KR20160059438A - 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템 - Google Patents

염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 신재생에너지 하이브리드화 시스템은 풍력 또는 태양광 발전과 염분차 발전을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 장치와, 상기 생산된 전기를 저장하는 전력 저장 장치와, 상기 생산된 전기의 일부를 수소 가스 에너지로 변환하는 수전해 장치를 포함한다. 본 발명에 의하면, 기존 신재생에너지 기술들의 부하 변동성 및 낮은 이용률을 개선하고 지리적 여건에 맞는 맞춤형 신재생에너지를 제공할 수 있다.

Description

염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템{HYBRIDIZATION SYSTME OF NEW AND RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES ON THE BASIS OF SALINITY GRADIENT POWER GENERATION}
본 발명은 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 관한 것으로서, 특히 기존 신재생에너지 기술들의 부하 변동성 및 낮은 이용률을 개선하고 지리적 여건에 맞는 맞춤형 신재생에너지를 제공할 수 있는 염분차 발전 기반의 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 관한 것이다.
에너지는 국가 발전의 원동력이며, 누가 어떠한 에너지를 얼마나 많이 확보할 수 있느냐는 바로 그 국가의 경쟁력과 밀접한 관련이 있다. 이러한 관점에서 각국은 앞 다퉈 에너지 확보에 총력을 기울이고 있다. 또한 각국은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 같은 온실가스의 저감을 위해 기존 화석연료의 사용을 지양하고, 새로운 친환경 에너지를 찾기 위해 노력하고 있다. 이와 관련해 수십 년 전부터 풍력(wind power), 태양광(photovoltaic system), 태양열(solar heat energy), 바이오 연료(bioenergy), 연료전지(fuel cell) 등 다양한 신재생에너지(new & renewable energies)에 대한 관심이 증가하고 있으며, 실제로 수많은 연구비를 투자해서 많은 성과들을 확보해 나가고 있다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고, 신재생에너지의 개발 속도가 더디고, 요소기술 개발에 대한 문제점이 하나, 둘 드러나면서 신재생에너지 개발에 대한 회의적인 시각이 나타나고 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 풍력 및 태양광은 현재 이용률이 각각 최대 30, 20% 미만으로 적고, 특히 부하변동성이 커서 직접 생산된 전력을 최종 사용자(end user)에 적용하기 어려운 단점이 있다. 이와 같은 이유로, 그리드 중간에 배터리와 같은 전력저장 시스템을 이용하는 것이 일반적이다. 또한 부유식을 포함한 해상 풍력의 경우 생산된 전력을 수송하기 위해 최근 무선 전력망 등 다양한 기술 개발이 진행되고 있지만, 기본적으로 필요한 네트워크 인프라 구축에 많은 비용이 소모되는 문제점이 있다. 그러므로 생산된 전기에너지를 다른 형태의 에너지로 전환하여 이송하는 방식은 매우 바람직한 방향이 될 수 있다. 또한 태양광의 경우 해안가나 바다 위에 설치할 경우 염에 의한 태양전지판의 오염으로 성능 저하를 초래할 수 있는 단점을 갖는다.
한편, 염분차 발전은 에너지 자원의 보고인 해양으로부터 에너지를 생산할 수 있는 기술로서 새로운 신재생에너지이다. 염분차 발전은 세계적으로 30.0TW의 큰 이론적 잠재력을 갖는 새로운 에너지원으로, 입지조건 및 환경적인 영향이 비교적 적어 이용률이 거의 100%에 이르며, 어떠한 화석 연료도 사용하지 않고, 단지 염수(해수 포함)와 담수를 이용하여 전기를 생산하기 때문에 온실가스인 이산화탄소(CO2)의 배출이 전혀 없는 친환경적인 미래 블루 에너지라고 할 수 있다. 그러므로 본 염분차 발전을 기반으로 한 신재생에너지들의 하이브리드화 기술은 발전기술의 새로운 패러다임을 제시하면서 패키지화된 맞춤형 신재생에너지원의 개발 및 보급에 기여할 수 있다.
