[표지] 1
제출문 2
요약문 3
SUMMARY 5
CONTENTS 7
목차 8
제1장 서론 13
제1절 개요 13
1. 배경 13
2. 기술개발 동향 23
제2절 연구과제목표 및 내용 32
1. 최종연구목표 32
2. 연구수행 내용 33
제2장 기술개발 전략 35
제1절 추진체계 35
1. 역할 및 업무분장 35
2. 기술개발 로드맵 37
제2절 주요기술개발 이슈 및 타개전략 39
1. 주요기술개발 이슈 39
2. 타개전략 40
제3장 결과 및 토론 41
제1절 주요 연구결과 41
1. 전극 (2019~2020) 41
2. 이온교환막 (2019~2020) 49
3. 스택 및 모듈 (2019~2020) 55
4. 시스템 84
제2절 연구결과의 활용방안 91
제4장 결론 94
참고 문헌 96
[뒷표지] 97
〈표 3-1〉 스택 종류별 유량 조건, 압력강하, OCV 58
〈표 3-2〉 실험계획법 기반으로 획득한 Area resistance (Response) 64
〈표 3-3〉 ANOVA 분석 65
〈표 3-4〉 ANOVA 분석 66
〈표 3-5〉 하수방류수 및 용암해수 원수 수질 69
〈표 3-6〉 일별 하수방류수 및 해수 수질 모니터링 결과 (원본) 72
[그림 1-1] 물-에너지 연계 기술의 중요성 13
[그림 1-2] 염분차발전의 개념 및 잠재량 14
[그림 1-3] 염분차발전의 지역적 잠재량 14
[그림 1-4] 염분차발전의 조류 및 대용량화 15
[그림 1-5] 염분차발전의 에너지밀도 및 기술개발 방향 16
[그림 1-6] RED와 PRO 비교 17
[그림 1-7] 국제적 이슈 및 정책동향 분석 18
[그림 1-8] 스마트 물산업 육성 전략 19
[그림 1-9] 염분차발전 기술의 시장 잠재량 20
[그림 1-10] 염분차발전 발전단가(LCOE) 및 기타 신재생에너지 비교 21
[그림 1-11] 염분차발전과 기타 신재생에너지 비교 22
[그림 1-12] 염분차발전과 기술 개발 메가트렌드 23
[그림 1-13] RED 기술개발 Mega-trend 및 한국에너지기술연구원의 RED 개발 현황 24
[그림 1-14] REDstack 기술개발 현황(왼쪽: ED-modified stack, 오른쪽: 50kW급 파일롯 플랜트) 25
[그림 1-15] 이탈리아 REAPower 개념도 및 Prototype 설치 위치 26
[그림 1-16] 500cell(44X44cm²) 프로토타입 스택 26
[그림 1-17] 노르웨이 PRO 공정 염분차 발전 파일럿 플랜트 27
[그림 1-18] Mega-ton project PRO-RO 파일롯 플랜트 28
[그림 1-19] 캐나다 강물이용 염분차 발전 잠재량 28
[그림 1-20] GS 건설 RO-PRO 테스트 시스템 29
[그림 1-21] REDstack사 기술 협업도 30
[그림 1-22] 경쟁기관과의 기술수준 비교 31
[그림 2-1] 연구팀 역할 및 협력방안 36
[그림 2-2] 단계별 연구계획 37
[그림 2-3] 세부 기술별 기술 개발 로드맵 및 경쟁 기관과의 기술수준 비교 38
[그림 2-4] 주요 기술개발 이슈 39
[그림 2-5] 타개전략 40
[그림 3-1] Cathode 면적 비율에 따른 RED 파워 감소율 41
[그림 3-2] RED 엔드플레이트 모식도. (a) 2018년도 1000셀 엔드플레이트: 전극 스페이서를... 42
[그림 3-3] 중형 스택 1000 셀 장기운전. 전극 스페이서를 제거하고 개방형 엔드플레이트를... 42
[그림 3-4] Shielding membrane 표면 분석. Chloride와 nitrogen peak가 크게 줄어듦. 43
[그림 3-5] (a) OCV를 측정하여 permselectivity의 변화를 비교함. 전극 접촉부분과 비접촉부분의... 44
[그림 3-6] 전극 스케일에 의한 전기화학적 임피던스 측정 결과 44
[그림 3-7] EIS Fitting 모델 및 결과 45
[그림 3-8] 전극 스케일에 따른 염분차 발전 성능 저하 평가 45
[그림 3-9] 탄소기반 지지체 결정성에 따른 전극 성능 평가 46
[그림 3-10] 탄소기반 전극 염분차 발전 적용 결과 47
[그림 3-11] Nano Pt 및 탄소 기반 지지체 적용 RED 스택 스케일업에 따른 운전 결과 48
[그림 3-12] 2016년 제작 완료된 롤투롤 시스템 49
[그림 3-13] 2017년 롤투롤 시스템의 생산속도 및 제막 전경 49
[그림 3-14] 면적 대비 성능 평가 50
