태양열 담수화 시스템은 추가 배터리가 필요하지 않습니다.
MIT 엔지니어들은 태양의 리듬에 따라 작동하는 새로운 해수담수화 시스템을 만들었습니다.
태양열 시스템은 태양 에너지의 변화에 밀접하게 따르는 속도로 물에서 소금을 제거합니다. 낮 동안 햇빛이 증가함에 따라 시스템은 염분 제거 프로세스를 가속화하고 햇빛의 갑작스러운 변화에 자동으로 적응합니다. 예를 들어 지나가는 구름에 대응하여 다이얼을 낮추거나 하늘이 맑아지면 회전 속도를 높입니다.
이 시스템은 햇빛의 미묘한 변화에 빠르게 반응할 수 있기 때문에 태양 에너지의 활용도를 극대화하여 하루 종일 햇빛의 변화에도 불구하고 대량의 깨끗한 물을 생산합니다. 다른 태양열 구동 담수화 설계와 달리 MIT 시스템은 에너지 저장을 위한 추가 배터리가 필요하지 않으며 그리드와 같은 보충 전원 공급 장치도 필요하지 않습니다.
엔지니어들은 6개월 동안 뉴멕시코의 지하수 우물에서 커뮤니티 규모의 프로토타입을 테스트했으며, 다양한 기상 조건과 수질에서 작업했습니다. 이 시스템은 날씨와 이용 가능한 일광의 큰 변화에도 불구하고 시스템의 태양광 패널에서 생성된 전기 에너지의 평균 94% 이상을 활용하여 하루에 최대 5,000리터의 물을 생산했습니다.
"기존의 담수화 기술은 안정적인 전력이 필요하고 태양열과 같은 가변적인 전력원을 매끄럽게 처리하기 위해 배터리 저장이 필요합니다. 태양과 동기화되어 지속적으로 전력 소비를 변화시킴으로써, 저희 기술은 태양열을 직접 효율적으로 사용하여 물을 만듭니다." MIT의 Germeshausen 기계 공학 교수이자 K. Lisa Yang Global Engineering and Research(GEAR) 센터 소장인 Amos Winter의 말입니다. "배터리 저장 없이 재생 에너지로 식수를 만드는 것은 엄청난 도전입니다. 그리고 저희는 그것을 해냈습니다."
이 시스템은 지하 저수지에서 발견되고 담수 지하수 자원보다 더 널리 퍼져 있는 염분이 많은 물인 기수 지하수를 담수화하는 데 중점을 두고 있습니다. 연구자들은 기수 지하수를 잠재적인 식수의 거대한 미개발 공급원으로 보고 있으며, 특히 세계 일부 지역에서 담수 매장량이 부족하기 때문입니다. 그들은 새로운 재생 가능, 배터리 없는 시스템이 특히 해수와 전력망에 대한 접근성이 제한된 내륙 지역 사회에 매우 필요한 식수를 저렴한 비용으로 제공할 수 있을 것으로 예상합니다.
"대부분의 인구는 실제로 해안에서 멀리 떨어져 살고 있어서 해수 담수화가 그들에게 도달할 수 없습니다. 따라서 그들은 지하수에 크게 의존하고 있으며, 특히 외딴 저소득 지역에서 그렇습니다. 그리고 불행히도 이 지하수는 기후 변화로 인해 점점 더 염분이 높아지고 있습니다." MIT 기계 공학 박사 과정생인 조나단 베셋의 말입니다. "이 기술은 전 세계의 도달이 어려운 지역에 지속 가능하고 저렴한 깨끗한 물을 제공할 수 있습니다."
연구자들은 오늘 Nature Water 에 게재된 논문에서 새로운 시스템을 자세히 보고했습니다 . 이 연구의 공동 저자는 Bessette, Winter, 그리고 직원 엔지니어 Shane Pratt입니다.
펌프 및 흐름
새로운 시스템은 Winter와 그의 동료들, 전 MIT 포스트닥 Wei He를 포함하여 올해 초에 보고한 이전 설계를 기반으로 합니다. 그 시스템은 "유연한 일괄 전기투석"을 통해 물을 담수화하는 것을 목표로 했습니다.
전기 투석과 역삼투는 염분이 많은 지하수를 담수화하는 데 사용되는 두 가지 주요 방법입니다. 역삼투에서는 압력을 사용하여 염분이 많은 물을 막을 통해 펌핑하고 소금을 걸러냅니다. 전기 투석은 전기장을 사용하여 물이 이온 교환 막 스택을 통해 펌핑될 때 소금 이온을 끌어냅니다.
과학자들은 두 가지 방법 모두에 재생 가능한 에너지원을 활용하고자 했습니다. 하지만 이는 전통적으로 태양과 같은 자연적으로 가변적인 에너지원과 양립할 수 없는 안정적인 전력 수준에서 작동하는 역삼투 시스템의 경우 특히 어려웠습니다.
Winter, He와 그들의 동료들은 전기 투석에 집중하여 재생 가능 에너지인 태양열의 변화에 반응하는, 보다 유연하고 "시간 가변적"인 시스템을 만드는 방법을 모색했습니다.
