[미국] 강물과 바닷물의 염도차를 이용한 발전

강이 바다와 접하는 곳에서는 상당한 양의 재생에너지를 수확할 수 있는 잠재력이 있다는 연구결과가 MIT 기계공학 연구팀에 의해 발표되었다.

연구팀은 압력지연삼투(pressure retarded osmosis, PRO)라고 불리는 새로운 전력생산 방법을 평가하였으며, PRO에서는 서로 다른 염도의 물을 혼합하여 에너지를 생산하는 방식을 채택하고 있다. 원리상, PRO 시스템은 강물과 바닷물을 이용하는데, 한 쪽에 반투막(semi-permeable membrane)이 설치되어 있다. 삼투압을 이용해 염도가 낮은 쪽의 물이 멤브레인을 통과하여 염도가 높은 쪽으로 이동하게 되는데, 이때의 흐름이 터빈을 돌려 전력을 생산하게 된다.

MIT 연구팀은 이제 대규모 PRO 시스템의 최적 규모와 성능을 평가하기 위한 모델을 개발하였다. 일반적으로, 시스템의 메브레인의 크기가 커질수록 더 많은 전력을 생산할 수 있지만, 이것에도 한계가 존재한다. 흥미롭게도 시스템의 최대 출력치의 95%를 생산하기 위해서 사용되는 멤브레인의 면적은, 멤브레인 최대 면적의 50% 정도에 불과하다는 점이다.

MIT 기계공학과 대학원생인 Leonardo Banchik에 따르면, 결과적으로 전력 생산에 필요한 멤브레인의 크기를 감소시키는 것은 PRO 설비를 구축하는 선불 투자비용(upfront cost)을 크게 감소시키게 된다. 사람들인 이와 같은 시스템이 실현 가능한지를 평가해보고자 하였다. 투자회수기간을 크게 단축시킬 수 있는 멤브레인의 면적을 알 수 있다면 비용절감에 큰 도움이 될 것이다.

연구팀은 또한 염의 농도를 아는 조건에서 최대 전력 생산량을 계산할 수 있었다. 염도의 비가 클수록 더 많은 전력생산이 가능했다. 예를 들어, 탈염공정에서 발생하는 부산물인 함수(brine)와 처리된 폐수를 혼합하면 바닷물과 강물을 이용했을 때보다 두 배 많은 전력을 생산할 수 있다는 것을 발견하였다.

계산을 기초로, 연구팀은 PRO 시스템이 잠재적으로 해안의 폐수처리 공장과 연계하여, 재생에너지 생산을 이용한 폐수를 이용한 발전이 가능함을 보여주고 있다. Deer Island 폐수처리 설비가 있는 보스턴 항(Boston Harbor)의 경우 PRO 시스템은 이론적으로 폐수처리에 필요한 모든 전력을 공급할 수 있는 것으로 나타났다.

Banchik과 MIT의 John Lienhard 교수 및 사우디아라비아 King Fahd University of Petroleum and Minerals의 Mostafa Sharqawy는 본 연구결과를 Journal of Membrane Science ("Limits of power production due to finite membrane area in pressure retarded osmosis")지에 게재하였다.

단순화된 PRO 시스템 모델을 기반으로 하여 연구팀은 대규모 반투막을 길다란 사각형 탱크 중간에 설치하였다. 탱크의 한 쪽은 가압된 바닷물이고 다른 한 쪽은 강물 혹은 폐수로 채웠다. 삼투압을 통해 멤브레인은 물을 통과시키지만 염은 통과시키지 않는다. 결과적으로 담수(fresh water)만이 멤브레인을 통해 염도가 높은 쪽으로 이동하면서 균형을 맞추게 된다.

담수가 염도가 높은 쪽으로 유입됨에 따라, 염도가 높은 쪽의 막에서의 흐름 속도가 증가하는 반면에 압력이 높아지게 된다. 이렇게 가압된 혼합물은 탱크를 빠져나가면서 터빈을 돌려 에너지를 회수하게 된다.

다른 연구자들이 PRO 시스템의 전력 잠재력에 관심을 가졌으며, 이런 모델들은 쿠폰 크기의 멤브레인을 갖춘 실험실적 조건에서 유용할 뿐이라고 Banchik은 강조하였다. 이런 모델들은 염도와 유입되는 물의 흐름이 멤브레인에서 일정하게 유지된다는 가정을 하였다. 이런 안정적인 조건이라면, 이런 모델은 선형관계를 나타내게 된다: 즉, 멤브레인의 크기가 커질수록 더 많은 전력생산이 가능해진다.

그러나 발전소 정도의 거대한 시스템을 통과하는 흐름에서, 유체의 염도 및 흐름은 자연적으로 변하게 된다. 이런 변동성을 고려하여 연구팀은 열교환기와 유사한 모델을 개발하였다. 차량의 라디에이터가 공기와 냉매 사이의 열을 교환하는 것처럼, 본 시스템은 멤브레인을 통과하는 물을 통해 교환하게 된다.