[그림 3-15] 대면적 이온교환막 대량 생산 51
[그림 3-16] KIER 이온교환막의 막오염 특성 분석 52
[그림 3-17] 실 폐수에서 KIER 이온교환막의 막오염 특성 분석 53
[그림 3-18] 실 폐수에서 KIER 이온교환막의 막오염 SEM 분석 53
[그림 3-19] CIP에 의한 막 오염 개선 효과 평가 54
[그림 3-20] 스택의 net 효율 운전 결과(2019) 55
[그림 3-21] power, loss, net efficiency 관계 56
[그림 3-22] 100-cell-pair RED 스택 실험 57
[그림 3-23] Schematic diagram of conventional and cascaded RED stacks. 59
[그림 3-24] 스택 종류별 전력밀도 그래프 59
[그림 3-25] 스택 종류별 net power density 60
[그림 3-26] 스택 종류별 net specific energy 61
[그림 3-27] 각 유기물별 오염된 AEM의 막저항값 62
[그림 3-28] 문헌 조사를 바탕으로 도출한 CIP 방법 63
[그림 3-29] CIP 방법에 따른 막저항 감소값 63
[그림 3-30] Response surface methodology of two variables 64
[그림 3-31] Response surface (3D) and contour plots for HC-fouled AEMs 65
[그림 3-32] Response surface (3D) and contour plots for SA-fouled AEMs 66
[그림 3-33] Response surface and contour plot for the optimum CIP condition 67
[그림 3-34] 수치해석을 통해 도출된 최적 조건 67
[그림 3-35] CIP 적용 전후 스택 성능 평가 68
[그림 3-36] 하수방류수 및 용암해수 취수원 및 전처리 공정 69
[그림 3-37] 스택 모식도. 초기 성능 확인 시, NaCl 용액과 tap water를 해수와 담수로 사용함. 70
[그림 3-38] 장기운전 셋업 사진 및 일별 현장일지 71
[그림 3-39] 장기 운전 결과 73
[그림 3-40] 연속운전 RED스택 유입, 유출수 성상 분석 (a)유입, 유출수 이온전도도 (b)DOC 변화 73
[그림 3-41] 연속운전 RED 스택에서 HC셀과 LC셀의 압력강하 및 CIP 적용 74
[그림 3-42] HC 및 LC셀 유입구 spacer의 SEM image 75
[그림 3-43] 연속운전 후 이온교환막 성능 분석 (a) area resistance (b)... 75
[그림 3-44] 이온교환막 및 스페이서 추출 유기물에 대한 Fluorescene excitation-emission matrices 76
[그림 3-45] 이온교환막 표면 분석 SEM image 77
[그림 3-46] 전극 용액 모니터링. (a) pH 변화, (b) 전도도 변화 77
[그림 3-47] Shielding membrane과 인접 spacer 및 인접 이온교환막 상태 확인. 78
[그림 3-48] Shielding membrane 저항 및 막 전압 측정. 79
[그림 3-49] 원통형 스택 제작을 위한 시뮬레이션 결과 80
[그림 3-50] 단위 스택의 모듈화에 따른 수치해석 결과 81
[그림 3-51] 다양한 구조의 단위 스택 제작(1세대:2015~2017, 2세대:2018~2020) 82
[그림 3-52] 스택의 성능평가 82
[그림 3-53] 다단 및 단일스택 모듈화 83
[그림 3-54] 모듈화 전경 83
[그림 3-55] 5kW급 RED Pilot Plant PFD 84
[그림 3-56] 5kW급 RED Pilot Plant의 P&ID 86
[그림 3-57] 5kW급 RED Pilot Plant 제작 현장 I (2019) 87
[그림 3-58] 5kW급 RED Pilot Plant 제작 현장 II (2019) 88
[그림 3-59] 5kW급 RED Pilot Plant 공정 88
[그림 3-60] RED 전력변환 시뮬레이션 89
[그림 3-61] (a) 전력변환 장치 구성 및 (b) 모니터링 시스템 90
[그림 3-62] RED 전력생산 및 전력변환 공정도 90
[그림 3-63] 사업화 방안 91
[그림 3-64] 활용분야 92
[그림 3-65] Showstopper 극복방안 93
[그림 4-1] 기대효과 95