이전 설계에서 팀은 물 펌프, 이온 교환 막 스택, 태양 전지판 어레이로 구성된 전기 투석 시스템을 구축했습니다. 이 시스템의 혁신은 시스템의 모든 부분에서 센서 판독값을 사용하여 스택을 통해 물을 펌핑하는 최적의 속도와 물에서 끌어내는 소금의 양을 최대화하기 위해 스택에 적용해야 하는 전압을 예측하는 모델 기반 제어 시스템이었습니다.
팀이 현장에서 이 시스템을 테스트했을 때, 태양의 자연적 변화에 따라 물 생산을 다양하게 할 수 있었습니다. 평균적으로 이 시스템은 태양 전지판에서 생산된 가용 전기 에너지의 77%를 직접 사용했는데, 팀은 이것이 기존에 설계된 태양열 전기 투석 시스템보다 91% 더 많다고 추정했습니다.
그럼에도 불구하고 연구자들은 더 잘할 수 있다고 생각했습니다.
"우리는 3분마다만 계산할 수 있었고, 그 시간 동안 구름이 문자 그대로 와서 태양을 가릴 수 있었습니다." 윈터가 말했습니다. "시스템은 '이 높은 전력으로 실행해야 합니다.'라고 말할 수 있습니다. 하지만 그 전력 중 일부는 햇빛이 줄어들어서 갑자기 떨어졌습니다. 그래서 여분의 배터리로 그 전력을 보충해야 했습니다."
태양 명령
연구자들은 최근 연구에서 시스템의 반응 시간을 1초의 몇 분의 1로 줄여 배터리 필요성을 없애는 방안을 모색했습니다. 새로운 시스템은 초당 3~5회 해수 담수화 속도를 업데이트할 수 있습니다. 더 빠른 반응 시간 덕분에 시스템은 추가 전원 공급 장치로 전력 지연을 메우지 않고도 하루 종일 햇빛의 변화에 적응할 수 있습니다.
보다 민첩한 탈염의 핵심은 Bessette와 Pratt가 고안한 보다 간단한 제어 전략입니다. 새로운 전략은 "유량 명령 전류 제어" 중 하나로, 시스템은 먼저 시스템의 태양 전지 패널에서 생산되는 태양열 전력량을 감지합니다. 패널이 시스템에서 사용하는 것보다 더 많은 전력을 생성하는 경우, 컨트롤러는 시스템에 자동으로 "명령"하여 펌핑을 다이얼업하여 전기 투석 스택을 통해 더 많은 물을 밀어냅니다. 동시에, 시스템은 스택에 전달되는 전류를 증가시켜 추가 태양열 전력의 일부를 전환하여 더 빠르게 흐르는 물에서 더 많은 소금을 몰아냅니다.
"태양이 몇 초마다 뜬다고 가정해 봅시다." 윈터가 설명합니다. "그러니까, 1초에 세 번씩 태양 전지판을 보고 '아, 전력이 더 많네. 유량과 전류를 조금 올려보자.'라고 말합니다. 다시 보고 여전히 여분의 전력이 더 많으면 다시 올립니다. 그렇게 하면서 소비 전력과 사용 가능한 태양 전력을 하루 종일 매우 정확하게 일치시킬 수 있습니다. 그리고 이것을 더 빨리 반복할수록 배터리 버퍼링이 덜 필요합니다."
엔지니어들은 새로운 제어 전략을 완전 자동화된 시스템에 통합하여 약 3,000명의 소규모 커뮤니티에 공급하기에 충분한 일일 양으로 염분이 있는 지하수를 담수화하도록 크기를 조정했습니다. 그들은 뉴멕시코주 알라모고르도에 있는 염분이 있는 지하수 국립 연구 시설의 여러 우물에서 6개월 동안 시스템을 운영했습니다. 시험 기간 내내 프로토타입은 광범위한 태양 조건에서 작동하여 평균적으로 태양 전지판의 전기 에너지의 94% 이상을 활용하여 담수화에 직접 전력을 공급했습니다.
Winter는 "전통적인 태양광 담수화 시스템 설계 방식과 비교했을 때 필요한 배터리 용량을 거의 100%나 줄였습니다."라고 말했습니다.
엔지니어들은 저렴하고 100% 태양열로 구동되는 식수를 더 큰 지역 사회, 심지어 전체 지방 자치 단체에 공급하기 위해 시스템을 추가로 테스트하고 확장할 계획입니다.
"이것은 큰 진전이지만, 우리는 여전히 더 저렴하고 지속 가능한 해수담수화 방법을 개발하기 위해 부지런히 노력하고 있습니다."라고 Bessette는 말합니다.
프랫은 "우리의 현재 초점은 테스트, 신뢰성 극대화, 그리고 전 세계 여러 시장에 재생에너지를 사용해 해수담수화를 제공할 수 있는 제품 라인을 구축하는 데 맞춰져 있습니다."라고 덧붙였습니다.
이 팀은 앞으로 몇 달 안에 그들의 기술을 기반으로 한 회사를 출범시킬 예정입니다.
이 연구는 National Science Foundation, Julia Burke Foundation, MIT Morningside Academy of Design의 일부 지원을 받았습니다. 이 작업은 Veolia Water Technologies and Solutions와 Xylem Goulds의 현물 지원도 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241008103809.htm
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