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블루에너지
블루에너지(blue energy)란 담수(fresh water)와 해수(바닷물) 사이의 소금 농도 차이를 이용해 전기를 추출하는 전력 발전기술을 말한다. 블루에너지 기술은 온실가스 방출 없이 24시간 동안 동력 발전이 가능한 청정에너지라는 점에서 매우 매력적이다. 다른 에너지 발전기술들과는 달리 인구밀도가 높은 지역에서 이용이 가능하기 때문에 전력 전달 과정에서 발생되는 전력 손실을 줄일 수 있다.
개요
블루에너지는 민물과 소금물 사이의 화학적 차이를 이용해서 전기를 얻는 것이 핵심이다. 현재 과학자들은 우표 크기의 막(멤브레인)과 나노튜브를 이용해서 블루에너지를 뽑아내는데 성공했다. 이것을 저렴한 비용으로 크게 확대할 수 있다면, 강이 바다를 만나는 해안을 가진 국가의 수백만명에게 탄소 없는 전력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
강과 바다가 만나는 하구 또는 델타는 민물과 짠물이 상호작용하면서 서로 재분배하는 방법 때문에 엄청난 에너지 잠재력을 지니고 있다. 물 입자의 전하는 자기 전하와 같은 방식으로 작용한다. 같은 전하는 서로 밀어낸다. 물 안에 강한 음전하를 띤 나노 튜브를 넣어두면 다른 음전하를 막아준다. 이런 식으로 물을 정렬하면 그들 사이에 엄청난 전하차를 가진 두 개의 분리된 웅덩이를 만드는 것을 의미한다.
에너지가 풍부한 소금의 전하 차이를 이용하면 전기를 발생시키는 것이다. 이것은 또한 우리 몸의 전기 시스템이 물에 녹은 짠 전해질들에 의해 활성화되는 이유이기도 하다.
블루에너지의 가능성은 그 엄청난 규모에서 비롯된다. 강은 매년 약 3만 7000 ㎦의 민물을 바다로 흘려보낸다. 민물과 짠 바닷물 사이의 이러한 교차점은 많은 전기를 발생시킬 수 있는 가능성을 만들어낸다.
최근의 한 추산에 따르면, 2000개의 원자력 발전소를 가동해야 얻을 수 있는 전력인 무려 2.6 테라와트의 전기를 생산할 수 있다는 의견도 있어 향후 발전 가능성이 기대된다.[1]
블루에너지 기술을 통한 전기 에너지 추출 원리
- 삼투압법(PRO, Pressure-retarded osmosis): 탱크에 각각 담수와 바닷물을 가두고 특수제작 막(membrane)으로 분리한다. 삼투압현상으로 담수는 바닷물과 소금의 농도를 비슷하게 맞추려 하고 이를 위한 담수의 흐름으로 압력이 생성되며 이가 터빈을 작동시켜 전기 발전을 할 수 있는 방식이다. 수력발전과 비슷한 형태이다. 강물이 바다로 흘러 들어가는 강어귀에서 주로 진행되며 고도차를 이용해 전기를 발생시키기도 한다.
- 역 전기투석법(RED, Reverse electro-dialysis): 특수제작 막을 이용해 앙성자나 음성자만을 통과시켜 압력차를 만들어내며 바로 에너지로 사용 가능하다. 효율적이며 미래 상용화 가능성 크다.[2]
기술 특징
- 온실가스의 방출 없이 24시간 동력 발전 가능
- 발전에 사용되는 물은 높은 염도를 포함하고 있어야 하며, 이 때 다른 산업 공정 후 남겨진 물을 재활용 가능. 염도차가 클수록 생산성이 높아짐.
- 다른 에너지 발전 기술들과는 달리 인구밀도가 높은 지역에서 이용 가능하므로 전력 전달 시 발생되는 전력 손실 줄임.
- 태양 및 풍력 에너지 발전과 비교했을 때, 자연에 크게 영향을 받지 않으며, 상용화될 경우 풍력 발전보다 훨씬 저렴한 비용으로 전력 발전 가능. 전력 생산비가 1㎡당 5유로까지 떨어질 것이며, ㎾ 단위당 8센트의 비용이 들 것이라는 과학자들의 의견
- 이론상으로 1m³의 담수당 1MJ의 전력을 얻어 100% 에너지 치환율을 보임. 에너지 회수율은 실험상 80%, 기술적 가능성을 고려하면 60~70%의 에너지 회수가 가능하며, 경제적 가능성을 반영하면 이보다는 약간 낮은 에너지 회수율이 예상됨.
- 에너지 회수율: 설비가 유지되는 기간의 총 에너지 생산량에서 총 에너지 소비량을 차감한 양과 설비를 건설하는 기간에 소요된 에너지양의 비율. 에너지 회수율이 높을수록 비용 대비 효율적인 방법으로 평가됨.[2]
연구 성과
블루에너지는 2009년 네덜란드 와게닝겐 대학(Wageningen University)의 Jan Post 교수가 역전기투석법에 초점을 맞춘 학위논문을 발표하면서 이슈가 됐으며, 특히 염도 변화로부터 대규모 에너지를 생성하는 기술과 필수조건에 대한 첫 실증화 연구로써 학계 및 관련 업계의 주목을 받았다.
