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1. 서론

20세기 중·후반 많은 전문가들은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료의 고갈과 화석 연료의 연소로부터 배출되는 부산물로부터 야기되는 기후 변화와 환경 오염으로 인해 21세기는 원자력 및 신재생에너지의 시대가 될 것으로 전망하였다. 그러나 2011년 동일본 대지진으로부터 발생한 거대 쓰나미가 후쿠시마 원전 사고를 초래함으로써 많은 국가들이 탈원전으로 정책을 전환하여 원자력에너지의 성장이 둔화되었고, 태양광 및 풍력을 중심으로 한 신재생에너지 기술은 다른 에너지원과 비교하여 빠르게 성장하고 있지만 여전히 기술적으로 극복해야 할 많은 제약이 있다. 미국 EIA의 2017년도 에너지 전망 보고서에 따르면 그림1과 같이 2012년도 세계 전력 생산의 67%는 석탄, 석유, 천연 가스와 같은 화석 연료로부터 얻어지고 있으며, 2040년에도 화석 연료의 의존도는 여전히 50% 이상을 차지할 것으로 예상하고 있다 [1]. 이와 같은 예측을 뒤집기 위해서는 현 신재생에너지 기술의 파괴적 혁신 또는 게임 체인저로서 역할이 가능한 있는 높은 잠재력을 지닌 새로운 신재생에너지 기술 개발이 필요하다.

그림 1. IEA의 국제에너지전망 보고서의 2012년 전세계 에너지 생산에서 화석 연료, 원자력 에너지, 신재생에너지가 차지하는 비율 및 및 2040년도 전망

지표면의 70%를 차지하는 해양으로부터 생산되는 에너지원은 대략 16,000 TWh/year의 매우 높은 잠재적 에너지량을 가지는 것으로 추산된다 [2]. 국제에너지기구에 따르면 이용 가능한 해양에너지원에는 크게 조력 에너지, 파력 에너지, 온도차 에너지, 농도차 에너지가 있으며, 이들의 잠재적 에너지량은 표 1과 같다. 해양에너지는 높은 잠재력에도 불구하고, 국제에너지기구의 2016년 신재생에너지 시장 보고서에서 따르면 해양 에너지로부터 생성되는 에너지량은 2014년 기준 530 MW로 태양광 용량 (180,000 MW) 대비 매우 낮은 수준에 머물러 있으며, 2021년에도 현 수준 대비 640 MW로 20% 상승이 예상되지만 신재생에너지로부터 생산되는 에너지량 대비 미비한 수준으로 전망된다. 이와 같은 낮은 성장률을 극복하기 위해서는 적극적인 연구를 통해 기술 개발을 가속화하는 것이 필요하다.

표 1. 해양에너지원별 잠재적 에너지량

본 코센 보고서에서는 해양에너지원 중 강물이 해수로 유입되는 강하구 유역으로부터 추출될수 있는 농도차 에너지에 대해 다룬다. 농도차 발전에 대한 개념은 1954년 Pattle [3]에 의해 제안되었지만, 많은 기술적 한계로 인해 크게 주목을 받지 못하였다. 그러나 2000년대 들어 점점 심화되는 물 부족 문제를 해결하기 위한 기술로 해수를 담수화하는 방법에 대한 관심이 증가함으로 인해 기존 증류식 담수화 방법 대비 에너지 효율이 우수한 막 기반의 역삼투 (reverse osmosis, RO), 정삼투 (forward osmosis, FO), 전기투석 (electrodialysis)와 같은 방법이 제안되었고, 막 기반의 담수화 기술의 발전으로 인해 농도차 에너지에 대한 관심도 점차 증가하였다. 본 보고서의 2장에서는 농도차 에너지가 가진 이론적 잠재량과 경제성을 고려한 유용한 실제 잠재량에 대해 설명하였고, 3장에서는 현 시점에서 농도차 에너지를 회수하는 다양한 방법을 다루었으며, 4장에서는 보고서의 간략한 용약 및 현 시점에서 필요한 기술에 대해 언급하였다. 현재 원형 (prototype) 발전소를 통해 기술을 검증하는 단계에 있는 농도차 에너지가 향후 실용화되어 세계 전기 생산량의 일정 부분을 담당할 것을 기대하며 관련 내용을 기술한다.





