KR20180026941A - 삼투압 발전을 이용한 해수 담수화 플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 담수화 플랜트는, 삼투막(4)을 구비하는 삼투막 모듈(10), 및 상기 삼투막 모듈(10)로부터 생성된 압력에 의해 전력을 생산하는 터빈(20)과 발전기(30)를 구비하는 삼투압 발전부(100); 및 담수화부(200);를 포함하고, 상기 담수화부(200)는 상기 삼투막 모듈(10)의 염수 채널(11)로부터 희석된 해수(2)를 공급받아 담수화시키고, 상기 삼투막 모듈(10)의 담수 채널(12)은 상기 담수화부(200)에서 생성된 담수(3)를 공급받는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 플랜트에 의하면, 담수화부가 삼투막 모듈의 염수 채널로부터 희석된 해수를 공급받아 담수화의 원료로 이용하게 되어, 담수화 자체에 부담이 줄어드는 것은 물론, 종래의 담수화 장치에서보다 담수화 장치의 부식을 지연시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 플랜트에 의하면, 담수화부와 삼투압 발전부가 한 세트로 구성됨으로써 담수화부는 삼투압 발전부로부터 전력 공급을 받을 수 있고, 삼투압 발전부는 담수화부로부터 담수를 공급받을 수 있다.

Description

삼투압 발전을 이용한 해수 담수화 플랜트{SEAWATER DESALINATION PLANT USING OSMOTIC POWER GENERATION}
본 발명은 구동 전력을 자체 생산하는 해수 담수화 플랜트에 관한 것으로, 구체적으로는 해수 담수화 플랜트에서 생산되는 담수를 삼투압 발전에 이용하고, 삼투압 발전소에서 생산된 전력에 의해 플랜트의 구동 전력을 자체 생산하는 구성에 관한 것이다.
일반적으로 해수 담수화의 방식은 크게 기본원리에 따라 분류된다. 열원을 이용하여 해수를 가열하고 발생한 증기를 응축시켜 담수를 얻는 증발법과 삼투현상(Osmosis)을 역으로 이용하여 해수를 반투막(Semi-permeable Membrane)을 통과시켜 담수를 생산하는 역삼투법(Reverse Osmosis: RO)이 해수 담수화의 대표적인 방식이다. 열원을 이용하는 증발법은 유체의 흐름 양상에 따라 다단증발법(Multi-Stage Flash: MSF)과 다중효용법(Multi-Effect Distillation: MED)으로 구분된다. 이외에도 결정화법, 이온교환막법, 용제추출법, 가압흡착법 등이 해수담수화에 적용되고 있으나, 현재 널리 상용화된 해수담수화 방식은 MSF, MED와 RO의 3가지 기술이며, MSF 또는 MED와 RO를 혼용하여 담수를 생산하는 Hybrid 방식이 적용되는 경우도 있다.
한편, 삼투압 발전소는 2009년 노르웨이에서 세계 최초로 상용화 되었으며, 이러한 삼투압 발전소는 CO2 등 환경 유해물질을 배출하지 않고, 석유나 석탄이 없이도 에너지 생산이 가능한 친환경 발전이다.
종래 해수 담수화 플랜트를 가동하기 위한 전력은 기존의 전력원인 화력 발전소 등에서 공급되는데, 이는 CO2 배출 등 환경에 유해한 점이 있었다. 또한, 종래 담수화 플랜트의 경우, 바다에서 해수를 직접 유입시켜서 담수화를 진행하여 왔는데, 플랜트로 유입되는 염수의 농도가 높아서 소재의 부식이 심하여 유지 및 보수 비용이 많이 든다는 단점이 있었다.
삼투압 발전소의 관점에서 보면, 삼투압 발전소는 발전 원리 상 염수와 담수가 모두 필요한데, 이에 따라 바다와 그에 인접한 강이 있는 지역에서 설치해야만 하는 설치 지역상의 한계가 존재했다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로, 삼투압 발전소와 해수 담수화 플랜트를 함께 설치하여, 담수화 플랜트에서 염분을 제거한 담수를 삼투압 발전소의 담수 채널로 공급하여 삼투압 발전소의 설치 위치의 제약을 없애고, 삼투압 발전소에서 삼투압에 의해 희석되어 염분이 낮아진 해수를 담수화 플랜트로 공급하여 담수화 플랜트의 부식 손상을 완화하고 담수화 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 담수화 플랜트는 상기 과제를 달성하기 위해, 삼투막을 구비하는 삼투막 모듈, 및 상기 삼투막 모듈로부터 생성된 압력에 의해 전력을 생산하는 터빈과 발전기를 구비하는 삼투압 발전부; 및 담수화부를 포함한다.