연구팀은 다양한 멤브레인의 크기, 투과성 및 흐름속도를 포괄하는 분석모델을 개발하였다. 본 모델을 통해, 연구팀은 전력생산과 멤브레인 크기 사이의 비선형관계(nonlinear relationship)를 발견하였다. 대신에, 멤브레인의 크기가 증가할수록 생산되는 전력은 특정 지점까지 증가하다가 거의 수평을 유지(level off)한다는 것을 발견하였다. 비록 이 시스템이 특정 멤브레인 크기에서 최대 전력생산을 하게 되지만, 멤브레인의 크기를 절반으로 줄임에도 95%의 전력을 생산할 수 있다.

만약 PRO 시스템이 보스턴의 Deer Island 폐수처리 설비의 전력을 공급할 수 있다고 해도, 설비에 적용되는 멤브레인의 크기는 최소한 250만 제곱미터에 달하게 되고 이것은 전세계적으로 역삼투압방식을 적용하는 발전소 중 최대 크기의 멤브레인을 사용하는 상황이 된다.

그림 1> 단순화한 PRO 시스템에서, 염도가 낮은 쪽에서 염도가 높은 쪽으로 삼투압에 의해 이동하게 됨을 보여주고 있다.
그림 2> 바닷물과 강물이 4:1 비율일 때 전력이 최대로 생산됨을 보여주고 있다.

원문출처: Journal of Membrane Science, Volume 468, 15 October 2014, Pages 81–89, DOI: 10.1016/j.memsci.2014.05.021

[출처 =  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 / 2014년 8월 25일]

Where the river meets the sea, there is the potential to harness a significant amount of renewable energy, according to a team of mechanical engineers at MIT. The researchers evaluated an emerging method of power generation called pressure retarded osmosis (PRO), in which two streams of different salinity are mixed to produce energy.

In principle, a PRO system would take in river water and seawater on either side of a semi-permeable membrane. Through osmosis, water from the less-salty stream would cross the membrane to a pre-pressurized saltier side, creating a flow that can be sent through a turbine to recover power. The MIT team has now developed a model to evaluate the performance and optimal dimensions of large PRO systems. In general, the researchers found that the larger a system’s membrane, the more power can be produced — but only up to a point. Interestingly, 95 percent of a system’s maximum power output can be generated using only half or less of the maximum membrane area.

Leonardo Banchik, a graduate student in MIT’s Department of Mechanical Engineering, says reducing the size of the membrane needed to generate power would, in turn, lower much of the upfront cost of building a PRO plant. “People have been trying to figure out whether these systems would be viable at the intersection between the river and the sea,” Banchik says. “You can save money if you identify the membrane area beyond which there are rapidly diminishing returns.” Banchik and his colleagues were also able to estimate the maximum amount of power produced, given the salt concentrations of two streams: The greater the ratio of salinities, the more power can be generated.

For example, they found that a mix of brine, a byproduct of desalination, and treated wastewater can produce twice as much power as a combination of seawater and river water. Based on his calculations, Banchik says that a PRO system could potentially power a coastal wastewater-treatment plant by taking in seawater and combining it with treated wastewater to produce renewable energy. “Here in Boston Harbor, at the Deer Island Waste Water Treatment Plant, where wastewater meets the sea … PRO could theoretically supply all of the power required for treatment,” Banchik says. He and John Lienhard, the Abdul Latif Jameel Professor of Water and Food at MIT, along with Mostafa Sharqawy of King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saudi Arabia, report their results in the Journal of Membrane Science ("Limits of power production due to finite membrane area in pressure retarded osmosis").

Finding equilibrium in nature The team based its model on a simplified PRO system in which a large semi-permeable membrane divides a long rectangular tank. One side of the tank takes in pressurized salty seawater, while the other side takes in river water or wastewater. Through osmosis, the membrane lets through water, but not salt. As a result, freshwater is drawn through the membrane to balance the saltier side. “Nature wants to find an equilibrium between these two streams,” Banchik explains. As the freshwater enters the saltier side, it becomes pressurized while increasing the flow rate of the stream on the salty side of the membrane. This pressurized mixture exits the tank, and a turbine recovers energy from this flow.

Banchik says that while others have modeled the power potential of PRO systems, these models are mostly valid for laboratory-scale systems that incorporate “coupon-sized” membranes. Such models assume that the salinity and flow of incoming streams is constant along a membrane. Given such stable conditions, these models predict a linear relationship: the bigger the membrane, the more power generated. But in flowing through a system as large as a power plant, Banchik says, the streams’ salinity and flux will naturally change. To account for this variability, he and his colleagues developed a model based on an analogy with heat exchangers.

“Just as the radiator in your car exchanges heat between the air and a coolant, this system exchanges mass, or water, across a membrane,” Banchik says. “There’s a method in literature used for sizing heat exchangers, and we borrowed from that idea.”