물속에서 밀당을? 삼투압을 활용한 신재생에너지, PRO공정!

 

친환경 신재생 에너지 개발, 선택 아닌 필수!

그림 : PRO 공정 개략도, 출처: 에듀넷

언제부턴가 아침에 일어나서 가장 먼저 미세먼지 농도부터 확인하는 것이 습관이 되어 버렸다. 분명 몇 년 전까지만 하더라도 우리나라의 하늘은 파랬지만, 요새는 일주일 중 대부분을 누런 하늘 아래서 살고 있다. 새 정부에서는 당면한 환경 문제를 해결하기 위해서 노후 된 화력발전소의 가동을 중지시킨다고 발표했다. 하지만 대안 없이 에너지 공급을 줄이면 부수적인 다른 문제들이 많이 발생할 것이다. 천연자원도 부족하고 에너지 소비도 많은 우리나라에서 환경문제를 해결하기 위해서 친환경 신재생 에너지의 개발은 이제 선택이 아닌 필수다.

 

압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis : 이하 PRO) 공정이란?
PRO 공정은 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라에 매력적인 친환경 에너지 생산 방식이다. PRO 공정이란 해수와 담수의 염도차를 이용하여 에너지를 생산해내는 공정이다. PRO 공정의 원리를 간략하게 설명하면 다음과 같다. 먼저 해수와 담수 사이에 설치된 멤브레인*을 통해 농도가 낮은 담수가 농도가 높은 해수 쪽으로 유입된다. 이 과정에서 담수의 이동으로 인해 해수 쪽 유량이 증가하게 되고, 증가된 유량 및 위치에너지는‘에너지회수장치’의 노즐을 거치면서 유체의 압력에너지로 변환된다. 이렇게 증가된 유체의 압력에너지를 이용해 궁극적으로 전기에너지를 생산해내는 방식이 PRO 공정이라고 할 수 있다.
* 멤브레인 : 특정성분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 얇은 막

 

우리나라에서는 왜 PRO 공정이 각광받고 있는가?
우리나라에서 PRO공정이 각광받고 있는 이유는 크게 보아 다음의 네 가지다. 첫째, 삼면이 바다인 우리나라는 풍부한 해상 자원을 가지고 있다. 둘째, PRO 공정은 해수와 담수의 염도차를 이용한 발전 방식으로 다른 신재생 에너지와는 달리 날씨 및 계절에 영향을 받지 않는다. 셋째, 이산화탄소를 비롯해 환경문제를 거의 발생시키지 않는다. 마지막으로 플랜트를 한 번 구축해 놓으면 반영구적으로 사용할 수 있다.
 
우리 KIST 도시에너지연구단에서 연구하고 있는 펠턴 터빈이란?

그림 : KIST가 설계한 기장에 있는 Pelton turbine

PRO 공정에서의 핵심은 크게 두 가지라고 볼 수 있다. 멤브레인과 에너지 회수 장치의 성능이다. 이 중 에너지 회수장치로 펠턴 터빈이 사용되는데, PRO 공정에서 요구하는 수차** 운전조건이 상대적으로 높은 압력과 적은 유량이기 때문이다. KIST에서는 PRO 전용 10kW급(공급 유량 및 압력: 400 ton/day, 30 bar) 압력회수장치 개발을 목표로 연구를 진행해 왔다. 특히 PRO 공정에 적합한 펠턴 터빈을 설계하고 효율을 극대화시킬 수 있는 방안에 대해서 연구하고 있다. 또한, 올해까지 PRO 공정에 최적화된 에너지회수장치인 펠턴 터빈 설계 Process를 구축할 예정이다.
** 수차 : 水車, Turbine, 물의 에너지 차이를 통해 기계적 동력을 얻는 회전형 원동기

 

※ 여기서 잠깐! 운전 조건에 맞는 수차(turbine)를 선정하는 방법

그림 3 운전조건에 따른 수차 선정방법, 출처: P. Drtina. 2013

수차의 종류로는 펠턴, 카플란, 프란시스 등이 있는데, 작동 환경에 따라 사용되는 수차들이 다르다. 따라서 최적화된 수차를 선정하기 위해서는 운전조건(유량, 압력)을 확인해야 한다. 그림. 1에서 나타나는 것처럼 PRO 공정에서 에너지 회수장치로서 펠턴 수차가 사용되는 이유는 간단하다. PRO 공정에서 제공되는 운전조건이 상대적으로 높은 압력과 적은 유량인데 펠턴터빈이 이를 잘 만족하며 또 가장 효율적이기 때문이다.