담수화부는 상기 삼투막 모듈의 염수 채널로부터 희석된 해수를 공급받아 담수화시키고, 삼투막 모듈의 담수 채널은 상기 담수화부에서 생성된 담수를 공급받는다. 이렇게 담수화부가 삼투막 모듈의 염수 채널로부터 희석된 해수를 공급받아 담수화의 소스로 이용하게 되면, 담수화 자체에 부담이 줄어드는 것은 물론, 종래의 담수화 장치에서보다 담수화 장치의 부식을 지연시킬 수 있다.
삼투막 모듈은 염수 채널 및 담수 채널을 포함할 수 있고, 상기 염수 채널과 담수 채널은 상기 삼투막에 의해 구분된다. 삼투막 사이에서 양 채널에 삼투압이 발생하면, 염분 농도가 낮은 쪽의 용매가 염분이 높은 쪽으로 이동하게 되는 삼투압의 원리에 의해, 염수 채널로 담수가 흐르고, 염수 채널 쪽의 염분 농도는 낮아진다.
상기 삼투압 발전부는 생성된 전력을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 이 출력부는 기타 전력 공급이 필요한 곳에 사용될 수도 있다.
바람직하게는, 삼투압 발전부에서 생성된 전력은 담수화부로 공급될 수 있다. 즉, 담수화부는 전력 수신부를 포함하고, 상기 전력 수신부는 상기 삼투압 발전부의 출력부로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이렇게 담수화부와 삼투압 발전부가 한 세트로 구성됨으로써 담수화부는 삼투압 발전부로부터 전력 공급을 받을 수 있고, 삼투압 발전부는 담수화부로부터 담수를 공급받을 수 있다.
담수화 플랜트는 보조 전원부를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 전원부는 상기 담수화부의 시동에 필요한 최초 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 보조 전원부는 태양열 발전부일 수 있다.
상기 담수화부는 역삼투법(Reverse Osmosis: RO), 다단증발법(Multi-Stage Flash: MSF), 및 다중효용법(Multi-Effect Distillation: MED) 중 적어도 어느 하나의 방식을 사용하는 담수화 장치일 수 있다.
필요시에, 본 실시예에 의한 담수화 플랜트는 상기 삼투압 발전부(100) 및 상기 담수화부(200) 중 적어도 어느 하나는 보조 전원부로부터 보조 전력을 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 삼투압 발전을 이용한 담수화 방법은, 삼투압 발전부에서 희석된 해수를 담수화부로 공급하는 단계; 담수화부로 공급된 희석된 해수를 담수화시키는 단계; 및 담수화부에서 생산된 담수를 삼투압 발전부의 담수 채널로 공급하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 담수화부는 상기 삼투압 발전부에서 생성된 전력을 공급받아 가동이 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 삼투압 발전을 이용한 담수화 방법은, 보조 전원부에 의해 담수화부를 최초로 가동시키는 가동 단계; 가동된 담수화부에서 생산된 담수를 삼투압 발전부의 담수 채널로 공급하는 단계; 상기 삼투압 발전부에서 희석된 해수를 담수화부로 공급하는 단계; 및 담수화부로 공급된 희석된 해수를 담수화시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 담수화부는 상기 삼투압 발전부에서 생성된 전력을 공급받아 가동이 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 플랜트에 의하면, 담수화부가 삼투막 모듈의 염수 채널로부터 희석된 해수를 공급받아 담수화의 원료로 이용하게 되어, 담수화 자체에 부담이 줄어드는 것은 물론, 종래의 담수화 장치에서보다 담수화 장치의 부식을 지연시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 플랜트에 의하면, 담수화부와 삼투압 발전부가 한 세트로 구성됨으로써 담수화부는 삼투압 발전부로부터 전력 공급을 받을 수 있고, 삼투압 발전부는 담수화부로부터 담수를 공급받을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 담수화 플랜트의 시스템 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 담수화 플랜트의 시스템 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 담수화 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 담수화 방법의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 담수화 플랜트의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 시스템 개략도이다. 태양열 발전부(40)에서 담수화부(200)로 전력이 공급된다. 구체적으로, 담수화부(200)의 전력 수신부(210)에서 전력을 수신한다. 여기서 수신된 전력은 적어도 담수화부(200)를 최초에 가동시킬 수 있다.
상기 태양열 발전부(40)는 담수화부(200), 삼투압 발전부(100), 또는 담수화부(200) 및 삼투압 발전부(100) 모두의 보조 전력원으로 사용될 수도 있다.
담수화부(200)가 가동되면 해수에서 염분을 제거하여 담수를 생성한다. 생성된 담수는 식수(3a)로 이용될 수도 있고 기타 담수가 활용될 수 있는 곳에 이용될 수도 있지만, 적어도 일부는, 삼투압 발전부(100)에 담수(3)로 제공된다.
