KR20090086246A - 삼투 열기관 - Google Patents

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KR20090086246A
KR20090086246A KR1020097011700A KR20097011700A KR20090086246A KR 20090086246 A KR20090086246 A KR 20090086246A KR 1020097011700 A KR1020097011700 A KR 1020097011700A KR 20097011700 A KR20097011700 A KR 20097011700A KR 20090086246 A KR20090086246 A KR 20090086246A
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기니스 로버트 엘. 맥
메나헴 엘리멜릭
컷천 제프리 맥
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예일 유니버시티
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Abstract

삼투압을 전력으로 전환시키기 위하여 반투성 막을 사용하여 열에너지를 기계적 일로 전환하는 방법. 삼투 열기관(OHE)으로 알려진 폐쇄 사이클 압력 지연 삼투(PRO) 프로세스는 유압 구배에 대하여 반투성 막을 통하여 물 플럭스를 발생시키는 높은 삼투압을 생성하기 위하여 농축된 암모니아-이산화탄소 유입 용액을 사용한다. 증가된 유입 용액 부피가 터빈에서 감압되어 전력을 생산한다. 이 프로세스는 희석된 유입 용액을 상기 삼투 열기관에서 재사용되도록 재농축된 유입 용액 및 이온이 제거된 물의 작동 유체로 분리시켜 정상 상태의 작동을 유지한다.
삼투 열기관, OHE, PRO, 압력 지연 삼투, 삼투압, 유압, 플럭스

Description

삼투 열기관 {OSMOTIC HEAT ENGINE}
본 출원은 2006년 11월 9일에 출원된 미국 가출원 제60/858,245호의 이익을 주장하고, 상기 가출원의 요지가 본 명세서에 통합되어 전체로서 참조된다.
본 발명은 삼투압을 전력으로 전환시키기 위하여 반투성 막을 사용하는, 열에너지를 기계적 일로 전환하기 위한 삼투 열기관에 관한 것이다.
이산화탄소 배출에 대한 규제의 확대와 함께 에너지에 대한 세계적 수요의 증가는 재생 가능한 에너지에 대한 관심을 확대시키고, 연료 사용의 효율을 개선하였다. 그러나, 새로운 연료 및 에너지 기술의 선택에 관한 중요한 제약은 이러한 수단에 의하여 생산되는 동력의 비용이다. 보조금 및 다른 형태의 인위적 지원이 이러한 재생 가능한 에너지원의 도입을 보조할 수 있겠지만, 총 에너지 비용으로 전통적인 연료를 성공적으로 대체할 필요가 있다.
압력 지연 삼투(Pressure retarded osmosis)(PRO), 혹은 종종 언급되는 바와 같이 "염분 동력(salinity power)"은 막 기반 삼투압 에너지 전환 프로세스이다. PRO는 전기를 발생시키기 위하여 반투성 막을 가로지르는 삼투 유동을 이용한다. PRO 프로세스는 예컨대, 롭(Loeb)에게 허여된 미국 특허 제3,906,250호, 윈거튼(Weingarten) 등에게 허여된 미국 특허 제3,587,227호 및 젤리넥(Jellinek)에게 허여된 미국 특허 제3,978,344호에서 검토되며, 각 발명의 요지는 본 명세서에 통합되어 전체로서 참조된다.
처음에, PRO 기술을 사용하는데 적합하다고 여겨지는 위치는 해양, 사해, 그레이트 솔트 호(the Great Salt Lake)와 같은 염수역(saline water bodies)에서의 강의 삼각주에 초점이 맞춰졌다. 이들 위치에서, 강으로부터의 담수가 해수와 자유롭게 혼합되는 곳에 삼투압 구배가 존재한다. PRO 프로세스는 이 화학 에너지를 이용하고, 화학 에너지를 전기로 바꾼다. 종래 기술의 PRO 프로세스에서, 염수는 가압되어, 반투성 막을 가로질러 담수의 반대편에 위치되었다. 해수와 (해수로 유도된 유압보다 큰) 담수 사이의 삼투압 차이는 막을 가로지르는 삼투 플럭스가 생기게 한다. 가압된 해수로의 플럭스가 생길 때, 전기를 발생시키는 수력 터빈(hydroturbine)(또는 다른 수단)을 통한 팽창에 의하여 압력이 줄어든다.
"개방 루프(open loop)"라고도 알려진, 강의 삼각주에서의 PRO 프로세스는 몇가지 작동 한계 및 설계 한계를 가진다. 첫번째는 프로세스 막과 부품의 오염을 방지를 위하여 탈염(desalination) 프로세스에서 요구되는 것과 유사한, 공급액 및 유입액 스트림의 광범위한 예비 처리가 필요하다는 것이다.
또 다른 어려움은 다양한 자연 공급수들 사이에서 발견되는 낮은 삼투압차에 의하여 발생한다. 즉, 염수역이 사해나 그레이트 솔트호와 같은 과염분 상태가 아니라면, 이용 가능한 삼투압차는 특별히 높지 않다. 불행히도, 이러한 수역으로의 물의 부피 유동은 다소 작기 때문에, 잘 설계된 PRO 프로세스라도 제한된 동력을 산출할 것이다. 예를 들어, 해수는 삼투압이 대략 2.53MPa(25atm)이며, 이는 효율 적인 동력 생산을 하는데 바람직한 고유압으로 여겨지지 않는다. 고농도의 스트림이 고려되는 경우, 더 높은 유압이 사용될 수 있으나, 프로세스 효율은 프로세스에 사용되는 막의 지지 구조부에서 생기는 내부 농도 분극(internal concentration polarization)(ICP)으로 인하여 상당히 저하될 것이다. 이 현상은 특히 더 농축된 스트림에 의하여 발생되는 증가된 유압에 대항하기 위하여 지지 층의 두께가 커짐에 따라 악화된다.
마지막 고려 사항은 하구(河口), 습지대 및 만과 같이 대개 환경적으로 상당히 중요한 지역인 자연 스트림들 사이의 경계에 동력 시설을 위치시키는 것이 어렵다는 것이다.
그러나, 실행 가능한 PRO 프로세스에 대한 주된 장애는 열악한 막 성능이다. PRO에 대한 종래의 연구를 통해 동력 발생을 실행 가능하도록 하기에 막의 플럭스 성능이 너무 열악하다는 것이 드러났다. 농도 분극(concentration polarization)이라 불리는 현상으로 인한 낮은 플럭스 속도는 동력을 발생시키기 위한 충분한 부피 유동을 얻기 위하여 더 많은 막 면적의 사용을 필요로 한다.
플럭스는 희석된 "공급" 용액(담수)으로부터 농축된 "유입" 용액(해수) 쪽으로 생긴다. 이러한 일이 일어날 때, 공급액 측의 막의 표면을 따라 용질이 쌓인다. 막의 투과측 상에서 용매가 막의 표면을 따라 용해되지 않은 용질을 희석시킨다. 막 표면에서의 용질 농도는 막을 가로지르는 진정한 삼투압차를 나타내기 때문에, 높은 플럭스를 확보하기 위해서는 이러한 농도 분극 현상이 최소화되어야 한다. 과도한 농도 분극 현상은 교차 유동에 의하여 가라 앉혀질 수 있고, 막 표면 근처의 난류는 이러한 경계층의 두께를 감소시킬 수 있다.
