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KR101828913B1 - 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템 - Google Patents

전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템 Download PDF

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KR101828913B1
KR101828913B1 KR1020150161014A KR20150161014A KR101828913B1 KR 101828913 B1 KR101828913 B1 KR 101828913B1 KR 1020150161014 A KR1020150161014 A KR 1020150161014A KR 20150161014 A KR20150161014 A KR 20150161014A KR 101828913 B1 KR101828913 B1 KR 101828913B1
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김한기
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Abstract

본 발명은 염분차 발전 시스템에 관한 것으로서, 염수 및 담수를 취수하는 취수부; 상기 취수된 염수 및 담수를 전처리하는 전처리부; 및 상기 전처리된 염수 및 담수를 이용하여 염분차 발전하는 구비된 전력발전부;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 버려지는 폐수를 염분차 발전 소스로 활용함으로써, 염분차 발전의 소스인 담수를 확보하고 폐자원으로부터 에너지를 생산할 수 있을 뿐 아니라, 환경오염 문제를 저감할 수 있다.

Description

전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템{SALINITY GRADIENT POWER SYSTEM FOR ELECTRICAL INFRASTRUCTURES}
본 발명은 염분차 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환경문제를 야기할 수 있는 폐수들을 염분차 발전의 발전 소스로 활용하여 전기를 생산하고, 전기충전 인프라 구축에 활용하는 발전 시스템에 관한 것이다.
세계적으로 전력 소모량이 증가하면서 새로운 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 기존 화석연료를 대체할 수 있는 신 재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 같은 맥락에서 무한한 에너지 잠재량을 갖는 해양에서 그 해결책을 찾으려는 노력이 이루어지고 있으며, 파력, 조력, 온도차, 해류 등 다양한 시도가 진행되고 있고, 염분차 발전 기술의 개발은 이러한 노력의 일환으로, 개발될 경우 글로벌 에너지 수급에 큰 기여를 할 것이다. 해수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 기술인 염분차 발전은 세계적으로 약 3.0TW의 큰 이론적 잠재량이 있으며, 발전과정에서 CO2와 같은 온실가스나 방사성 물질이 배출되지 않는 친환경적 발전 기술로서 최근 많은 관심을 받고 있는 기술이다. 그러나 염분차 발전에 필요한 해수는 무한한 데 비해 담수는 세계적인 물 부족 인식의 확대, 생산을 위해 소모되는 에너지 과다 및 지리적인 위치 선정 등 해결해야 할 문제점도 있다. 그러므로 원활한 담수 소스의 확보는 염분차 발전의 성공적인 기술 개발을 위해 매우 중요한 선결 요건이다.
하수처리장의 방류수 및 공장 폐수와 같이 그대로 버려지는 폐수는 염분차 발전 측면에서는 매우 유용한 담수로 활용될 수 있는 에너지자원이지만, 아직 활용된 예는 없다. 국내 하수처리장의 총 방출량은 813,355 m3/hr으로 염분차 발전 이론량으로 환산할 경우 약 451MW, 염분차 발전 효율을 30%로 가정하여 실제 가용 발전량으로 환산하여도 약 135MW의 막대한 에너지를 생산할 수 있는 잠재량을 갖는다. 상기의 하수정수장 시설들은 30% 이상이 해안가에 인접해 있어 염분차 발전에 적용하기에 매우 유리한 지리적 위치에 있으며, 방출량 기준 그 잠재량은 매우 크다. 참고로, 전기 충전 인프라 실증단지인 제주도 내 가장 규모가 큰 제주하수처리장(도두)을 기준으로 계산하면, 하루 방출량 11만톤(460 m3/hr)을 기준으로, 염분차 발전 이론 잠재량은 약 1.72MW, 염분차 발전 효율을 30%로 가정하여 환산하면 약 382kW의 에너지 생산이 가능하다. 이러한 수치는 홈 충전기 (2kW 기준) 191대, 완속 충전기 (7.7kW 기준) 48대, 급속 충전기 (50kW 기준) 8대 규모의 전기 충전 스테이션 건설이 가능한 에너지 발생 소스로 활용될 수 있다. 특히 염분차 발전 기술은 풍력이나 태양과 기술과는 달리 전력 생산의 부하변동이 적고, 이용률이 90% 이상까지 도달할 수 있기 때문에 대용량에너지저장시스템 (Energy Storage System, ESS)에 대한 의존성을 대폭 감소시키면서도 분산발전용으로 사용할 수 있는 장점이 있기 때문에 이와 같은 전기충전 인프라 구축에 더 유리한 점이 있다.
