[논문]RED 전력밀도에 미치는 해수/담수 유량의 영향

나종찬; 김한기; 김찬수; 한문희

doi:10.4491/ksee.2014.36.9.624

RED 전력밀도에 미치는 해수/담수 유량의 영향
Effect of Seawater/Fresh Water Flow Rates on Power Density of Reverse Electrodialysis 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.36 no.9, 2014년, pp.624 - 628

나종찬 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 김한기 (한국에너지기술연구원 해양융복합연구실) , 김찬수 (한국에너지기술연구원 해양융복합연구실) , 한문희 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

초록
AI-Helper

최근 해수와 담수의 염분농도차를 이용하여 발전하는 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)은 잠재량이 크고 지속적 전력생산이 가능한 친환경적이며 미래지향적 신재생에너지로 인식되어 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 RED 기술의 상용화를 위해서는 최적화된 운전조건을 찾는 것이 중요하며 특히, 스택 내부의 저항을 최소화하는 연구가 절실한 상황이다. 본 연구에서는 RED의 중요한 운전조건인 해수와 담수의 공급유량이 내부저항에 미치는 영향을 조사하고, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 고찰하여 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다. 그 결과 전체유량 80 mL/min에서 최적의 해수/담수 유량비는 1.7이었으며, 이때 전력밀도는 $1.30W/m^2$을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reverse electrodialysis (RED) is a technique to produce electricity from two feed water that has different salinity. Recently, RED has been considered the attractive technology because this new process has large global potential and possibility to generate energy from abundant but largely unused resources. To make RED an economically attractive technology, the optimization of operation condition should be developed. In this study, we investigate the relation of internal resistance to power density of RED. And the effect of sea water and fresh water flow rate on power density was confirmed. To minimize the internal resistance and to increase power density of RED, the ratio of sea water and fresh water flow rate was optimized. Experimental result show the best performance with $1.30W/m^2$ of power density at 1.7 flow ratio of seawater/freshwater.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

다음으로는 전체 공급유량이 미치는 영향을 확인하였다. 해수와 담수의 공급 유량 비율을 1:1로 고정하고 공급유량을 10 mL/min에서 최대 100 mL/min까지 변화시켜 전력밀도를 측정하였다.
본 연구에서는 RED의 발전효율에 미치는 해수와 담수 공급유량의 영향을 조사하였다. 해수와 담수가 공급되었을때 각각의 저항이 전력밀도에 미치는 영향을 조사하였으며, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 확인하고 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다.
본 연구에서는 RED의 성능을 개선하기 위하여 해수와 담수의 공급유량의 변화가 RED 스택의 내부저항에 미치는 영향을 조사하였다. 해수와 담수가 공급되었을 때 각각의 저항이 전력밀도에 미치는 영향을 조사하였으며, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 확인하고 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다.

가설 설정

, 3) 경계층에서의 농도변화에 따른 저항, R_BL이 있다.^4,8) 내부전체저항 중 R_ohmic은 생성된 전압에서 전류와 옴의 법칙으로부터 얻을 수 있으며, R_Δc는 입구와 출구의 공급용액 사이에서 발생하는 농도변화로부터 얻을 수 있다.

