초록 ▼

연구목표
▪ 기후변화에 따른 한반도 해양환경 변화에 신속하게 적응할 수 있는 확장형 전기화학적 해수온도차발전 원천기술 개발 및 다양한 산업분야 적용성 평가
▪ 세계최초 확장형 전기화학적 해수온도차발전 원천기술 확보
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전 장치 구현 및 실험실 수준 검증
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전용 소재 선정 (분리막 및 전극 등) 및 특성분석
▪ 복합열원 히트펌프 (COP 5이상)와 해수온도차발전을 연계한 열-에너지 네트워크 모델수립
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전의 잠재량

연구목표
▪ 기후변화에 따른 한반도 해양환경 변화에 신속하게 적응할 수 있는 확장형 전기화학적 해수온도차발전 원천기술 개발 및 다양한 산업분야 적용성 평가
▪ 세계최초 확장형 전기화학적 해수온도차발전 원천기술 확보
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전 장치 구현 및 실험실 수준 검증
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전용 소재 선정 (분리막 및 전극 등) 및 특성분석
▪ 복합열원 히트펌프 (COP 5이상)와 해수온도차발전을 연계한 열-에너지 네트워크 모델수립
▪ 확장형 전기화학적 해수온도차발전의 잠재량 추정을 위한 다차원 해양환경 분석 데이터베이스 구축 및 적지선정 평가기술 개발

연구사업의(pilot study;small scale) 내용 및 예상결과
총괄결과 요약:
▪ 온도차와 농도차의 복합 발전기작을 구현함으로써 출력밀도를 기존대비 329% (개발기술: 214 mW/m2, 종래기술: 65 mW/m2) 향상된 전기화학적 온도차발전 기술 확보
▪ 저온해수 및 고온해수의 유량에 따른 최적유량 조건 분석: 저유량(열공급) 조건에서 최대 29.76% 열효율 달성 (열효율과 출력밀도는 Trade-Off)
▪ 열 전달 및 전기화학적 반응속도를 빠르게 유지하기 위하여 Cu Foam 전극을 사용하고, K+의 intercalation을 통한 전극 성능 및 전류밀도 향상 (K+ intercalation: Na+ 대비 전류밀도 184% 증가)
▪고안된 p-h 선도를 토대로 히트펌프의 성능 시뮬레이션을 수행한 결과 COP 5 이상을 달성하였음.

세부연구목표 1 세계최초 확장형 전기화학적 해수온도차발전 원천기술개발 및 기술적 타당성검증
▪ 온도차와 농도차의 복합 발전기작을 구현함으로써 출력밀도를 기존대비 329% (개발기술: 214 mW/m2, 종래기술: 65 mW/m2) 향상된 전기화학적 온도차발전 기술 확보
▪ 저온해수 및 고온해수의 유량에 따른 최적유량 조건 분석: 저유량(열공급) 조건에서 최대 29.76% 열효율 달성 (열효율과 출력밀도는 Trade-Off)
▪ 열 전달 및 전기화학적 반응속도를 빠르게 유지하기 위하여 Cu Foam 전극을 사용하고, K+의 intercalation을 통한 전극 성능 및 전류밀도 향상 (K+ intercalation: Na+ 대비 전류밀도 184% 증가)
▪ 모사 해수조건에서 성능평가를 할 수 있는 100 W급 전기화학적 온도차발전장치 설계도면 제작 (후속연구 활용예정)
▪ 100W급 Bench-scale 전기화학적 해수온도차발전 시스템 특징:
▪ Cu Foam 전극을 사용하여 전류밀도를 향상
▪ 유량조건에 따른 열효율 및 발전밀도 운전인자 도출
▪ 전기화학적 온도차발전과 연계한 수소 및 탄소포집 공정 구현

세부연구목표 2 해수온도차발전 기반 양식시스템의 물-에너지-열 관리 플랫폼 개발
▪ COP 5 이상의 복합열원(공기열, 해수열 등 미활용에너지) 히트펌프를 이용한 열생산 고도화
▪ 아래 표는 복합열원 히트펌프가 설치된 양식장 수조의 열교환 및 기기의 개념도를 나타냄.
▪ 양식장 수조와 히트펌프, 수조로 공급하기 전 가열을 위한 물탱크로 구성되어 있음.
▪ 수조로 공급되는 물은 물탱크를 거쳐 약 20℃로 가열되여 공급되며, 수조로부터 나오는 물을 히트펌프로 통과시켜 열을 회수하여 물탱크로 공급하는 시스템으로 구성됨.
▪ COP 향상을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과로 사이클 ①은 공기열원 히트펌프의 p-h선도를 작성하였음.
▪ 고안된 p-h 선도를 토대로 히트펌프의 성능 시뮬레이션을 수행한 결과, COP 5 이상을 달성하였음.

