한국에너지기술연구원(원장 김종남) 해양융복합연구팀 남주연 박사 연구진은 염수와 담수의 염분 차이에 의해 전기를 생산하는 역전기투석 염분차 발전 성능을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다.

염분차 발전 기술은 용액의 이온농도 차이를 전기에너지로 전환하는 기술로 이 중 역전기투석 방식의 스택은 전극, 이온교환막, 가스켓, 스페이서로 구성되고, 두 전극 사이에 양이온교환막과 음이온교환막이 교차로 적층된다.

역전기투석 기술은 물만 있으면 탄소 배출 없이 전기를 생산할 수 있는 큰 장점이 있지만 상용화까지 해결해야할 과제가 남아 있는데 대표적으로 농도분극 현상과 유입수의 전처리 문제로 인한 에너지 손실과 비용 상승이다.

농도분극 현상은 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상으로 이온의 이동을 감소시켜 발전효율을 떨어뜨리는 원인으로 이를 해소하기 위해서는 유량을 빠르게 공급해줘야 하는데 여기에는 많은 물이 투입돼야 하며, 투입 전 고형물과 부유물을 제거하기 위한 전처리공정도 필요해 비용 상승의 원인이 된다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 연구진은 적은 양의 유입수를 이용해 농도분극 현상을 줄일 수 있는 새로운 구조의 고효율 역전기투석 스택을 개발했다.

기존의 역전기투석 스택은 적층된 이온교환막 사이로 염수와 담수가 동시에 유입되는 평행흐름 방식을 주로 사용했는데 이 방식은 농도분극 현상을 최소화하기 위해 물의 유입속도를 높여줘야 하고, 이에 따라 펌핑 및 전처리 에너지가 많이 필요하고 사이즈가 커지게 돼 집약적 플랜트의 설계가 어렵다.

반면 연구진이 새롭게 개발한 캐스케이드형 역전기투석 스택은 단일 스택 내부를 여러 단계로 구분해 전 단계에서 사용한 물을 다음 단계에서 사용하도록 재순환시켜 유입수의 이용률을 높였고, 이로 인해 농도분극 현상을 현격히 줄이면서 높은 에너지효율을 유지했다.

캐스케이드 스택의 경우 기존 스택보다 순전력이 20% 향상됐으며, 스택 내부에서 유입수의 이동거리가 길어져 누설전류의 경로가 차단돼 더 많은 전류가 생성되는 것으로 확인됐다.

또 4단 스택을 이용해 최대전력 생산을 위해 필요한 유입수의 부피를 1/4로 저감할 수 있었으며, 기존 스택 대비 에너지밀도는 최대 480%, 효율은 최대 420% 향상됐다.