불행히도, 현재 사용되는 막은 구조적으로 비대칭이다. 이러한 막에서, 얇은 분리 층["활성 층(active layer)"이라고도 불리우는, 염을 제거하는 층]은 막에 기계적 강도를 제공하는 다공성 지지층에 의하여 지지된다. 이러한 막은 역삼투(RO)와 같은, 압력 구동 막 처리를 위하여 설계된다. 역삼투에서는 물이 실제로 유압에 의하여 막을 통하여 가압되기 때문에, 이러한 지지층은 유동을 제지하지 않는다. 반면, 삼투 유동에서 삼투압 구동력은 얇은 활성 층에 대해서만 성립한다. 다공성 지지층은 삼투 플럭스 성능에 있어서 중요한 대개 저지하는(hindering) 역할을 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상당한 농도 분극층이 공급액 측 상의 다공성 지지층 내부에 형성될 수 있다. "내부 농도 분극"(ICP)이라 불리는, 상기 농도 분극 층은 막에 대한 외부 농도 분극층(ECP)보다 삼투압에 훨씬 더 큰 영향을 끼친다. ICP의 최소화 또는 제거는 실행 가능한 압력 지연 삼투의 성능에 대하여 결정적이다. 막은 여전히 높은 정도까지 염을 제거할 수 있어야 하나, 물을 잘 투과할 수 있어야 한다.
PRO 용도에서, 유입 용액은 합리적인 양의 동력을 발생시키기 위하여 삼투압이 높아야 한다. 그러나 강의 삼각주 PRO에서, 삼투압 구배는 약간 작다. 삼투압 구배가 작을수록, 많은 부피 유동을 발생시키기 위하여 막 면적이 더 많이 필요하다. ICP 및 오염 현상과 관련된 이 문제는 이용 가능한 삼투압을 더 작게 만든다. 유입 용질과 관련된 다른 문제는 시스템 구성품 및 막과의 양립 가능성 문제를 포 함한다. 해수는 금속 부품을 부식시킬 수 있고, 담수와 해수 모두는 막을 포함한 시스템 구성품에 생물 부착(biofouling)을 일으키는 생물학적 성분을 함유할 수 있다.
또한 강의 삼각주 PRO는 개방-루프 구조에서 진행된다. 이는 PRO 프로세스가 완료된 후에, 공급 및 유입 용액이 해양으로 되돌아간다는 것을 의미한다. 해수와 강물이 PRO 시스템으로 들어올 때, 바이오 필름(biofilm) 형성 및 오염 방지를 위하여 각각 여과되고, 살균되어야 한다. 이러한 물에 첨가되는 임의의 화학 물질은 프로젝트의 전체 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 바다에 씻겨져 나가거나 물리적 또는 화학적 수단을 통하여 제거되어야 한다. 살균 화학물 및 살균 부산물의 처리는 예상치 않은 환경적 영향을 끼칠 수 있다. 강의 종착지가 변경되는 것 또한 예민한 삼각주 생태계에 환경적 영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 실행 가능한 압력 지연 삼투 프로세스를 생성하기 위하여, 삼투 작용제(osmotic agent)를 재순환시키기 위하여 저온의 열을 사용하는 폐쇄 사이클 PRO 시스템을 사용하는 것이 제안되어 있다. 이 접근은 자연의 염분 구배를 이용하지 않는 대신, 일을 생산하기 위한 매체로서 삼투압의 사용을 탐구하여, 환경적으로 양호한 저온의 열원을 전력으로 전환할 수 있다. 몇몇 프로세스에서, 유입 용액은 예컨대 롭(Loeb)에게 허여된 미국 특허 제3,906,250호에 기술된 것과 같이 염화나트륨과 같은 이온염의 용액이다. OHE에 가해진 열은 물의 일부를 증기로 증발시킴으로써 유입 용액을 재농축시킬 것이고, 이후 이온이 제거된 작동 유체를 형성하기 위하여 응축될 것이다. 다른 프로세스는 휘발성 유기 용질의 제거 또는 재 용해에 따른 용질의 화학적 침전을 수반한다.
물과 유기 용질을 증발시키기 위한 높은 열 입력 조건 때문에, 이러한 OHE가 직면하는 주된 어려움은 열악한 열 효율이다. 화학적으로 침전 가능한 용질의 경우에, 화학적 공급 축적 소비는 경제적인 작동에 어려움을 유발할 수 있다. 부가적인 문제점은 공급수에서 농도 분극(CP) 효과를 회피하기 위한, 완전히 충분한 용질 분리를 얻는 것이 어렵다는 것이다. 이는 물이 증류된 작동 유체로서 증발되어 재응축된다면 문제가 되지 않으나, 완전히 제거하기는 어려운 제거 가능한 유입 용질을 사용할 때 심각한 문제를 유발할 수 있다.
이는 삼투적으로 구동되는 막 프로세스에 부가적이고, 재발하는 문제점-높은 삼투압을 생성하고 재사용을 위해 잘 제거될 수 있는 용질을 특정하는 것이 어렵다는 것-을 암시한다. 작동 유체(공급 용액)에서 내부 농도 분극 효과는 막의 물 플럭스를 현저하게 감소시킬 수 있기 때문에, 거의 완전히 제거할 수 있는지가 중요하다. 따라서, 이상적인 삼투 열기관은 다음의 특징을 갖는 유입 용질을 사용할 것이다: (1) 잘 용해되고; (2) 완전히 제거 가능하고; (3) 막 시스템에서 효율적인 질량 전달을 위하여 높은 확산 계수를 가지고, (4) 물 또는 용해가 잘 되는 유기 용질의 증발에 필요한 용질을 제거하는데 적은 열이 필요한, 유입 용질.
본 발명은 저급 열원으로부터 전력을 발생시키기 위하여 삼투압을 사용하는 대안적인 동력 생산 수단을 제안함으로써 종래 기술의 언급된 문제의 일부를 극복하기 위한 시도로서 본 명세서에 기술되어 있다. 자연의 해수와 담수 스트림의 혼합으로부터 "염분 동력"을 전환시키는데 사용되는 것과 같은, 동력을 생산하기 위 하여 삼투 현상을 사용하는 몇몇 연구가 종래에도 행해졌으나, 상대적으로 열 전환을 통하여 동력을 생산하기 위한 삼투 현상의 사용에 초점이 맞춰진 연구는 거의 없었다.
