[미국] 스탠포드대학, 담수와 해수 혼합으로 에너지 흡수기술 개발
값싸고 내구성이 좋은 재료로 만들어진 새로운 배터리는 소금과 신선한 물이 섞이는 곳에서 에너지를 발생시킨다. 이 기술은 해안 하·폐수처리장을 에너지 독립과 탄소 중립으로 만들 수 있다.
소금은 힘이다. 연금술처럼 들릴지 모르지만 짠 바닷물과 담수가 뒤섞인 곳에서의 에너지는 엄청난 재생 에너지를 제공할 수 있다. 스탠포드 연구자(Stanford researchers)들은 소위 말하는 '푸른 에너지(blue energy)'를 이용할 수 있는 저렴하고 내구성이 뛰어난 기술을 개발했다.
최근 미국화학협회(American Chemical Society)의 『ACS 오메가(Omega)』지에 실린 이 논문은 배터리에 대해 설명하고 있으며, 이를 이용하여 해안 하·폐수처리장을 에너지 독립적으로 만들 것을 제안하고 있다.
스탠포드대학 토목 및 환경공학박사 겸 학자인 크리스티아누 두브라우스키(Kristian Dubrawski)는 " '푸른 에너지(blue energy)'는 거대하고 개발되지 않은 재생 에너지의 원천이다"라면서 "우리 배터리는 막이나 움직이는 부품이나 에너지 투입이 없는 에너지를 실질적으로 포착하기 위한 중요한 단계다"라고 말했다.
두브라우스키(Dubrahski)는 연구 공동저자인 크레이그 크리들(Craig Criddle)의 연구실에서 일하고 있다. 그는 에너지 효율적인 기술의 분야간 프로젝트로 잘 알려져 있다.
소금 그라데이션(salt gradients)으로 톡톡 튀는 배터리 개발 아이디어는 연구 공동저자인 이큐(Yi Cui) 이공계 교수, 연구 당시 재료 이공계 박사인 마우로 파스타(Mauro Pasta)에서 비롯됐다. 이 개념을 해안 하·폐수처리장에 적용한 것은 크레이그 크리들(Craig Criddle)이 오랫동안 하·폐수 처리 기술을 개발한 경험에서 탄생한 것이다.
연구진은 팔로알토 지역 수질관리 시설(Palo Alto Regional Water Quality Control Plant)의 하·폐수 유출물과 반달만(Half Moon Bay)에서 채취한 바닷물을 교대로 교환하면서 에너지 생산량을 모니터링하는 시제품을 실험했다. 180 주기(cycles)에 걸쳐 배터리 재료는 염분 그라데이션 에너지(salinity gradient energy)를 포착하는 데 97%의 효과를 유지했다.
이 기술은 신선한 물과 소금물이 혼합된 어떤 장소에서도 작동할 수 있지만, 하·폐수처리 장은 특히 귀중한 사례 연구를 제공한다. 하·폐수 처리는 에너지 집약적이며, 미국 전체 전기 부하의 약 3%를 차지한다.
지역사회 보건에 필수적인 이 프로세스는 전력 그리드 정지(power grid shutdown)에 취약하다. 폐수처리장을 독립적으로 만드는 것은 전기 사용과 배출량을 줄일 뿐만 아니라 정전에 대한 면역이 되게 할 것이다. 이는 최근 산불이 대규모 정전으로 이어진 캘리포니아와 같은 곳에서는 주요 이점이다.
■ 수력
바닷물과 섞이는 담수 1입방미터(㎥)당 약 65킬로와트(㎾)의 에너지를 생산하는데, 이는 보통의 미국 가정에 약 30분 동안 전력을 공급하기에 충분한 양이다. 이론적으로 해안 하·폐수에서 회수할 수 있는 에너지는 약 18기가와트(GW)로, 1년 동안 1천700여 가구에 전력을 공급할 수 있다.
스탠포드 그룹의 배터리는 '푸른 에너지'를 포착하는 데 성공한 최초의 기술은 아니지만 압력이나 막(membrane) 대신 배터리 전기화학 기술을 사용한 것은 이번이 처음이다. 만약 그것이 규모에 맞게 작동한다면, 그 기술은 더 간단하고, 강력하며, 비용 효율적인 솔루션을 제공할 것이다.
이 과정은 먼저 배터리 전극에서 나트륨과 염화 이온을 용액으로 방출하여 전류가 한 전극에서 다른 전극으로 흐르게 한다. 그 후 바닷물과 유출된 하·폐수를 빠르게 교환하면 전극이 소금과 염화이온을 환생시키고 전류를 역류시킨다.
담수와 바닷물이 밀려오는 동안 에너지는 회수되며, 초기 에너지 투자도 없고 충전도 필요 없다. 이것은 배터리가 에너지 투입 없이 끊임없이 방전되고 재충전된다는 것을 의미한다.
■ 내구성이 뛰어나고 저렴한 기술
실험실 테스트에서 전극 면적당 출력량이 여전히 낮은 것으로 나타났지만, 배터리의 스케일업 잠재력은 작은 설치 공간, 단순성, 지속적인 에너지 생성 및 전하와 전압을 제어하는 막이나 계측기 부족으로 인해 이전 기술보다 더 실현 가능한 것으로 간주된다.
