[터보기술의 핵심!]물속에서 밀당을? 삼투압을 활용한 신재생에너지, PRO공정!(정인혁 기자)

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