해야 할 신재생에너지입니다.

염분차 발전이란 무엇인가?

염분차 발전(Salinity Gradient Power)은 바닷물과 강물의 염분 농도 차이를 통해 얻어지는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 기술입니다. 따라서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소를 포함한 다른 오염물질을 배출하지 않는데요.

에너지원으로 물을 사용하여, 풍력이나 태양광 발전과 다르게 시간, 날씨 조건과 같은 환경 인자에 영향을 받지 않고 언제든지 발전이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 바닷물은 가히 무한한 자원이라 할 수 있기에 에너지원 수급에도 유리합니다.

염분차 발전 기술은 아직은 유엔(United Nation, UN)이 인정하는 해양신재생에너지로 등재되지 않아 세계 여러 국가의 정부, 회사, 연구소 등이 염분차발전 통합 네트워크 (INES, Integrated Network for Energy from Salinity gradient power)를 만들어 이를 해양신재생에너지로 등재시키려는 노력을 하고 있습니다.

우리나라에서는 한국에너지기술연구원이 이에 가입하여 유엔뿐만 아니라 우리나라가 인정하는 해양신재생에너지로의 등록을 도모하고 있습니다. 현재까지 개발된 염분차 발전 중 가장 큰 기술적 성장을 보이고 있는 방법은 압력지연삼투(Pressure-retarded osmosis) 발전, 역전기투석(Reverse electrodialysis) 발전 입니다.

압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO) 발전

압력지연삼투 발전은 기본적으로 삼투압이라는 물리적 에너지를 이용합니다. 삼투압은 바닷물과 순수한 물처럼 농도가 다른 두 용액이 멤브레인(membrane)이라고 불리는 반투과성 분리막으로 나누어져 있을 때, 농도가 낮은 부분에서 높은 부분으로 물이 이동하는 현상에 의해 발생하는 압력을 말합니다. 이 반투과성 분리막은 눈에 보이지 않을 정도의 매우 작은 구멍을 가진 유기성 필터로, 물과 같은 작은 분자의 물질만 투과를 시킬 수 있습니다.

김치를 담글 때 배추의 숨을 죽이기 위해 소금물에 배추를 절이는데, 배추를 소금물에 담그면 배추 속의 수분이 염분이 높은 소금물을 만나기 위해 밖으로 빠져 나오기 때문에 배추의 수분이 빠져나가 숨이 죽게 됩니다.

위 그림을 보시면 왼쪽과 오른쪽 부분에 농도가 낮고 높은 용액이 각각 담겨 있고 그 사이에 반투과성 분리막이 위치하고 있습니다.(a) 두 용액의 용질의 농도가 다르기에 용매가 반투과성 투과막을 통과하여 왼쪽의 낮은 농도 용액에서 높은 농도의 오른쪽으로 이동하게 됩니다(b).

이 때 용질은 반투과성 분리막을 통과하지 못하고 용매만 이동 할 수 있습니다. 시간이 흐르면 평형상태에 이르러 이론적으로 양쪽 부분의 농도가 동일하게 되는데(c), 그 때의 용액 높이의 차이를 삼투압이라 합니다.

반투과성 분리막을 통과하는 용매의 양은 오른쪽에 위치한 높은 농도 부분의 초기 용질의 양에 비례하는데, 삼투압의 크기도 이에 비례합니다. 일례로 순수한 물과 바닷물을 이용하여 삼투압이 발생했을 때 약 26 atm(대기압의 약 26배)의 삼투압이 발생합니다.

이 원리를 이용한 압력지연삼투 발전은 담수가 발전기 내부로 유입될 때, 80-90%의 물이 삼투압에 의해 분리막의 반대편(해수가 흐르는 부분)으로 넘어가는데, 이 현상으로 높아진 해수의 압력과 체적 유량으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것입니다.

압력지연삼투 발전은 1973년 미국의 시드니 롭(Sidney Loeb) 교수에 의해 그 원리가 처음 발표된 후, 1990년대 말 이후부터 노르웨이의 국영전력회사인 스탯크래프트(Statkraft)사가 상용화를 위한 개발을 시작하였습니다.

2003년, 스탯크래프트사는 세계 최초로 압력지연삼투 발전의 시험 공장을 건설하였고, 2011년에는 4 kW급 발전플랜트 건설에 성공하였습니다. 이러한 경험을 바탕으로 2020년에 25 MW급의 발전소 완공을 목표로 연구를 진행하고 있습니다. 현재 우리나라에는 한국에너지기술연구원, 광주과학기술원 등에서 실험실 규모로 연구를 진행하고 있습니다.

역전기투석(Reverse electrodialysis, RED) 발전

위에서 설명한 압력지연삼투 발전은 삼투압에 의해 발생된 에너지를 전기로 전환할 때 터빈이라는 공정이 꼭 필요 하지만, 역전기투석 발전을 이용하면 터빈을 생략하고 직접적으로 전기를 생산 할 수 있습니다.

역전기투석 발전은 전기를 이용해 용액상의 이온을 제거하는 전기투석의 원리를 역으로 이용하여 전기를 생산합니다. 위 그림에서 보면 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)과 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)이 병렬로 배치된 구조를 통해 해수와 담수를 통과시킬 때, 양이온교환막 쪽으로 해수에 포함된 나트륨이온(Na+)이 통과하고, 이와 반대로 음이온교환막 쪽으로는 염소이온(Cl-)이 통과하게 됩니다.

이때 각 이온교환막 사이에 전압이 생성되며, 산화전극과 환원전극에서 산화-환원 작용을 통하여 전자의 흐름(Electron current)이 형성되어 전기가 발생하게 됩니다. 역전기투석 발전은 네덜란드 급수기술연구기관인 웻수스(Wetsus)의 자회사인 레드스택(Redstack)사가 가장 많은 연구들을 해오고 있습니다.

레드스택 사는 앞으로 2016년까지 50 kW급의 설비를 개발하고, 2018년까지 1 MW급 실험 공장을 건설할 계획을 갖고 있습니다. 또한 2018년 이후 부터는 200 MW급의 역전기투석 발전소를 건설하여 상용화하는 계획을 발표한 바 있습니다.

위의 염분차 발전기술은 아직까지 기술 개발 초기 단계로, 앞으로 다양한 연구를 통해 기술의 혁신적 진보가 필요한 상황입니다. 현재 우리나라에는 한국에너지기술연구원, 홍익대학교, 아주대학교 등에서 전력량 및 운전 효율을 높이는 연구들을 시행하고 있습니다.

염분차 발전 기술은 신재생에너지 분야 무궁한 가능성을 가지고 있는 기술로써, 현재 한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터에서 많은 연구자들이 가까운 미래에 염분차 발전소가 가동되는 모습을 기대하며 기술개발을 위하여 노력하고 있습니다.