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개회로 전압을 이용한 역전기투석 시스템 출력 평가 및 모델링
양흥식,이상호,주재현,박영광,최용준 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0
염분차 발전(Salinity Gradient Power; SGP)은 염분농도의 차이가 있는 두 용액을 멤브레인을 통해 혼합 시 삼투압 에너지가 생성되는 것인데, 대표적인 염분차발전공정으로 역전기투석(Reverse Electrodialysis; RED)이 있다. RED 시스템은 해수와 담수의 농도차 에너지를 전기에너지로 바꾸는 에너지 전환 장치이다. 전세계적으로 강하구에서 생성할 수 있는 농도차에너지량이 상당히 높은 것으로 추산됨에 따라 역전기 투석장치에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 역전기 투석 시스템의 성능을 변화시키는 변수인 유입 유량, 전극액의 유량, 고농도의 염수와 저농도의 담수 사이의 농도차, 이온교환막의 스택 수를 변화시켜 개회로 전압(Open circuit voltage; OCV)을 측정한 후, 전류가 0일 때(개회로)의 OCV값과 전류를 흘려주었을 때의 전력밀도와의 상관관계를 비교하여 역전기투석시스템의 성능과 OCV사이의 관련도를 비교한다. 관련도를 비교 분석하여 실제 측정 전력과 OCV값의 모델 피팅을 진행한다.
다양한 농도 공급원의 조합을 통한 역전기투석 장치의 성능 평가
권길성(Kilsung Kwon),박병호(Byung Ho Park),김덕한(Dukhan Kim),김대중(Daejoong Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.6
농도차발전은 전 세계적으로 높은 잠재적 에너지량으로 인하여 최근 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 양이온과 음이온의 선택적 분리를 통하여 전기를 생성하는 역전기투석을 이용하여 다양한 농도 공급원의 조합으로부터 성능을 평가하였다. 역전기투석 장치의 분극곡선은 전류가 증가할 때 전압이 선형적으로 감소하였고, 최대출력밀도는 내부저항과 외부저항이 일치하는 부분에서 얻어졌다. 내부 유로두께가 감소하고 공급유량이 증가할 때 역전기투석 장치에서 생성되는 출력이 증가하는 것을 발견 하였고, 공급유체의 펌핑에 의해 발생되는 출력 손실을 고려한 정미출력은 공급유량이 22.5mL/min 에서 최대값을 가졌다. 최종적으로 담수화 브라인, 해수, 강물, 폐수, 기수를 조합하여 역전기투석 장치의 성능을 평가하였고 정삼투 과정에서 발생하는 브라인과 강물을 이용할 때 1.75W/㎡ 으로 최대값을 얻었다. Salinity gradient power (SGP) has attracted significant attention because of its high potential. In this study, we evaluate reverse electrodialysis (RED) with various compositions of available resources. The polarization curve (I?V characteristics) shows linear behavior, and therefore the power density curve has a parabolic shape. We measure the power density with varying compartment thicknesses and inlet flow rates. The gross power density increases with decreasing compartment thickness and increasing flow rate. The net power density, which is the gross power density minus the pumping power, has a maximum value at a compartment thickness of 0.2 mm and an inlet flow rate of 22.5 mL/min. The power density in RED is also evaluated with compositions of desalination brines, seawater, river water, wastewater, and brackish water. A maximum power density of 1.75 W/㎡ is obtained when brine discharged from forward osmosis (FO) and river water are used as the concentrated and the diluted solutions, respectively.
정남조(Namjo Jeong),김한기(Hanki Kim),황교식(Kyosik Hwang),정윤철(Youncheol Jeong),최지연(Jiyeon Choi),남주연(Jooyeon Nam),한지형(Jihyung Han),좌은진(Eunjin Jwa) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5
두 용액의 염분 차이를 이용하여 에너지를 생산하는 염분차발전 (SGP, salinity gradient power) 기술은, 염수로 바닷물을, 담수로 강물을 이용할 경우, 이론적 글로벌 잠재량이 약 2.4TW에 달하는 것으로 보고되고 있다. 역전기투석 (reverse electrodialysis)은 이온을 선택적으로 이동시킬 수 있는 이온교환분리막을 이용하여 염수와 담수 사이의 염분 차이에 의한 이온의 분리‧이동에 의해 발생된 화학적 포텐셜을 이용하여 전기를 생산하는 방식으로, 염분차발전 기술 중 가장 상용화가 근접한 것으로 평가되고 있다. 최근 역전기투석 기술의 개발은 스택의 대용량화와 모듈화를 통한 kW급 파일롯 실증에 초점이 맞춰져 있다. 특히, 실제 공급수 조건에서의 운전노하우 확보를 통해 미진한 분리막 기술의 향상 및 대용량 발전 플랜트에 대한 엔지니어링 설계 데이터 확보에 주력하고 있다. 대표적인 선도 연구기관으로는 네덜란드의 레드스택(REDstack)사와 대한민국 한국에너지기술연구원이 있으며, 이들 연구기관들은 2020년대 중반 이후부터는 MW급 대용량 상용 플랜트에 대한 기술개발을 본격화할 것을 계획하고 있다. The salinity gradient power (SGP) technology, which generates energy by using the concentration difference in salinity between salt water and fresh water, have been reported to have a theoretical global potential of about 2.4 TW in the condition using seawater as salt water and river water as fresh water. Reverse electrodialysis (RED), a method of generating electricity by using the membrane potential derived on ion exchange membranes due to the salinity difference between the two solutions, is evaluated as the most promising method for the commercialization of the SGP technologies. Recent developments of RED is focused on the demonstration of a kW-class pilot through a large-capacity and modularization of the stack, particularly on improving membrane technology and securing engineering design data for the realization of large-capacity power plants. REDstack and Korea Institute of Energy Research, representative leading research groups, are planning to develop a MW-class commercial plants after the mid-2020s.