원자력발전소에서 배출되는 온배수 역시 일반 해수에 비해 수온이 30 내지 50도 높아 염분차 발전의 발전 효율을 향상시키는데 매우 도움이 되는 유용한 에너지자원이다. 국내 원자력발전으로 연간 364.6TWh의 전력을 생산할 경우 약 500억톤의 온배수가 배출되는 것으로 알려졌으며, 이를 염분차 발전 이론량으로 환산할 경우 3.2GW, 염분차 발전 효율을 30%로 가정하여 실제 가용 발전량으로 약 950MW의 막대한 에너지를 생산할 수 있는 잠재량을 갖는다. 현재 원자력 발전소에서 배출되는 온배수는 재활용 차원에서 농업과 수산 양식의 난방 자원으로의 활용이 고려되고 있지만, 아직까지 염분차 발전에 활용된 예는 없다.
대한민국 등록특허공보 제10-1261165호
본 발명은 버려지는 폐수를 활용함으로써 염분차 발전에 필요한 소스인 담수를 확보하는 것에 일 목적이 있다.
또한 본 발명은 환경문제를 야기할 수 있는 폐수들을 염분차 발전의 발전 소스로 활용하여 전기를 생산하고, 전기충전 인프라 구축에 활용하는 발전 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 염분차 발전 시스템은 염수 및 담수를 취수하는 취수부; 상기 취수된 담수 내의 유기물을 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리부; 상기 전처리부에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전부; 및 상기 생산된 전력을 전기 충전 인프라에 적합한 형태로 변환하는 전력 변환부를 포함하는 것을 일 측면으로 한다.
상기 염분차 발전 시스템은 상기 미생물 반응에 의해 처리된 담수를 제공받고, 활성탄을 통해 상기 제공된 담수 내의 잔존 유기물을 필터링하는 활성탄 필터링부를 더 포함할 수 있으며, 상기 전처리부는 상기 다가 이온을 처리하는 과정에서 수소를 생성하여 회수하는 것일 수 있고, 상기 활성탄 필터링부는 상기 회수된 수소를 이용하여 상기 활성탄을 재생하는 것일 수 있다.
상기 염분차 발전 시스템은 상기 발전부에서 생산된 전력을 모니터링하여 상기 발전부에 이온교환막의 오염 정도를 파악하는 오염 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 염분차 발전 시스템은 막 오염 모니터링부에 의해 상기 이온교환막의 오염이 미리 정해진 수준 이상 진행된 것이 확인된 경우에는 상기 이온교환막에 대해 물리적 또는 화학적 세정을 수행하는 막 재생부를 더 포함할 수 있다.
상기 염분차 발전 시스템은 상기 발전부에서 생성된 전력을 저장하는 에너지 저장부를 더 포함할 수 있으며, 상기 에너지 저장부는 신재생에너지원과 연계될 수 있다.
또한, 본 발명의 전기 충전 인프라 구축을 위한 염분차 발전 방법은 염수 및 담수를 취수하는 단계; 상기 취수된 담수 내의 유기물은 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리 단계; 상기 전처리 단계에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전 단계; 및 상기 생산된 전력을 전기 충전 인프라에 적합한 형태로 변환하는 전력 변환 단계를 포함하는 것을 다른 측면으로 한다.
