초록 ▼

세부과제 Ⅰ : PRO기반 해양염분차발전 및 시스템 개발 (Ⅲ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
PRO 핵심 기술인 분리막 기술은 다양한 분리막 기술에 적용할 수 있다. 1차적으로 아직 시장이 얼려있지 않지만, 전세계 잠재량은 10조원 이상의 규모를 가지고 있어, 빠른 시장진출이 필요하는 것으로 생각된다. 또한 다양한 현장 공정결과들을 바탕으로 성능향상 제품을 발빠르게 대응해야 할 것으로 생각된다. 이를 위해 사업화에 관심있는 중소기업과 발빠르게 제품개발을 수행할 계획을 가지고 있다. 더욱이, 확보된 중공사막 제

세부과제 Ⅰ : PRO기반 해양염분차발전 및 시스템 개발 (Ⅲ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
PRO 핵심 기술인 분리막 기술은 다양한 분리막 기술에 적용할 수 있다. 1차적으로 아직 시장이 얼려있지 않지만, 전세계 잠재량은 10조원 이상의 규모를 가지고 있어, 빠른 시장진출이 필요하는 것으로 생각된다. 또한 다양한 현장 공정결과들을 바탕으로 성능향상 제품을 발빠르게 대응해야 할 것으로 생각된다. 이를 위해 사업화에 관심있는 중소기업과 발빠르게 제품개발을 수행할 계획을 가지고 있다. 더욱이, 확보된 중공사막 제작 기술, 평막 제작 기술, 그리고 활성층 코팅기술은 기존 성장하고 있는 물시장에 (2012년 기준 6조원 규모)에 진출할 수 있는 가능이 높은 것으로 분석되고 있다. 현재 이스라엘의 IDE회사와 PRO 대형플랜트 개발을 위해 협력을 추진하고 있으며, 이를 위해서는 적극적인 국가지원이 필요할 것으로 판단된다.

세부과제 Ⅱ : kW급 염분차발전 시스템 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- 2023년 국가 에너지수급정책에서 원전 의존률 22% 감소에 따른 새로운 안정적 전력 생산 시스템 개발 필요성 두각
- 24H 지속발전 차세대 청정 신재생에너지원 개발 필요성 대두
- 해양의 재생 가능한 청정에너지를 이용한 발전기술은 화석연료 사용에 따르는 환경오염과 자원고갈 문제를 극복할 수 있고, 세계적으로 대규모 활용이 가능한 대체에너지 기술임
- 염분차발전은 풍력과 태양에너지 등 재생 가능한 에너지원에 비해 뛰어난 장점을 보유하고 있음
•풍력은 예측 불가능한 기상조건에 따라 발전이 가능
•태양광은 햇빛을 이용함으로 낮에만 운용이 가능
•염분차발전은 무궁한 해수 자원과 담수를 이용함으로 언제라도 발전이 가능함
•조력이나 파력에 비하여 생태계 교란을 배제할 수 있는 공정임
- 염분차 발전은 저비용, 입지선정, 시간적 제약 등에서 자유로운 차세대 핵심 신재생에너지원으로 전 세계적으로 연구개발이 뜨겁게 진행되고 있음
- 강물과 바닷물 이용시 예측된 에너지 잠재량은 현 전력소비의 13%를 생산할 수 있음. 하지만 다양한 염을 이용 시 에너지 잠재량은 무한대에 가까움
- 이러한 장점에도 불구하고 현재 lab scale수준에서 대부분의 연구가 진행되고 있어서 파일럿 플랜트 건설을 통한 대용량 염분차발전의 설계 및 제어기술 확보가 중요함
- 또한 핵심 소재인 분리막의 급진적 성능향상을 위한 연구개발을 통해 세계적인 leading group으로 순간적 도약을 위해 분리막 관련 핵심 연구가 필요함
- 현재 가장 RED 기술에서 선두적 기술보유업체는 네덜란드의 Wetsus가 설립한 RedStack사로 현재 50kW급 파일럿 플랜트를 건설중에 있으며, 2020년 이후에 MW급 설비를 완료할 계획을 추진 중에 있음
- 전세계적으로 염분차발전 기술은 단위 막면적당 전력밀도 향상, 막 가격의 하락에 의해 활용 가능한 기술로 부각되고 있으나, 현재 기술 개발 초기 단계로 본격적인 연구를 통해 상용화를 위한 기술 선점에 유리한 분야임
- 본 연구를 통해 염분차발전용 이온교환막 원천기술을 확보하고 경쟁력 있는 전력생산량 및 전력밀도 등 기술완성도 확보를 위해 kW급 염분차발전 시스템 공정기술 및 제어기술을 개발하고자 함