본 발명의 목적은 작동 유체로서 희석된 (거의 이온이 제거된) 물 및 내부 농도 분극이 막을 가로지르는 물의 삼투 유동을 방해하지 않도록 구성된 막을 포함하는 삼투 열기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시스템 구성품 모두와 충분히 양립할 수 있는 유입 용질을 가진 삼투 열기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 잘 용해되고 완전히 제거될 수 있는 유입 용질을 사용하는 삼투 열기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 큰 삼투압 구배를 제공하는 유입 용질을 가진 삼투 열기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 PRO 프로세스의 환경적 영향을 완화시키는 삼투 열기관을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 대체로 재순환 가능한 유입 용질을 이용하는 폐쇄 루프 PRO 프로세스에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법에 관한 것이며,
a) 농축된 유입 용액을 반투성 막의 제1 측면 상에 삼투압보다 낮은 유압까지 가압하는 단계;
b) 희석된 (거의 이온이 제거된) 작동 유체를 반투성 막의 반대측 상으로 유도하는 단계;
c) 유입 용액의 부피를 팽창시키는 물 플럭스를 생성하기 위하여 희석된 작동 유체의 일부가 반투성 막을 통하여 가압된 유입 용액 안으로 유동하도록 하는 단계;
d) 동력을 생산하기 위하여 팽창된 부피의 유입 용액이 터빈을 통하여 유동하도록 유도하는 단계; 및
e) 유입 용액에서 용질을 분리시키기 위하여 적절한 온도 및 압력에서 증류 탑을 통하여 팽창된 부피의 유입 용액을 처리하고, 이로써 시스템에서 재사용되는 새로운 유입 용액 및 작동 유체 스트림을 생산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 더 충분한 이해를 위하여, 첨부 도면과 관련하여 이하 상세한 설명이 참조될 수 있다.
도 1은 막의 공급액 측에 내부 농도 분극이 존재하고, 막의 유입 용액 측에 외부 농도 분극이 존재하는 PRO 프로세스를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 삼투 열기관을 도시한다.
도 3은 플럭스 데이터를 도시하며, 막에 대한 물 플럭스와 유입 용액 농도 사이의 관계를 도시한다.
도 4는 본 발명의 삼투 열기관에서 유압 및 삼투압에 대한 막의 동력 밀도를 도시한다.
도 5는 유입 용액의 유압과 삼투압 사이의 차이에 대한 카르노 엔진 효율의 백분율로서 삼투 열기관의 효율을 도시한다.
본 발명은 대체로
a) 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 농축된 유입 용액을 반투성 막의 제1 측면 상에 삼투압보다 낮은 유압까지 가압하는 단계;
b) 이온이 거의 제거된 물이 포함된 희석된 작동 유체를 반투성 막의 반대측 상으로 유도하는 단계;
c) 유입 용액의 부피를 팽창시키는 물 플럭스를 생성하기 위하여 희석된 작동 유체의 일부가 반투성 막을 통하여 가압된 유입 용액 안으로 유동하도록 하는 단계;
d) 동력을 생산하기 위하여 팽창된 부피의 유입 용액이 터빈을 통하여 유동하도록 유도하는 단계; 및
e) 유입 용액에서 용질을 분리시키기 위하여 적절한 온도 및 압력에서 증류 탑을 통하여 팽창된 부피의 유입 용액을 처리하고, 이로써 시스템에서 재사용되는 새로운 유입 용액 및 작동 유체 스트림을 생산하는 단계를 포함하는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법에 관한 것이다.
본 명세서에 기술된 삼투 열기관은 가스 터빈(브레이튼 사이클), 증기 터빈(랭킨 사이클), 내연 기관(가솔린, 디젤) 및 외연 기관(스터링 기관)을 포함하는 다양한 종류의 열기관에 비견되도록 설계되었다.
본 발명은 폐쇄 사이클 삼투 열기관에 관한 것이다. 시스템은 암모니아-이산화탄소 유입 용액과 이온이 제거된 물의 작동 유체를 사용한다. 이온이 제거된 물의 작동 유체는 실질적으로(또는 거의) 이온이 제거된 물을 포함한다. 이온이 거의 제거되었다는 의미는 이온이 제거된 물의 작동 유체가 1ppm보다 적은 암모니아 및 이산화탄소를 함유하며 다른 용질은 포함하지 않는다는 의미이다. 유입 용액은 잘 용해되고, 삼투 효율적이며 완전히 제거 가능하고 재순환이 가능한 용질을 포함한다. 작동 유체로서 이온이 제거된 물을 사용하는 것은 내부 농도 분극 효과를 제거함으로써 막의 질량 전달을 극대화한다.
유입 용액은 암모니아 및 이산화탄소를 물 안으로 유도함으로써 형성되는 암모늄염을 포함하고, 전력을 발생시키는 본 발명의 OHE에 사용된다. 유입 용액은 중탄산암모늄염, 탄산암모늄 및 카밤산암모늄(ammonium carbamate)를 포함하는 암모늄염의 복합 용액을 형성하기 위하여 중탄산암모늄을 수산화암모늄과 혼합함으로써 형성된다. 유입 용액에 이온화되지 않은 암모니아의 농도를 최소화하기 위하여, 첨가되는 수산화암모늄의 양을 최소화한다. 농축된 유입 용액은 암모니아 대 이산화탄소의 비가 약 1:1에서 2.5:1 사이이다. 또한, 유입 용액의 농도는 0.1M(molar)와 12M 사이의 농도, 바람직하게는 대략 3M 내지 대략 6M 사이이다.
이 유입 용액은 다음과 같은 몇 가지 바람직한 특성을 가진다. (1) 암모늄염의 높은 용해성; (2) 높은 삼투압, 및 적당한 외부 농도 분극 효과를 가져오는 화학종(chemical species)의 비교적 낮은 분자량 및 높은 확산 계수; (3) 적절한 온도와 압력[예컨대, 101.3kPa(1atm)에서 60℃]에서 유입 용액을 가열할 때, 암모늄염이 1ppm 보다 낮은 레벨까지 쉽게 제거될 수 있는 암모니아 및 이산화탄소 기체로 분해되어 거의 완전히 제거 가능한 용질; 및 (4) 대량의 물로부터 이러한 용질을 제거 및 재순환시키는데 필요한 열에너지가 물 자체를 증발시키는데 필요한 열에너지보다 상당히 적다.
본 발명의 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관에서, 농축된 유입 용액은 삼투압보다 낮은 유압까지 가압되고, 희석된 작동 유체(1ppm 보다 적은 암모니아 및 이산화탄소를 함유하는 이온이 제거된 물)는 반투성 막을 통하여 가압된 용액 안으로 유동하고, 이 물 플럭스가 유입 용액의 부피를 팽창시키고, 터빈을 통하는 유동을 유도하고, 동력을 생산한다. 열이 삼투 열기관 안으로 유도되어 유입 용액으로부터 용질을 분리시키고, 결과적으로 새로운 유입 용액 및 작동 유체 스트림이 만들어진다. 역삼투(RO) 탈염에 사용되는 것과 유사한 압력 교환기가 정상 상태로 작동시 막의 유입 용액측의 압력을 유지하기 위하여 사용된다.
본 발명은 PRO에 재순환이 가능한 유입 용질을 사용하여, 유입 용액을 재발생시키는 시스템으로 열이 투입되고, 잉여열은 어떤식으로든 주위로 제거된다. 상기 시스템은 열이 흡수되어 제거되고, 일이 생산되기 때문에 "삼투 열기관"으로 알려져 있다. 다른 개념의 이러한 종류의 시스템이 이전에 고안되었으나, 열악한 막 성능 및/또는 열의 비효율적인 사용에 의하여, 부분적으로는 선택된 유입 용액제의 불충분한 성능 및 심한 내부 농도 분극 효과로 인해, 그 이상의 개발이 제한되었다.
