공부하고 정리하고

오늘은 신재생에서 바다 이야기 마지막 편인 염분 차 발전에 대해 알아보도록 하겠습니다. 염분 차이를 이용해 발전한다는 것이 생소하지만 원리는 잘 알고 있습니다.!! 왜냐하면 삼투현상을 이용하기 때문입니다. 이 삼투현상은 배추를 절이거나 오이를 피클로 만드는 원리에도 적용이되는 과학 원리지요.

삼투현상

농도가 낮은 묽은 물에서 농도가 높은 진한 물로 반투과성막을 사이에 두고 물이 이동하는 현상을 말합니다. 여기서 반투과성막은 특정 크기 이하의 분자나 이온을 통과시키는 막입니다. 여기서는 염분의 이동을 막기 위해서는 NaCl보다 작은 구멍이 있어야 할 것이고 물 분자는 통과 돼야 할 것입니다. 그렇다면 시간이 지날수록 농도가 진한 쪽은 점점 묽어지게 되고 농도가 낮은 쪽은 점점 진해지는 상황으로 진행이 될 것입니다. 이 현상은 자연적으로 보면 당연한 현상 중에 하나입니다. 농도가 높은 쪽은 어떻게 보면 뭉쳐져 있다는 개념으로 생각하시면 잘 정렬된 상태라고 볼 수 있습니다. 하지만 자연은 무질서하고 퍼져있는 것을 좋아합니다. 이 방향으로 자연 순화는 일어나죠. 그렇기에 농도가 높은쪽은 염분이 빠져나가기 힘들다면 당연히 물을 흡수하려고 할 것입니다. 이러한 원리를 열역학 제 2 법칙인 엔트로피 법칙이라 합니다. 엔트로피는 증가하는 방향으로 에너지의 방향성을 나타내 주는 법칙입니다.

염분 차 발전원리

염분 차 발전원리는 이 삼투현상을 이용한 방식입니다. 보통 바다의 염분은 3%이고 강물의 염분은 0.05% 이하 입니다. 그래서 가능한 것이죠. 하지만 발전하는 방식은 크게 두 가지로 구분이 됩니다. 첫 번째는 압력지연삼투 방식이고 두번째는 역전기투석 방식입니다. 한번 알아보겠습니다.

-압력지연삼투 방식

PRO(Pressure retarded osmosis)라 하여 기본적으로 수력 발전과 원리가 동일합니다.
하지만 다른점은 삼투현상을 이용한다는 점입니다. 반투과성막인 멤브레인으로 인해 염분이 높은 해수 쪽으로 담수에서 물이 이동하고 해수가 담긴 곳의 수압이 높아지며 이때 물을 내보내며 수차인 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

-역전기투석 방식

RED(Reverse electrodialysis)라 하여 구성은 아래 그림과 같습니다.

2개의 전극과 음이온, 양이온 교환막을 쌍을 이루어 교차로 전극 사이에 두게 됩니다. 이때 교환막 사이에 해수와 담수를 흘려주면 해수에 존재하는 Na+와 Cl-가 각각의 극의 교환막을 통과하여 담수쪽으로 이동하고 전자가 이동되면서 전기가 발생하게 됩니다.

전세계적으로 염분차 발전의 잠재 에너지는 2.6테라와트정도이고 국내의 5대강을 기준으로 약 3.5기가와트의 잠재 에너지가 있을것으로 평가된다고 합니다. 보통 발전소마다 다르지만 원전 한기가 1기가와트정도임을 생각하면 충분히 경쟁력이 있는 발전입니다.

장점

• 무한한 에너지원이고 시간, 날씨의 영향을 받지 않습니다.
  -친환경적입니다.
  -지속적으로 강에서 바다로 물이 흐르므로 ESS 문제를 고민하지 않아도 된다.

단점 및 한계
-반투과성막의 수명
-아직까지 존재하는 여러 기술적 문제들
-염분 차로 모인 고농도의 물 해결

염분 차 발전에 대해서 오늘 알아보았는데요. 개인적으로 생각하기에는 상당히 매력이 있는 신재생 발전이라고 생각합니다. 한계점이야 기술적 연구로 언젠가는 해결이 가능할 것이고 고농도의 물은 해수쪽으로 넣어서 재사용하거나 하면 되지 않을까 하는 생각이 듭니다. 국내에서도 열심히 연구를 하고 있다고 하니 좋은 소식이 들렸으면 좋겠습니다.

-이미지 출처-

1. http://www.bbc.com/future/story/20150610-blue-energy-how-mixing-water-can-create-electricity
2. http://www.freedrinkingwater.com/water_quality/
3. http://surfguppy.com/thermodynamics/entropy-chemical-thermodynamics/
4. http://www.waterjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=18581
5. http://en.shikunbinui.co.il/category/SED/Water