본 발명의 기술을 통해 상기 폐수들을 염분차발전으로 활용할 경우 버려지는 폐자원으로부터 에너지를 생산할 수 있는 기회를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 환경오염 문제를 저감할 수 있는 중요한 기술 개발이 될 것이다. 또한 다양한 소스로부터의 방출되는 폐수를 활용해 염분차발전으로 생산된 전기에너지는 전기자동차 충전인프라, 조명 및 원격감시 모니터링 등 사회안전망 시설, 발전 프랜트 등 다양한 에너지 관련 시설에 활용될 수 있어 국가에너지수급 및 정책에 큰 기여를 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 구성도 및 공정도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 염분차 발전 소스의 취수 방식 및 저 에너지 소모형 유, 무기물 동시 전처리 공정에 대한 개념도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 따른 유, 무기물 동시 전처리 공정에 대한 에너지 수지를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 폐수를 이용한 염분차 발전의 운전, 유지 보수 및 전기충전 인프라 적용 및 기존 재생에너지원과의 연계 방안을 보여주는 도식이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 충전 인프라 구축을 위한 염분차 발전 방법의 순서도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 구성도 및 공정도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템(100)은 염수 및 담수를 취수하는 취수부(110); 상기 취수된 담수 내의 유기물을 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리부(120); 상기 전처리부(120)에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전부(130); 및 상기 생산된 전력을 전기 충전 인프라에 적합한 형태로 변환하는 전력 변환부(140)를 포함한다.
취수부(110)는 염분차 발전을 위한 소스로 이용되는 담수와 염수를 취수한다. 염수는 바닷물, 해수담수화로부터 배출되는 고농도 염수 또는 원자력 발전소 등에서 배출되는 해수 온배수일 수 있다. 바닷물의 경우 농도가 3.5wt%일 수 있으며, 해수담수화로부터 배출되는 고농도 염수의 농도는 7wt% 이상일 수 있다. 담수는 강물, 하수정수장의 폐수일 수 있다. 취수부(110)는 부유물 및 미생물의 제거를 위해 필터를 더 포함할 수 있다.
전처리부(120)는 취수부(110)에서 취수된 담수와 염수의 유기물, 무기물(Na 일가 이온을 제외한 Ca, Mg와 같은 다가 이온)을 동시에 제거한다. 담수 내 다량의 유기물이 포함되어 있어 유기물에 의한 막 오염이 심각해질 수 있으며, 염수 내에는 다량의 다가 이온이 포함되어 있어 염분차 발전을 위한 분리막에 심각한 스케일을 야기할 수 있어 전처리부(110)에서 전처리 공정을 거친다. 전처리는 미생물침전전기분해방식(MPEC, Microbial Precipitation Electrodialysis Cell)을 이용하여 유, 무기물을 동시에 전처리할 수 있다.
전처리부(120)는 담수의 유기물을 제거하는 산화전극조(121)와 염수의 다가 이온(무기물)을 제거하는 환원전극조(122)를 포함할 수 있다. 취수부(110)에서 취수된 담수는 산화전극조(121)로 유입되고, 염수는 환원전극조(122)조로 유입된다. 산화전극조(121)는 산화전극을 포함하며, 산화전극에 부착된 유기물 분해용 미생물을 포함할 수 있다.
염분차 발전 시스템(110)은 미생물 반응에 의해 처리된 담수를 제공받고, 활성탄을 통해 제공된 담수 내의 잔존 유기물을 필터링하는 활성탄 필터링부(150)를 더 포함할 수 있다. 활성탄 필터링부(150)는 상기 전처리부(120)의 전처리 공정 후단에서 추가적인 전처리 공정을 수행한다. 활성탄 필터링부(150)는 산화전극조(121)와 환원전극조(122)에서 전처리 공정을 거친 담수 및 염수를 다시 활성탄 필터링을 통해 잔존 유기물의 양을 최소화하여 염분차 발전을 수행하는 전력발전부(130)에 공급한다. 활성탄 필터링부(150)는 전처리공정을 거친 담수 및 염수에 잔존하는 용존유기물질(Dissolved Organic Carbon, DOC)의 20 내지 30%를 제거할 수 있다. 상기 활성탄필터(123)의 활성탄은 GAC(Granular Activated Carbon)일 수 있다.
