[미국] 국립재생에너지연구소, 담수화 기술 효율성 제고 위한 자금 지원 받아

 

 미국 물 혁신을 위한 국민연합(NAWI)의 새로운 자금 지원은 NREL 연구원들이 미국 담수화 및 물 재사용 기술의 에너지 효율성을 개선하는데 도움이 될 것이다 [사진출처(Photo source) = Pexels]

 

미국은 물 부족에 대한 우려가 커짐에 따라 담수화를 식수, 관개 및 기타 용도를 위한 새로운 공급원을 제공하는 해답으로 제시했다. 그러나 물에서 소금을 분리하는데 쓰이는 에너지는 비용이 많이 들고, 환경에 부정적인 영향을 미친다.

 

두 개의 자금 지원을 받은 미국 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)의 연구원은 전국의 담수화 및 물 재사용 기술의 에너지 효율성을 제고하기 위해 다른 파트너와 협력할 계획이다.

 

이는 미국 에너지부 산업효율성 및 탈탄소화 사무소(U.S. Department of Energy’s Industrial Efficiency and Decarbonization Office)가 자금을 지원한 9만달러 규모의 NAWI의 파일럿 프로그램이다. 

 

매트링거(Matt Ringer) NREL의 프로그램 매니저는 “불필요한 잔류물을 걸러내는 새로운 막(membranes)을 개발하는 것부터 물과 폐수를 처리할 때 탈탄소화하는 방법 에 이르기까지, NREL은 미국의 요구를 충족하기 위해 비용 효율적이고 지속 가능한 대체 수자원을 제공하는데 앞장서고 있다”라고 말했다. 

 

NAWI 자금 지원은 폐기물을 처리하는 더 나은 방법(유용한 화학물질을 회수할 수 있는 방법)을 찾음으로써 지속가능한 담수화 장치를 개발하고, 이 장치가 재생 가능한 전력으로 작동될 수 있도록 하는 연구원들의 노력을 지원한다. 

 

첨단 막을 통해 모든 담수화 과정을 깨끗하게 

 

NREL이 주도하는 차세대 양극성 막(Bipolar Membranes)을 사용한 저염분 내륙 담수화 프로젝트는 바닷물(또는 염수)과 오염 물질을 걸러내고, 유의미한 용도로 사용될 수 있는 물질을 회수함으로써 담수화수의 품질을 향상시키는 차세대 막을 개발한다.

 

역삼투압은 압력을 사용해 물에서 대부분의 오염 물질을 제거하는 것을 말한다. 체와 같은 반투과성 막을 통해 물을 밀어내고, 폐염수를 수집한다. 내륙 기수(汽水) 담수화와 폐수 재활용으로 인해 대량으로 축적될 수 있는 폐염수는 처리하거나 폐기하기 어렵다.

 

현 기술로 그것을 처리하기 위해서는 많은 에너지가 필요한 열기술과 많은 공간을 차지하는 증발 연못을 사용해야 한다. 그러나 깊은 우물 안에 폐염수 버리는 것은 물을 잃는 것을 의미한다.

 

프로젝트 파트너는 다음과 같은 폐기물 처리 문제를 해결한다.

△폐염수 처리 비용 절감
△열 접근 방식에 비해 훨씬 적은 에너지 사용
△중금속 및 유해화학물질과 같은 오염물질을 제거하는 동시에 물을 100% 회수

 

아비셰크 로이(Abhishek Roy) NREL 재료과학 연구원이자 프로젝트 책임자는 “차세대 막 제작, 시범 운영 및 분석을 통해 연구팀은 담수화 기술의 비용을 낮추고, 에너지 효율을 높일 것이다”고 말했다.

 

양극성 막 전기 투석 시스템으로 알려진 새로운 막 기술은 염수를 담수화하는 동시에 용해된 물질을 다른 용도로 사용할 수 있는 산과 염기로 전환해 순환 경제에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

 

네 명의 프로젝트 파트너는 다음과 같은 역할을 수행한다. NREL은 막과 고분자합성 및 특성화, 롤 투 롤 합성, 장치 규모 모델링을 수행한다. 오스틴에 위치한 텍사스 대학교는 막 시스템의 *벤치 및 파일럿 규모의 엔지니어링 및 테스트를 수행한다. 기브파워(GivePower)는 역삼투압 파일럿 및 막 파일럿 시스템 통합을 주도하고, 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)는 생애 주기 분석을 수행한다.

 

담수화 공정, 전기화와 호환돼야

 

전기와 물, 전력망 조정 프로젝트는 기술적, 운영적, 환경적 고려하에 물과 에너지 안보를 모두 다룬다. 이 프로젝트는 독립적인 비영리 에너지 R&D 조직인 미국 전력연구소(Electric Power Research Institute)가 이끌고 있으며, NREL, 콜로라도 주립 대학 및 솔트 리버 프로젝트(Salt River Project.)가 기능 연구 협력자로 참여한다.

 

2년간의 프로젝트 동안, 연구원들은 담수화 처리 과정과 재생 가능한 전기 자원을 사용하려는 노력이 양립할 수 있도록, 전력망과 함께 수도 시스템 운영을 관리하고 조정하는 전략을 검토할 예정이다.