1. 한국특허공개공보 제2011-0079003호 (공개일: 2011.07.07, 발명의 명칭: 냉,난방 및 급탕에 필요한 열을 공급하는 신재생 하이브리드 열 공급장치 및 이에 따른 제어방법) 2. 한국특허공개공보 제2011-0027395호 (공개일: 2011.03.16, 발명의 명칭: 신재생 에너지를 이용한 하이브리드 에너지 시스템)
따라서 본 발명은 기존 풍력, 태양광에 의한 신재생에너지원의 부하변동성을 개선하는 것을 일 목적으로 한다. 또한 본 발명은 기존 신재생에너지원의 낮은 이용률을 향상시키는 것을 다른 목적으로 한다. 또한 본 발명은 해양을 통해 추가적인 에너지원을 확보하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 또한 본 발명은 지리적 여건에 맞는 맞춤형 신재생에너지원을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명에서는 이러한 염분차 발전 기술을 기반으로 기존의 육해상 및 부유식 풍력, 태양광, 수전해, 바이오 미생물 에너지화 기술 등의 신재생에너지원을 결합하여 사용할 수 있는 신재생에너지 하이브리드화 시스템을 제공하려고 한다. 본 발명은 발전시스템으로서 풍력, 태양광, 염분차 발전 기술을 적용하고, 발전된 전기를 가스 또는 액체 에너지로 변환하기 위한 기술로서 수전해와 바이오에너지 생산 기술을 활용한다. 본 기술은 바다와 인접한 해안가뿐 아니라 바다 위 부유식 구조물 형태로의 적용이 모두 가능한 기술이다.
본 발명은 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 있어서, 풍력 또는 태양광 발전과 염분차 발전을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 장치와, 상기 생산된 전기를 저장하는 전력 저장 장치와, 상기 생산된 전기의 일부를 수소 가스 에너지로 변환하는 수전해 장치를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 생산된 전기의 일부를 이용하여 바이오 연료를 위한 미생물을 성장시키는 미생물 양육 장치를 더 포함한다. 또한 상기 수전해 장치는 상기 염분차 발전의 전처리 장치와 연계하여 운전된다.
또한 본 발명은 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 있어서, 풍력 또는 태양광 발전과 염분차 발전을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 장치와, 상기 생산된 전기를 저장하는 전력 저장 장치와, 상기 생산된 전기의 일부를 이용하여 바이오 연료를 위한 미생물을 성장시키는 미생물 양육 장치를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 성장된 미생물을 이용하여 바이오연료를 생산하는 바이오 리파이너리 장치를 더 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명을 통해 기존 단일 신재생에너지원에서 문제점으로 지적되고 있는 낮은 이용률, 부하 변동성의 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명을 통해 지리적 여건에 맞는 맞춤형 신재생에너지를 개발하므로써 효율적인 에너지 자원의 확보 및 관리가 가능하다. 이는 국가 에너지 수급 및 국가 에너지기술 경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 염분차 발전 기반의 신재생에너지 하이브리드화 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 수전해 장치의 일 예이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 염분차 발전 기반의 신재생에너지 하이브리드화 시스템의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 신재생에너지 하이브리드화 시스템은 풍력 발전 장치(10), 태양광 발전 장치(20), 염분차 발전 장치(30), 배터리(40), 담수 공급 장치(50), 전처리 장치(60), 수전해 장치(70), 바이오 미생물 생산 장치(80)를 구비하고 있다. 배터리(40)는 라인(86)을 통해 전력 네트워크(5)와 연결된다.
풍력 발전 장치(10)는 육상 또는 해상에 설치될 수 있다. 해상에서는 부유식 풍력 구조물을 이용한 형태가 될 수 있다. 해안가 근처에서 활용할 경우 전지 구조 및 특성상 태양광 발전 장치(20)의 경우 전지 표면에 염에 의한 오염으로 성능이 지속적으로 저하될 수 있는 단점이 있기 때문에 태양광 보다는 풍력이 유리하다.
풍력의 부하 변동 때문에 염분차 발전 장치(30)와 풍력 발전 장치(10)는 배터리(40)와 같은 전력 저장 장치를 통해 연계될 수 있다. 풍력 발전 장치(10)는 라인(81)를 통해 배터리(40)와 연결되고, 태양광 발전 장치(20)는 라인(82)을 통해 배터리(40)와 연결된다. 염분차 발전 장치(30)는 라인(83)을 통해 배터리(40)와 연결되므로써 풍력 발전 징치(10) 또는 태양광 발전 장치(20)의 부하 변동폭을 최소화시킬 수 있다.
염분차 발전은 기존 신재생에너지원이 갖고 있는 단점이 전혀 없으며, 오히려 그러한 단점을 보완할 수 있다. 염분차 발전은 부하 변동이 적기 때문에 생산된 전기를 전력 변환을 통해 바로 원하는 시스템에 적용할 수 있다. 또한 생산된 잉여 전력은 기존 신재생에너지와 연결되어 있는 전력 저장 시스템에 저장할 수 있다. 하지만 염분차 발전을 본 하이브리드 시스템에 적용하기 위해서는 담수 또는 염수의 취수가 매우 중요한 해결과제이다. 이를 위해 담수/염수 공급 장치(50)는 인근의 하수처리장, 해수담수화 시설, 하천 등에서 담수 또는 염수를 취수하여 전처리 장치(60)에 제공할 수 있다. 염분차 발전은 해수와 담수뿐 아니라 고농도 염수와 해수의 조합으로도 발전이 가능하다는 장점을 갖는다. 담수/염수 공급 장치(50)로부터 라인(91, 92)을 통해 전처리 장치(60)에 제공된 담수 또는 염수는 라인(93, 94)을 통해 염분차 발전 장치(30)에 제공된다.