전처리부(120)는 다가 이온을 처리하는 과정에서 수소를 생성하여 회수할 수 있다. 산화전극조(121)에 일부 에너지를 투입하면 산화전극에서 전자가 생성되어 환원전극조(122)의 환원전극 쪽으로 전자가 이동한다. 환원전극조(122)에서는 산화전극으로부터 전자를 제공받아 해수 내 무기물인 다가 이온을 전자를 이용한 전극 반응으로부터 침전물의 형태로 처리하며, 동시에 수소를 생산하여 이를 회수 할 수 있다.
활성탄 필터링부(150)는 전처리부(120)로부터 회수된 수소를 이용하여 활성탄을 재생할 수 있다.
발전부(130)의 염분차 발전은 역전기투석(RED, Reverse electrodialysis), 압력지연삼투(PRO, Pressure Retarded Osmosis) 또는 Capacitive Mixing(CAPMix)일 수 있다.
발전부(130)는 염분차 발전 방식이 역전기투석법일 경우, 이온교환막을 포함할 수 있다. 이온교환막은 염분차 발전의 성능을 향상시키고 대용량 염분차 발전 시스템을 구축할 수 있다. 이온교환막의 폭은 400 내지 600mm일 수 있다. 더욱 바람직하게는 500mm일 수 있다.
염분차 발전 시스템(100)은 발전부(130)에서 생산된 전력을 모니터링하여 발전부(130)에 사용된 이온교환막의 오염 정도를 파악하는 오염 모니터링부(160)를 더 포함할 수 있다. 또한, 염분차 발전 시스템(100)은 오염 모니터링부(160)에 의해 이온교환막의 오염이 미리 정해진 수준 이상 진행된 것이 확인된 경우에는 이온교환막에 대해 물리적 또는 화학적 세정을 수행하는 막 재생부(170)를 더 포함할 수 있다. 오염 모니터링부(160)가 이온교환막이 해수, 담수 내 잔존하는 유기물에 의하여 오염되는 것을 감지하여 막 재생부(170)에 제어신호를 송신하여 이온교환막을 실시간으로 세정한다. 이온교환막 세정방식은 물리적, 화학적 세정 방식으로 세정할 수 있다. 물리적 세정방식으로는 에어 스파링(air sparing)이나 삼투 역세정(osmotic backwashing)일 수 있으며, 화학적 세정방식으로는 NaOH를 담수 소스에 첨가하여 공급함으로써 막 표면에 생성된 유기 오염물질을 제거할 수 있다.
염분차 발전 시스템(100)은 발전부(130)에서 생성된 전력을 저장하는 에너지 저장부(180)를 더 포함할 수 있다. 에너지 저장부(180)는 전력발전부(130)로부터 생산되는 과잉 전력을 저장하여 필요한 경우 전력변환부(140)에 공급하여 지속적인 전력을 제공할 수 있다.
에너지 저장부(180)는 신재생에너지원과 연계될 수 있다. 신재생에너지원은 신재생에너지 공급부(190)로부터 제공 받을 수 있다. 신재생에너지 공급부(190)로부터 생산되는 신재생에너지를 전처리부(120)에 공급할 수 있으며, 전처리부(120)에 공급되지 않은 재생에너지는 에너지 저장부(180)에 저장될 수 있으며, 필요에 따라 전력변환부(140)에 공급할 수 있다. 이는 기존 재생에너지의 단점을 보완하면서 전기충전 인프라 이용 효율을 극대화할 수 있다. 이로 인하여, 기존 풍력이나 태양광 등 재생에너지와 연계가 가능하며 기존 재생에너지의 단점인 이용률 한계, 부하변동성 등을 보완할 수 있다.
