지난해 11월 여수에서는 신재생에너지와 관련된 중요한 행사가 하나 열렸다. 국내·외 전문가들이 한 자리에 모여 최신 기술동향을 공유하고, 미래의 유망 기술을 예측해보자는 취지로 개최된 ‘2014 국제 신재생에너지산업 포럼’이 바로 그것.
이 날 행사에서는 기후변화와 에너지 위기 해결을 위한 다양한 기술들이 논의되었는데, 특히 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 지형 및 환경에 적합한 신재생에너지로서 ‘해양 염분차 발전 기술’이 제시되어 주목을 끌었다.
염분차 발전이란 바닷물과 강물의 염도차로 나타나는 삼투압 현상을 통해 얻어지는 에너지로 전기를 생산하는 기술이다. 바다와 강이 접해 있는 곳이라면 어디든지 평생 전기를 생산할 수 있고, 댐 같은 별도의 제방 시설을 건설할 필요가 없기 때문에 인간과 해양생물 모두에게 안전한 기술로 기대를 모으고 있다.

염분은 무궁무진한 신재생에너지 자원

바다에는 무궁무진한 신재생에너지 자원이 숨어 있다. 바로 ‘염분’이다. 바닷물의 염분은 보통 3퍼센트(%) 정도이고, 강물의 염분은 0.05퍼센트 이하다. 염분차 발전의 원리는 바로 이러한 염분 농도의 차이를 삼투압으로 유발시키는 과정에 포함되어 있다.
염분차 발전은 전 세계적으로 2.6테라와트(TW)라는 잠재력을 갖고 있는 에너지원이다. 이 같은 수치는 발전량이 1기가와트(GW)인 원자력발전소의 2600기에 해당되는 매우 엄청난 규모다. 이는 우리나라 연간 총 발전량의 30배가 넘는 수준이다. 국내의 염분차 발전 규모는 5대강을 기준으로 약 3.5기가와트의 잠재력이 있는 것으로 평가되고 있다.
특히 염분차 발전은 기존 발전소들의 단점이라 할 수 있는 에너지원 저장불가와 환경오염, 그리고 폭발위험 등의 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 바닷물과 강물만 있으면 언제든지 발전이 가능해 그 자체를 대용량 에너지 저장개념으로 이용할 수 있기 때문이다.
또한 화석연료를 사용하지 않기 때문에 이산화탄소를 포함한 다른 오염물질의 배출로 인한 환경오염도 없으며, 리륨이온 배터리처럼 폭발할 위험도 전혀 없다.
이 외에도 예측 불가능한 풍력이나 낮에만 운용이 가능한 태양광 발전과 달리 시간이나 날씨와 같은 환경 인자에 영향을 받지 않으며, 바다와 강이 존재하는 한은 언제라도 발전이 가능하다는 점이 장점이라 할 수 있다.
우리나라가 이 염분차 발전에 주목하는 이유는 3년 전에 겪었던 블랙아웃의 공포에서 벗어나기 위해서다. 염분차 발전을 이용하면 물 1톤(ton)으로 약 2메가와트 정도의 전력을 생산할 수 있지만, 사해처럼 고농도의 염분이 들어 있는 바닷물을 사용하면 전력량이 거의 6배나 높은 11.7메가와트에 이르게 된다.
따라서 심야시간대에 남는 전력을 이용하여 해수담수화 시스템으로 고농도의 바닷물을 확보해 두었다가, 피크시간인 낮에 발전하여 전기를 얻으면 예비전력 부족에 따른 블랙아웃 현상을 예방할 수 있는 것이다.

