압력지연삼투공정 (PRO)를 활용한 신재생 에너지 생산기술동향

압력지연삼투공정 (Pressure Retarded Osmosis Process)

지구온난화로 인한 기후문제가 지속되면서 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지의 개발은 필수적이다. 신재생 에너지의 활용가치를 높이기 위해선 지속가능한 에너지생산이 가능해야 하고 에너지원 수급이 간단해 가격적인 이점을 지녀야한다. 최근 여러 신재생 에너지 중 염도차(salinity gradient)를 활용한 기술들이 주목받고 있다. 염도차 기반의 신재생 에너지는 다른 신재생 에너지와 달리 지속적인 에너지 생산이 가능하며, 강물과 바닷물, 폐수 등을 에너지원으로 사용하기에 가격경쟁력이 높다는 장점을 가지고 있다[1]. 또한, 에너지 생산과정에서 독성물질이나 온실가스를 배출하지 않는다. 염도차를 이용한 기술로는 역전기투석법 (Reverse Electrodialysis, RED), 축전식혼합법 (Capacitive Mixing, CapMix), 혼합엔트로피배터리 (Mixing Entropy Battery, MEB), 압력지연삼투법 (Pressure Retarded Osmosis, PRO) 등이 있다[2].
PRO 기술은 염도차이로 인해 발생하는 삼투압을 이용한 기술이다. 염을 배제하고 물만 선택적으로 투과시키는 분리막을 고염수와 담수 사이에 배치하면, 농도차이로 인해 삼투압이 형성되며 담수에서 고염수로 물이 전달된다. 물이 전달되는 압력을 역으로 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이 PRO기술의 핵심이다. 

PRO 복합공정

PRO 기술은 다른 기술 대비 전력밀도와 에너지 전환 효율이 높다는 장점이 있다. 또한, PRO 공정은 단독적으로 에너지를 생산할 수도 있고 역삼투기술 기반의 해수담수화 공정 (SWRO)과 연계되어 Hybrid 공정으로 활용될 수도 있다는 장점을 지닌다. 역삼투기술과 더불어 PRO와 연계될 수 있는 공정은 막증류법 (membrane distillation, MD), 정삼투법 (forward osmosis, FO) 등이 있지만 [3,4], 현재 가장 상업화에 가까운 기술은 SWRO-PRO system이다[1]. SWRO-PRO 공정의 경우 에너지를 생산한다는 개념보다는 해수담수화에 필요한 에너지의 일부를 PRO를 통해 나온 에너지로 대체한다는 개념이다.
SWRO 공정에 에너지를 공급하는 방법은 turbine-based system(TBS)와 energy circulation system(ECS) 이 있다[5]. TBS 방법은 터빈을 돌려 생성한 전기에너지를 공급하는 방식이며, 활용폭이 넓다는 장점이 있다. 반면 ECS 방식에 비해 에너지 전환 효율이 좋지 않다. ECS 방법은 PRO를 통해 나온 압력에너지를 그대로 SWRO 공정 전단에 공급해주는 방식이며 범용성은 낮지만 TBS 보다 에너지 전환효율이 좋다는 장점을 가진다. 
현재 TBS의 에너지 전환효율은 80~90%정도인 반면, ECS의 경우 95% 이상의 전환효율을 확보할 수 있으므로[6], 현재 개발되고 있는 SWRO-PRO 시스템에서는 대부분 ECS 방식을 채택하고 있다. 