제안 방법

전체 공급유량의 변화가 미치는 영향을 확인하기 위해서는 해수와 담수의 공급 유량 비율을 1:1로 고정하고 공급유량을 10 mL/min에서 최대 100 mL/min까지 변화시켜 전력밀도를 측정하였다. 다음으로 해수/담수 유량비에 따른 영향을 확인하기 위하여 전체유량을 80 mL/min로 고정한 후 해수/담수의 유량비를 약 0.1~7.0로 변화시키며 전력밀도를 측정하였다. 자세한 실험 조건은 Table 1에 정리하였다.
다음으로는 전체유량을 80 mL/min로 고정하고 최적의 해수와 담수 유량비를 조사하였다. Fig.
해수 및 담수의 유량변화에 따른 출력변화를 측정하기 위하여 해수 유량을 10 mL/min로 고정한 후에 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 점차 증가시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. 담수 유량을 10 mL/min로 고정한 경우는 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 변화시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. 전체 공급유량의 변화가 미치는 영향을 확인하기 위해서는 해수와 담수의 공급 유량 비율을 1:1로 고정하고 공급유량을 10 mL/min에서 최대 100 mL/min까지 변화시켜 전력밀도를 측정하였다.
2에 나타내었다. 실험은 해수와 담수 중 한 쪽의 유량을 10 mL/min으로 고정하고, 다른 한 쪽의 유량을 5~100 mL/min으로 점차 증가시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. Fig.
담수 유량을 10 mL/min로 고정한 경우는 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 변화시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. 전체 공급유량의 변화가 미치는 영향을 확인하기 위해서는 해수와 담수의 공급 유량 비율을 1:1로 고정하고 공급유량을 10 mL/min에서 최대 100 mL/min까지 변화시켜 전력밀도를 측정하였다. 다음으로 해수/담수 유량비에 따른 영향을 확인하기 위하여 전체유량을 80 mL/min로 고정한 후 해수/담수의 유량비를 약 0.
해수 및 담수의 유량변화에 따른 출력변화를 측정하기 위하여 해수 유량을 10 mL/min로 고정한 후에 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 점차 증가시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. 담수 유량을 10 mL/min로 고정한 경우는 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 변화시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다.
본 연구에서는 RED의 성능을 개선하기 위하여 해수와 담수의 공급유량의 변화가 RED 스택의 내부저항에 미치는 영향을 조사하였다. 해수와 담수가 공급되었을 때 각각의 저항이 전력밀도에 미치는 영향을 조사하였으며, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 확인하고 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다.
본 연구에서는 RED의 성능을 개선하기 위하여 해수와 담수의 공급유량의 변화가 RED 스택의 내부저항에 미치는 영향을 조사하였다. 해수와 담수가 공급되었을 때 각각의 저항이 전력밀도에 미치는 영향을 조사하였으며, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 확인하고 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다.
가스켓은 PTFE 재질의 두께 200 μm인 것을 사용하였고, 스페이서는 두께 200 μm의 직조형태의 메쉬를 사용하였다. 해수와 담수를 공급하기 위하여 연동펌프(L/S Easy Load II, Masterflux)를 사용하였고, 전위차측정기(SP2 Potentiostat, ZIVE LAB)와 전류계를 사용하여 전기화학적 특성을 조사하였다. 모든 측정은 재연성을 확보하기 위하여 2회 이상 반복 측정하였다.
담수 유량을 10 mL/min로 고정한 경우는 해수의 유량을 5~100 mL/min으로 변화시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. 전체 공급유량의 변화가 미치는 영향을 확인하기 위해서는 해수와 담수의 공급 유량 비율을 1:1로 고정하고 공급유량을 10 mL/min에서 최대 100 mL/min까지 변화시켜 전력밀도를 측정하였다. 다음으로 해수/담수 유량비에 따른 영향을 확인하기 위하여 전체유량을 80 mL/min로 고정한 후 해수/담수의 유량비를 약 0.