세부과제 Ⅲ : 코어쉘 전극 기반 축전식 해수 탈염기술 개발 (Ⅲ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
활성탄 및 코어쉘 입자의 기공 구조 특성, FT-IR, 밀도등을 측정하여 이온교환 고분자가 코팅된 코어쉘 구조의 활성탄 입자를 확인하였다. FCDI 셀을 이용하여 코어쉘 전극의 탈염 성능을 평가한 결과, 같은 농도(5 wt%)에서 활성탄 흐름전극의 탈염율이 코어쉘 전극보다 높게 나타났다. 이 이유는 EIS (electrochemical impedance spectroscopy)분석 결과, 코어쉘 전극이 활성탄 전극보다 이온교환고분자막에 의해 이온 이동거리가 길어짐에 따라 하전저항이 증가하였고, 고분자막의 비전도성 특성으로 인해 정전용량이 감소하였기 때문인 것으로 사료되었다. 하지만, 코어쉘 전극은 활성탄 전극보다 정전기적 반발력이 크기 때문에 15 wt%이상의 고농도 흐름 전극 제조가 가능함을 알 수 있었으며, 농도가 높아질수록 탈염율 또한 상승하였다. 이런 결과를 바탕으로, 활성탄과 코어쉘 전극을 혼합한 흐름전극 20 wt%를 제조하여 탈염율 22.2%, 탈염속도 2.8 mS/cm의 결과를 얻었다. 전해질 함침 코어쉘의 경우, 칼륨이온이 소듐이온보다 높은 탈염율을 나타냈으며, 농도가 높을수록 탈염율도 증가하였다. 이는 칼륨이온이 소듐이온보다 수화반지름이 적고 이온 이동도가 높기 때문인 것으로 해석된다. EIS를 이용한 코어쉘 전극의 전기화학적 특성 평가를 통해 nyquist plot과 정전용량, 하전저항을 구할 수 있었으며 탈염 성능 평가인자로서 적합함을 알 수 있었다.
본 연구 결과들을 바탕으로 FCDI 시스템의 상용화를 위해 필요한 요소는, 흐름전극의 고농도화 및 코어쉘 흐름전극의 양산화를 위한 연속 생산 시스템 구축, 두 가지이다. 본 과제를 통해, 고밀도 고유동성 다공성 탄소 흐름전극 확보가 탈염 효율 향상에 중요한 인자임을 알게 되었다. 이를 위해서 정전기적 반발력을 이용한 코어쉘 탄소입자가 분산제뿐만 아니라 전기이중층을 통한 이온흡착제로의 역할을 동시에 수행할 수 있을 것으로 확인되었다. 코어쉘 전극 양산화를 위한 연속생산 시스템은 스프레이 코팅 방식 등을 이용할 수 있으며 이에 맞는 이온교환고분자 용액 제조 기술이 확보되어져야 할 것으로 생각된다. 이 두 가지 기술이 확보된다면 미래 수자원 및 에너지 확보를 위해 저에너지 고효율 해수 탈염 시스템으로써 FCDI는 새로운 대안이 될 것이다.

세부과제 Ⅳ : 해양 신재생에너지 기반 CCS융합 바이오리파이너리 기술 개발 (Ⅲ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
3년간의 연구개발을 통해 1.6 g/L의 미세조류 바이오매스(Porphyridium cruentum)를 생산하는 결과를 얻었으며, 150 L규모의 부유형 광생물반응기를 제작하여 운전하였다. 또한 산/열처리 및 초음파처리를 통해 80%이상의 탄수화물 회수율을 달성하였으며, 인과 구리 원 결핍시 미세조류 구성성분의 탄수화물 중 포도당의 농도가 2~4배 증가한다는 결과를 득하였다.
본 연구 과제를 통해 제3세대 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산 기술에 경제성을 높이는 기초연구결과를 획득할 수 있었다. 이 기초결과를 기업과 연계하여 실용화하기 위해서는 scale-up등 추후 기초과제 및 실증과제를 더 수행해야 한다. 따라서 향후 목표 및 본 연구 결과 활용계획으로, 제주내의 타 연구기관(해양연 제주센터, 기초연 제주센터 등)과 융합연구를 통해 추가적인 기초/실증과제를 수행 후, 기업 및 제주지역 산업과 연계하여 기술이전 과제를 도출할 것이다.