삼투압 발전부(100)는 적어도 삼투막 모듈(10), 터빈(20), 및 발전기(30)로 구성된다. 삼투막 모듈(10)은 염수 채널(11) 및 담수 채널(12)을 포함하는데, 이들은 삼투막(4)에 의해 구분된다. 염수 채널(11)에는 해수(1)가 공급되고, 담수 채널(12)에는 담수(3)가 공급된다. 해수(1)와 담수(3) 사이의 염분 농도차가 크므로, 삼투압의 원리에 의해 담수 채널(12)에 있던 담수가 삼투막(4)을 통과하여 염수 채널(11)로 이동한다. 여기서 생기는 압력차에 의해 터빈(20)이 돌아가고, 발전기(30)에서 전력이 생성된다.
생성된 전력은 삼투압 발전부(100)의 출력부(31)에서 필요한 곳에 쓰이도록 구성된다.
한편, 상기 삼투막 모듈(10)을 통과하면서 담수와 희석된 해수(2)는 다시 담수화부(200)로 공급된다. 통상의 담수화 장치에서는 일반적인 해수를 담수화시키지만, 이 경우에는 높은 염분으로 인해 담수화 장치 곳곳에서 부식이 잘 일어난다. 반면, 본 발명에 의한 일 실시예에 따르면, 담수화부(200)가 희석된 해수(2)를 공급받도록 구성되므로, 일반 해수보다 염분 농도가 낮을 수 밖에 없고, 이는 담수화 작업에 드는 에너지를 감소시키고, 담수화 장치의 부식을 현저히 줄여준다.
담수화부(200)에서 희석된 해수(2)를 원수로 하여 다시 담수화 작업이 진행되면, 또 다시 담수가 생성된다. 이 담수는 역시 식수(3a) 등 기타 담수가 필요한 곳으로 공급될 수 있고, 다시 삼투막 모듈(10)의 담수 채널(12)로 공급될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 도시한 시스템 개략도이다. 여기에서는 위에 언급된 실시예와 중복되는 내용은 생략하여 설명한다.
태양열 발전부(40)에서 담수화부(200)로 전력이 공급된다. 구체적으로, 담수화부(200)의 전력 수신부(210)에서 전력을 수신한다. 여기서 수신된 전력은 적어도 담수화부(200)를 최초에 가동시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 삼투압 발전부(100)에서 생성된 전력이 담수화부(200)의 전력 수신부(210)로 공급된다. 기타 화석 연료에 의해 생성된 전력을 공급받지 않고 삼투압 발전부(100)에 의해 생성된 전력으로 담수화부(200)가 가동될 수 있고, 따라서 친환경적이다. 즉, 태양열 발전부(40)에 의해 최초로 담수화부(200)가 시동되고, 이후에는 삼투압 발전부(100)에 의해 생성된 전력으로 담수화부(200)가 지속 가동된다. 담수 1톤 당 약 2MW의 전력을 생산할 수 있고, 이는 삼투압 발전부(100)와 담수화부(200)의 상대적 규모를 결정하는 데 활용될 수 있을 것이다. 필요시에는 태양열 발전부(40)에 의해 보조 전력을 공급받을 수 있으므로, 일시적으로 삼투압 발전부(100)에 의한 전력 공급에 차질이 생길 경우를 대비할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 담수화부(200)가 희석된 해수(2)를 공급받도록 구성되므로, 일반 해수보다 염분 농도가 낮을 수 밖에 없고, 이는 담수화 작업에 드는 에너지를 감소시키고, 담수화 장치의 부식을 현저히 줄여준다. 담수화 장치에 흐르는 물은 염분이 낮을수록 부식 방지에 유리하다.
담수화부(200)에서 희석된 해수(2)를 원수로 하여 다시 담수화 작업이 진행되면, 또 다시 담수가 생성된다. 이 담수는 역시 식수(3a) 등 기타 담수가 필요한 곳으로 공급될 수 있고, 다시 삼투막 모듈(10)의 담수 채널(12)로 공급될 수도 있다. 이것은 본 발명에 의한 실시예에 따르면 삼투압 발전부(100)가 강에 인접하여 있지 않아도 작동이 가능하다는 것을 보여준다. 왜냐하면 삼투압 발전부(100)에 필요한 담수를 모두 담수화부(200)로부터 공급받을 수 있기 때문이다.
도 3은 본 발명에 의한 담수화 방법을 나타낸 순서도이다. 담수화 방법은, 삼투압 발전부(100)에서 희석된 해수(2)를 담수화부(200)로 공급한 후, 상기 희석된 해수(2)를 담수화부(200)에서 담수화시키면 생산된 담수(3)를 삼투압 발전부(100)의 담수 채널(12)로 공급하는 단계를 포함한다.