종래 기술의 결함을 극복하기 위하여, 본 발명은 암모니아-이산화탄소(NH3-CO2) 삼투 열기관의 사용을 제안한다. 이 열기관은 도 2에 도시되고, 용액에 암모니아와 이산화탄소 기체가 혼합된 혼합물을 사용한다. 이러한 기체들은 용액에 잘 용해되는 암모늄염을 형성하고, 해수 삼투압의 10배보다 더 큰 250atm 초과의 삼투압을 발생시킬 수 있다. 유입 용액은 잘 용해될 수 있고, 삼투 효율적이고, 잘 제거되고 재순환될 수 있는 용질을 함유한다. 작동 유체로서 이온이 제거된 물을 사용하는 것은 내부 농도 분극 효과를 제거하여 막 질량 전달을 최대화시킨다. 본 명세서에 제공된 결과들은 저온 열원을 동력으로 실제 전환하는 삼투 열기관의 실현 가능성을 보여준다.
본 발명의 삼투 열기관은 이온이 제거된 물(즉, 용해되지 않은 용질을 거의 함유하고 있지 않거나 함유하지 않음)의 작동 유체의 사용에 의존한다. 막 공급액으로서 이 유체를 사용하는 것은 ICP를 일으키지 않기 때문에 유리하다. 유입 용액으로부터 막을 통한 염의 누출은 ICP를 야기할 수 있으나, 막이 상당한 정도로 염을 제거하도록 선택되어, 이러한 경향을 거스르도록 할 것이다. 막은 유입 용액을 향하여 배향된 활성층과 공급 용액을 향하여 배향된 지지층(backing layer)을 갖는 반투성 막이다. 유입 용액의 부피를 팽창시키는 물의 플럭스는 전형적으로 약 25m3/m2·s 이상이다.
본 발명의 효율적인 삼투 열기관 프로세스의 핵심 중 하나는 희석된 유입 용액으로부터 순수한 물을 분리시키는데 필요한 열이다. 암모니아와 이산화탄소 기 체들은 저온 증기를 사용하여 물로부터 성공적으로 스트립될(stripped) 수 있기 때문에, 암모니아 및 이산화탄소 유입 용액을 사용하는 경우, 명백히 이점이 있다. 아스펜 하이시스® (Aspen HYSYS®)[미국, 메사추세츠주, 벌링톤(Burlington, MA, U.S.A)에 소재한 아스펜 테크놀로지(Aspen Technology)에서 입수 가능함]를 사용하는 기체 제거 모델링은 40℃ 만큼 낮은 온도의 증기가 진공 기체 스트리핑(stripping) 프로세스 하에서 이용될 수 있다는 것을 보여준다. 이는 전형적으로 효용이 거의 없고 비용이 거의 안드는 다양한 열원의 이용을 가능하게 한다.
NH3-CO2 삼투 열기관이 저급 열을 이용하는 것은 전기 발생 대안으로서 실행 가능한 실시를 하는데 결정적이다. 저급 열원은, 예시적이며 이에 제한되지 않는, 금속 제조(철강 제철소), 유리 제조, 석유 정제 및 열전기 동력 발생을 포함한 다양한 산업에서 나온다. 이들 산업 모두는 그들의 폐열을 재생하는 정밀한 방법을 사용하지만, 저급의 열은 항상 물에 의한 냉각 또는 연도 가스(flue gases)를 통하여 주위로 소실된다.
재생 가능한 열원 또한 사용될 수 있다. 지열 열원은 풍부하지만 전기를 직접 발생시키기에 충분한 고품질을 갖는 경우가 드물다. 전형적으로, 이러한 열원은 집을 가열하고 냉각시키는데 사용될 수 있지만, 암모니아와 같은 2차 액체(secondary liquid)를 증발시키기 위하여 열을 이용하는 이원 사이클(binary cycle) 구조에 사용될 수도 있고, 터빈을 통하여 증기를 팽창시키는데 사용될 수 있다. 이후 증기는 대기 또는 수면으로 열을 제거함으로써 응축될 수 있다. 해양 에서 따뜻한 물을 사용하는 것과 유사한 개념이 해양 온도차 발전 시스템(ocean thermal energy system)(OTEC)이다. 이 시스템은 따뜻한 표면수를 열원으로 이용하고, 차가운 심해수를 열싱크로 이용하는 기관을 포함한다. 지열 이원 사이클(geothermal binary cycle)과 유사하게, OTEC는 암모니아와 같은 액체를 증발시키기 위하여 따뜻한 물을 사용하고, 이후 터빈을 통하여 팽창시킨다. 기체는 이후 차가운 심해수에 의하여 응축되어 재순환된다. 이러한 프로세스 모두에 있어서, 기체가 작동 유체로 사용되고 있으며, 이에 따라 대형 터빈(즉, 증기 터빈 OTC의 지름이 대략 10미터 이상)이 사용되어야 한다. 이는 통상적으로 사용되는 암모니아 증기 시스템을 대신하여 본 발명의 삼투 열기관을 통해 완화될 수 있는 설계 제한이다. NH3-CO2 유입 용액을 스트립하기 위하여 따뜻한 물을 사용하고 이러한 기체들을 응축하기 위하여 차가운 물을 사용함으로써 동력을 발생시키도록 터빈을 통하여 유도되는 작동 유체는, 대신에 액체이다. 이는 수력 터빈이 더 낮은 밀도의 기체를 사용하도록 설계된 터빈보다 훨씬 작기 때문에 상당히 이롭고, 일을 전기로 변환시키는 것이 매우 효율적이다.
본 발명의 삼투 열기관의 이점은 저급 열원을 전기 에너지로 성공적으로 전환시키는 능력이다. 본 발명의 열기관 구조는 강의 출구 PRO의 폐쇄 루프 구조 및 재순환 가능한 유입 용액으로 인한 종래의 다양한 경제적 및 환경적 문제를 해결한다. 또한 저급 열원을 이용하면, 에너지의 비용이 장비의 수명 동안 상각되는 장비의 자본 비용 및 유지에만 관련되기 때문에 기본적으로 무료 에너지원이 제공된 다. 용액으로부터 유입 용질을 분리하는데 필요한 열은 전형적으로 약 35℃에서 250℃ 사이의 온도에서 유도된다. 또한, 용액에서 유입 용질을 분리하는데 필요한 온도는 압력에 비례하고, 압력은 전형적으로 약 0.05atm 내지 약 10atm에서 유도된다.
실시예:
본 발명의 삼투 열기관 프로세스의 실행 가능성을 측정하기 위하여 실험실에서 플럭스 실험이 수행되었다. 동력의 발생이 효율적이려면, 물 플럭스가 높아야 한다. 역삼투막을 사용한 플럭스에 대한 종래 테스트는 플럭스가 최소값[하루 당, 막의 평방 피트 당 2 내지 3 갤런(gfd) 이하이고, 대개는 1gfd 미만]을 거의 초과하지 않았음을 보여준다.