 

PRO 공정에 대한 미래는?
세계적으로 자원고갈과 환경문제에 대한 우려가 커짐에 따라 PRO 기술과 염도 차이를 이용한 에너지 발전에 대한 관심도가 증가하는 추세다. 선진국에서는 이미 PRO 공정과 관련된 연구가 상당히 진행된 상태고 현재 우리나라는 그 뒤를 쫓아가고 있는 상황이다. 비록 늦었지만, PRO 공정을 상용화 할 수 있도록 기술 개발에 힘써야 할 것이다. 다행히 국토해양부를 중심으로 2013년 6월부터 글로벌 MVP라는 ‘MD/PRO 복합탈염공정 실증플랜트 기술개발’프로젝트가 진행되고 있다. 5년간 총 360억 원이 투입되는 프로젝트로 이 중 260억이 정부지원금이며, 5개의 연구기관, 30개 기업이 참가하고 있는 그야말로 대형 프로젝트이다. 이 프로젝트의 목표는 원천기술 확보를 통한 탈추격형으로의 산업 고도화이다. 정부와 학계가 의지를 가지고 추진하고 있는 만큼 앞으로도 많은 투자와 연구가 지속적으로 이루어질 것으로 기대하고 있다. 우리 연구실에서는 지금까지 PRO 공정에 최적화된 펠턴 터빈을 만들어내겠다는 사명감으로 연구에 매진해 왔다. 앞으로 남은 연구기간 동안에도 KIST는 우리나라의 PRO 공정과 관련한 원천기술 확보에 중추적인 역할을 할 것이며, 우리 연구실도 최선을 다해 높은 수준의 연구 결과를 이끌어 낼 것이다.

 PRO 발전 진행 과정

 PRO 공정에 대한 연구 개발은 2013년부터 시작되었다. 2013~2015년 까지는 연구개발 초기 단계로 선진기술을 분석하고 기초자료를 확보하는데 주력하였다. 또한, 실증 파일럿에 사용될 PRO 전용막 및 모듈에 대한 기초제작이 시작되었으며 랩 스케일에서의 성능 검증이 이루어졌다. 또한, PRO 전용 에너지 회수장치인 펠턴 터빈의 시험 제작 및 메커니즘 해석도 이때 시작되었다.  2015~2017년은 구축된 PRO 파일럿 시스템에 대한 데이터베이스를 바탕으로 실증 파일럿 PRO 전용막을 시스템에 실제 적용하여 막 성능을 검증하기 시작하였다. 또한, PRO 전용 펠턴 터빈 및 각 단위 공정과 전체 공정에 대한 최적화 기술 개발에 착수하였다.  그리고 현재는 PRO를 이용한 전력생산 기술을 어떻게 상용화할 수 있을까를 고민하는 단계다. 또한, 구축된 PRO 파일럿을 어떻게 하면 효율적이고 안정적으로 운영할 수 있을지에 대한 방안에 대해 연구하고 있다. 

그림 : CFD를 이용한 펠턴 터빈 작동유체의 유동특성 고찰

그림 : KIST에 설치된 실제 성능 실험 장치

Posted by KIST PR

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  1. Dr.정 2017.07.14 14:37 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    낯선 기술이야기를 잘 풀어서 이해하기 쉽게 썼네요 ^^ 이어지는 이여기도 기대~~

    • 정인혁 2017.07.14 16:33 신고  댓글주소  수정/삭제

      다음 기사는 더 공을 들여서 작성해보겠습니다. 김진수 선생님이 많이 도와주셨습니다. 감사합니다^^

  2. 미녀 2017.07.14 21:36 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    너무 재미있네요~ㅋㅋㅋ PRO 공정 이해가 쏙쏙 신재생에너지를 위해 필수적으로 도입되었으면 좋겠네요ㅋㅋ 빠른시일내 볼수있기를!

