KR101458429B1 - 염도차를 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염수와 담수의 삼투압을 이용하여 발전하는 압력지연 삼투압 발전장치(PRO)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼투막을 경계로 담수와 염수를 교차할 때, 담수측 수분이 삼투막을 통과하여 염수측으로 이동하게 되고 이에 의한 압력 증가가 유도 되고, 이를 이용한 발전 터빈 구동원으로 사용할 수 있는 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 삼투압 발전의 효율을 향상하기 위해서, 모듈의 운전압력을 높여서 분리막 면적당 출력을 향상 할 수 있는 공정구성 및 이의 운용 방법을 제공한다. 염수와 담수의 가압수단을 구비하고, 이로부터 압력이 증가된 염수와 담수를 삼투모듈에 공급하여 삼투압에 의해서 형성된 압력의 증가로 분리막의 망실 또는/동시에 스페이서와의 타이트 접촉에 의한 수분 투과도 감소 요인을 제거하여 분리막의 수분 투과속도를 향상하고, 이로 인하여 발전시스템의 효율이 증가되는 것을 특징으로 한다.

Description

염도차를 이용한 발전장치{Salinity gradient electric generating device}

본 발명은 염수와 담수의 이온농도차를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼투막을 경계로 담수와 염수를 교차할 때, 담수측 수분이 삼투막을 통과하여 염수측의 압력 증가가 유도되고, 이를 구동원으로 하는 발전장치에 관한 것이다.

최근 화석연료 가격의 계속적인 상승과, 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인하여, 기존의 화석연료 및 원자력에만 의존하던 전력생산방식의 탈피가 요구되고 있다.

수력발전은 발전소를 건설할 수 있는 장소적 제약이 크고 발전소 건설비용이 막대한 문제점이 있다. 그리고, 이에 따른 전력생산량도 미비하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기 공급에는 한계가 있다.

풍력발전 역시 건설할 수 있는 장소적 제약이 클 뿐만 아니라, 바람의 세기가 시간에 따라 변화하기 때문에 일정한 세기의 전력을 생산하는 것이 어려운 문제점이 있다. 또한, 수력발전과 마찬가지로 전력생산량도 미미하여, 국소단위의 전기공급은 가능하지만 국가 전체적인 안정적인 전기공급에는 한계가 있다.

그리고, 태양열발전은 발전을 위해서는 거대한 공간을 필요로 할 뿐만, 아니라 발전량도 적고 날씨에 따라 발전효율이 크게 달라서 보조적인 전력공급원에 지나지 않는다는 문제점이 있다.

새로운 신재생에너지원으로서 해양에너지에 관심이 집중되고 있으며, 해양 신재생에너지원으로 해양온도차, 파력, 조력 및 염도차 발전이 있다. 파력, 조력 및 해양온도차를 이용한 발전기술은 많은 발전이 진행된 반면 염도차 발전에 대해서는 상대적으로 연구가 진행되지 못한 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 염수와 담수간에 삼투압 활용률 향상으로 발전 효율이 증가된 발전장치의 구성과 이의 운용방법을 제공한다.

염농도차를 이용한 발전공정으로 PRO(pressure retard osmosis) 공정은 발전효율이 우수하여 많은 연구가 진행되었다. 상기 공정이 신재생 에너지원 상업발전 시설로서 경제성을 갖기 위해서는 수분 투과막의 전력생산 밀도 5W/㎡ 이상을 필요로 한다(T. Thorsen, T. Holt, "The potential for power production from salinity gradients by pressure retarded osmosis", J. Membr. Sci., 335 (2009), 103-110). 또한, 분리 모듈의 경쟁력을 향상하기 위해서 평막을 이용한 나권형 모듈 보다는 중공사막을 이용한 모듈 구성시 단위 부피당 비표면적을 향상할 수 있기 때문에 경쟁력을 향상 할 수 있다(Shuren Chou, et al., "Thin-film composite hollow fiber membranes for pressure retarded osmosis (PRO) process with high power density", Journal of Membrane Science, 389, (2012), 25-33).

