바닷물 속 염분·해상풍력… 친환경에너지 신기술의 寶庫

삼투현상 이용한 '해양염분차 발전' 연구 국내최초 kW급 모듈 제작 기술개발 성공

▲ 에너지기술연구원 제주센터 연구원이 염분차 발전에 대해 설명하고 있다.

한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터

지금까지 신재생에너지는 풍력·수력·태양광·태양열·지열 등 주로 육지를 중심으로 개발됐다. 그러나 육상 신재생에너지는 지형적 한계가 있어 해양 기반의 신재생에너지가 새롭게 주목받고 있다.

삼면이 바다로 둘러싸인 한반도는 해양 신재생에너지를 이용하기에 최적의 조건을 갖췄으며 그 중 제주도는 풍량이 많고 바다와 인접해 육·해상 신재생 에너지를 연구하기 매우 적합한 곳으로 꼽힌다.

한국에너지기술연구원(KIER)은 2011년 11월 제주글로벌연구센터(JGRC)의 문을 열었다. 지난 12일 방문한 제주도 제주시 한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터에서는 '바다'를 기반으로 한 염분차 발전 기술, 풍력발전 기술 등 다양한 신재생에너지 관련 연구개발이 진행 중이었다.

▲물의 염분차를 이용해 전기를 만드는 '해양염분차발전 기술'=바닷물 속 '염분'을 이용해 전기를 생산하는 기술이다.

담수와 해수가 반투과성 분리막을 사이에 두고 두 종류의 물이 만나면 서로 다른 염분 농도를 맞추고자 담수가 해수 쪽으로 이동하는 삼투현상이 발생한다.

이때 높아진 해수의 압력과 유량으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 이 방식은 압력지연삼투 방식이라고 한다.

또 담수와 해수의 염분차를 이용하되 터빈 없이 전기를 생산하는 역전기투석 방식도 있다.

연구팀은 역전기투석 방식의 500W(와트)급 염분차발전 스택을 개발해 kW급 모듈을 제작하는 기술도 국내 최초로 개발했다. 또 스택 내 이온교환 분리막을 개선해 세계 최고 수준의 네덜란드 제품 대비 전력밀도 성능을 10% 높이고 제조 원가는 절반 이하로 낮추는데도 성공했다.

정남조 해양융복합연구실 실장은 “2030년까지 염분차발전 가능량을 약 30TWh(테라와트시)라고 가정하면 약 600만 TOE(1TOE=1000만kcal)와 1200만ton의 CO₂ 감축이 가능하다”고 밝혔다.

▲염분차 발전 기술을 위해 꼭 필요한 '해수전처리용 미생물전기분해셀(Microbial Electrolysis Cell·MEC) 연구'=자연에서 얻은 해수를 해양 염분차발전에 사용하려면 전처리 과정이 필요하다. 해수에 포함된 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 등이 고농도로 농축되거나 알칼리 상태의 조건에서 고형물인 스케일(Scale)을 형성해 해양 염분차발전에 사용되는 이온교환막을 오염시키기 때문이다.

이러한 이온교환막의 내구성을 저하하는 요인을 처리하고자 연구팀은 MEC를 연구 중이다. MEC는 이온교환막으로 분리된 산화전극부와 환원전극부로 구성돼 있다.

산화전극부에서는 미생물이 전극에 달라붙어 성장하고 다양한 유기오염물질을 처리해 전자를 생성한다.

생성된 전자는 산화전극으로 전달돼 전기를 만든다. 셀에 약간의 전기에너지를 더 가하면 환원전극부에서 수소가스를 생성하는데, 이때 화학반응으로 칼슘과 마그네슘이 제거돼 앞서 설명한 해수 전처리가 가능해진다. 이 과정에서 사용되는 미생물은 우리가 일상생활에서 배출하는 폐수의 찌꺼기에서 얻을 수 있어 폐수를 에너지 생산을 위한 재생 가능한 자원으로 활용할 수 있다는 장점도 공존한다.

▲바다에 띄운 풍력발전기 '해상풍력발전 기술'= 풍력발전은 원래 육상에서 시작했다. 그러나 바람 좋은 곳이 풍력기로 포화하고 사람의 터전과 가까워 민원이 많이 발생 등 여러 문제 때문에 바다를 풍력발전 장소로 고려하게 됐다.

해상풍력은 소음 등에 대한 민원을 차단하고 대형 단지를 조성하기 유리하다. 또 바람도 육상의 바람보다 균질하고 세다.

연구팀은 지난 2011년 해상풍력발전기 건설에 성공했다.

해상 풍력발전기 해상토목 기초 설계 기술과 풍력발전시스템의 통합 유지보수 시스템 기술을 개발하고 현재는 운영 및 감시 하는 시스템을 구축하고 있다.

고희상 풍력연구실 실장은 “바다 위에 띄워진 해상풍력발전기는 해상에서의 풍력발전기 특성을 분석하고 운영관리와 유지 보수 방안에 대한 저오를 제공할 수 있게 현재 꾸준한 모니터링을 진행 중”이라고 전했다.