  3. 정인혁 2017.07.14 23:16 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    부족한데 좋게 봐주셔서 감사드립니다~ 더욱 분발하겠습니다~~~

요즘 우리는 다양한 웨어러블 디바이스를 착용하고 있습니다. 스마트 워치, 스마트 밴드 등과 같은 웨어러블 디바이스는 메시지 알림뿐만 아니라 의료 서비스 분야에까지 발을 들이고 있습니다. 다만 대중화, 상업화 되기 위해서 해결해야할 중요한 문제가 있습니다. 바로 배터리 용량입니다. 커다란 부피를 가지거나 무거운 무게를 가지는 배터리는 웨어러블 디바이스에 적합하지 않기 때문에 용량이 작은 배터리만 탑재되고 있습니다. 따라서 다양한 기능을 수행하는 웨어러블 디바이스를 자주 충전 해주어야하는 불편함이 있습니다.

<그림 1> 다양한 스마트기기를 사용하지만, 배터리 문제를 피할 수는 없습니다.

저녁만 되면 항상 부족한 배터리 때문에 충전기를 찾아다녀야 합니다.

 

 

웨어러블 디바이스의 가용시간은 배터리 용량에 비례합니다. 그러나 배터리 용량이 늘어날수록 부피와 무게도 같이 늘어납니다. 여전히 충전을 해야 한다는 사실도 변함이 없습니다. 문제 해결을 위해, 최근 많은 연구자들이 지속적으로 전기를 발생시켜서 웨어러블 디바이스에 전력을 공급하는 연구를 하고 있습니다.


<그림 2> 배터리는 용량이 크고, 유연하거나 착용 가능한 방향으로 개발되고 있습니다. 웨어러블 발전기의 경우,

사람 몸에서 나오는 폐 에너지를 활용하는 연구가 진행되고 있습니다.


웨어러블 디바이스에 지속적으로 전력을 공급하기 위해서는 사람의 몸에서 나오는 에너지로 발전을 해야 하는데, 위 그림과 같이 다양한 방법이 제시되었습니다. 사람의 소변에서 에너지를 추출한다거나, 운동할 때 발전기를 돌리거나, 아니면 사람의 체온과 바깥의 온도차를 이용하는 방법 등이 그것입니다.

<그림 3> 제벡효과는 열에너지와 전기에너지를 직접적으로 변환시키는 효과입니다.

사람의 열에너지(체온)를 전기에너지로 바꾼다면 전구를 켤 정도의 전력을 생산할 수 있습니다.


사람의 몸은 36.5도의 온도를 유지합니다. 이 열에너지는 사람의 몸 밖으로 빠져나가는 폐 에너지입니다. 이 에너지를 이용하여 전력을 생산한다면 별다른 노력이 없어도 웨어러블 디바이스를 구동 시킬 전력을 얻을 수 있을 것입니다. 이렇게 온도차이에 의해 전기가 흐르는 현상을 ‘제벡효과 (Seebeck effect)’라고 합니다. 제벡효과는 1821년 독일의 제벡(Seebeck)이 실험적으로 발견한 효과이며, 회로에 열기전력이 발생하는 것과 관련이 있습니다. 이 효과를 이용한 발전 방법을 온도차 발전, 혹은 열전 발전이라고 합니다. 열전 발전은 열에너지가 전기에너지로 직접 변환되기 때문에 에너지 손실이 적은 발전 방법이며, 온도차가 지속되는 한 전력이 발전되기 때문에 항상 구동되는 웨어러블 디바이스에 적용하기 적합한 발전방식입니다. 보통 열전 발전에 사용되는 물질은 반도체입니다. 반도체는 고온에서 높은 열전 성능을 보입니다. 하지만 높은 가격과 딱딱하고 휘지 않는 성질, 상온에서 사용하기엔 부족한 성능 등이 사람의 체온을 이용한 열전 발전에는 적합하지 않습니다. 이런 문제를 해결하기 위해 KIST의 광전하이브리드연구센터에서는 유기물을 이용한 열전 발전 방법에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 반도체 물질이 아닌 유기물을 기반으로 열전 발전기를 제작한다면, 더 가볍고 유연하여 몸에 부착하기 쉽고 더 싼 가격에 만들 수 있습니다.