대상 데이터

가스켓은 PTFE 재질의 두께 200 μm인 것을 사용하였고, 스페이서는 두께 200 μm의 직조형태의 메쉬를 사용하였다.
그리고 전극은 해수에 사용이 적합하고 전극특성이 좋은 백금이 코팅된 니오븀 전극(크기 10 × 10 cm)을 사용하였다.
실험에 사용된 이온교환막은 두께 30 μm로, 음이온교환막(FAS 30, Fumatech, Germany)과 양이온교환막(FKS 30, Fumatech, Germany)을사용하였으며 막당 유효면적은 0.0019 m2이었다.
1에 나타내었다. 실험에 사용한 RED는 양극과 음극의 전극, 교대로 배열된 CEM과 AEM, 그리고 막 사이에 유로를 형성하는 스페이서로 구성되어 있으며 총 5셀을 적층하여 실험하였다. 실험에 사용된 이온교환막은 두께 30 μm로, 음이온교환막(FAS 30, Fumatech, Germany)과 양이온교환막(FKS 30, Fumatech, Germany)을사용하였으며 막당 유효면적은 0.
해수와 담수는 이차 증류수에 염화나트륨(NaCl, SAMCHUN, 99 %) 시약을 혼합하여 제조하였으며, 해수는 30 g NaCl/L (0.513 M, 48 mS/cm), 담수는 1 g NaCl/L (0.017 M, 2.2 mS/cm)의 농도로 제조하여 사용하였다. 전극용액은 K₄Fe(CN)₆(0.

성능/효과

그런 가운데 해수와 담수의 염분농도차를 이용한 염분차발전은 기존의 신재생에너지원과 다르게 기상조건이나 시간 등에 제약 없이 지속적 전력생산이 가능한 환경친화적이며 미래지향적 신재생에너지 기술로 부각되고 있다.¹⁾ 염분차발전의 잠재량은 강물과 바닷물을 이용 시 오늘 날 전세계 전력소비량과 유사한 2.4~2.6 TW을 가지고 있으며, 바닷물만을 이용하면 그 잠재량은 무한하다고 보고되고 있다.^2,3)
해수/담수의 유량비가 증가할수록 해수의 이온농도가 높아져 이온교환막을 통한 이온이 증가되어 내부저항 요소인 R_ohmic은 감소되나, 이온교환막 표면에서의 농도분극 현상도 증가되어 R_BL이 증가하는 현상이 발생된다.¹³⁾ 해수/담수의 유량비가 작을때는 막 계면에서의 농도변화가 감소하여 내부저항은 작지만 해수에서 공급되는 이온농도가 낮아 출력이 작아지며, 해수/담수의 유량비가 클 때는 막 계면에서의 농도변화가 증가하여 내부저항 증가로 인해 출력이 감소된다.
이는 해수중의 이온이 이온교환막을 통하여 담수 쪽으로 이동할 때 해수 및 담수 측 이온교환막 표면에서는 농도변화(RBL)에 따른 농도분극이 발생하여 이온의 이동을 감소시키는 원인이 되는데, 담수 유량의 증가는 유속을 증가시켜 담수 측 이온교환막 표면에서의 농도분극 현상을 감소시키는 것으로 판단된다.⁴⁾ 농도분극이 감소함에 따라 내부 저항이 감소하였고 이를 통해 전체적인 출력이 증가한 것으로 보인다. 하지만 Fig.
실험은 해수와 담수 중 한 쪽의 유량을 10 mL/min으로 고정하고, 다른 한 쪽의 유량을 5~100 mL/min으로 점차 증가시켜 가면서 전력밀도를 측정하였다. Fig. 2에서 보듯이 해수보다 담수의 유량변화가 전력밀도 변화에 더 큰 영향을 미쳤으며, 해수보다 담수 쪽의 유량이 클 때 상대적으로 높은 전력밀도를 나타내었다. 이는 해수중의 이온이 이온교환막을 통하여 담수 쪽으로 이동할 때 해수 및 담수 측 이온교환막 표면에서는 농도변화(RBL)에 따른 농도분극이 발생하여 이온의 이동을 감소시키는 원인이 되는데, 담수 유량의 증가는 유속을 증가시켜 담수 측 이온교환막 표면에서의 농도분극 현상을 감소시키는 것으로 판단된다.