2. 잠재적 및 유용한 농도차 에너지량



강하구의 농도차 에너지가 가지는 잠재적 에너지량에 대한 추산은 1970년도 이후로 몇몇 문헌에서 추산되었다. 표 2는 문헌에서 추산된 농도차 에너지가 가지는 잠재적 에너지량이다.

표 2. 각 문헌으로부터 추산된 농도차 에너지의 잠재적 에너지량

농도차 에너지의 잠재적 에너지량은 아래와 같이 해수, 강물, 혼합용액의 깁스자유에너(Gibbs free energy)를 이용하여 표현된다. 여기서 깁스에너지는 용액의 온도, 농도, 부피 등에 대한 함수로 계산할 수 있다. 상기 식을 이용하여 Alvarez-Silva et al. [7]에서는 921개의 세계 강하구 유역에 대한 월별 자료를 기반으로 잠재적 에너지량을 평가하였고, 3월부터 10월 사이에 대략 1063-1328 GW (평균 1183 GW)를 가짐을 추산하였다. 계산된 에너지량은 전세계의 71% 정도의 강하구 유역을 대산으로 추산된 결과이기 때문에 100%로 확대하면 1621 GW로 계산된다. 계산된 농도차 에너지의 잠재적 에너지량으로부터 환경과 지역적인 조건을 반영하여 실질적으로 추출할 수 있는 농도차 에너지량을 도출하였고, 현 시점의 전체 에너지 생산량의 3% (625TWh/a)가 농도차 에너지에 의해서 대체될 수 있다고 보고하였다. 표3은 전 세계 몇몇 주요강의 잠재적 농도차 에너지량 및 추출가능한 에너지량를 정리하였다.

표 3. 전 세계 주요강으로부터 추산된 잠재적 및 추출가능한 에너지량 [7]





3. 농도차 에너지의 회수 기술



농도차 에너지를 회수하는 기술로는 크게 압력지연삼투 (pressure retarded osmosis, PRO), 역전기투석 (reverse electrodialysis, RED), 축전식 혼합(capacitive mixing, CAPMIX)이 연구되고 있다. 표 4에서는 주요 농도차 기술에 대한 기술적 특성을 정리하였다.

표 4. 농도차 에너지의 잠재적 에너지량 [8]



3.1. 압력지연삼투

농도차로부터 유용한 일을 얻기 위해 삼투압 차이를 이용하는 압력지연삼투에 대한 개념은 1975년에 처음으로 제안되었다. 그림 2는 압력지연삼투의 기본적 개념도이다.

그림 2. 압력지연삼투 발전 개념도

고농도 용액과 저농도 용액은 반투과막 (semipermeable membrane)을 사이에 두고 분리되며, 화학적 에너지 차이로 인하여, 물이 저농도 용액으로부터 고농도 용액으로 이동한다. 고농도 용액에서는 물의 이동으로 인해 부피가 확장하며 운동에너지가 생성이 되고, 수력터빈으로부터 감압 과정을 통해 전기에너지가 생성이 된다. 따라서, 압력지연삼투 발전은 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된 후, 전기에너지를 생성하는 총 3단계로 구성된다.

압력지연삼투를 기반으로 한 원형 발전소 (pilotplant)는 노르웨이의 Tofle에 10 kW의 에너지 생성을 목적으로 세계 최초로 건설되었다. Statkraft에서는 해수와 강물을 이용하는 압력지연삼투 발전이 상업적으로 경쟁력을 가지기 위해서는 출력 밀도가 4-5 W/m² 수준이 되어야 하는 것으로 보고하였으며, 2011년도에 NittoDenko/Hydranautics에서 개발한 반투과막 사용 시 5 W/m²이상의 출력 밀도를 달성하였다. 요소 기술과 운전 조건의 최적화 노력과 함께 최근에는 막의 파울링 현상 완화와 막의 주기적 세정을 통해 장시간 안정적인 구동에 초점을 맞춰 연구개발이 수행 중이다.



