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[신기술]KIER이 발표한 청정에너지 생산 기술
2020년 4월 1일 (수) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2020년 4월호 - 전체 보기 )

KIER이 발표한 청정에너지 생산 기술
역전기투석 염분차발전과 바이오차 생산기술

한국에너지기술연구원(KIER)은 3월 10일과 17일에 각각 염분차발전의 효율과 경제성을 개선하는 전극소재 개발과 미활용 자원에서 발생하는 탄소를 저장함으로써 온실가스를 저감하는 바이오차 생산기술 개발 소식을 전했다. 염분차발전과 관련한 전극소재는 전극 집전체 표면에 이황화몰리브덴 박막을 직접 합성할 수 있는 전극소재 합성 기술이고, 경제적으로 바이오차를 생산할 수 있는 기술은 ‘역흐름 다중 방해판 열분해’이다.
 
정리 강창대 기자 | 자료제공 한국에너지기술연구원
 
전력 생산에 변동성 없는 염분차발전

역전기투석(RED: Reverse Electrodialysis) 염분차발전은 스택 내의 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산하는 발전 원리다. 날씨나 시간대에 따라 출력이 불안정한 태양광이나 풍력과는 달리, 이발전 방식은 전력 생산에 변동성이 없고 이용률이 100%에 달하는 청정에너지 생산 기술이다. 그래서 세계적으로도 기술개발이 활발한 분야 가운데 하나다.
 

우선, 염분차발전(Salinity Gradient Power)은 바닷물과 강물의 염분 농도 차이로 얻은 에너지를 이용해 전기를 생산하는 기술이다. 이론적으로는 민물과 바다가 만나는 곳이라면 어디든 염분차발전이 가능하다. 따라서 삼면이 바다인 한국은 염분차발전에 유리한 입지 조건을 갖고 있는 셈이다. 네덜란드와 일본에서 주로 연구되고 있으며 세계 여러 나라가 이 연구에 참여하며 염분차발전 통합 네트워크(INES, Integrated Network for Energy from Salinity gradient power)를 구축해 연구해 오고 있다. 한국에서는 KIER가 INES에 참여하고 있다. 현재 네덜란드와 일본 등 기술선진국을 중심으로 수십 ㎾ 수준의 파일럿 플랜트 기술이 개발되고 있지만, 2025년 이후에 수 ㎿ 규모의 상용 플랜트 건설이 예상되고 있다. 염분차발전에는 크게 두 가지 기술이 사용되고 있다. 하나가 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis: PRO)발전이고, 또 하나가 연전기투석 발전이다.
 
압력지연삼투 발전은 말 그대로 삼투압이라는 물리적 현상을 활용한다. 담수와 해수를 나눈 발전기로 담수를 유입시키면 반투과성 분리막의 반대편인 해수가 흐르는 영역으로 물의 80~90%가 삼투압에 의해 이동하게 되고, 이때 높아진 해수의 압력과 체적 유량으로 터빈을 돌림으로써 전기를 생산한다. 그러나 역전기투석 발전은 터빈을 사용하지 않는다. 이온교환막 사이에 형성된 전압과 전극의 산화와 환원 작용으로 전류를 발생시키는 원리이기 때문이다[그림 1].
[그림 1]
양이온 교환막과 음이온 교환막을 차례로 병렬 배치하고 담수와 해수를 흘려주면, 양이온과 음이온이 각각 양이온 교환막과 음이온 교환막을 통과하고, 이때 각 이온 교환막 사이에 전압이 생성되고 산화극과 환원극 사이에서 산화-환원 작용으로 전자의 흐름이 만들어진다.
그림 1] 노르웨이 토프테(Tofte)에 위치한 스타트크래프트(Statkraft) 압력지연삼투 발전소(출처: 위키백과)

이황화몰리브덴 박막 전극소재

KIER의 해양융복합연구팀 정남조 박사는 염분차발전의 효율과 경제성 향상에 기여할 수 있도록 전극 집전체 표면에 이황화몰리브덴 박막을 직접 합성할 수 있는 전극소재 합성 기술을 개발하고, 연구 결과를 표면과학 분야 세계적 권위지인 <어플라이드 서피스 사이언스>(Applied Surface Science)에 게재했다.
 
역전기투석 염분차발전에서 전극촉매는 전기화학 반응을 발생시켜 시스템의 전자 이동을 유도하여 전기를 생성하는 역할을 한다. 그러나 대부분 백금과 같은 고가의 소재를 사용하고 있어 관련 기술의 경제성 확보를 위해서는 대체 가능하며 저렴한 전극 소재의 대면적 합성이 가능한 기술 개발이 요구되어 왔다. 이를 위해 연구진은 전극촉매의 전기화학 반응 활성을 돕는 집전체의 성분(금속 및 탄소)과 구조(1차원, 2차원, 3차원)에 상관없이 주 촉매반응 부위가 표면에 많이 분포되어 고활성이면서 가격도 저렴한 이황화몰리브덴 박막을 집전체에 직접 합성하는 기술을 연구해 개발에 성공했다.
 