PRO공정 운전조건별 성능 특성을 살펴보면, 운전압력 증가를 통하여 단위 면적당 출력(W/㎡)을 향상할 수 있다. 일례로, 11.5% 고농도 염수와 2.9% 저농도 염수를 사용하여, 드로우(고농도 염수)측 압력을 12bar 운용시 3.0W/㎡ 출력밀도를 얻을 수 있는 반면, 35bar 운용시 6.5W/㎡ 출력밀도를 얻을 수 있다. 즉, 운전압력의 상향을 통하여 출력밀도를 110% 향상 할 수 있다(Yu Chang Kim, "Potential of osmotic power generation by pressure retarded osmosis using sea water as feed solution: Analysis and experiments" JMS 429, 330-337(2013)). 이의 의미는 PRO 공정 구성시 분리막 사용량을 50% 이상 감소시킬 수 있기 때문에 경제성 또한 향상 할 수 있다는 의미이다.

그러나, 중공사 막에 고압을 부여할 때 압력에 의한 파손이 발생되기 때문에, 고압에 견딜 수 있는 분리막 개발이 기술적인 난제로 작용되고 있다. 즉, 내압성을 향상하기 위해서는 분리막 지지체의 치밀도와 두께 증가를 필요로 하나, 이에 따라서 수분 투과량은 감소하는 반비례 관계로서, 기술적으로 매우 어려운 난제로 PRO 실용화에 걸림돌로 작용되고 있다. 또한, 평막을 이용한 모듈 구성시 분리막과 스페이서를 적층하여 염수와 담수를 공급하는 공간을 부여하는데, 고압이 가해질 경우 분리막 전면과 후면에 스페이서 모양과 동일한 형태의 프린팅이 진행된다. 즉, 이에 따라서 분리막 면적의 축소(shadow effect)가 발생되며 분리막 면적 활용률이 감소되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 공정 구성을 통하여 상기 문제를 일소(一掃)할 수 있는 신공정과 이의 운용방법을 제시하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해수측의 절대압력을 높게 유지하여 단위면적당 출력을 향상함과 동시에 담수측의 압력 또한 높게 유지하여 양측 차압 최소화를 통하여 분리막의 파손을 방지한다.

해수와 담수의 공급압력을 상승시키기 위한 수단으로 다양한 방법이 사용될 수 있다. 일례로 고압펌프를 이용한 압력 증가, 염농도 차를 이용하여 압력을 획득하고 이를 구동원으로 하여 압력교환장치를 이용한 해수와 담수의 가압, 또는 이들의 혼용에 의한 방법도 가능하다. 다만, 에너지효율(net 생성에너지 극대화)을 고려하여 가급적 염농도 차를 이용한 가압 수단의 구비가 바람직한 형태가 될 수 있으나 본 발명에서 이의 수단을 한정하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명에 따른 염분차 발전장치는, 염수를 가압하는 염수가압수단; 담수를 가압하는 담수가압수단; 상기 염수가압수단과 연결되는 염수공간과 상기 담수가압수단과 연결되는 담수공간을 가지고, 상기 염수공간과 상기 담수공간의 경계에는 분리막이 설치되는 PRO모듈; 및 상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액에 의해 전기를 발생시키는 터빈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 염수가압펌프와 담수가압펌프인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액을 이용하는 압력교환기인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액을 이용하는 압력교환기와, 상기 압력교환기에서 배출되는 염수를 가압하는 염수가압펌프와, 상기 압력교환기에서 배출되는 담수를 가압하는 담수가압펌프를 포함하는 것도 가능하다.

상기 분리막은 평막 또는 중공사막으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 담수의 압력은 상기 염수의 압력 이하이고, 상기 염수의 압력과 상기 분리막의 허용압력의 차의 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 염도차를 이용한 PRO 공정의 운전 압력을 증가시켜 단위 면적당 발전량을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 PRO 공정용 분리막 개발방향에 전기를 제공한다. 즉, 평막과 중공사막 동일하게 강도와 수분투과도 동시만족 필요성의 해소를 통하여 본 분야에 더욱 경쟁력 있는 염도차 발전장치를 제공한다.