전극은 색소 및 약재로 널리 쓰이는 소재인 프러시아 블루(Prussian Blue)와 배터리 등에 실험적으로 사용되는 소재인 폴리피롤(polypyrrole)을 이용해 만들어 킬로그램(kg)당 3달러 미만으로 판매한다.
또한 재료가 비교적 견고하기 때문에 예비 배터리는 거의 필요하지 않다. 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol )과 황산 코팅은 전극의 부식을 막아주고 움직이는 부품이 없기 때문이다.
규모를 확대하면 이 기술은 모든 연안 치료 공장에 적절한 전압과 전류를 제공할 수 있다. 과잉 전력 생산은 담수화 플랜트와 같은 인근 산업 운영으로 전환될 수도 있다.
"이것은 복잡한 문제에 대한 과학적으로 우아한 해결책이다"라고 두브라우스키(Kristian Dubrawski)는 말했다.
[원문보기]
Stanford Researchers Develop Technology To Harness Energy From Mixing Of Freshwater And Seawater
A new battery made from affordable and durable materials generates energy from places where salt and fresh waters mingle. The technology could make coastal wastewater treatment plants energy-independent and carbon neutral.
Salt is power. It might sound like alchemy, but the energy in places where salty ocean water and freshwater mingle could provide a massive source of renewable power. Stanford researchers have developed an affordable, durable technology that could harness this so-called blue energy.
The paper, recently published in American Chemical Society’s ACS Omega, describes the battery and suggests using it to make coastal wastewater treatment plants energy-independent.
“Blue energy is an immense and untapped source of renewable energy,” said study coauthor Kristian Dubrawski, a postdoctoral scholar in civil and environmental engineering at Stanford. “Our battery is a major step toward practically capturing that energy without membranes, moving parts or energy input.”
Dubrawski works in the lab of study co-author Craig Criddle, a professor of civil and environmental engineering known for interdisciplinary field projects of energy-efficient technologies.
The idea of developing a battery that taps into salt gradients originated with study coauthors Yi Cui, a professor of materials science and engineering, and Mauro Pasta, a postdoctoral scholar in materials science and engineering at the time of the research. Applying that concept to coastal wastewater treatment plants was Criddle’s twist, born of his long experience developing technologies for wastewater treatment.
The researchers tested a prototype of the battery, monitoring its energy production while flushing it with alternating hourly exchanges of wastewater effluent from the Palo Alto Regional Water Quality Control Plant and seawater collected nearby from Half Moon Bay. Over 180 cycles, battery materials maintained 97 percent effectiveness in capturing the salinity gradient energy.
The technology could work any place where fresh and saltwater intermix, but wastewater treatment plants offer a particularly valuable case study. Wastewater treatment is energy-intensive, accounting for about three percent of the total U.S. electrical load.
The process - essential to community health - is also vulnerable to power grid shutdowns. Making wastewater treatment plants energy independent would not only cut electricity use and emissions but also make them immune to blackouts ? a major advantage in places such as California, where recent wildfires have led to large-scale outages.
Water power
Every cubic meter of freshwater that mixes with seawater produces about .65 kilowatt-hours of energy - enough to power the average American house for about 30 minutes. Globally, the theoretically recoverable energy from coastal wastewater treatment plants is about 18 gigawatts - enough to power more than 1,700 homes for a year.
The Stanford group’s battery isn’t the first technology to succeed in capturing blue energy, but it’s the first to use battery electrochemistry instead of pressure or membranes. If it works at scale, the technology would offer a more simple, robust and cost-effective solution.
The process first releases sodium and chloride ions from the battery electrodes into the solution, making the current flow from one electrode to the other. Then, a rapid exchange of wastewater effluent with seawater leads the electrode to reincorporate sodium and chloride ions and reverse the current flow.
Energy is recovered during both the freshwater and seawater flushes, with no upfront energy investment and no need for charging. This means that the battery is constantly discharging and recharging without needing any input of energy.
Durable and affordable technology
While lab tests showed power output is still low per electrode area, the battery’s scale-up potential is considered more feasible than previous technologies due to its small footprint, simplicity, constant energy creation and lack of membranes or instruments to control charge and voltage.
The electrodes are made with Prussian Blue, a material widely used as a pigment and medicine, that costs less than $1 a kilogram, and polypyrrole, a material used experimentally in batteries and other devices, which sells for less than $3 a kilogram in bulk.
There’s also little need for backup batteries, as the materials are relatively robust, a polyvinyl alcohol and sulfosuccinic acid coating protects the electrodes from corrosion and there are no moving parts involved.
If scaled up, the technology could provide adequate voltage and current for any coastal treatment plant. Surplus power production could even be diverted to a nearby industrial operation, such as a desalination plant.
“It is a scientifically elegant solution to a complex problem,” Dubrawski said. “It needs to be tested at scale, and it doesn’t address the challenge of tapping blue energy at the global scale - rivers running into the ocean - but it is a good starting point that could spur these advances.”
To assess the battery’s full potential in municipal wastewater plants, the researchers are working on a scaled version to see how the system functions with multiple batteries working simultaneously.
출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/stanford-researchers-develop-energy-from-mixing-of-freshwater-and-seawater-0001) / 2019년 7월 31일]