풍력 발전 장치(10), 태양광 발전 장치(20) 또는 염분차 발전 장치(30)를 통해 생산된 전기의 일부 또는 과잉 생산 전기를 바이오 연료로 전환하기 위해 발전 장치의 인근에 바이오 미생물 생산 장치(80)를 구비할 수 있다. 해안가 인근의 경우 별도의 부지를 마련하여 미생물 생산 시설을 구축할 수 있으나, 전기 발전 장치가 부유식으로 구성될 경우 바다 내 양식장과 같은 형태로 구성이 가능하다. 배터리(40)에서 라인(84)을 통해 바이오 미생물 생산 장치(80)에 제공되는 대부분의 에너지는 미생물을 성장시키기 위한 수온 조절 및 CO2 공급에 이용된다. 생산된 바이오 미생물은 대량 회수하여 바이오 리파이너리(Bio-refinery) 공정을 통해 당, 지질 등으로 분리된 다음 원하는 용도에 따라 지질은 바이오 디젤, 다당류는 바이오 에탄올을 생산하는데 이용될 수 있다.
해양 바이오 미생물의 경우 육지의 바이오 매스에 비해 이산화탄소 사용량이 25배 이상 많아 지구 온난화 방지 효과가 클 뿐만 아니라, 육지 바이오 매스가 대부분 바이오 디젤을 생산하는 용도로 사용되는 것에 비해, 해양 바이오 미생물은 바이오 디젤뿐만 아니라, 내부에 다량 함유되어 있는 다당 성분의 추출을 통해 바이오 에탄올과 같은 청정 에너지를 생산할 수 있다. 이러한 에너지 변환 기술은 상기 신재생에너지 하이브리드화 기술의 운영 효율을 향상시키고, 생산된 에너지를 효율적으로 활용하는 매우 좋은 방안이 될 것이다.
또한 생산된 전기의 일부 또는 과잉 생산 전기를 수소가스 에너지로 변환하기 위해 수전해 장치(70)를 구축할 수 있다. 수전해 장치(70)는 라인(95)을 통해 배터리(40)로부터 전기를 제공받으며, 라인(95)을 통해 해수를 제공받는다. 수전해 장치(70)는 에너지 다소비 시스템으로 염분차 발전 장치(30)의 전처리 장치(60)와 연계하여 운전하게 되면 에너지 소모를 획기적으로 줄이면서도 고순도의 수소가스를 생산할 수 있다.
도 2는 수전해 장치(70)의 일 예이다. 도시된 바와 같이, 수전해 장치(70)는 2개의 챔버 즉, 산화 전극조(102)와 환원 전극조(104)를 구비하며, 음이온 교환막(106)을 이용하여 두 개의 챔버(102, 104)를 분리한다. 전처리 장치(60)에서 산화 전극조(102)에는 폐수를 주입하고 환원 전극조(104)에는 해수를 주입한다. 애노드(108)과 캐소드(112) 사이에는 직류 전원(113)이 연결된다.
산화 전극조(102)는 챔버(107)와 애노드(108)을 포함하며 혐기성 조건을 만들어 준다. 산화 전극조(102)에는 폐수 저장설비(114)로부터 폐수가 주입된다. 애노드(108)에는 전기화학 활성균(110)을 부착해 성장시킨다. 전기화학 활성균(110)은 폐수 내 유기물을 산화하며, 수소이온(H+)과 전자(e-)을 생성한다. 생성된 전자는 미생물에 의해서 애노드(108)으로 전달되며 이 전자는 저항(도시되지 않음)이 연결된 회로를 통하여 환원 전극조(104)로 이동한다.
전기화학 활성균(110)의 활성을 위해서는 pH를 중성으로, 온도를 25℃ 이상으로 유지할 필요가 있다. 산화 전극조(102)는 산화 반응이 진행되면서 pH가 저하되므로 pH를 중성으로 유지하기 위해 환원 전극조(104)의 침전물 또는 유출수의 일부를 산화 전극조(102)로 이송할 수 있다. 이러한 침전물 또는 유출수의 이송은 다른 첨가물의 투입 없이 산화 전극조(102)의 전도도를 향상시킬 수 있다는 측면에서도 유익하다.
산화 전극조(102)는 충분한 전자 생성을 위해 애노드(108)을 복수 개 설치할 수 있다. 또한 산화 전극조(102)의 반응 속도를 향상시키기 위해 애노드(108)을 브러쉬 타입으로 형성하여 비표면적을 최대화할 수 있다.