 

물 기술 연구에 대한 폭넓은 경험과 고급 모델링 능력을 갖춘 NREL은 수처리 기술 경제평가플랫폼(WaterTAP)을 사용해 기술 경제 모델링을 수행한다. 파이썬(Python) 기반의 오픈 소스 소프트웨어 패키지인 WaterTAP은 미국 에너지부가 자금을 지원한 1억1천만 달러 규모의 에너지-물 담수화 허브인 NAWI를 위해 NAWI를 6년 동안 이끈 4개의 국립연구소 중 하나인 NREL가 개발한 것이다. 

조슈아 스펄링(Joshua Sperling) NREL의 연구원은 “이 프로젝트는 여러 도구, 모델 및 방법을 사용해 담수화 처리의 현재 상태를 평가 및 특성화하고, 또 비용과 에너지, 환경을 고려했을 때 장기 영향과 상충관계을 평가하고 비교할 것이다”라고 말했다.

 

조슈아는 NREL 동료 연구원 데이비드 그린(David Greene)과 함께 연구소 팀을 공동으로 이끌고 있다. 그는 “물과 전기는 우리의 삶과 경제에 기본이다”라며 “탈탄소화와 회복력이 우선시되는 환경에서 NREL은 탄소중립 경제로 전환하기 위한 수처리 옵션을 평가하고 있다”고 말했다.

 

NREL의 WaterTAP 분석을 알리기 위해, 프로젝트의 다른 협력자들은 동적 운영 모델을 제공하고, 솔트 리버 프로젝트의 전력 및 수도시스템의 디지털 버전을 개발할 것이다.

 

또한 다중 모델과 다중 접근 방식을 통해 연구원들은 기후 불확실성에 대비해 계획을 세울 때 어떤 운영 방식이 더 유연한지, 어떤 방식을 써야 더 많은 물을 담수화하고, 물과 에너지 유틸리티 간의 협력 활동 증가시키면서 전력망에서 나오는 전기 대신 더 많은 현장 재생 에너지를 사용할 수 있도록 할 수 있는지 이해할 수 있을 것이다.  

 

그린은 "수처리 운영자는 일반적으로 플랜트에서의 급격하거나 중대한 변화를 피하려고 한다"라며 "이러한 운영은 역사적으로 관리가 더 쉽고, 에너지 이점이 있는 것으로 간주돼 왔다"라고 말했다.

 

그는 이어  “NREL은 재생 가능한 에너지원 사용과 배터리 저장 기능이 확대된 가변적인 조건에서 담수화 플랜트 비용 효율적이고, 고품질로 운영할 수 있는지 여부를 조사하기 위해 WaterTAP을 사용할 것이다”라고 말했다. 

 

그는 또한 "담수화 플랜트와 같은 대규모 에너지 사용자가 물 생산 목표에 부정적인 영향 없이 고에너지 소비 기간 동안 전력 수요를 변화시킬 수 있다는 것을 우리가 입증할 수 있다면 전력망 운영자가 기꺼이 비용을 지불할 수 있는 혜택을 제공함으로써 플랜트를 위해 새로운 수익원을 제공할 수 있다”고 말했다.

 

그린은  “이 프로젝트를 통해 Water TAP이 실제 적용, 기술 통합, 경제 및 환경 분석에 유용함을 증명함으로써, NREL은 NAWI의 도구, 기준 연구, 로드 매핑 프레임워크에 대한 초기 투자를 구축할 수 있다”고 말했다

 

담수화의 경제적, 환경적 측면과 기술이 전기화 및 전력망 주변의 물 보안과 비용 절감을 어떻게 개선할 수 있는지 고려함으로써, NAWI 파일럿 프로그램 프로젝트는 가용성, 가격 및 물에 대한 접근성을 보장하기 위해, 수자원을 증대하고, 다양화할 수 있을 것이다.

 

*pilot scale 대량 생산을 진행하기전에 테스트용으로 소규모로 진행하는 생산규모를 의미함.
*bench scale pilot scale보다는 작은 규모의 실험을 의미함 작은 규모의 실험을 통해 실험조건을 설정함.

 

[원문보기]

Research Awards To Improve Water Desalination Methods

 

Upcoming Research Is Part of a Greater Effort To Make the Most of Every Water Resource

 

 

As concerns about water scarcity in the United States grow, desalination—which turns salt water into fresh water—could be the answer to providing new sources for drinking, irrigation, and other uses. Yet, the amount of energy needed to separate salt from water can be expensive and negatively impact the environment.

 

Closeup of a drop of water above a rippled water surface.

Thanks to two new funding awards, National Renewable Energy Laboratory (NREL) researchers will collaborate with other partners to improve the energy efficiency of desalination and water reuse technologies across the country. The awards are part of the $9 million National Alliance for Water Innovation (NAWI) Pilot Program funded by the U.S. Department of Energy’s Industrial Efficiency and Decarbonization Office.

 

“From developing novel membranes that filter out undesirable residues to analyzing methods to decarbonize water and wastewater treatment, NREL is working at the forefront of providing cost-effective and sustainable alternative water sources to meet U.S. demand,” said Matt Ringer, NREL laboratory program manager.

