[미국] 텍사스 A&M대학, 농촌지역에 '물에너지 나노그리드' 솔루션 제공
연구원들 태양 전지판에서 나오는 에너지 사용하여 물 정화시스템 개발

텍사스 A&M대학(Texas A&M University)의 연구원들은 태양 전지판에서 나오는 에너지를 사용하여 물을 오염시키는 정화 시스템을 개발했다.

텍사스 A&M 대학의 연구원들은 물과 전기를 필요로 하는 불우한 지역 사회를 도울 수있는 경제적이고 친환경적인 솔루션을 고안했다.

텍사스 A&M대학의 연구원들이 개발한 '독립형 물에너지 나노그리드(standalone water-energy nanogrid)'는 태양 에너지를 사용하여 물을 오염시키는 정화 시스템으로 구성되어 있다. 연구원들은 태양 에너지를 최적으로 사용하도록 수학적으로 조정되어 하루 중 태양 에너지의 변동에 의해 물 여과가 방해받지 않는다고 말했다.

텍사스 A&M대학의 전기컴퓨터공학부 르시에(Le Xie) 교수는 "원격적이고 고립된 지역에 서비스를 하기 위해서는 수도관을 새로 설치하거나 전력망을 설치하는 인프라 비용이 엄청나며 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다"고 말했다.

르시에(Le Xie) 교수는 이어 "이런 장애물을 극복하기 위해 태양광을 활용해 물을 정화해 주고 가정기본용으로 전기를 생산하는 비용 효율적인 솔루션을 제시했다"고 설명했다.

연구원들은 이 기술의 내용을 『응용 에너지(Applied Energy)』 잡지에 기술했다.

미국 남서부 멕시코인 거주지인 콜로니아(colonia)는 기본적인 자원을 쉽게 구할 수 없는 텍사스-멕시코 국경을 따라 있는 많은 시골, 저소득 지역들 중 하나를 대표한다.

콜로니아(colonia) 주민들은 외진 곳이라 주로 이주노동자로 구성된 주민들이 주요 공익시설과 정수처리시설에서 격리돼 있어 전기와 안전한 식수를 위한 수단이 제한돼 있다. 끓는 물과 같은 방법은 비용 방지와 불충분할 수 있다.

텍사스 A&M대학 자크리(Zachry) 공과대학의 샨카 셸람(Shankar Chellam) 토목환경공학과 교수는 "물을 데우는 것은 물을 데우는 데 많은 에너지가 필요하기 때문에 가장 비싼 오염제거 방법 중 하나"라고 말했다.

샨카 셸람(Shankar Chellam) 교수는 이어 "또한 끓는다고 해서 생물학적 오염물질이 없어지긴 하지만 화학적 오염물질이 많이 제거되지는 않는다. 이 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 해결책이 필요했다"고 덧붙였다.

물을 효율적으로 오염을 제거하는 방법은 정화 시스템을 통해 물을 통과시키는 것이다. 이 기계들은 펌프를 사용하여 필터를 통해 물을 밀어낸다.

그러나 펌프에는 전기가 필요하며, 이것은 다시 콜로니아에서는 드물다. 그래서 연구원들은 주민들의 전력과 물 요구 모두에 도움이 되는 해결책을 찾았다.

첫째, 중앙집중식 전원과 수원에 대한 의존도를 줄이기 위해 르시에(Le Xie), 샨카 셸람(Shankar Chellam) 교수와 연구팀은 에너지-물-나노그리드(energy-water nanogrid)를 개념화했는데, 이것은 태양열 발전 전기로 작동할 수 있는 펌프를 가진 독립형 트럭-장착식 여과 시스템(standalone truck-mountable filtration system)이다.

다음으로 필터의 종류, 태양광 패널의 수와 크기, 태양전지 크기를 선택하여 독립형 설정에 대한 총 지출을 최소화하는 시나리오 기반 최적화 프레임워크라고 하는 비용 최소화 수학 체계를 개발하였다.

이 모델은 정화기술의 일종인 나노여과(nanofiltration)를 사용했을 경우, 피크 이용가능 시간에만 태양에너지를 수확하면 펌프를 가동하고 물을 정화하기에 충분하다고 밝혔다.

즉, 물 나노여과 시스템(water nanofiltration system)는 태양에너지의 일상적인 질량의 영향을 크게 받지 않았으며, 지역사회의 주간 물 수요를 충족시키기 위해 충분한 물을 정화시킬 수 있었다.

이러한 방식으로 여과용으로 사용되지 않은 초과 태양열 전력은 배터리팩에 보관하거나 휴대폰 배터리 충전과 같은 다른 사소한 기본적인 가정 요구를 위해 보관될 수 있다.

연구진은 나노여과 시스템(nanofiltration system)이 다른 여과방법보다 더 정교하고 비싸지만 전반적인 장점은 지방 지하수에 존재하는 비소와 같은 화학물질을 성공적으로 담수화하고 제거할 수 있다는 점에 주목했다.