염분차 발전 시스템(100)은 상기 전력변환부(150)로부터 변환된 전기를 전달받아 전기충전 인프라에 전기를 제공하는 전기충전 스테이션(200)과 연계하며, 전기충전 스테이션(200)은 전기충전 인프라의 용도에 맞게 변환된 전력을 전기충전 인프라에 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 충전 인프라 구축을 위한 염분차 발전 방법은 염수 및 담수를 취수하는 단계(S310); 상기 취수된 담수 내의 유기물은 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리 단계(S320); 상기 전처리 단계에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전 단계(S330); 및 상기 생산된 전력을 전기 충전 인프라에 적합한 형태로 변환하는 전력 변환 단계(S340)를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 염분차 발전 시스템의 공정단계를 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 취수부(110)를 통하여 염분차 발전의 소스인 담수와 염수를 취수한다. 염분차 발전을 위한 소스는 담수와 염수가 된다. 염수는 바닷물(약 3.5wt.%)과 해수담수화로부터 배출되는 고농도 염수(7wt.% 이상), 그리고 원자력발전소 등에서 배출되는 해수 온배수로부터 취수가 가능하다. 또한 담수는 강물과 하수정수장의 폐수로부터 얻을 수 있다. 취수부(110)를 통행 얻어진 소스를 전처리부(120)에서 전처리 공정을 통해 유기물 및 무기물(특히, 발전 소스로 사용되는 Na를 제외한 Ca, Mg와 같은 다가 이온)을 제거한다. 본 발명에서는 미생물침전전기분해방식(MPEC)을 이용한 유, 무기물을 동시에 전처리 공정을 수행한다. 이렇게 처리된 소스를 염분차 발전을 수행하는 발전부(130)에 공급하여 전기를 생산한다. 염분차 발전 방식은 RED, PRO, Capmix 방식이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 역전기투석 기반 염분차 발전 시스템을 고려하여 실시예를 제공한다. 상기 염분차 발전을 통해 생산된 전기는 전력변환부(140)를 통해 충전기의 종류에 따라 전력이 변환된다. 일반적으로 급속충전기는 DC로 공급되며, 완속 및 홈 충전기 방식은 AC로 전력이 공급된다. 염분차 발전은 필요에 따라 상시 전력생산이 가능하므로 전기충전 장치에 직접 공급이 가능하며, 잉여 발전량은 에너지 저장부(180)에 저장할 수 있다. 이 과정에서 신재생에너지 공급부(170)를 통해 신재생에너지원(태양광, 풍력 등)과의 연계가 가능하며, 이러한 하이브리드화를 통해 신재생에너지원의 단점인 이용률 한계, 부하변동성 등을 보완할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 염분차 발전 소스의 취수 방식 및 저 에너지 소모형 유, 무기물 동시 전처리 공정에 대한 개념도를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 염분차 발전에 필요한 소스는 취수 단계에서 부유물 및 미생물의 제거를 위해 필터링 단계를 거친다. 각각의 소스는 설치된 지리적 상황에 맞게 선택적으로 취수할 수 있다. 담수의 경우 유, 무기 전처리 기술을 적용하기 위해서는 유기물이 과다 포함되어 있는 하수정수장의 폐 원수를 이용하는 것이 유리하지만, 유기물 농도가 상대적으로 적은 강물을 이용할 경우 일부 유기물을 추가로 공급하여 전처리 효율을 향상시키는 것을 고려할 수 있다. 