발명자들은 삼투 프로세스를 위해 맞춤 제작되어 플럭스가 더 잘 얻어지는, 상업적으로 이용 가능한 막을 연구했다. 데이터는 막의 활성 층 상의 NH3-CO2 유입 용액으로 얻었다. 이온이 제거된 물의 공급액이 삼투 열기관 조건을 시뮬레이팅하는데 사용되었다. 두 온도, 20℃ 및 40℃에서 평가했으며, 공급 및 유입 용액은 두 테스트에서 모두 동일한 온도로 유지되었다. 그 결과가 도 3에 도시된다.
두 온도는 삼투압 범위에 걸쳐 테스트되었다. 몇몇 테스트에서 50gfd를 초과하는 플럭스가 얻어졌고, 이는 사용된 특정 막이 종래에 테스트되었던 일부 막보다 50배 이상 우수함을 시사하며, 주어진 양의 전기를 생산하기 위하여 요구되는 막의 양에 상당한 영향을 끼친다. 플럭스 산출량이 높을수록 막 면적에 대한 요구 가 적어진다. 투과 스트림은 이러한 테스트에서 가압되지 않았다(또한 이전의 연구에서도 가압되지 않았다)는 점에 유의해야 한다.
동력 발생 데이터는 이 데이터로부터 아스펜 하이시스®를 통하여 프로세스를 모델링함으로써 측정될 수 있다. 투과 가압 범위에 걸쳐 다양한 유입 용액의 농도를 사용하여, 다음의 식을 통해 에너지 발생량을 계산할 수 있다.
일 = (터빈 효율) x (유압) x (부피 플럭스) (1)
터빈 효율은 대개 90%를 초과하고, 전체 구동력은 상기 막을 가로지르는 플럭스를 유발한다. 투과 스트림에서 유압이 증가함에 따라, 플럭스는 감소하지만, 최대 동력 발생점이 성립된다. 도 4는 유입 용액의 농도 범위에 대한 이러한 특징을 도시하고, 다양한 유입 용액 농도가 본 발명의 삼투 열기관에서 투과측 유압의 범위에 걸쳐 어떻게 수행되는지 보여준다. 에너지 생산은 아스펜 하이시스®[미국, 메사추세츠주, 벌링톤(Burlington, MA, U.S.A)에 소재한 아스펜 테크놀로지(Aspen Technology)에서 입수 가능함]를 사용하여 모델링되었다.
강/해수 경계에 존재하는 염분 구배와 같은 자연 염분 구배로부터의 예상 에너지 생산량은 상기 모델링된 에너지 출력보다 훨씬 낮다는 것에 주목해야 한다. 종래 연구된 막을 사용하여, 개방 담수/해수 PRO에서 막 면적 당 동력 출력은 많아야 1.4W/m2이었다. 이 데이터는 맞춤된 삼투 막을 사용하는 본 발명의 NH3-CO2 삼투 열기관이 일정 조건 하에서 200배까지 그 출력을 초과할 수 있음을 보여준다. 시스템으로의 열 입력이 기본적으로 무료이기 때문에, 막 면적은 또한 자본 비용에 대한 측량용으로서 사용되고, 막 면적 당 높은 에너지 생산값은 생산된 전기의 전체 비용에 직접적인 결실을 가져온다.
또한, 본 발명의 암모니아-이산화탄소 OHE의 성능 예측도 물 플럭스에 대한 실험적인 데이터, 터빈 및 압력 회복 시스템에서의 동력 전환 효율의 계산 및 OHE 유입 용액의 제거 및 재순환을 위한 에너지 조건의 모델링에 기반한다.
PRO 구조(공급액을 향하는 지지층, 유입 용액을 향하는 활성층)에서 지향되는 반투성 막을 통한 물의 플럭스 측정은 엔진 성능의 평가를 위한 데이터를 제공한다. 막의 물의 유량 데이터는 교차 유동 막 셀 및 관련된 시스템 구성품을 사용하여 얻은 것이다. 채널의 치수는 길이가 77mm, 너비가 26mm, 깊이가 3mm였다. 메쉬 스페이서(mesh spacer)가 양 채널 내부에 삽입되어 난류 및 질량 전달을 촉진시킬 뿐만 아니라 막에 대한 지지를 개선한다. 이중 펌프 헤드를 구비한 실행 가능한 속도의 연동 펌프[미국 일리노이주 버논 힐즈에 소재한 마스터플렉스(Masterflex of Vernon Hills, IL)에서 입수 가능함]가 폐쇄 루프에서 공급 및 유입 용액 모두를 펌프질하는데 사용되었다. 일정한 온도의 항온 수조(water bath)[미국 뉴햄프셔주 뉴잉톤에 소재한 네슬랩에서 입수 가능함(Neslab of Newington, NH, U.S.A)]가 공급 및 유입 용액 모두의 온도를 유지시키는데 사용되었다. 항온 수조 내부에서 교반 수조(stirred bath)에 잠긴 직렬의 스테인레스강 열교환기 코일을 통하여 열 전달이 일어났다. 유입 용액은 저울[미국 콜로라도주에 소재한 덴버 인스트루먼트(Denver Instruments of Denver, CO)에서 입수 가능함] 위에 놓여지고, 무게 변화가 투과한 물의 플럭스를 결정하기 위한 시간 동안 측정되었다. 막은 유입 용액이 활성층에 대면하고, 공급 용액이 지지층에 대면하도록 셀 안에 위치되었다.
플럭스 데이터를 수집하는데 사용되는 막은 전방의 삼투 탈염을 위하여 설계되었고, 하이드레이션 테크놀로지스, 인크.(Hydration Technologies, Inc.)[미국, 오리건주, 알바니(Albany, OR, U.S.A.)에 소재함]에서 입수된 것이다. 상기 막의 화학 구성은 독점적이나, 셀룰로오스 아세테이트 폴리머를 함유하는 것으로 생각된다. 상기 구조는 비교적 얇은(즉, 약 50μm 보다 얇은) 지지 구조에 의하여 지지되는 분리층과 비대칭적이다. 추가의 지지가 상기 폴리머 지지층 내부에 매립된 폴리에스테르 메쉬에 의하여 제공된다.
삼투 물 플럭스는 유입 용액의 농도 범위에 대하여 결정되었다. 유입 용액은 탄화수소암모늄염(NH4HCO3)과 수산화암모늄(NH4OH)이 혼합되어 만들어지고, 중탄산암모늄, 탄산암모늄 및 카밤산암모늄(ammonium carbamate)이 포함된, 암모늄염의 복합 용액을 형성하며, 농축된 용액에서 카밤산암모늄이 가장 풍부하다. 첨가된 NH4OH의 양은 유입 용액의 농도 및 사용되어야 하는 온도에 따라 달라진다. NH4OH의 양은 최소화되어 유입 용액에서 이온화되지 않은 암모니아의 농도를 최소화시킨다. 삼투압, 밀도, 점성 및 pH를 포함하여 상기 OHE의 모델링에 사용되는 유입 용액의 성질은 아스펜 하이시스®(미국, 메사추세츠주, 불링톤에 소재한 아스펜 테크놀로지에서 입수 가능함)에서 얻은 것이며, 이와 함께 오엘아이 시스템, 인크.(OLI Systems, Inc.)[미국, 뉴저지주, 모리스 플레인(Morris Plains, NJ, U.S.A.)에 소 재함]로부터 전해질 성질 패키지를 얻었다.