상기 삼투압 단계의 담수 채널(12)로 공급된 담수는 삼투압에 의해 삼투막(4)을 통하여 염수 채널(11)로 이동한다. 그러면 다시 도 2의 첫 번째 단계가 진행되고, 이는 계속 반복된다.
이 단계들은 기본적으로 전력 공급이 있어야 수행 가능한데, 도 4를 참조하면 최초 가동 단계를 볼 수 있다. 최초에 보조 전원부(40)에 의해 담수화부(200)를 가동시킨다. 선택적으로, 다른 전원부를 활용할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 가동된 후에는 삼투압 발전부(100)에서 희석된 해수(2)를 담수화부(200)로 공급한 후, 상기 희석된 해수(2)를 담수화부(200)에서 담수화시키면 생산된 담수(3)를 삼투압 발전부(100)의 담수 채널(12)로 공급하는 단계를 반복할 수 있고, 이는 삼투압 발전부(100)에서 생성된 전력이 담수화부(200)에 공급됨으로써 수행될 수 있다.
1: 해수
2: 희석된 해수
3: 담수
3a: 식수
4: 삼투막
10: 삼투막 모듈
11: 염수 채널
12: 담수 채널
20: 터빈
30: 발전기
31: 출력부
40: 보조 전원부
100: 삼투압 발전부
200: 담수화부
210: 전력 수신부

Claims (11)

  1. 삼투막(4)을 구비하는 삼투막 모듈(10), 및 상기 삼투막 모듈(10)로부터 생성된 압력에 의해 전력을 생산하는 터빈(20)과 발전기(30)를 구비하는 삼투압 발전부(100); 및
    담수화부(200);
    를 포함하고,
    상기 담수화부(200)는 상기 삼투막 모듈(10)의 염수 채널(11)로부터 희석된 해수(2)를 공급받아 담수화시키고,
    상기 삼투막 모듈(10)의 담수 채널(12)은 상기 담수화부(200)에서 생성된 담수(3)를 공급받는, 담수화 플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삼투막 모듈(10)은 염수 채널(11) 및 담수 채널(12)을 포함하고, 상기 염수 채널(11)과 담수 채널(12)은 상기 삼투막(4)에 의해 구분되는, 담수화 플랜트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 삼투압 발전부(100)는 생성된 전력을 출력하는 출력부(31)를 포함하는, 담수화 플랜트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 담수화부(200)는 전력 수신부(210)를 포함하고, 상기 전력 수신부(210)는 상기 삼투압 발전부(100)의 출력부(31)로부터 전력을 공급받는, 담수화 플랜트.
  5. 제6항에 있어서,
    보조 전원부(40)를 더 포함하고,
    상기 보조 전원부(40)는 상기 담수화부(200)의 시동에 필요한 최초 전력을 공급하는데 사용되는, 담수화 플랜트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 전원부(40)는 태양열 발전부인, 담수화 플랜트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 담수화부는 역삼투법(Reverse Osmosis: RO), 다단증발법(Multi-Stage Flash: MSF), 및 다중효용법(Multi-Effect Distillation: MED) 중 적어도 어느 하나의 방식을 사용하는, 담수화 플랜트.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 삼투압 발전부(100) 및 상기 담수화부(200) 중 적어도 어느 하나는 보조 전원부(40)로부터 보조 전력을 공급받는, 담수화 플랜트.
  9. 삼투압 발전부(100)에서 희석된 해수(2)를 담수화부(200)로 공급하는 단계;
    담수화부(200)로 공급된 희석된 해수(2)를 담수화시키는 단계; 및
    담수화부(200)에서 생산된 담수(3)를 삼투압 발전부(100)의 담수 채널(12)로 공급하는 단계;
    를 포함하는 삼투압 발전을 이용한 담수화 방법.
  10. 보조 전원부(40)에 의해 담수화부(200)를 최초로 가동시키는 가동 단계;
    가동된 담수화부(200)에서 생산된 담수(3)를 삼투압 발전부(100)의 담수 채널(12)로 공급하는 단계;
    상기 삼투압 발전부(100)에서 희석된 해수(2)를 담수화부(200)로 공급하는 단계; 및
    담수화부(200)로 공급된 희석된 해수(2)를 담수화시키는 단계;
    를 포함하는 삼투압 발전을 이용한 담수화 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 담수화부(200)는 상기 삼투압 발전부(100)에서 생성된 전력을 공급받아 가동이 유지되는, 삼투압 발전을 이용한 담수화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021232029A3 (en) * 2020-05-12 2022-01-13 Purdue Research Foundation Bimodal reverse osmosis and pressure retarded osmosis framework
KR20230148520A (ko) * 2022-04-18 2023-10-25 한국산업기술시험원 선박에서 전력을 생산하는 장치

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