도 1은 종래기술에 따른 PRO 공정의 일반적인 구성도이다.
도 2는 본 발명 실시예 1에 따른 PRO 공정의 구성도이다.
도 3은 본 발명 실시예 2에 따른 PRO 공정의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 실험결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 실험결과 그래프이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

삼투막을 이용하여 에너지를 생산하는 PRO에 의한 염도차 발전장치(100)는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 구성된다. 가압된 염수는 염수공급라인(21)을 통하여 분리막 모듈내 담수공간(22)로 공급되고, 담수는 담수공급라인(24)를 통하여 PRO모듈(20)내 염수공간(25)으로 공급된다. 이어서 담수는 삼투압에 의해 분리막(27)을 통과하여 염수측공간(22)의 압력을 증가시키고 가압된 염수와 담수의 혼합용액은 혼합용액공급라인(23)을 통과하고 발전공급라인(30)과 백래시공급라인(32)으로 분기되어, 상기 백래시공급라인(32)의 혼합용액은 상기 염수공급라인(21)을 통해 공급되는 염수를 압축하기 위한 압력교환기(10)의 구동에너지원으로 사용되고, 상기 발전라인(30)의 혼합용액은 터빈(40)으로 공급되어 전기를 생산하는 구성을 따른다. 상기 압력교환기(10)를 통과한 혼합용액은 백래시배출라인(12)으로 배출되고, 상기 터빈(40)을 통과한 혼합용액은 터빈배출라인(33)으로 배출된다. 이 때, 상기 압력교환기(10)와 상기 PRO모듈(20) 사이에 염수가압펌프(28)를 추가적으로 구비하는 것도 가능하다.

또한, 담수공급라인(24)를 통하여 공급된 담수 중 상기 분리막(27)을 통과하지 못한 일부의 담수는 담수배출라인(26)을 통하여 배출된다. 이 때, 상기 담수배출라인(26)을 통해 배출되는 담수에는, 최초 담수공급라인(24)을 통해 배출되는 담수 중에 포함된 염과, 상기 분리막(27)을 반대방향으로 통과한 염이 담수 중에 포함되는데 이의 배출을 통하여 분리막(27) 양측에 농도차를 극대화하도록 운용된다.

상기 공정 효율은 전술한 바와 같이 고압 운용시 분리막 단위면적당 높은 에너지를 얻을 수 있다. 그러나, 분리막(27)은 염수측 공간(22)의 압력 증가에 따라서 팽창압력이 증가되어 분리막의 망실원인으로 작용되며, 또한, 분리막 간격을 유지하기 위한 스페이서(도면내 미 표기)와 분리막의 접촉간격이 좁아짐에 따라 수분 투과정도를 감소시키며 중공사막의 경우 팽창 또는 압축시 망실원인으로 작용한다. 즉, 막의 형태에 무관하게 마이너스 요인으로 작용된다.

전술된 바와 같이, 상기 공정의 효율은 운용압력에 종속적이며 사용염수의 이론적인 삼투압력 50%에서 운용시 분리막 단면적당 출력을 가장 크게 얻을 수 있다. 문헌자료에 따르면, 20중량% 염화나트륨 용액과 담수 교차시 운전 압력 70bar에서 최대 출력 80W/㎡을 얻을 수 있다(Elimelech et al., "Membrane-based processes for sustainable power generation using water", Nature v488, 2012).

따라서, 분리막의 망실을 억제하면서 높은 압력을 부여할 수 있는, 본 발명의 실시예인 도 2와 같이 구성(200)하여 담수측의 압력을 높게 유지하면 분리막(27)에 실제적으로 가해지는 압력차(ΔP)를 낮추어 분리막 자체의 내압성 부여와 함께 수분 투과도의 희생은 발생되지 않기 때문에 수분 투과성이 극대화된 저압용 반투막을 활용할 수 있다.