해수와 담수가 공급되었을때 각각의 저항이 전력밀도에 미치는 영향을 조사하였으며, 해수와 담수의 유량비에 따른 내부저항과 전력밀도의 관계를 확인하고 최적의 운전조건을 실험적으로 파악하였다. 담수는 내부저항 요소 R_BL에 해수보다 더 큰 영향을 미쳤으며, 적절한 담수유량의 증가는 R_BL을 감소시켜 전력밀도의 향상을 나타내었다. 또한 전체 해수와 담수 유량의 증가는 이온농도의 증가와 내부저항의 감소를 유발하여 전력밀도가 증가하는 경향을 나타내었다.
담수는 내부저항 요소 R_BL에 해수보다 더 큰 영향을 미쳤으며, 적절한 담수유량의 증가는 R_BL을 감소시켜 전력밀도의 향상을 나타내었다. 또한 전체 해수와 담수 유량의 증가는 이온농도의 증가와 내부저항의 감소를 유발하여 전력밀도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 실험결과를 바탕으로본 실험에서 사용한 RED 스택의 최적의 해수/담수 유량비는 전체유량 80 mL/min에서 0.
7 이상인 경우에는 해수의 이온농도가 증가하고 이 때문에 이온교환막 표면에서의 농도분극 현상이 커져 전력밀도가 감소한 것으로 보인다. 본 실험에서는 해수/담수 유량비가 0.6~1.7 사이에서 가장 높은 전력밀도 값을 나타내었으며, 이는 내부저항과 이온농도를 고려할 때 가장 적절한 유량비로 판단된다. 이 값은 Fig.
3에서 얻은 해수와 담수의 유량이 각각 100 mL/ min의 경우와 같은 값으로 전체유량을 줄이고도 적절한 유량비를 사용함으로써 출력을 향상시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 내부저항을 줄이는 것이 전력밀도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 나타내며, 최적의 유량비를 사용함으로써 RED 운전에 소모되는 해수 및 담수의 양을 최소화할 수 있어 RED의 경제성 확보에 기여할 수 있다는 것을 시사한다.
이는 담수 유량의 증가는 결국 담수 쪽의 이온농도를 감소 시켜 R_ohmic을 증가시키는 결과를 초래하기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 실험결과는 공급용액의 유량변화가 셀 내부저항 요소인 R_ohmic과 R_BL의 밀접한 관계를 갖는다는 것을 나타내며, 내부저항을 줄이기 위해서는 담수 유량의 최적화가 중요하다는 것을 시사한다.
또한 전체 해수와 담수 유량의 증가는 이온농도의 증가와 내부저항의 감소를 유발하여 전력밀도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 실험결과를 바탕으로본 실험에서 사용한 RED 스택의 최적의 해수/담수 유량비는 전체유량 80 mL/min에서 0.6~1.67이었으며, 이때 전력밀도 1.30 W/m²이었다. 이는 내부저항과 이온농도를 고려할 때 가장 적절한 유량비로 판단된다.