세부연구목표 3 확장형 전기화학적 해수온도차발전 잠재량을 추정하기 위한 해양온도 측정망설계 및 DB구축
▪ 해수온도는 국내 측정망에서 관측된 자료와 위성에서 측정된 자료를 수집하고 분석함.
▪ 국내 측정망는 정점 및 정선에 대한 수온 자료를 제공하고 있으며 1990년에서 2021년까지 국립수산과학원, 국립해양조사원 및 기상청에서 제공되는 자료를 수집하고 타당성 분석을 위한 자료 분석 수행.
▪ 위성은 미국 NASA에서 제공되는 4 km 공간해상도를 가지는 자료를 2003년부터 2021년까지 자료를 수집하여 분석함.
▪ 자료 분석은 장기자료를 이용하여 시/공간적 변화를 고려한 선형경향 분석을 통한 수온 상승 효과를 분석함
▪ 연구해역은 지구온난화 영향으로 지난 36년 동안 표층수온의 연평균 변화는 ~ 2ºC 상승했고, 하계 변화는 상대적으로 낮은 ~ 0.7ºC 상승, 그리고, 동계변화는 최근 36년 동안 3ºC 이상 상승한 것으로 분석됨.
▪ 해수온도는 계절적 편차가 발생하지만 동계 수온의 상승으로 인하여 하계와 동계의 편차가 감소하여 안정적인 해양에너지 제공 가능.
▪ 해양의 표층은 지구온난화 영향으로 지속적으로 수온이 상승하고, 해양열파 및 고수온 발생이 증가하면서 수온은 증가하게 되지만, 저층의 해수는 상대적으로 표층의 대기 및 외적 요인에 의한 영향이 제한되면서 지구온난화로 인한 표층 수온의 상승은 해수 저층 수온간의 편차를 크게 발생시켜 온도차 발전을 위한 최적 환경으로 변화되고 있음.

향후 추진계획
▪ 열효율 15%이상 10 kW급 전기화학적 해수온도차발전 파일럿 기술 개발
▪ 발전밀도 300 mW/m2 이상 고성능 전기화학적 해수온도차 발전시스템 및 열/유체 설계기술 개발
▪ 전기화학적 해수온도차발전 스택/모듈 제작(양산화)기술 개발
▪ 해수온도차발전용 고효율 전극소재 개발
▪ 전기화학적 해수온도차발전 공정 설계 및 운영기술 개발
▪ 해수-열 에너지저장 및 전환 (섹터커플링) 기술개발
▪ 인공위성을 활용한 해양온도변화 모니터링 기술개발
▪ 당 사업을 발판으로 지역 내 출연기관 융합을 통한 지역혁신 프로젝트 (95억원) 진행 중
▪ 재생에너지 수용성을 향상시킬 수 있는 열 저장 등 섹터커플링 기술개발 (P2H) 등과 연계하여 연구개발 사업 추진 예정
▪ NST 다학제융합클러스터 (철강산업 탄소중립) 연구추진과 연계하여 탄소다배출산업의 폐열을 이용한 신재생에너지 생산기술 연구전략 수립
▪ 지자체 탄소중립·녹색성장 세부계획 반영 검토

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출서 ... 2
• 최종보고서(총괄) ... 3
• 요약문(총괄) ... 5
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 1-1. 연구의 필요성 ... 8
• 1-2. 최종목표 및 내용 ... 11
• 2. 연구수행 과정 및 결과 ... 14
• 2-1. 총괄 연구내용 및 결과 ... 14
• 2-2. 주관과제별 연구내용 및 결과 ... 19
• 2-3. 연구성과 ... 42
• 3. 연구 결과의 중요성 ... 45
• 4. 후속 연구기획 ... 48
• 4-1. 기술동향분석 ... 48
• 4-2. 연구기획 ... 63
• 5. 융합연구 생태계 조성 ... 81
• 5-1. 융합연구 추진체계 ... 81
• 5-2. 융합연구 추진실적 ... 81
• 6. 참고문헌 ... 82
• 끝페이지 ... 83