이렇게 취수된 폐수는 산화전극조(121)에 유입되고 해수는 환원전극조(122)에 유입된다. 산화전극조(121)의 산화전극에 유기물 분해용 미생물을 부착시키고, 일부 필요한 전기를 공급하면, 산화전극조(121)에서 전자가 생성되어 환원전극조(122)의 환원전극 쪽으로 이동하고, 이동된 전자는 해수와 반응하여 다가 이온들을 침전물의 형태로 만들면서, 이 과정에서 수소를 생산하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 따른 유, 무기물 동시 전처리 공정에 대한 에너지 수지를 보여준다. 도 3을 참조하면, 일반적으로 하수정수장의 폐수 원수를 방류수 기준에 맞추기 위해 처리하는데 소모되는 에너지는 약 0.3 kWh/ton 이다. 본 발명에서 제안되는 MPEC 전처리 방식을 이용할 경우 소모되는 에너지는 약 0.5 kWh/ton 이며, 생산되는 수소 에너지의 양은 약 0.8 kWh/ton 이상이다. 그러므로 본 발명을 통한 전처리 기술은 에너지를 거의 소모하지 않으면서도 유, 무기물을 동시에 처리할 수 있는 획기적인 기술이다. 이러한 저 에너지 소모형 전처리 기술은 먹는 물의 생산을 위한 해수담수화 기술에 적용할 수도 있지만, 특히 발전을 위한 시스템의 소스용 전처리 기술에 적용할 경우 그 파급효과가 크다고 할 수 있다. 이렇게 생성된 수소는 약 99% 이상의 순도이며, 도 2에서와 같은 2차 유기물 전처리 장치인 활성탄의 재생용 에너지원으로 사용하거나, 가스 에너지로 회수하여 투입된 에너지를 보상할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 폐수를 이용한 역전기투석 염분차 발전의 운전, 유지 보수 및 전기충전 인프라 적용 및 기존 재생에너지원과의 연계 방안을 보여주는 도식이다. 전처리 공정을 통해 처리된 담수와 염수는 염분차 발전 장치인 발전부(130)로 공급된다. 본 발명의 역전기투석 염분차 발전의 대용량화를 위해 폭 500 mm 이상의 이온교환막이 제공된다. 모든 종류의 이온교환막이 사용될 수 있지만, 경제성을 고려하여 본 발명에서는 비균질 복합막을 사용하여 실시예를 수행하였다. 막의 오염은 전력발전부(130)의 장기 성능과 밀접한 관련이 있다. 그러므로 이를 모니터링하고 재생하는 공정의 연계는 매우 중요하다. 본 발명에서는 발전부(130)의 성능을 수시로 모니터링할 수 있는 오염 모니터링부(160)를 통해 막 오염의 정도를 파악하고, 오염이 상당히 진행된 경우에는 막 재생부(170)에서 물리적, 화학적 세정방식을 통해 오염된 막을 실시간으로 세정하는 시스템을 포함한다. 물리적 세정 방식으로는 에어 스파링(air sparing)이나 삼투 하므로써 사용될 수 있으며, 화학적 세정으로는 운전 도중 NaOH를 담수 소스에 첨가하여 공급함으로써 막 표면에 생성된 유기 오염물질을 제거할 수 있다. 본 염문차 발전 시스템의 전기충전 인프라 적용 기술은 기존 재생에너지 기술과의 연계를 통해 보다 효율적인 에너지 시스템 운영을 가능하게 할 수 있다. 기존 풍력이나 태양광 등은 이용률 및 부하변동성 때문에 반드시 저장 시스템이 필요하다. 하지만 염분차 발전은 이용률이 거의 100%에 이르기 때문에 전력변환 장치(변환부(140))만의 구비를 통해 직접 전기충전기에 적용할 수도 있으며, 신재생에너지원과의 연계를 통해 에너지 저장부(180)으로의 과잉 에너지 저장도 가능하다. 또한 이렇게 얻은 과잉 에너지는 전처리부(120)에 일부 공급하므로써 에너지 효율적 공정 운전도 가능하다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 유, 무기물 동시 전처리 공정의 실시예 결과를 보여준다.