Abstract ▼

Ⅰ : Marine Salinity Gradient Power and System Development based on Pressure-Retarded Osmosis (PRO) (Ⅲ)
Ⅳ. Result and Recommendations
The membrane technologies, which is the core technology for PRO, can be applied into a variety of membtane area. For the first target, PRO market is immature. Ho

Ⅰ : Marine Salinity Gradient Power and System Development based on Pressure-Retarded Osmosis (PRO) (Ⅲ)
Ⅳ. Result and Recommendations
The membrane technologies, which is the core technology for PRO, can be applied into a variety of membtane area. For the first target, PRO market is immature. However, the world’s market is around 10 billion dollars so that the rapid movement make headway into the overseas market. Also, product’s qualities must be improved from the back-data of field tests. For the achievement, we have a plan with a certain small company which has the interests for commercialization. Furthermore, the core technologies of active layer coating, hollow fiber membrane, and flat-sheet membranes can be expanded into water market (6 billion dollars in 2012 world). Recently, we have a plan with IDE partner in Israel which is to build the MW-size PRO plants so that the state support must be needed.

Ⅲ : Core-Shell Electrode-based Capacitive Deionization Process Development (Ⅲ)
Ⅳ. Result and Recommendations
For characterization of core-shell particles, pore size, coated structure of ion-exchange polymer, and its density were measured by BET, FT-IR, and tapping method. At the same concentration (5 wt%), bare activated-carbon electrode (AC) is much higher desalting efficiency than core-shell flow-electrodes (CS). From EIS results, it was thought that CS increase charging resistance as well as decrease specific capacitance due to polymer layer covered around carbon core. That is, the layer of ion-exchange polymer inhibited the migration of ions and electrons. However, CS particles were easy to disperse in NaCl solution due to its hydrophilicity and electrostatic repulsion, and the concentration of flowable electrode comprised of CS and AC achieved up to 20 wt% (solid-to-liquid ratio). At this concentration, salt removal efficiency and removal rate were 22.2% and 2.8 mS/cm, respectively, and it was confirmed that desalting efficiency depends on carbon concentration in flow-electrode. CS particles with electrolyte inside micro/mesopores were much higher salt removal efficiency than CS particles without electrolyte treatment. CS with potassium ions are better salt removal efficiency than CS with sodium ions. This is why hydrated ion radius and ionic mobility are important factors for desalting efficiency in FCDI system. Furthermore, EIS was used to investigate capacitance and resistance of CS and AC in static mode.
Two factors are necessary to commercialize FCDI system; flowable electrode with high concentration of porous carbon particles and continuous coating system for CS electrode.
As CS particles can play an important role as dispersant using electrostatic repulsion as well as ion adsorbent using electrical double layer, porous carbon particles can be loaded highly in carbon slurry mixed with CS particles for flow electrodes. Spray coating process can be available to produce continuous CS particles using ion-exchange polymer solutions with appropriate viscosity and concentration. Based on these technologies, we expect that FCDI system can be an alternative as high-efficiency desalination system in order to provide water and energy resources for future.

Ⅳ : Marine Biorefinery Converged with CCS and Renewables (Ⅲ)
Ⅳ. Result and Recommendations
We have succeeded to produce 1.6 g/L of microalgal biomass (Porphyridium cruentum) in laboratory condition, and to devise the floating type photobioreactor (150 L). Moreover, we were able to recover more than 80% of carbohydrate produced from microalgal biomass. In addition, we have verified that P and Cu starved microalgal culture can accumulate carbohydrate content in cell body of microalgae. In order to make this results viable, follow-up researches are needed. Therefore, we have plan to co-work with other national research institute located in Jeju island to conduct follow-up project (integrated microalgal biorefinery)