Jan Post 교수는 논문을 통해 호주 65%, 아프리카 61%, 남미 47%로 호주의 기술적 잠재력을 가장 높게 평가했고, 전 세계 5천4백72개의 강 중 강과 바다 내 염도, 온도 및 환경적 요소를 종합적으로 고려해본 결과 유럽 내에서 라인강이 가장 큰 블루에너지를 얻을 수 있는 곳으로 꼽았다. 또한 그는 블루에너지의 상용화를 위해서는 거대한 양을 저렴하게 처리할 수 있는, 그리고 물이 오염되거나 막에 미생물이 축적되더라도 충분히 견딜 수 있는 막기술의 개발이 선행돼야 한다고 주장했다.
이후 이탈리아에서 색다른 연구결과가 발표되기도 했다. 이탈리아 밀란비보카 대학의 Doriano Brogioli 교수가 상이한 염도로부터 에너지를 뽑아내기 위해 전기이중층커패시터(Electric Double Layer Capacitor ; EDLC) 기술을 활용한 것. 이 연구는 전기이중층의 성능이 이온 농도에 달려 있다는 점에 착안, EDLC는 염수에 담긴 두 개의 다공성 탄소전극으로 구성되고 전극이 전원과 연결되면 한쪽은 음극이 되고 다른 쪽은 양극이 되어 정전기적 에너지를 발생시키는 원리다. Brogioli 교수에 따르면 비용이나 내구성 문제 없이 막을 사용해 생산해내는 1kW와 경쟁력을 갖는 전력을 생산할 수 있으며 전극구조의 개선을 통해 기술 향상을 도모할 수 있다고 한다.[3]
2013년 프랑스 과학자들은 실리콘 질산염으로 세라믹 필름을 만들었다. 그리고 그 필름을 '붕소나트륨 나노튜브'(BNNT)로 뚫었다. 고강도 합성 물질을 조사하는데 사용하는 BNNT는 음전하가 높기 때문에, 음전하를 띤 물 이온을 막을 수 있다. 실제로 프랑스 과학자들이 민물과 소금물 사이에 BNNT로 처리한 막을 놓았을 때, 양 이온이 소금물에서 민물로 움직였지만, 음으로 충전된 이온들은 대부분 차단되었다는 것을 발견했다. 양쪽 사이의 전하 불균형은 너무 강해서 연구자들은 1㎠ 당 수백만 개의 모공이 들어 있는 1㎡짜리 막으로 연간 약 30메가 와트를 발전할 수 있을 것으로 추정했다. 이 정도면 400여 가구에 전력을 공급할 수 있다. 그러나 아직까지는 우표 크기의 필름을 만드는 것은 불가능하다는 것이 입증되었다. 럿거스 대학 팀은 이 난관을 극복하기 위해 자기장을 사용하기를 원했다. 문제는 BNNT는 자기성이 없다는 것이다. 그래서 세틴닥은 코팅제를 이용해서, 나노 튜브가 자기장을 띄도록 했다. 마지막으로, 연구팀은 플라스마 빔을 사용하여 막의 상단 및 하단 표면에 있는 물질의 일부를 식각하여 튜브가 양쪽에 열려 있도록 했다. 연구진이 소금물과 담수를 분리하는 작은 용기에 막을 넣었을 때, 이전 프랑스 팀의 BNNT 실험보다 면적당 8000배나 많은 전력을 생산했다. 연구팀은 앞으로 이 성능이 훨씬 좋아질 것으로 기대한다.[1]
각주
- ↑ 1.0 1.1 심재율 객원기자, 〈바닷물 이용한 ‘블루 에너지’ 시대 오나? 〉, 《사이언스타임즈》, 2019-12-09
- ↑ 2.0 2.1 네덜란드 암스테르담무역관 임성아, 〈블루에너지 시대를 준비하는 네덜란드〉, 《코트라해외시장뉴스》, 2012-10-12
- ↑ 조명의 기자, 〈바다의 염분 이용한 ‘푸른’ 에너지, 미래 에너지로 부각〉, 《산업일보》, 2012-10-25
참고자료
- 심재율 객원기자, 〈바닷물 이용한 ‘블루 에너지’ 시대 오나? 〉, 《사이언스타임즈》, 2019-12-09
- 네덜란드 암스테르담무역관 임성아, 〈블루에너지 시대를 준비하는 네덜란드〉, 《코트라해외시장뉴스》, 2012-10-12
- 조명의 기자, 〈바다의 염분 이용한 ‘푸른’ 에너지, 미래 에너지로 부각〉, 《산업일보》, 2012-10-25
같이 보기