산화 전극조(102)에 주입되는 폐수는 도시하수, 산발효액, 혐기성 소화 유출액, 식품가공폐수 등 유기성 물질이 포함된 혼합물일 수 있다. 산화 전극조(102)에 주입되는 폐수는 유기물 농도를 적정 수준으로 유지할 필요가 있다. 이를 위해 유기물 농도 검출 센서(도시되지 않음)를 폐수 저장설비(114)에 설치하여 유기물 농도를 모니터링 하고, 폐수 내의 유기물 농도가 적정 수준 이하인 경우에는 태양열 등을 이용하여 폐수를 농축한 후에 산화 전극조(102)에 주입할 필요가 있다.
직류 전원(113)을 이용하여 최소 0.3V 이상의 전압을 인가해주어 캐소드(112)의 전위가 애노드(108)의 전위보다 낮게 하면 수소 가스가 생산될 수 있다. 이론적으로 수소 가스 생산을 위해서는 캐소드(112)의 전위가 약 - 0.6 V 보다 낮아야 한다. 직류 전원(113) 대신에 전원공급 수단으로서 RED (Reverse electrodialysis: 역전기투석) 발전을 활용하거나 신재생에너지를 사용할 수 있다.
환원 전극조(104)는 챔버(111)와 캐소드(112)을 포함한다. 환원 전극조(104)에는 해수 저장설비(116)로부터 해수가 주입된다. 캐소드(112)으로서는 내부식성 소재를 사용하고 백금 등의 촉매를 입혀 사용한다.
환원 전극조(104)에서는 화학식 1의 반응을 통해 수소 가스가 생성되므로 수소 가스 포집장치(도시되지 않음)를 포함하고 있어야 한다. 발생된 수소 가스는 해수 내 입자성 물질을 제거하는데 이용될 수 있다.
Figure pat00001
캐소드(112)에서 형성된 OH-에 의해서 화학식 2의 반응에 의해 해수 내 Ca2+, Mg2+ 등의 다가 양이온이 침전되어 침전물을 형성하게 된다. 침전물은 후속 공정에서 FDFO(Fertiliser Drawn Forward Osmosis)와 연계하여 침전물 비료로 활용할 수 있다. 환원 전극조(104)는 Ca2+, Mg2+ 의 침전 위해 pH 를 9 이상으로 유지해야 한다.
Figure pat00002
침전물이 캐소드(112)에 부착되면 환원 반응이 일어나기 어렵게 되므로 캐소드(112)을 스케일링(scaling)할 필요가 있다. 이를 위해 스키머(skimmer)를 이용하거나, 캐소드(112)에 진동 또는 초음파를 적용하거나 주기적으로 기포를 분사할 수 있다.
환원 전극조(104)와 산화 전극조(102)는 음이온 교환막(106)으로 분리되어 있다. 음이온 교환막(106)으로 산화 전극조(102)와 환원 전극조(104)를 분리하는 이유는 해수 내 포함된 양이온들이 산화 전극조(102)로 이동하는 것을 방지하기 위함이다. 음이온 교환막(104)의 표면도 스키머(skimmer)를 이용하거나, 진동 또는 초음파를 적용하거나 주기적으로 기포를 분사하여 스케일링(scaling)할 필요가 있다.
지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 신재생에너지 하이브리드화 장치에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 상기에 기재된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 풍력 발전 장치 20: 태양광 발전 장치
30: 염분차 발전 장치 40: 배터리
50: 담수 공급 장치 60: 전처리 장치
70: 수전해 장치 80: 바이오 미생물 생산 장치
100: 미생물 이용 수전해 장치 102: 산화 전극조
104: 환원 전극조 106: 음이온 교환막
107: 산화 전극조 챔버 108: 애노드
110: 전기화학 활성균 111: 환원 전극조 챔버
112: 캐소드 113: 전원공급장치
114: 폐수 저장설비 116: 해수 저장설비

Claims (5)

  1. 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 있어서,
    풍력 또는 태양광 발전과 염분차 발전을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 장치와,
    상기 생산된 전기를 저장하는 전력 저장 장치와,
    상기 생산된 전기의 일부를 수소 가스 에너지로 변환하는 수전해 장치를
    포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 생산된 전기의 일부를 이용하여 바이오 연료를 위한 미생물을 성장시키는 미생물 양육 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수전해 장치는 상기 염분차 발전의 전처리 장치와 연계하여 운전되는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드화 시스템.
  4. 염분차 발전 기반 신재생에너지 하이브리드화 시스템에 있어서,
    풍력 또는 태양광 발전과 염분차 발전을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 장치와,
    상기 생산된 전기를 저장하는 전력 저장 장치와,
    상기 생산된 전기의 일부를 이용하여 바이오 연료를 위한 미생물을 성장시키는 미생물 양육 장치를
    포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드화 시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 성장된 미생물을 이용하여 바이오연료를 생산하는 바이오 리파이너리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드화 시스템.
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