3.2. 역전기투석 (Reverse electrodialysis, RED)

1954년도에 Pattle은 역전기투석을 처음으로 제안하였다 [3]. 역전기투석에는 용매를 이동하는 반투과막을 사용하는 압력지연삼투와는 다르게 양이온을 선택적으로 투과하는 양이온교환막(cation exchange membrane, CEM)과 음이온을 선택적으로 투과하는 음이온교환막(anion exchange membrane, AEM)이 사용된다. 이 두 가지 다른 종류의 막은 교대로 적층이 되고, 이온교환막 사이 공간으로 고농도 용액과 저농도 용액이 공급되면, 농도 차이로 인해 양이온은 양이온교환막으로 음이온은 음이온교환막으로 이동하게 되고, 양이온과 음이온의 이동 방향 차이로 인해 내부에 전위차가 형성된다. 전기에너지는 역전기투석의 양 끝단에 위치하는 전극에서 전기화학 반응에 의해 형성되는 전자가 외부 회로를 통해 이동함으로써 생성된다. 그림 3에서는 상기에서 기술한 역전기투석 발전에 대한 개념을 그림으로 표현하였다.

그림 3. 역전기투석 발전 개념도

2014년 11월 네덜란드의 Breezanddijk에서 역전투석에 대한 원형 발전소가 최초로 가동을 시작하였다. 경제성 평가에서는 역전기투석 발전이 경쟁력을 갖추기 위해서는 출력 밀도가 2.7 W/m²  이상이 되어야 할 것으로 보고되었으며, 목표 출력 밀도 달성을 위해서 운전 조건과 유로 구조의 최적화에 초점을 맞춰 연구개발이 수행되고 있다. 또한, 기존 염화나트륨만을 사용하여 인위적으로 해수와 강물의 농도를 맞춘 용액을 사용하는 방법에서 탈피하여, 여러가지 이온들이 공존하는 실제 해수와 강물을 사용하여 다양한 영향을 평가 및 분석하고 있으며, 이온교환막 파울링에 대한 메커니즘, 완화 전략, 세정 방안 등에 대한 연구가 문헌을 통해 보고되고 있다.



3.3. 축전식 기술

축전식 기술은 기존 막 기반 기술보다 최근에 제안된 방법으로 짧은 연구개발 시간으로 인해현재 실험실 수준에서 다양한 아이디어를 제안하고 검증하는 단계이다. 용액이 동시에 공급되는 기존 기술과는 달리, 고농도 용액과 저농도 용액이 축전식 전극에 교차적으로 공급되며 4개의 과정으로 구성된 싸이클을 통해 전기에너지가 생성된다. 축전식 기술에서는 외부의 전원의 유무에 따라 축전식 이중층 확장 (capacitive double layer expansion, CDLE)과 축전식 도난 전위(capacitive donnan potential, CDP)로 구분된다. 축전식 이중층 확장은 2009년도에 처음으로 제안되었고, 그림 4와 같이 충전 과정에서 외부의 전원이 사용된다.

그림 4. 축전식 이중층 확장 발전에 대한 개념도

축전식 이중층 확장 장치는 기본적으로 두 개의 다공성 탄소 전극과 유체 저장함으로 구성되며, 유용한 일을 얻기 위해 다음과 같이 4단계의 과정을 수행한다. 첫 번째 단계에서는 고농도 용액이 공급이 되고, 전극에 전원 장치를 이용하여 전압을 인가하게 되면, 전극 표면으로 반대쪽 극성의 이온들이 전기적 중립을 유지하기 위해 위치하게 된다. 두 번째 단계에서는 유로를 개방하여 고농도 용액을 방출하고 저농도 용액이 공급되며, 이온 강도가 약화되는 것으로 인해 전기이중층 두께가 증가함으로써 전극 내 전하량은 보존된 상태로 전압이 상승하게 된다. 세 번째 단계에서는 전극 내 전하가 용액으로 방출되며 저농도 용액의 농도가 올라가게 되고 이온 방출과 함께 형성된 전자가 외부 회로로 이동하며 전기에너지가 생성된다. 네 번째 단계에서는 유로가 다시 개방되고 용액이 저농도에서 고농도로 교체된다. 하게 되고, 전극 내 전하량은 보존된 상태에서 전압이 상승하게 된다. 세 번째 단계에서, 전극 내 전하가 용액으로 방출되며 외부 회로로 전자가 이동함으로써 전기에너지가 생성된다.

축전식 도난 전위 방법은 2012년도에 Sales et al. [9]에서 처음으로 제안되었고, 축전식 이중층 확장에서 사용하는 외부 전원을 이온교환막으로 대체하여 충전과정에서 동일한 효과가 발생하도록 구현하였다.



4. 결론