| 연구개발개요 |
○ 본 과제는 지속가능한 에너지 자립 도시 실현을 위한 저탄소, 친환경 역전기투석 (reverse electrodialysis, RED) 발전기술에 대한 것임. 음식물쓰레기, 목질계 폐기물, 하수 슬러지 등 고형 폐자원은 혐기소화, 수열탄화 등의 기술을 이용하여 처리와 동시에 에너지화 되는 반면 하폐수는 에너지를 소비하며 오염물질이 처리되고 자원화, 에너지화에 대한 연구보단 저에너지 소모형 수처리 기술 개발에 초점이 맞춰 있음.○ 제안 기술은 각종 산업에서 발생하는 폐수, 가정에서 버려지는 오수, 자연에서 그대로 이용할 수 있는 물 등을 액상 에너지 자원으로 활용하여 발전을 하는 기술로서 태양광이나 풍력에너지와 같은 신재생에너지원과는 다르게 24시간 동안 일정하게 발전이 가능하고 컴팩트하며 오염물질 배출이 없어 입지 선정에 자유로운 장점이 있음○ 우리나라 뿐만 아니리 전세계적으로 청정에너지에 대한 관심이 매우 크고 에너지 전환정책, 그린뉴딜 등의 정책추진으로 인한 신재생에너지, 온실가스 저감 기술 개발 및 보급이 국가적 차원에서 추진되고 있지만 우리나라의 좁은 국토, 적은 에너지 자원, 이용률 극대화를 위한 여러 한계에 대응 할 수 있는 새로운 대체 에너지 폐자원을 발굴하고 안정적 에너지 공급이 가능한 컴팩트한 차세대 발전기술 개발이 지속적으로 필요한 상황임○ 도심, 도외지역에 적용 가능한 액상 폐자원을 활용하여 기존 RED 발전 기술의 한계인 낮은 효율, 낮은 원수 톤당 에너지 회수율을 극복하기 위한 기술 개발에 초점이 맞추어져 있으며 성공적인 기술 개발시 컴팩트한 자원회수 플랜트 구축에 기여.
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| 최종목표 |
○ 최종목표 : 액상폐자원 기반 전력생산/자원회수 플랜트 컴팩트화를 위한 고효율 역전기투석 기술 개발○ 세부목표① 컴팩트한 플랜트 구축을 위해 원수사용량을 최소화 할 수 있는 cascade 방식 스택 개발 (효율 25% 이상)② Multistage/cascade 스택 성능 최대화(Multistage 기준 비에너지 0.5 kWh/m3)를 위한 직/병렬연결, 원수 운전조건 최적화 ③ 역전기투석 전극 부산물인 그린케미컬 (NaOCl, NaOH) 생산, 이를 원수(폐염수, 하수방류수 등) 전처리 및 스택유지세정에 활용하는 기술융합 시스템 확립
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| 연구내용 및 범위 |
- 연구내용○ 기존 역전기투석 스택은 parallel flow 방법으로 주로 구동이 됨. 이는 원수의 유량을 높이는 방식이며 전력생산 본공정의 전,후 공정 (전처리, 후처리) 사이즈도 커지게 되며 이로 인해 집약적 플랜트 설계가 어렵게 되고 펌프 에너지도 높아짐. 뿐만 아니라 염폐수의 염도가 증가할수록 효율이 낮아지는 문제가 발생함. 이는 염도가 높아질수록 스택 내에서 전류누수 (current leakage)가 커지는 것으로 알려짐. Series flow 적용은 고출력 생산을 위한 스택에는 적용이 사실상 불가능함. 따라서 이러한 문제들을 극복할 수 있는 새로운 방식의 운전방식을 가지는 스택을 개발할 예정○ 전력생산 중 비에너지(kWh/m3, specific energy)는 한정된 폐자원을 활용하는데 있어 중요한 성능지표임. 톤당 에너지 회수율 제고를 위해 다단 스택(Multistage stack)에 대한 성능테스트 및 최적화 수행 ○ 역전기투석의 성능을 저하시키는 또 다른 요인에는 원수 내 존재하는 다가이온이 있음. 환원전극에서 생산되는 NaOH를 이용하여 CO2와 함께 다가양이온을 제거하는 전처리 공정을 제안하고 통계적 최적화 방법을 이용하여 CO2와 NaOH 주입량의 최적 조건을 도출함. ○ 산화전극의 부산물인 NaOCl의 생산 수율 향상 방법에 대하여 연구함. 이는 스택 구동시 적절하게 활용될 수 있는 화합물로서 최대출력 유지와 동시에 생산량을 늘릴 수 있다면 역전기투석 기술의 경제성 제고에 기여할 수 있을 것으로 판단. 이에 대한 체계적인 연구가 지금까지 보고된 바 없어 전극반응을 명확히 규명하고 정량화 하여 적절한 활용방안 제시. ○ 역전기투석 스택으로부터 발생되는 전력은 유입수의 전도도, 온도 등의 환경적 요인에 가변적이어서 스택 에너지를 최대로 추출하여 전력 전달 효율을 높일 수 있는 전력 제어 기술이 필요함. 연속적으로 운전되는 역전기투석 스택에 대해서 안정적인, 연속적인 고출력 생산을 위한 전력 제어 시스템에 관한 연구 수행 예정. - 연구범위○고효율 역전기투석 스택 개발- 최종적으로 효율 25% 이상의 성능을 가지는 스택 개발- 원수의 스택 내 체류시간을 높이기 위한 cascade 방식 스택 설계- 전류손실을 최소화하는 manifold 설계 및 스택 운전 방식 확립- 비대칭형 스페이서 적용, 두가지 원수의 운전방식 이원화를 통한 효율 향상 방법 도출○ 액상 폐자원으로부터 전력 생산 - 염폐수와 하수방류수로부터 전력 생산 및 Multistage 스택 운전을 통한 톤당 0.5 kWh 에너지 회수- 원수 유,무기물 성분의 스택 내 거동 평가○ 원수 사용량을 최소화 할 수 있는 컴팩트한 스택의 모듈화 및 생산 전력 제어 - Multistage/cascade 역전기투석 스택의 출력 향상을 위한 최적 직력/병렬 연결 조합 도출 및 전압/전류 향상- Multistage/cascade 역전기투석 스택 모듈에서 전력전달 극대화 및 최대 전력점 추종(MPPT)을 위한 제어 기술 개발- 종래의 스택 대비 물사용량을 70% 이상 감소시켜 전력플랜트의 소형화가 가능한 스택 최적운전 조건 도출○ 전극반응으로부터 고부가가치 화합물 생산- 전극부산물을 활용한 원수 내 다가이온 처리 및 스택 유지세정- 통계학적 최적기법을 이용한 제거율 향상을 위한 최적 조건 도출 - 다가이온 free 원수의 역전기투석 스택 적용 위한 통합시스템 구축 - 부수적으로 생산되는 수소 가스 포집 및 에너지 잠재량 평가
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