연구원들은 나노여과가 물 내의 오염물질이 아직 알려지지 않은 다른 외딴 지역의 담수화 및 정수를 위한 바람직한 방법이라고 말했다.

샨카 셸람(Shankar Chellam) 교수는 "정수와 에너지 공급을 연계하기 위해 매우 엄격한 수학적 접근법을 처음으로 사용했다"면서 "이는 식민지뿐만 아니라 어떤 시나리오에서도 국지적 여건에 근거하여 사용할 수 있는 양적 틀을 제시한다"라고 말했다.

이 연구의 다른 기여한 연구원들로는 휴스턴 번스 앤 맥도넬사(Burns & McDonnell)의 사데그 모다레시(M. Sadegh Modarresi), 토목환경공학부의 빌랄 아바다(Bilal Abada), 그리고 전기 및 컴퓨터공학과 출신의 시바란자니(S. Sivaranjani)가 있다.

이 작업은 부분적으로 텍사스 A&M 엔지니어링 실험 스테이션(Texas A&M Engineering Experiment Station), 텍사스 A&M 에너지 연구소(Texas A&M Energy Institute), 국립과학재단(National Science Foundation)이 지원했다.

[원문보기]

Water-Energy Nanogrid Provides Solution For Rural Communities Lacking Basic Amenities

Researchers at Texas A&M developed a purification system that uses energy from solar panels to decontaminate water.

Researchers at Texas A&M University have come up with an economical, green solution that can help underprivileged communities with their water and electricity needs.

Their standalone water-energy nanogrid consists of a purification system that uses solar energy to decontaminate water. The setup, they said, is mathematically tuned to use solar energy optimally so that the water filtration is unhindered by the fluctuations of solar energy during the course of the day.

“To serve areas that are remote and isolated, the infrastructural cost of laying down new water pipes or setting up an electricity grid is enormous and can take a very long time,” said Le Xie, professor in the Department of Electrical and Computer Engineering.

 “To overcome these hurdles, we presented a cost-effective solution that uses solar energy to both purify water and generate electricity for basic household use.”

The researchers have described their technology in the journal Applied Energy.

In the United States, the colonias represent one of the many rural, low-income communities along the Texas-Mexico border where basic resources are not readily available.

Since the colonias are remote, their residents, consisting of mainly migrant workers, are isolated from major utility and water treatment facilities and thus have limited means for electricity and safe drinking water. Methods like boiling water can be cost-prohibitive and inadequate.

“Boiling water is one of the most expensive ways of decontamination because it takes a lot of energy to heat water,” said Shankar Chellam, professor in the Zachry Department of Civil and Environmental Engineering.

 “Also, although boiling gets rid of biological contaminants, it does not remove many chemical contaminants. We needed a solution that could address both these problems at the same time.”

An efficient way to decontaminate water is by passing it through purification systems. These machines use pumps to push water through a filter.

However, the pumps require electricity, which is again scarce in the colonias. So, the researchers looked for a solution that would help with both the power and water requirements of the colonia residents.

First, to cut the dependence on centralized sources of power and water, Xie, Chellam and their team conceptualized an energy-water nanogrid, which is a standalone, truck-mountable filtration system with pumps that could run on solar-generated electricity.

Next, they developed a cost-minimization mathematical scheme, called scenario-based optimization framework, that minimized the total expenditure for the standalone setup by selecting the type of filter, the number and size of solar panels and the size of the solar battery.

This model revealed that if nanofiltration, a type of purification technique, was used, harvesting solar energy just during peak availability was sufficient to run pumps and purify water.

In other words, the water nanofiltration system was largely unaffected by the day-to-day vagaries in solar energy and could purify enough water to meet the weekly water needs of the community.

In this way, any excess solar power that was not used for filtration could be stashed away either for storage in the battery pack or for other minor basic household needs, like charging cell phone batteries.

The researchers noted that although the nanofiltration system is more sophisticated and expensive than other filtration methods, its overall merit is that it can successfully desalinate and remove chemicals, like arsenic, present in local groundwater.

They said nanofiltration is a preferable method for desalination and water purification for other remote regions where the contaminants within the water are not already known.

“We have for the first time used a very rigorous mathematical approach to interlink water purification and energy provision,” Chellam said. “This lays out a quantitative framework that can be used in not just the colonias but in any scenario based on local conditions.”

Other contributors to the research include M. Sadegh Modarresi from Burns & McDonnell in Houston, Bilal Abada from the civil and environmental engineering department and S. Sivaranjani from the electrical and computer engineering department.

This work was supported in part by the Texas A&M Engineering Experiment Station, the Texas A&M Energy Institute and the National Science Foundation.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/water-energy-nanogrid-provides-solution-for-rural-communities-lacking-basic-amenities-0001) / 2020년 11월 4일]