권길성(Kilsung Kwon),김덕한(Deok Han Kim),김대중(Daejoong Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.5
두 용액의 농도 차이를 이용하여 전기에너지를 생성하는 역전기투석 장치는 파리기후협약으로 인한 신재생에너지기술의 관심 증가와 높은 잠재적에너지량으로 인하여 활발한 연구가 진행되고 있는 분야이다. 상용화 관점에서 볼 때 역전기투석 장치의 출력 밀도를 최대화하는 것은 중요하며, 따라서 출력밀도의 개선을 위한 다양한 방안이 논의되고 있다. 본 논문에서는 역전기투석 장치의 출력 개선 방법중 유로 형상 변화에 초점을 맞췄다. 유로 형상 변수로서 종횡비, 개방비, 분배 및 배출 유로의 개수를 사용하였다. 결론적으로 유로의 종횡비는 감소하고 개방비와 분배 및 배출 유로의 개수가 증가할 때, 역전기투석 장치의 출력 밀도가 개선되는 것을 발견하였다. Reverse electrodialysis (RED), which generates electrical energy from the difference in concentration of two solutions, has been actively studied owing to its high potential and the increased interest in renewable energy resulting from the Paris Agreement on climate change. For RED commercialization, its power density needs to be maximized, and therefore various methods have been discussed. In this paper, the power density was measured using various flow shapes based on the aspect ratio, opening ratio, and number of distribution channels. We found that the power density is enhanced with a decrease in the aspect ratio and an increase in the opening ratio and number of distribution channels.
미세유체칩 내 자기조립화된 나노입자로 이루어진 이온교환막을 이용한 역전기투석 에너지 발전
최은표(Eunpyo Choi),권길성(Kilsung Kwon),김대중(Daejoong Kim),박정열(Jungyul Park) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.5
본 논문은 미세유체 시스템에서 농도차에 의한 역전기투석을 이용하여 에너지발전을 할 수 있는 장치를 제안한다. 역전기투석을 위한 이온교환막은 미세유체칩의 적정 위치에 자기조립화된 나노입자 사이의 공극으로 이루어지며, 이는 마이크로 용량의 나노입자가 분산된 용액 방울을 제어함으로써 쉽고 저렴한 방법으로 제작이 가능하다. 본 제안 시스템은 미세유체칩의 형상을 변형하거나 나노입자의 사이즈, 혹은 나노입자의 종류를 손쉽게 바꿔가며 최대 파워와 에너지 변환 효율을 향상 시킬 수 있다는 장점이 있다. 앞으로, 본 연구에서 제안하는 디바이스는 랩온어칩 시스템에서 다른 미세장치로 에너지를 공급하는 매개체로 이용 될 수 있을 뿐 아니라 더 다양한 재료를 이용함으로써 이온 교환현상 및 에너지 발전의 기초 연구에 활용될 수 있을 것이라 기대한다. This paper presents a novel microplatform for high power generation based on reverse electrodialysis. The ideal cation-selective membrane for power generation was realized using geometrically controlled in situ self-assembled nanoparticles. Our proposed membranes can be constructed through a simple and cost-effective process that uses microdroplet control with nanoparticles in a microchannel. Another advantage of our system is that the maximum power and energy conversion efficiency can be improved by changing the geometry of the microchannel and proper selection of the nanoparticle size and material. This proposed platform can be used to supply power sources to other microdevices and contribute to a fundamental understanding of ion transport behavior and the power generation mechanism.
나종찬(Jong Chan Na),김한기(Han Ki Kim),김찬수(Chan Soo Kim),한문희(Moon Hee Han) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.9
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 80mL/min에서 최적의 해수/담수 유량비는 1.7이었으며, 이때 전력밀도는 1.30 W/m2을 얻을 수 있었다. 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 1.30 W/m2 of power density at 1.7 flow ratio of seawater/freshwater.