후속연구

이는 내부저항과 이온농도를 고려할 때 가장 적절한 유량비로 판단된다. 이러한 실험결과들은 해수/담수의 유량비 조절만으로도 출력을 향상시킬 수 있다는 것을 나타내며, 내부저항을 줄이는 것이 전력밀도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주는 것으로 향후 RED의 연구에서 고려해야 할 중요한 공정요인으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염분차발전의 장점은 무엇인가?	최근 기후변화의 가속화와 온실가스 배출 저감에 대한 관심과 압박이 심화되고 있어 지속 가능한 신재생에너지원의 개발 및 보급이 중요한 관심사가 되고 있다. 그런 가운데 해수와 담수의 염분농도차를 이용한 염분차발전은 기존의 신재생에너지원과 다르게 기상조건이나 시간 등에 제약 없이 지속적 전력생산이 가능한 환경친화적이며 미래지향적 신재생에너지 기술로 부각되고 있다.1) 염분차발전의 잠재량은 강물과 바닷물을 이용 시 오늘 날 전세계 전력소비량과 유사한 2.
	염분차발전의 잠재량은 얼마인가?	그런 가운데 해수와 담수의 염분농도차를 이용한 염분차발전은 기존의 신재생에너지원과 다르게 기상조건이나 시간 등에 제약 없이 지속적 전력생산이 가능한 환경친화적이며 미래지향적 신재생에너지 기술로 부각되고 있다.1) 염분차발전의 잠재량은 강물과 바닷물을 이용 시 오늘 날 전세계 전력소비량과 유사한 2.4~2.6 TW을 가지고 있으며, 바닷물만을 이용하면그 잠재량은 무한하다고 보고되고 있다.2,3)
	역전기투석 방식의 장점은 무엇인가?	역전기투석(reverse electrodialysis, RED)은 전기를 공급하여 전해질 농도차를 발생시키는 일반적인 전기투석(electrodialysis, ED)공정과는 반대로 해수와 담수의 염분농도차를 이용하여 전기를 생산하는 기술이다. 특히, RED방식은 삼투압차에 의해 물을 통과시킨 후에 터빈을 돌려 에너지를 회수하는 압력지연 삼투발전(pressure retarded osmosis, PRO)과 달리 일반적인 전지와 마찬가지로 해수와 담수의 염분농도차에 의한 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전환하기 때문에 에너지 수요발생시 대응 속도가 빠르고 공정 전환 시 발생하는 에너지의 손실을 줄일 수 있는 것으로 보고되고 있다.4,5)

참고문헌 (13)

Pattle, R. E., "Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile," Nature, 174, 660 (1954).

상세보기
Wick, G. L. and Schmitt, W. R., "Prospects for renewable energy from sea," Mar. Technol. Soc. J., 11, 16-21(1977).
Post, J. W., Hamelers, H. V. M. and Buisman, C. J. N., "Energy recovery from controlled mixing salt and fresh water with a reverse electro-dialysis system," Environ. Sci. Technol., 42, 5785-5790(2008).

상세보기
Vermaas, D. A., Saakes, M. and Nijmeijer, K., "Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance," Environ. Sci. Technol., 45, 7089-7095(2011).

상세보기
Shin, D. W., Kim, H. K., Kim, T. H., Park, J. S. and Jeon, D. H., "Numerical Analysis for the Effect of Spacer in Reverse Electrodialysis," Clean Technol., 19, 1-7(2013).

원문보기 상세보기
Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J. and Harmsen, G. J., "Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant," Environ. Sci. Technol., 44, 9207-9212(2010).

상세보기
Dlugolecki, P., Nymeijer, K., Metz, S. and Wessling, M., "Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients," J. Membr. Sci., 319, 214-222(2008).

상세보기
Vermaas, D. A., Saakes, M. and Nijmeijer, K., "Power generation using profiled membranes in reverse electrodialysis," J. Membr. Sci., 385-386, 234-242(2011).

상세보기
Lacey, R. E., "Energy by Reverse Electrodialysis," Ocean Eng., 7, 1-47(1980).

상세보기
Veerman, J., De Jong, R. M., Saakes, M., Metz, S. J. and Harmsen, G. J., "Reverse electrodialysis: comparison of six commercial membrane pairs on the thermodynamic efficiency and power density," J. Membr. Sci., 343, 7-15(2009).

상세보기
Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J. and Harmsen, G. J., "Reverse electrodialysis: performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water," J. Membr. Sci., 327, 136-144(2009).

상세보기
Post, J. W., Hamelers, H. V. M. and Buisman, C. J. N., "Influence of multivalent ions on power production from mixing salt and fresh water with a reverse electrodialysis system," J. Membr. Sci., 330, 65-72(2009).

상세보기
Dlugolecki, P., Gambier, A., Nijmeijer, K. and Wessling, M., "Practical potential of reverse electrodialysis as process for sustainable energy generation," Environ. Sci. Technol., 43, 6888-6894(2009).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증