PRO commercialization

PRO 상용화는 노르웨이의 신재생 에너지 공급업체인 Statkraft社에서 최초로 시도하였다. Statkraft社는 노르웨이 내에 바닷물과 강물이 만나는 피오르 (fjord) 지형이 많아 PRO 방식을 도입하기 적합하다고 판단하였으며, 삼투압을 이용한 에너지 생산이 1600~1700TWh까지 가능하다고 판단하였다. 이는 EU에서 생산하는 수력 에너지의 50%정도의 규모이며, 전 세계로 넓히면 10%에 해당하는 에너지다[7]. 
	2009년부터 Pilot plant를 가동하여 여러 연구가 진행되었지만 이 시도는 실패로 마무리되었다. 대표적인 실패 이유는 공정 최적화 부족으로 인한 낮은 전력밀도, 분리막 제조기술 부족, 막오염과 같은 이유로 운전비용이 예상치보다 많이 발생했고, 다른 신재생 에너지대비 가격경쟁력을 확보할 수 없었기 때문이다 [1].
	이후에 일본에서 PRO 시스템에 관심을 보였다. 2011년 후쿠시마 원전사고 이후, 안전하고 안정적인 공급이 가능한 PRO 기술에 집중적으로 투자를 단행했다. 사우디아라비아의 Saline Water Conversion Corporation (SWCC)와 일본 Industrial Technology Development Organization (NEDO)의 협업으로 Megaton project가 진행중이다 [8]. Megaton project의 목적은 해수담수화 공정의 담수 recovery rate를 40%에서 65%로 증가시키는 것이다. Recovery rate를 65%까지 증가시키게 되면 RO system이 사용하는 에너지를 20%까지 줄일 수 있으며, 농축수가 PRO를 거치게 되면 10% 정도의 에너지를 회복할 수 있다. 현재 10,000 m3/day 규모의 pilot plant를 건설하고 운전할 예정이며, 앞서 실패한 사례와 달리 바닷물이 아닌 농축 수를 사용하기 때문에 에너지 전환효율이 좋을 뿐만 아니라 바다에 배출되는 고농축 염수 (brine)를 줄인다는 점에서 환경적인 이점도 가지고 있다고 평가된다 [9].

참고문헌

[1] C. Lee, S. H. Chae, E. Yang, S. Kim, J. H. Kim, I. S. Kim, A comprehensive review of the feasibility of pressure retarded osmosis: Recent technological advances and industrial efforts towards commercialization, Desalination, 491, 2020
[2] N. Y. Yip, D. Brogioli, H. V. M. Hamelers, K. Nijmeijer, Salinity gradients for sustainable energy: Primer, progress and prospects, Environ. Sci. Technol., 50(22), 12072-12094, 2016
[3] G. Han, J. Zuo, C. Wan, T. S. Chung, Hybrid pressure retarded osmosis-membrane distillation(PRO-MD) process for osmotic power and clean water generation, Environ. Sci. Water Res. Technol., 1, 507-515, 2015
[4] Z. L. Cheng, X. Li, T. S. Chung, The forward osmosis-pressure retarded osmosis(FO-PRO) hybrid system: A new process to mitigate membrane fouling for sustainable osmotic power generation, J. Memb. Sci., 559(1), 63-74, 2018
[5] R. H. Moss, J. A. Edmonds, K. A. Hibbard, M. R. Manning, S. K. Rose, D. P. van Vuuren, T. R. Carter, S. Emori, M. Kainuma, T. Kram, G. A. Meehl, J. F. B. Mitchell, N. Nakicenovic, K. Riahi, S. J. Smith, R. J. Stouffer, A. M. Thomson, J. P. Weyant, T. J. Willbanks, The next generation of scenarios for climate change research and assessment, Nature, 463, 747-756, 2010
[6] J. Kim, M. Park, S. A. Snyder, J. H. Kim, Reverse osmosis(RO) and pressure retarded osmosis(PRO) hybrid process: Model-based scenario study, Desalination, 322, 121-130, 2013
[7] T. Thorsen, T. Holt, The potential for power production from salinity gradients by pressure retarded osmosis, J. Memb. Sci., 335(1), 103-110, 2009
[8] Campass of new partnership, ASHA Lead, 24, 28-29, 2019
[9] M. Kurihara, H. Sakai, A. Tanioka, H. Tomioka, Role of pressure retarded osmosis (PRO) in the mega-ton water project, Desalin. Water Treat., 57(55), 26518-26528, 2016