해수와 담수가 만나는 지점에서의 염도 구배에 의해 생성된 에너지를 활용하는 방안은 재생가능한 전력원 제공 및 기후 변화 효과 저감을 가능하게 한다. 또한 화석연료에 대한 의존도를 낮추고 해수 담수화 산업의 공정 향상에 기여할 수 있다. 호주 Griffith 대학교 연구진은 이와 관련한 연구 결과를 Renewable and Sustainable Energy Reviews 최신호에 게재하였다.
Fernanda Helfer 박사와 Charles Lemckert 교수는 담수가 서로 다른 염도를 가진 해수와 혼합될 때 배출되는 염도 구배 에너지(salinity gradient energy)의 잠재력에 대한 연구 조사를 재분석하였다. 특히, 이러한 에너지를 추출하고 활용할 수 있는 탄소 무배출 공정으로서의 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 효능에 대해 집중적으로 살펴보았다. PRO 기술은 서로 다른 염 함량과 물의 흐름을 구분짓는 반투과막으로 구성되어 있으며, 터빈을 통해 감압하는 즉시 전기 에너지가 발생하게 된다. PRO 기술의 광범위한 활용 가능성은, 오랫동안 비용과 품질에 대한 문제로 인해 빛을 발하지 못했다. 하지만 에너지 가격 상승과 기후 변화의 잠재적 영향에 대한 우려가 커짐에 따라, PRO 기술과 염도 구배 에너지에 대한 관심이 다시 커지고 있다.
Lemckert 교수팀은 “염도 구배 전력: 호주 사례를 중심으로(The power of salinity gradients: an Australian example)”를 제목으로 이번 논문을 발표하였으며, 호주의 삼투압 전력 생산 상황에 맞는 기술 개발에 초점을 맞췄다. Helfer 박사는 “호주는 다양한 염류 용액 발생원을 가지고 있으며, PRO 플랜트 가동을 위한 용액으로 활용이 가능하다. 일례로, 소금 호수, 담수화 플랜트에서 발생한 브라인(brine), 지하수 내 염류 등이 있다. 호주의 가장 큰 도심 중심부는 해안 가까이에 위치해 있으며, 하구와도 가깝다. 이러한 지형은 삼투압 전력 생산 플랜트 건설에 최적이다”라고 강조하였다.
이번 연구에서의 독특한 관점은, 해수 담수화 공정에서 배출되는 브라인의 활용 방안을 모색하면서, 삼투압 에너지원으로 이용하고자 제안된 것이다. Helfer 박사는 “PRO 기술이 현재 수준에서는 능률적이지 못하더라도, 실험실 조건 하에서 생성된 전력이나 다른 연구 기관에서 발표된 결과를 바탕으로 살펴보면, 해수 담수화 플랜트 인근에 건설한 PRO 플랜트의 가동을 통해 해수와 브라인 혼합에 의한 전력 에너지 생산이 가능함을 알 수 있다. 이렇게 생산된 전력은 해수 담수화 플랜트에서 이용할 수 있다. 담수화 플랜트에서 배출한 브라인으로 생산된 전기를 다시 담수화 플랜트로 공급하는 셈”이라고 덧붙였다.
Helfer 박사와 Lemckert 교수는 PRO 막기술의 상업적 이용가능성과 신뢰성을 보장하기 위해서는 상당한 기술적, 경제적 향상이 필요하다는 점은 동의하였다. 하지만 연구진은 PRO-지원 담수화 기술이 미래 해수 담수화 산업의 화석 연료 의존도 감소 및 환경 영향 최소화 등에 기여할 전도유망한 대체 기술이 될 수 있을 것으로 보고 있다.
Into the mix: Harnessing the energy when freshwater meets the sea
Harnessing the energy created from salinity gradients -- for example, when freshwater meets the sea -- could provide a renewable source of power able to mitigate climate change impacts, reduce reliance on fossil fuels and improve processes within the desalination industry, according to new research from Griffith University (Queensland, Australia).
In a paper published in the journal Renewable and Sustainable Energy Reviews, Dr Fernanda Helfer and Professor Charles Lemckert, from Griffith's School of Engineering, review investigations into the potential of salinity gradient energy, which is released when waters with different salinities mix.
In particular, the paper explores the efficacy of Pressure Retarded Osmosis (PRO) as a carbon emission-free process to extract and implement this energy.
PRO technology comprises a semi-permeable membrane that separates water flows with different salt contents, creating a solution that, once depressurised via a turbine, produces electrical energy.
Broad implementation of PRO has long been hampered by issues of cost and quality, but rising energy prices and growing acknowledgment of the potential impact of climate change have brought PRO and salinity gradient energy into renewed focus.
In their paper, "The power of salinity gradients: an Australian example," Professor Lemckert and Dr Helfer contend that Australia is particularly suited to osmotic power production.
"Australia has various sources of saline solutions that could be used as draw solutions for PRO plants. These include salt lakes, brine from desalination plants and saline ground water," says Dr Helfer.
"The largest Australian urban centres are located near the ocean and close to river mouths, ideal conditions for the construction of osmotic power plants."
A unique aspect of the study is the suggestion of the use of brine-which is rejected during the desalination process--as a source of osmotic energy.
"Even taking into account the current inefficiencies of PRO, and based on the power generated under laboratory conditions and published by other institutions, a mixture of seawater and brine could generate power in a PRO plant adjacent to a desalination plant," says Dr Helfer.
"This power would be used in the desalination process while the PRO plant, in turn, would use the reject brine as the draw solution and seawater as the feed solution."
Dr Helfer and Professor Lemckert agree that significant technical and economic improvements are required to ensure the commercial viability and credibility of PRO membrane technology.
However, they also consider PRO-assisted desalination a promising alternative for the industry worldwide, one that provides power to the desalination process--thus reducing the industry's reliance on fossil fuels--and the opportunity to minimise environmental impacts caused by the discharge of concentrated brine into the sea.
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