도 2에 따른 본 발명의 실시예 1에 따른 PRO에 의한 염도차 발전장치(200)의 구성 및 구동원리는 다음과 같다. 여기서, 도 1에서 사용된 구성과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 표기하고, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

다중압력교환기(50)에서 가압된 염수와 담수는 각각의 염수공급라인(21)과 담수공급라인(24)를 통하여 PRO모듈(20)의 염수공간(22) 및 담수공간(25)으로 각각 공급된다. 그리고, 담수중 수분은 반투막(27)을 통과하여 염수측의 압력을 증가시킨다. 이어서 압력이 증가된 염수와 담수의 혼합용액은 혼합용액공급라인(23)으로 배출되고, 상기 혼합용액공급라인(23)에서 발전공급라인(30)과 백래시공급라인(32)이 분기되고, 상기 백래시공급라인(32)은 상기 다중압력교환기(50)과 연결되고, 상기 발전공급라인(30)은 터빈(40)과 연결된다. 상기 다중압력교환기(50)로 공급된 혼합용액은 염수와 담수의 압력을 각각 상승시키고 백래시배출라인(52)를 통하여 배출된다. 또, 터빈(40)을 통과한 혼합용액은 터빈배출라인(33)으로 배출된다.

이러한 구성을 통하여 종래기술에 비하여, 동일한 분리막(27)을 사용하고, 담수측 압력을 상승시키면서도 상기 분리막(27) 양측(염수, 담수)의 압력차(ΔP)를 감소시킬 수 있다.

상기 다중압력교환기(50)와 상기 PRO모듈(20)의 사이에 상기 담수공급라인(24) 및 상기 염수공급라인(21)에는 각각 담수가압펌프(29)와 염수가압펌프(29)를 설치하는 것도 가능하다.

따라서, 도 2에 도시된 공정에서 가압 수단은, 다중압력교환기(50)를 대신 담수가압펌프(29)와 염수가압펌프(29)만으로 작동전기 교체되어도 무방하다. 그리고, 다른 종류의 가압수단, 예를 들어 풍력 등을 이용한 양수시설을 사용하는 것도 가능하다. 다만, 효율을 고려하여 염수-담수간 삼투압차를 사용하여 발생된 압력을 구동원으로 사용하는 도 2의 구성이 효과적일 수 있다.

상기 도 2의 구성에서 염수와 담수를 가압하기 위한 수단으로, 다종 가압을 위한 압력교환기(50)을 명시하고 있으나, 본 발명을 사상을 만족하는 범위내에서 변형도 가능하다. 일례로, 도 3에 도시된 본 발명의 실시예 2에 따른 염분차 발전장치(300)와 같이 피압축 물질인 염수와 담수용도로 독립된 2개의 압력교환기(60, 70)로 분할 구성도 가능하다. 따라서, 백래시공급라인(32)은 분기백래시공급라인(76)으로 분지되어, 상기 압력교환기(60,70)에 각각 공급된다. 이 결과, 염수공급라인(62)은 상기 염수측 압력교환기(60)를 통과하고, 담수공급라인(72)은 담수측 압력교환기(70)를 통과한다. 그리고, 상기 압력교환기(60,70)은 각각 백래시배출라인(64,74)를 통해 혼합용액을 배출하게 된다.

이러한 구성은, 압력교환기의 가격과 안정성을 고려하여 선택될 수 있다. 그러나, 어떠한 경우도, 분리막에 가해지는 압력을 상쇄하기 위해서 가압하기 위한 수단을 구비하고 이를 사용하여 담수를 가압하여 공급하는 것은 본 발명의 범위에 포함된다.

이하, 본 발명의 실시예 2에 다른 염분차 발전장치(200)의 운전 방법을 설명한다. 염수공간(22)과 담수공간(25)의 압력차를 분리막(27)이 망실되지 않는 범위 일례로, 0-80bar, 바람직 하기로는 5-50bar, 더욱 바람직하기로는 5-15bar 정도로 분리막이 망실되지 않는 허용범위에서 높은 압력차를 부여하는 것이, 압축된 염수의 낭비 요인을 최소화하는 운용방법이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

다음으로, 본 발명의 실험예에 대해 설명한다. 실험예에서는 본 발명에 따른 공정의 발전효율을 측정하였다. 실험예1에서는 종래기술에 따른 염분차 발전장치(100)에 따른 출력을 측정하였으며, 실험예2에서는 본 발명의 실시예 1에 따른 염분차 발전장치(200)의 구성에 대하여 출력을 측정하였다. 두 실험결과의 비교로 부터 본 발명의 효과를 명확하게 이해할 수 있다.