 

NREL received two of the program’s awards, which will support researchers' efforts to make desalination devices more sustainable by finding better ways to treat their waste (in ways that can recapture useful chemicals) and ensuring they can run on renewable power.

 

Advanced Membrane Takes Desalination All the Way to Clean

 

The Low Salinity Inland Desalination Brine Treatment Using Scalable Next Generation Bipolar Membranes project, which is being led by NREL, is developing a next-generation membrane to improve the quality of desalinated water by filtering out salt water (or brine) and contaminants while also recovering substances that can be used for other purposes.

 

Reverse osmosis is a process that removes most contaminants from water by using pressure to push it through a semipermeable membrane, like a sieve, that collects waste brine. That waste brine—which can build up in large volumes from inland brackish (or somewhat salty) water desalination and wastewater recycling—is challenging to treat or discard. Current methods to treat it include thermal (heating) technologies that use a lot of energy and evaporation ponds that take up a lot of space. Disposing of it down deep wells means losing water.

 

 

Project partners will address these waste-treatment challenges to:

■ Lower the cost of waste brine treatment

■ Use significantly less energy compared to thermal approaches

■ Recover 100% of the water while also removing contaminants such as heavy metals and hazardous chemicals.

 

 

“This work will directly address the challenges to inland brackish water desalination and wastewater recycling,” said Abhishek Roy, an NREL materials science researcher and the project lead. “By fabricating, piloting, and analyzing a next-generation membrane, the research team aims to lower the cost and increase the energy efficiency of desalination technology.”

 

The novel membrane technology—known as a bipolar membrane electrodialysis system—has the potential to desalinate brine while converting the dissolved substances into valuable acids and bases that have other uses, contributing to a circular economy.

 

The four project partners play different roles. NREL will conduct membrane and polymer synthesis and characterization, roll-to-roll synthesis, and device-scale modeling. The University of Texas at Austin will perform membrane system bench- and pilot-scale engineering and testing, GivePower will lead a reverse-osmosis pilot and membrane pilot system integration, and the Lawrence Berkeley National Laboratory will conduct life-cycle analyses.

 

Desalination Processes Need To Be Compatible With Electrification

 

The Optimizing Electric and Water Grid Coordination Under Technical, Operational, and Environmental Considerations project addresses both water and energy security. The project team is led by the Electric Power Research Institute, an independent, nonprofit energy R&D organization, and features research collaborators NREL, Colorado State University, and the Salt River Project.

During the two-year project, researchers will examine strategies to manage and coordinate water system operations with the electric grid to ensure desalination treatment processes are compatible with efforts to use renewable sources for electricity.

 

With extensive experience in water technology research and advanced modeling capabilities, NREL will conduct techno-economic modeling using the Water treatment Technoeconomic Assessment Platform (WaterTAP). An open-source, Python-based software package, WaterTAP was developed for NAWI by NREL, one of four national laboratories leading NAWI, a six-year, $110 million energy-water desalination hub funded by the U.S. Department of Energy.

 

“This project will use multiple tools, models, and methods to assess and characterize the current conditions in desalination treatment and evaluate and compare long-term impacts and trade-offs when we’re considering costs, energy, and environment,” said Joshua Sperling, a researcher at NREL who is co-leading the laboratory’s team with fellow NREL researcher David Greene. “Water and electricity are both foundational to our lives and our economy. In an environment where decarbonization and resilience are a priority, NREL is evaluating water treatment options to move us to a net-zero-carbon economy.”

 

To inform NREL’s WaterTAP analysis, the other collaborators on the project will provide dynamic operational models and develop a digital version of the Salt River Project’s power and water system. Using a multimodel, multimethod approach, the researchers will be able to understand how operations could become more flexible to use more on-site renewable energy instead of electricity from the grid while also desalinating more water and increasing cooperative activities between water and energy utilities as they plan for climate uncertainty.

 

“Water treatment operators typically try to avoid rapid or significant changes at plants. This steady-state operation has historically been considered as being easier to manage and having energy advantages. NREL will use WaterTAP to explore whether a desalination plant can operate cost effectively with high quality under variable conditions with expanded use of renewable energy sources and battery storage,” Greene said.

 

“In addition,” he added, “if we can demonstrate that a large energy user like a desalination plant can vary its electric demand during high-energy-consumption periods without a negative impact on its water production goals, that could open new revenue streams for plants by providing a benefit that grid operators might be willing to pay for.”

 

Greene said that, through this project, NREL is building on NAWI’s initial investments in tools, baseline studies, and road-mapping frameworks by ensuring that WaterTAP is useful for real-world applications, technology integration, and economic and environmental analysis.

 

By considering the economic and environmental aspects of desalination and how technologies could improve water security and cost savings around electrification and the grid, these NAWI Pilot Program projects will help augment and diversify water resources to ensure availability, affordability, and access to water. 

 

[출처 = NREL Transforming Energy(https://www.nrel.gov/news/program/2023/research-awards-to-improve-water-desalination-methods.html) / 2023년 7월 27일]