염분차 발전의 상용화는 경제성에 달려

염분차 발전의 가장 보편적인 방식으로는 압력지연삼투(PRO) 발전과 역전기투석(RED) 발전이 있다. 압력지연삼투 발전은 삼투압이라는 물리적 에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다.
바닷물과 강물의 중간에 물입자만 통과할 수 있는 얇은 막을 두면 염분이 상대적으로 낮은 강물이 바닷물 방향으로 흘러서 염분의 농도를 비슷하게 하려는 현상인 삼투압이 발생하게 된다. 이때 바닷물과 강물 사이에는 약 24 표준대기압(atm) 정도의 압력차이가 발생하며, 이는 약 240미터(m) 높이의 수력발전소 댐에서 떨어지는 낙차와 같은 힘이다.
반면에 역전기투석 발전은 염화나트륨(NaCl)의 이온을 분리하면서 전기를 생산하는 기술이다. 적용 시스템으로는 양이온만을 투과시키는 양이온교환막(CEM)과 음이온만을 투과시키는 음이온교환막(AEM)이 병렬로 배치된 구조를 사용한다.
해수와 담수를 통과시킬 때, 양이온교환막 쪽으로는 해수에 포함된 나트륨이온(Na+)이 통과하고, 음이온교환막 쪽으로는 염소이온(Cl-)이 통과하게 된다. 이때 각 이온교환막 사이에 전압이 생성되며, 산화 전극과 환원 전극에서의 산화·환원 반응을 통하여 전자의 흐름이 형성되면서 전기가 발생하게 된다.
염분차 발전이 신재생에너지 중에서도 가장 각광을 받고 있는 기술임에는 틀림없지만, 아직 가야 할 길은 멀기만 하다. 현재 상용화에 가장 근접했다고 평가받고 있는 압력지연삼투 발전 방식도 상업적으로 이용 가능할 정도의 경제성을 얻기 위해서는 극복해야 할 과제들이 적지 않은 상황이다.
에너지 전문가들은 염분차 발전의 해결 과제로 농도분극 현상과 공정의 전처리 과정에서 발생하는 문제를 거론하고 있다. 농도분극이란 물의 투과가 진행됨에 따라 막의 표면에 용질이 농축되어 발생하는 현상으로서, 농도분극에 의한 수투과량(Jw) 감소는 곧 생산 전력의 감소로  이어지기 때문에 이에 대한 연구가 더 진행되어야 한다는 것이다.
또한 공정의 전처리 과정도 역삼투(RO)나 정삼투(PO) 등의 해수담수화 공정과 비교하여   압력지연삼투 발전은 여과막에서 일어나는 파울링 현상에 비해 덜 민감함에도 불구하고, 유입수의 전처리 과정은 여전히 필요하다는 점도 제시하고 있다.
한편 염분차 발전 기술은 아직까지 유엔(UN)이 인정하는 해양신재생에너지로 등재되어 있지 않다. 따라서 세계 여러 국가의 지방정부와 관련 기업, 그리고 연구기관 등이 염분차 발전 통합 네트워크(INES)를 만들어 이를 해양 분야의 신재생에너지로 등재시키려는 노력을 하고 있다.
특히 미국과 네덜란드, 그리고 노르웨이 및 일본 등 주요 선진국에서는 염분차 발전 기술의 선점을 위해 소규모 수준의 파일롯 플랜트를 건설하여 실증 연구를 진행하고 있다. 우리나라도 이 같은 세계적 흐름에 뒤처지지 않기 위해 산·학·연을 중심으로 세계 수준의 연구 역량을 확보하기 위해 노력하고 있다.
현재 국내 연구기관으로는 한국에너지기술연구원(KIER)이 염분차 발전 통합 네트워크에 가입하여 신기술 함양에 박차를 가하고 있다. 핵심 기술인 ‘염분차 발전 기반기술’을 비롯하여 ‘단위 셀 모듈 제작기술’ 등을 확보해 놓은 상태다.
그리고 지금은 염분차 발전 플랜트 규모 실증 테스트를 준비 중에 있다. 연구원은 이를 위해 제주도에 제주글로벌연구센터를 설립하여 염분차 발전 기술의 조기 상용화 및 글로벌 교류 협력의 허브로서 그 역할을 수행하고 있다.