실험적인 막의 물 플럭스 데이터가 엔진의 물 플럭스를 구동하기 위하여 사용되는 농축된 유입 용액과 막 사이의 경계에서 외부 농도 분극(ECP)을 예상하기 위하여 적합한 질량 전달 계수를 계산하는데 사용되었다. OHE 막 시스템에서 농축된 유입 용액을 위한 ECP 효과는 적합한 질량 전달 계수로 예상되고, 실험 데이터로부터 외삽법(extrapolation)에 기초하여 계산되는 잘 농축된 ECP 효과와 함께 필름 이론(film theory)에 기초한다. 이 모델 피팅(fitting) 및 외삽은 잘 농축된 비이상 용액(non-ideal solution)의 유동에 있어서 질량 전달 현상을 기술하는데 전통적인 필름 이론의 부적절성 및 OHE 막 시스템에 따른 ECP 효과의 예상된 중요성의 면에서 필수적이라고 여겨진다. 적합한 효율을 사용하여 예상된 막 플럭스가 실험 데이터의 범위 내에서 관찰한 물 플럭스 성능과 서로 잘 관련된다는 것을 알게 되었다.
비가압 조건 하에서 물 플럭스의 측정은 본 발명의 가압 OHE 시스템의 플럭스를 예측하기 위하여 가정되고, 삼투압과 유압 조건을 달리함에 따라 PRO에 대한 이하의 지배 방정식을 따른다:
Jw = A(σΔπm - ΔP) (2)
여기서, A는 물의 투과 계수이고, σ는 반사 계수, Δπm는 분리 경계(즉, 막의 활성 층 표면)에서 유입 용액과 공급 용액 사이의 막을 가로지르는 삼투압의 차이, ΔP는 유입 용액측과 작동 유체 사이의 유압차이다. Δπm는 위에서 검토한 바와 같이, ECP 효과에 대하여 측정한 후 유입 용액의 벌크 삼투압으로부터 계산된다.
사용된 FO 막의 비교적 높은 제거율 때문에 모든 계산에서 σ = 1 로 가정되었다. 또한, 물 투과 계수 A는 막 압축을 무시할 수 있음을 함축하며, 가해진 유압에 독립적이라고 가정된다. 시스템의 막, 작동 압력 및 온도에 대한 선택은 이러한 가정에 기초한 예측의 정확성을 포함한다.
OHE에 의하여 생산된 동력(W)은 단위 시간 당 터빈을 통하여 이동하는 물의 양(V), 유입 용액측 상에 가해진 유압과 동일한, 터빈에서의 압력 강하(ΔP) 및 터빈 효율(E)의 함수이다.
W = EVΔP (3)
터빈 효율(E)은 전형적으로 90%보다 높다. 유입 용액의 정상 상태 가압을 유지하기 위하여 사용되는 압력 교환기의 효율은 전형적으로 95%보다 높다. 본 명세서에 기술된 모델링 결과에서 이 두 성분을 결합한 계수는 상기 방정식(2)의 E 가 0.90의 값을 가지며, 동력 생산의 예상치에 대한 전체 효율의 90%에 근접한다. 단위 시간 당 터빈을 통하여 유동하는 부피(V)는 상기 OHE(Jw)의 막과 전체 막 표면 의 면적을 통한 물의 플럭스의 생산량과 동일하다. 상기 방정식 (1)에서 볼 수 있듯이, 이 플럭스는 상기 시스템의 유압 및 삼투압 모두에 대한 함수이다. 삼투압에 대하여 유압을 증가시키는 것은 터빈을 통한 물의 단위 부피 당 동력 출력을 증가시키지만, 또한 막의 물의 플럭스를 감소시킴으로써 물의 전체 부피를 감소시킬 것이다. 유압을 감소시키는 것은 역효과를 가져올 것이다.
열효율은 (유입 용액의 분리 및 회수를 위하여) 사용된 열의 양에 대한 생산 된 동력의 양을 측정함으로써 계산된다. 엔진의 성능을 평가하는데 고려될 수 있는 두 가지 측정법으로는 열 효율 및 카르노 효율이 있다. 열 효율은 단순히 열 입력에 대한 엔진 동력 출력의 비이다. 카르노 효율은 완전 가역 프로세스에 기초하여, 주어진 열 유동으로부터 최대 이론적인 일의 양을 생산하는 카르노 엔진의 효율에 대한 엔진의 효율로 측정한다.
엔진 효율의 "열의 양" 성분은, 재농축된 유입 용액과 이온이 제거된 작동 유체를 생산하고 희석된 유입 용액으로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리하기 위하여 사용되는 증류탑의 필요열(heat duty)에 기초하여 계산될 수 있다. 상기 증류탑의 필요열은 아스펜 하이시스®(미국, 메사추세츠주, 불링톤에 소재한 아스펜 테크놀로지에서 입수 가능함)로 모델링되었으며, 이와 함께 오엘아이 시스템, 인크.(OLI Systems, Inc.)[미국, 뉴저지주, 모리스 플레인(Morris Plains, NJ, U.S.A.)에 소재함]로부터 전해질 성질 패키지가 모델링되었고, 정 삼투(forward osmosis) 탈염의 에너지 수요를 측정하는데 사용되는 절차를 따른다.
카르노 엔진의 효율(η)은
Figure 112009034212881-PCT00001
(4)
로 주어지며, TH는 (예컨대, 연료 연소로부터) 엔진으로 전달된 열의 절대 온도이고, TL은 환경으로 제거된 열의 절대 온도이다. 카르노 엔진의 효율에 대하여 OHE 효율을 측정하는 것은 OHE가 사용한 열의 양에 대하여 얼마나 효율적인지를 입증한다. 예를 들어, 20%의 열효율을 얻는데 200℃의 열을 사용하는 지열 발전소 는 열효율 측정에 의하면 매우 효율적인 발전소로 보이지 않을 것이다. 그러나 그러한 엔진의 카르노 효율은 537℃에서 석유 화력 발전소 작동의 카르노 효율과 대략적으로 동일한 55%일 것이다. 이는 최대 이론 열효율이 상당히 낮고, 주변 온도보다 높은 20℃ 만큼 낮은 열원을 고려할 때, 열기관 기술들 사이에서 특히 유용한 비교 방법이다.
두 용액들 사이의 삼투압 차이가 증가할 때, 두 용액을 분리시키는 반투성 막을 통한 플럭스 또한 증가할 것이다. 이 관계는 막의 표면에서의 농도 분극 효과 때문에 비선형적이다. 공급액으로서 이온이 제거된 물을 구비한 PRO 모드(막의 활성 층면 상의 유입 용액)에서, 막에 의하여 염이 매우 잘 제거된다고 가정하면, 외부 농도 분극만 생길것으로 예상된다. 도3은 막에 대한 물 플럭스와 유입 용액 농도 사이의 관계를 도시한다.
막의 삼투 물의 플럭스 성능은 등온의 공급 및 유입 용액과 함께 공급액 스트림으로서 탈이온화된 물과 비가압 NH3/CO2 유입 용액을 사용하여 평가되었다. 구동력은 유입 용액의 벌크 삼투압에 기초하여 계산된다. 점선은 동일한 막으로 역삼투 테스트하여 결정된 순수한 물의 유압 투과성을 나타낸다. 이러한 선과 실험 데이터 사이의 차이는 외부 농도 분극 때문이다.