<그림 4> 무기 열전 재료와 유기 열전재료의 비교. 반도체를 기반으로 한 무기 열전재료에 비해

유기 열전재료는 웨어러블 발전기에 적합한 성능을 가지고 있습니다.


광전하이브리드 센터에서는 주로 그래핀과 탄소나노튜브 같은 나노카본 재료를 이용하여 열전효과를 보는 연구를 진행하고 있습니다. 나노카본은 기계적으로 굉장히 튼튼한 물질이지만, 동시에 굉장히 유연한 소재이기도 합니다. 게다가 전기 전도도는 구리보다 무려 100배나 좋습니다. 현재 광전하이브리드연구센터의 김희숙 박사팀과 손정곤 박사팀에서는 나노카본의 성질을 바꾸어, 높은 열전 성능을 가지게 만드는 연구를 진행하고 있습니다.


<그림 5> 나노카본들의 모습입니다. 탄소나노튜브와 그래핀은 각각의 물성이 매우 뛰어나고,

물성을 바꾸는 것이 상대적으로 쉽기 때문에 다양한 응용처가 있습니다.


최근 광전하이브리드연구센터의 Tu 연구원은 그래핀의 산화, 환원을 통해 열전 성능을 개선시키는 연구를 진행하였습니다. 해당 연구에서는 산화된 그래핀을 특정한 온도에서 열처리를 진행할 경우 n 타입과 p 타입(온도차이가 있을 때, 전자가 흐르는 방향에 따라 결정되는 물질의 타입)의 열전 성능을 모두 보일 수 있다는 것을 밝혔습니다. 일반적으로 나노카본의 열전 타입을 바꾸기 위해서는 화학적 처리를 진행해야했는데, 단순히 열처리 온도만 바꾸어 타입을 변경하는 예는 지금까지 보고된 적이 없습니다.


<그림 6> 온도에 따라 변하는 그래핀의 성능을 나타낸 그림입니다.

열처리 온도를 250도부터 1000도까지 올리면, 그래핀의 타입이 변하는 것을 알 수 있습니다.


산화된 그래핀은 표면에 다양한 관능기(주석 : functional group, 유기물질에 반응성을 주는 부분) 를 가지고 있는데요, 이 관능기는 종류에 따라 전자를 빼앗기도 하고, 주기도 합니다. 전자를 주고받는 과정에서 그래핀의 타입이 n 또는 p 인지가 결정됩니다. Tu 연구원은 산화된 그래핀을 특정 온도에서 열처리 할 경우 관능기를 선택적으로 제거할 수 있다는 것을 알아내었고, 따라서 열처리 온도를 조절하여 n, p 타입을 자유롭게 변경할 수 있었습니다. 또한 이런 공정을 통해 제작한 환원그래핀을 이용하여 열전 발전 모듈을 제작하여, 상당히 높은 전압과 출력을 보였습니다.


<그림 7> 그래핀을 이용하여 제작한 열전 발전 모듈의 모습입니다. 온도차이에 의해 전기가 생산되었음을 확인할 수 있습니다.


사실 이렇게 제작한 열전 모듈을 가지고 웨어러블 기기의 전원으로 사용하기에는 넘어야할 장애물이 있습니다. 현 단계에서는 충분한 전력, 전압을 보이지 못하기 때문입니다. 그러나 계속된 연구를 통해 우리는 유기열전모듈이 미래의 전자제품의 전력원이 될 가능성을 볼 수 있습니다. 언젠가는 유기열전 발전기를 이용하여 외부충전이 필요없는 날이 올 것이라고 생각합니다. 해당 연구는 국제 학술지인 Chemistry of Materials 2015 년 10월에 게제되었습니다.

 

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"번개처럼 에너지를"···'인공 번개 발전기' 등장 

 

UNIST의 백정민 교수팀과 KIST의 강종윤 박사님이 함께 연구를 진행하여 전하 펌프 기반의 인공번개 발전기를 개발하셨습니다. 번개는 제우스만 만들 수 있는게 아니군요 관련 기사 아래 링크에서 확인해보세요

 

[대덕넷 기사보기]

 

(자료 : UNIST 제공)

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