기존 합성방식은 집전체의 구조가 복잡하고 대면적일수록 전극촉매의 합성 불균일성이 두드러지게 발생한다. 이는 반응 활성의 불균일성으로 이어져 성능감소 및 소재의 장기 불안정성을 초래하고 전구체 손실 또한 크다. 반면 연구진은 합성을 위해 공급된 전구체가 반응기 내에서 공급량에 따라 자가 기화압에 의해 집전체 구조와 상관없이 모든 표면에 농도가 균일하게 분포하면서도 유지가 가능한 합성 장치를 구현했다. 이에 따라 사용된 전구체의 손실을 최소화하면서 매우 균일한 농도로 합성이 가능하고, 우수한 전극 성능을 얻을 수 있었다. 이 기술은 또, 대면적으로 생산 가능한 방식으로 합성돼 염분차발전 이외의 여러 분야에 적용할 수 있을 것이라고 한다.
 
역흐름 다중 방해판 열분해 기술

KIER 미세먼지연구단 유지호 박사 연구팀은 ㈜한울, 중부바이오텍㈜과 공동으로 국내의 미활용 자원(산림 및 농림 부산물, 음식물·해양쓰레기, RDF 등)의 열분해를 통해 탄소저장 및 온실가스 저감이 동시에 가능한 바이오차(Biochar)를 대량 생산하기 위한 기술을 개발하고 있다. 바이오차(Biochar)는 바이오매스(Biomass)와 숯(Charcoal)의 합성어로 유기물인 바이오매스를 산소가 거의 없는 상태에서 열분해시켜 유기물과 숯의 중간 성질을 갖도록 만든 물질을 의미한다.

[그림 3] 역전기투석 시스템 적용시 (a) 전력밀도, (b) 전류-전압 곡선, (c) 저항

 
바이오차는 특히 토양에 혼합될 경우 미생물 활동 증진, 영양분 침출 방지, 산성 토양의 중성화 등 토양 질 개선 및 복원에 기여할 수 있다. 또한, 미생물의 분해 활성을 감소시켜 이산탄화소 배출을 60%까지 감소시킬 수 있다. 아산화질소의 경우 지구온난화지수가 310(이산화탄소=1기준)으로 매우 높다. 그러나 바이오차가 10% 포함된 토양은 아산화질소 배출을 89% 감소시킬 수 있어 온실가스 저감에 큰 기여를 할 수 있다.
 
이러한 바이오차를 생산하기 위해 연구진이 세계 최초로 개발한 기술은 역흐름 다중 방해판(Counter flOw Multi Baffle, COMBTM, 이하 COMB) 기술이다. 해외에서 개발된 기술과 설비의 단순성, 기술 적용의 다양성, 최적화를 위한 설비구조의 변경 용이성 등을 비교했을 때 최고 수준의 기술로 평가 받을 것이란 기대를 모았다.
[그림 4] COMB 설비 전경(좌)과 설비(5톤)의 구성(원료 저장 및 주입부, COMB Column, 사이클론, 타르 연소 포함한 연소기, 열교환기, 바이오차 냉각기, 냉각 타워, 송풍기) 
 
전통적인 바이오차 생산은 숯가마 같은 곳에 원료물질을 가득 채우고 열을 가하여 운전하기 때문에 바이오차를 얻기 위해 짧게는 4, 5시간, 길게는 2, 3일의 시간이 소요되어 생산량에 제한이 있었다. 반면에 연구진이 개발한 COMB 기술은 상부에선 고체가, 하부에선 고온가스가 투입되는 역류 메커니즘과 지그재그 형태의 다중 방해판에 의해 고체와 기체간의 접촉을 발생시킨다. 이를 통해 회오리바람이 발생하면서 접촉이 좋아지기 때문에 15분 이내(기존 30분)의 체류시간에도 매우 높은 반응 효율을 얻을 수 있으며 연속적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. COMB 기술은 수직형 사각기둥 내부에 지그재그 형태의 방해판이 설치되어 있어 협소한 장소에서도 사용이 가능하며 수직형 기둥을 다수 병렬로 설치하여 원하는 만큼 바이오차의 대량생산이 가능하다. 역흐름 다중 방해판 기술은 현재 0.5톤/일 규모에 대한 연구를 마치고, 5톤/일 규모에 대한 실증 연구와 더블어, ㈜한울에 기술이전을 실시, 사업화를 진행 중이다.

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