[실험예 1]

통상적인 PRO 운전조건과 같이, 담수를 공급압력을 0.1bar 수준으로 공급하고, 염수측의 압력을 증가시키면서 염수 및 해수의 배출량을 측정하여 담수의 이동량(flux)을 계산하고, 이를 이용하여 출력(W/㎡)을 산출하였다.

상기 실험은, HTI사 평막을 사용하고, 소형테스트 셀(분리막 active area 132㎠)을 사용하여 진행하였다. 테스트셀은 압력에 견딜 수 있도록 담수측에 다공성 지지대가 위치하며 이의 위에 분리막을 위치하여 염수측으로부터 가해지는 압력에 견디도록 제작되었다.

실험결과는 도 4에 정리한 바와 같다. 여기서, 색채움 기호(▲●■◆)는 압력증가에 따른 수분투과도를 나타내고, 색비움 기호(△○□◇)는 압력증가에 따른 출력을 나타낸다. 압력 증가에 따라서 수분 투과도는 선형적으로 감소하고, 염수측 염농도 증가에 따라서 수분 투과 절대량은 증가되고, 출력 최대값이 존재하는 경향이다. 염농도 1.0M 조건의 결과를 보면, 분리막 단위면적당 출력(W/㎡)은 삼투압의 절반 영역인 17bar 부근에서 최대 2.5 W/㎡를 얻었다.

[실험예 2]

본 발명에 따른 효과를 확인하기 위하여 비교실험을 진행하였다. 테스트 장치와 조건은 상기 실험예 1과 동일하다. 다만, 담수측에 별도의 담수가압펌프(29)를 설치하고, 염수측과 담수측의 압력 차이를 변화시키면서 수분투과량을 측정하였다.

실험결과 도 5에 정리한바와 같이, 염수농도 1.7M 조건에서 담수의 공급압력을 20 bar로 유지하고 운전압력, △P가 5bar 인 경우에 8.5 W/㎡ 출력을 얻었으나 담수를 가압공급하지 않은 경우에는 동일한 조건에서 1.7 W/㎡ 출력을 얻었으며, 이는 500% 향상된 출력으로 본 발명의 효과를 볼 수 있는 부분이다.

따라서, 상기 담수의 압력은 상기 염수의 압력 이하이고, 상기 염수의 압력과 분리막의 허용압력(분리막이 망실되지 않는 한계압력에서 안전계수를 고려한 것)의 차의 이상으로 가압하면, 종래기술에 비해 상당한 큰 출력의 발전이 가능하다.

10,50,60,70: 압력교환기 12,52,64,74: 백래시배출라인
20: PRO 모듈 21,62: 염수공급라인
22: 염수공간 23: 혼합용액공급라인
24,72: 담수공급라인 25: 담수공간
26: 담수배출라인 27: 분리막
28: 염수가압펌프 29: 담수가압펌프
30: 발전공급라인 32,76: 백래시공급라인
33: 터빈배출라인 40: 발전터빈
100,200,300: 염분차 발전장치

Claims (7)

1. 염수를 가압하는 염수가압수단;
   담수를 가압하는 담수가압수단;
   상기 염수가압수단과 연결되는 염수공간과 상기 담수가압수단과 연결되는 담수공간을 가지고, 상기 염수공간과 상기 담수공간의 경계에는 분리막이 설치되는 PRO모듈; 및
   상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액에 의해 전기를 발생시키는 터빈을 포함하고,
   상기 담수의 압력은 상기 염수의 압력 이하이고,
   동시에 상기 담수의 압력은, 상기 염수의 압력과 상기 분리막의 허용압력의 차 이상이며,
   상기 담수의 압력은 상기 분리막의 허용압력보다 큰 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 염수가압펌프와 담수가압펌프인 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액을 이용하는 압력교환기인 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 염수가압수단과 상기 담수가압수단은 상기 PRO모듈에서 배출되는 혼합용액을 이용하는 압력교환기와, 상기 압력교환기에서 배출되는 염수를 가압하는 염수가압펌프와, 상기 압력교환기에서 배출되는 담수를 가압하는 담수가압펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 평막인 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
6. 제1항에 있어서, 삼투막이 중공사막인 것을 특징으로 하는 염분차 발전장치.
   
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