데이터는 20℃ 및 40℃일 때를 보여주며, 각 경우에 공급 및 유입 용액이 등온이다. 플럭스는 유입 용액의 삼투압에 대하여 나타난다. 온도가 더 높아지면 막의 물 투과성 및 유입 용액의 확산에 대한 온도의 효과로 인하여 물 플럭스가 더 높아진다. FO막이 이온이 제거된 물 공급액으로 PRO 모드에서 작동된다면, 물 플럭스는 25m3/m2·s(또는 하루 당, 막의 평방 피트 당 50갤런, GFD)을 초과한다. 막의 투과측 상의 막 표면에서 유입 용액의 희석에 의하여 유발되는 ECP 때문에 비선형 관계가 나타난다. 이러한 실험적 플럭스 데이터는 아래에 기술되는 바와 같이 OHE의 동력 출력을 계산하는데 사용된다.
OHE를 최적화하기 위한 하나의 기준은 막 면적 당 가장 높은 동력 출력 또는 가장 높은 막 "동력 밀도"를 생산하는 유압 및 삼투압을 선택하는 것이다. 동력 밀도는 OHE 막 시스템에서의 막의 물 플럭스, 유입 용액의 유압 및 예견된 ECP효과를 기초로 계산된다. ECP 효과는, PRO 모드에서 실험적 플럭스 측정을 통하여 결정된 적합한 질량 전달 계수 1.78 ×10-5m/s를 사용하여 계산된다. 수력 터빈(hydroturbine) 및 압력 회복 장치의 결합 효율은 90%로 가정된다. 막 동력 밀도와 관련된 OHE에서 삼투압과 유압 사이의 관계가 도 4에 도시된다. 각 커브는 고정된 암모니아-이산화탄소 유입 용액의 농도에 상응한다.
상기 모델링은 유압이 삼투압의 대략 50%일 때 최대 막 동력 밀도가 달성된다는 것을 보여주었다. 유압이 10.13MPA(100atm)인 OHE에 있어서, 19.16MPA(197atm)의 삼투압이 생기는 4.6M의 유입 용액을 사용함으로써 제공되는 동력 밀도는 대략 170W/m2이다. 이는 전형적으로 4W/m2 미만의 범위인 강/해수 염분 PRO 동력 발전소에서 예상되는 동력 밀도와 비교하면 상당히 높다.
동력 밀도는 또한 (ECP 효과를 감소시키는) 유입 용액 스트림의 교차 유동 속도를 증가시키거나 OHE 막 시스템의 유압을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 상당히 증가된 교차 유동 속도(0.05cm 높이의 유동 채널에서 5 m/s)로의 OHE의 모델링은 본 명세서에 기술된 연구에서 사용된 테스트 셀의 유체 역학(0.3cm 높이의 채널에서 0.46m/s)으로 막 시스템의 동력 밀도에 대하여 대략 61%까지 OHE 동력 밀도가 증가될 것임을 나타낸다. 유압이 10.13MPa(100atm)일 때 작동하는 OHE에서, 최대 동력 밀도는 이 시나리오에 따르면 약 274W/m2일 것이다.
작동 유압이 20.26MPa(200atm)인 OHE의 모델링은 동력 밀도가 유압이 10.13MPa(100atm)인 시스템에 대하여 추가적으로 47%만큼 증가될 것임을 보여준다. 그러나 증가된 교차 유동 속도는 추가적인 동력 소비를 가져오고, 증가된 유압은 더 비싼 프로세스 구성품을 필요로 할 것이다. 이러한 작동 조건은 상호 관련된 요소인, 프로세스의 유체 펌프 동력 소비 및 장비 자본 및 교체 비용이 균형을 이루는, 프로세스 최적화에 있어서 필수 요소일 것이다.
OHE의 카르노 효율은 삼투압 및 유압 범위에 대하여 모델링된다. 엔진의 열효율의 계산에서, 유입 용액의 분리 및 재순환 프로세스에 대한 필요열과 필요 전기는 조사된 삼투압 및 유압의 조합에 의한 OHE 동력 발생 터빈의 전기 생산과 비교된다. 유입 용액의 분리 및 재순환에 필요한 전기 에너지는 무시할 수 있기 때문에, 열효율은 실질적으로, OHE에 의하여 생산된 전기 에너지와 유입 용액 분리에 필요한 열 에너지 사이의 비이다. 이 효율은 OHE 성능의 "카르노 효율의 백분율"을 측정하는데 주어지는, 동일한 고온 및 저온의 열 스트림에서 작동하는 카르노 엔진의 이론 효율과 비교된다.
유입 용액의 제거 및 재순환 프로세스에 대한 필요열 및 필요 전기를 결정하기 위하여, 요구되는 삼투압을 생산하는데 충분한 농도의 유입 용액은 하이시스® 화학적 시뮬레이션 모델에서 특정된다. 이 용액 스트림은 제거에 적절한 특징을 가진 증류탑을 향한다. 그러한 모델의 한 예시는 6M의 (CO2 기반) 유입 용액 스트림[OHE 막 시스템에서 31.94MPa(315.26atm)의 삼투압을 발생시킴]으로부터 유입 용질을 분리시키는, 50℃의 열이 공급되며 높이[30개의 이론적 단(theoretical stages)]가 2.35m(7.7ft)인 구조화 패킹(structured packing)을 내장하는 단일의 증류탑으로 구체화된다.
이러한 유형의 탑은 재탕 열교환기에서 3℃ΔT가 주어질 때, 10.62 kPa(0.1048 atm) 및 46.96℃의 하부 압력 및 온도, 10.54kPa(0.1040atm) 및 35.55℃의 상부 압력 및 온도에서 작동한다. 상기 탑의 상부로 공급되는 스트림은 3196.8 MJ/m3(생산된 작동 유체 m3 당)의 에너지 조건에서 32℃로 미리 가열된다. 상기 탑의 필요열은 3454.6 MJ/m3이고, 재탕기(reboiler)로 공급된다. 특정 온도에서 모든 스트림을 유지하는데 요구되는 보충열은 전체 필요열 7037.1MJ/m3에 대하여 385.7 MJ/m3이다. 분리 처리에서 유체 펌핑에 대한 필요 전기는 상대적으로 무시할 수 있다(0.48 MJ/m3). 시뮬레이션에 사용되는 전형적인 농도에서 유입 용액의 분리에 요구되는 필요열 및 필요전기에 대한 요약이 테이블 1에 제공된다. 이 테이블 은 또한 OHE 성능의 모델링과 관련된 유입 용액의 몇몇 성질을 제공한다.
Figure 112009034212881-PCT00002
OHE의 전체 카르노 효율은 공급된 열의 온도 범위에 대하여 위에 기술한 바와 같이 모델링에 기초하여 계산되었다. 다양한 온도에 걸쳐 효율이 두드러지게 일치한다. 도 5에 OHE 막 시스템에서 삼투압 및 유압 범위에 대하여 5O℃의 열에서 작동하는 OHE의 카르노 효율이 도시된다. 각 압력의 조합에 대하여, 고온 즉, 공급된 에너지의 온도인 50℃ 및 저온 또는 주변 환경의 온도인 25℃로 온도가 일정하게 유지된다.