Figure 112015111920891-pat00001
MPEC를 사용한 전처리 공정에서는 초기 해수내 농도가 각각 1.2, 1.3 ppm이었던 칼슘과 마그네슘 농도는 전처리 이후 약 0.04, 0.05 ppm으로 측정되었다. 약 90% 이상의 처리 효율을 보여줬다. 반면 MPEC를 통한 유기물 처리는 초기 50 ppm에서 처리후 10 ppm으로 나타나, 효율은 약 90%였다. 이것을 다시 활성탄 필터를 통해 처리한 결과 약 50%의 추가 처리 효율을 보였으며, 최종 처리수의 유기물 농도는 약 5 ppm으로 측정되었다.
표 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기충전 인프라 구축용 염분차 발전 시스템의 폐수를 이용한 RED 염분차 발전의 실시예 결과를 보여준다.
Figure 112015111920891-pat00002
담수의 온도는 약 25℃였으며, 담수의 이온 농도(mA)가 200 이상의 방류수를 이용한 염분차 발전량이 증류수의 사용 경우보다 높은 에너지 밀도를 보였다. 사용된 전극은 흑연, 해수 농도는 3.5 wt.%, 방류수의 농도는 약 0.02 내지 0.05 wt.%였다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
100 : 염분차 발전 시스템 110 : 취수부
120 : 전처리부 130 : 발전부
140 : 전력변환부 150 : 활성탄 필터링부
160 : 오염 모니터링부 170 : 막 재생부
180 : 에너지 저장부 190 : 신재생에너지원 공급부
200 : 전기충전 스테이션

Claims (9)

  1. 전기 충전 인프라 구축을 위한 염분차 발전 시스템에 있어서,
    염수 및 담수를 취수하는 취수부;
    상기 취수된 담수 내의 유기물을 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리부;
    상기 전처리부에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전부; 및
    상기 발전부에서 생산된 전력을 전력 수요처인 전기 충전 인프라로 공급하기 위하여 변환시키는 전력 변환 수단으로서, 전기 충전 인프라가 급속 충전기로 이루어지는 경우에는 직류 전류로 변환하고, 전기 충전 인프라가 완속 또는 홈 충전기로 이루어지는 경우에는 교류 전류로 변환하는 전력 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미생물 반응에 의해 처리된 담수를 제공받고, 활성탄을 통해 상기 제공된 담수 내의 잔존 유기물을 필터링하는 활성탄 필터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전처리부는 상기 다가 이온을 처리하는 과정에서 수소를 생성하여 회수하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 활성탄 필터링부는 상기 회수된 수소를 이용하여 상기 활성탄을 재생하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부에서 생산된 전력을 모니터링하여 상기 발전부에 이온교환막의 오염 정도를 파악하는 오염 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  6. [청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 5 항에 있어서,
    막 오염 모니터링부에 의해 상기 이온교환막의 오염이 미리 정해진 수준 이상 진행된 것이 확인된 경우에는 상기 이온교환막에 대해 물리적 또는 화학적 세정을 수행하는 막 재생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부에서 생성된 전력을 저장하는 에너지 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 신재생에너지원과 연계되는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 시스템.
  9. [청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    전기 충전 인프라 구축을 위한 염분차 발전 방법에 있어서,
    염수 및 담수를 취수하는 단계;
    상기 취수된 담수 내의 유기물은 미생물 반응에 의해 처리하고, 상기 취수된 염수 내의 다가 이온은 상기 미생물 반응에 의해 생성된 전자를 이용한 전극 반응에 의해 침전물로 처리하는 전처리 단계;
    상기 전처리 단계에 의해 처리된 염수 및 담수를 소스(source)로 이용하여 염분차 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전 단계; 및
    상기 발전 단계에서 생산된 전력을 전력 수요처인 전기 충전 인프라로 공급하기 위하여 변환하는 단계로서, 전기 충전 인프라가 급속 충전기로 이루어지는 경우에는 직류 전류로 변환하고, 전기 충전 인프라가 완속 또는 홈 충전기로 이루어지는 경우에는 교류 전류로 변환하는 전력 변환 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 발전 방법.
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