도 5는 유입 용액의 유압과 삼투압 사이의 차이에 대한, 카르노 엔진 효율의 백분율로서 OHE 엔진 효율을 나타낸다. 50℃의 고온 및 20℃의 저온에서, 최대 이론 엔진 효율(카르노)의 백분율은 순 구동력 (Δπ - ΔP)이 0에 접근함에 따라 최대로 대략 16%에 도달한다. 삼투압 Δπ은 유입 용액의 벌크 삼투압에 기초한다.
결과는 삼투압과 유압 사이의 차이가 0으로 접근할 때 가장 높은 엔진 효율이 얻어진다는 것을 보여준다. 영-플럭스(zero-flux) 조건에서 평형 상태일 때 동일한 삼투압 및 유압이 주어지며, 삼투압의 증가는 막의 물 플럭스를 증가시킬 것이고, 이에 따라 OHE 터빈에 의하여 생산되는 동력의 양이 증가한다. 삼투압의 증 가는 유입 용액 농도를 증가시킴으로써 달성된다. 더 높은 농도의 유입 용액은 용질 제거 및 재순환을 위하여 공급 열의 형태로 더 많은 에너지를 요구한다. 따라서 삼투압이 증가함에 따라, 용질 재순환 시스템에 의하여 동력 생산, 막의 물 플럭스 및 필요 열 모두가 동시에 증가한다.
그러나 용질 재순환 시스템에 사용되는 증류탑은 희석된 유입 용액으로부터 NH3와 CO2를 제거하는데 비효율적이다. 또한 수증기 일부가 제거되고, 동력 생산으로 전환되지 않을 수 있는 열을 요구한다. 유입 용액의 농도가 증가됨에 따라, 증류탑에서 생성되는 수증기의 양 또한 증가하고, 분리에 대한 이러한 고유의 비효율성은 전체적인 OHE 효율을 감소시키는 결과를 초래한다. 그러나 이러한 삼투압의 증가는 물 플럭스를 증가시켜, 막의 동력 밀도를 증가시킴으로써 OHE 작동에 도움이 된다. 막의 동력 밀도가 높아질수록 주어진 에너지 수용량을 위한 막 면적이 적게 요구되고 이에 따라 막 비용도 적게 든다. 이는 막의 자본 비용과 엔진 효율 사이의 상쇄를 나타내며, OHE 시스템의 설계에서 최적화되어야 한다.
상술한 바와 같이, 전체 엔진 효율이 상당히 낮더라도, 최대 카르노 효율은 대략 16%에 접근하고, 5% 내지 10%의 효율에서 작동할 것이며, 막 면적 당 동력 출력은 막 면적의 250W/m2을 초과하여 상당히 높을 수 있다. OHE가 40℃ 내지 100℃ 범위의 열에너지원을 사용한다면, 엔진으로의 입력 에너지 비용은 무시할 수 있는 정도로 접근할 수 있다. 중요한 고려 사항은 프로세스의 자본비와 노동비 및 생산된 전기의 비용에 대한 이들의 영향일 것이다.
본 발명의 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관의 사용은 현존하는 동력 발전소의 제거 스트림으로부터의 열, 기타 생산성이 없는 저온 지열원, 저농도의 태양열 에너지, 바이오매스 열(biomass heat) (비연소) 및 해양 열에너지 전환과 같은 여러 종류의 에너지원으로부터 동력을 생산할 수 있도록 한다. 이러한 모든 경우에서 본 발명의 프로세스는 재생 가능한, 무탄소(carbon-free) 동력을 생산한다.
본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 위에서 기술되었지만, 본 명세서에 개시된 발명적 개념에서 벗어나지 않고 다양한 변화, 변경 및 변형이 행해질 수 있음이 명백하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 폭넓은 범위 내에 있는 그러한 변화, 변경 및 변형 모두를 포함한다. 본 명세서에 인용된 모든 특허 출원, 특허 및 기타 공보는 본 명세서에 포함되어 전체로서 참조된다.

Claims (16)

  1. 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법이며,
    a) 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 농축된 유입 용액을 반투성 막의 제1 측면 상에 삼투압보다 낮은 유압까지 가압하는 단계;
    b) 이온이 거의 제거된 물이 포함된 희석된 작동 유체를 반투성 막의 반대측 상으로 유도하는 단계;
    c) 유입 용액의 부피를 팽창시키는 물 플럭스를 생성하기 위하여 희석된 작동 유체의 일부가 반투성 막을 통하여 가압된 유입 용액 안으로 유동하도록 하는 단계;
    d) 동력을 생산하기 위하여 팽창된 부피의 유입 용액이 터빈을 통하여 유동하도록 유도하는 단계; 및
    e) 유입 용액에서 용질을 분리시키기 위하여 적절한 온도 및 압력에서 증류 탑을 통하여 팽창된 부피의 유입 용액을 처리하고, 이로써 시스템에서 재사용되는 새로운 유입 용액 및 작동 유체 스트림을 생산하는 단계를 포함하는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 농축된 유입 용액은 암모니아와 이산화탄소의 비가 약 1:1 내지 2.5:1인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유입 용액은 농도가 0.1M와 12M 사이인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유입 용액은 농도가 약 3M 내지 약 6M인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 거의 이온이 제거된 물은 1ppm 미만의 암모니아 및 이산화탄소를 포함하고 다른 용질은 포함하지 않는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분리 처리에서 생산되는 새로운 작동 유체 스트림은 1ppm 미만의 암모니아 및 이산화탄소를 함유하고 다른 용질은 함유하지 않는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반투성 막은 상기 유입 용액을 향하여 배향된 활성층 및 상기 공급 용액을 향하여 배향된 지지층을 포함하는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물 플럭스는 약 25m3/m2·s 이상인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유입 용액은 중탄산암모늄, 탄산암모늄 및 카밤산암모늄을 포함하는 암모늄염의 복합 용액을 형성하도록 중탄산암모늄염을 수산화암모늄과 혼합하여 제조되는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수산화암모늄의 양은 최소화되어 유입 용액에서 이온화되지 않은 암모니아의 농도가 최소화되도록 하는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 막의 유입 용액 측의 압력은 압력 교환기를 사용하여 정상 상태로 유지되고, 압력 교환기의 효율은 약 95% 이상인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 열이 약 35℃ 와 250℃ 사이의 온도에서 유도되는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 열은 금속 제조, 유리 제조, 석유 정제 및 열전기 동력 발생 프로세스, 지열 열원 및 해양 열에너지 전환으로부터의 폐열을 포함하는 그룹에서 선택된 저급 열원인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 유입 용질을 용액으로부터 분리시키는데 필요한 온도는 압력에 비례하고, 상기 압력은 약 0.05atm 내지 약 10atm으로 유도되는, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 막 면적 당 동력 출력은 약 150W/m2 이상인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 막 면적 당 동력 출력은 약 250W/m2 이상인, 암모니아-이산화탄소 삼투 열기관을 사용하여 동력을 발생시키는 방법.
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