태양열등신재생에너지를이용한 소용량해수담수화기술동향 한국기계연구원 박창대선임연구원 Ⅰ. 개요 113 Ⅱ. 동향분석 114 1. 국내동향 114 2. 해외동향 115 Ⅲ. 향후전망 117 < 참고문헌 > 118 태양열등신재생에너지를이용한소용량해수담수화기술동향 _111

Green Technology Trend Report 태양열등신재생에너지를이용한소용량해수담수화기술동향 한국기계연구원 박창대선임연구원 Ⅰ. 개요 지구온난화를비롯한이상기후, 급격한인구증가와산업화에따른환경오염은전지구적으로심각한수자원의고갈및부족문제를야기하고있다. OECD 보고서에따르면현재세계인구의 40% 가식수난과농업 산업용수난을겪고있고, 2050년에는전세계인구의 2/3가물부족사태에직면할것으로예상하고있다. 우리나라역시 UN 산하인구행동 (Population Action International, PAI) 의분류에의하면, 리비아, 모로코, 남아프리카공화국등과함께물부족국가로분류되어있다. 우리나라의물이용량은 1965년 51억m3에서 2003년 337억m3으로약 40년간 6배증가하였고, 인구밀도를감안한 1인당수자원양은 1,512m3 / 년으로세계평균 (9,123m3/ 년 ) 에미치지못하는실정이다. 해수담수화는댐다음으로다량의수자원을확보할수있는기술로, 생활용수나공업용수로직접사용하기힘든해수에서염분을포함한용해물질을제거해순도높은담수인음용수및생활용수, 공업용수등을얻어내는일련의수처리과정을말한다. 간단히해수탈염 ( 海水脫鹽 ) 이라고도부르는데, 세계적인물부족문제를해결하기위한가장확실한방법으로연구, 발전되어왔다. 국내외에서상용화되고있는담수화기술은크게해수를가열해발생한증기를응축시켜담수를얻는증발식 (MSF, MED) 과반투막에의해생긴삼투현상을역으로이용하여담수를분리해내는역삼투압 (RO) 방식이있다. 특히, 증발식은두산중공업이세계 1위의경쟁력을확보하고있으나, 에너지소비량이많은단점이있어서최근에는역삼투압방식이선호되고있다. 주요담수화방식에따른담수생산비용은 < 표 1> 과같다. 소용량해수담수화장치는도서지역, 오지, 및저개발국가등에서매우유용하게사용될수있으나현재이러한지역에적용할수있는적절한장치의개발은미진한상황이다. 그러나 MSF(Multi-stage Flash), MED(Multi-effect Distillation), RO(Reverse Osmosis) 등기존주요해수담수화기술은중 대형규모의플랜트를위한방식으로비싼초기구축비용및유지관리비, 물의수송비용, 과다한에너지소비, 환경오염등의문제로인하여소용량담수화장치에적용하기곤란하다. 태양열등신재생에너지를이용한소용량해수담수화기술동향 _113

< 표 1> 기존주요담수화방법의생산비용 항목 역삼투 (RO) 다단플래시 (MSF) 다중효용 (MED) 총비용 ($/ m3 ) 0.61 0.89 0.72 연간환산자본비용 0.15 0.29 0.22 부품 / 유지보수비용 0.03 0.01 0.01 화학물비용 0.07 0.05 0.08 인건비 0.10 0.08 0.08 막비용 0.03 0.00 0.00 열적에너지 0.00 0.27 0.27 전기에너지 ($0.05/kWh) 0.23 0.19 0.06 자료 : GWI 2006 (100,000m3/day 규모의해수담수화시설기준 ) 1) 따라서에너지소모량과비용이적게들고환경오염의문제를야기하지않는신재생에너지원에의한분산형소용량해수담수화기술개발이필요하다. 현재가장주목받고있는재생가능한담수화의에너지원은태양열이며, 그외다양한신재생에너지를이용할수있을것으로판단된다. 특히, 태양에너지는무공해, 무제한의청정에너지원으로각종환경규제에가장적극적으로대응할수있다. 지구에도달하는태양에너지양은연간 1.304 10 21 kcal로, 전세계에너지소비량의약 20,000배에해당한다. 국내태양에너지자원부존량은 111억 TOE/ 년에해당하며, 인간이거주할수있는면적으로계산된연간가용량은 35억 TOE 규모이다. 2) 따라서본보고서에서는국내및유럽의태양열을비롯하여다양한신재생에너지원에의한해수담수화기술동향을살펴보고, 향후국내대체수자원확보기술로고려할수있는분산형미래해수담수화기술을전망하고자한다. Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향수자원고갈및부족이국내외적으로심각하게대두되고담수화시장이급성장함에따라정부는고효율의신개념담수장치의필요성을인식하고, 이에대한개발을정책적으로추진하였다. 대통령직속기관인녹색성장위원회는녹색정책 27대중점기술에서 대체수자원확보기술 중산간및도서지역활용성강화를위한 소규모 고효율시설개발 을전략목표로선정하였으며, 2009년부터지식경제부는지식경제통합기술청사진및산업기술로드맵의신재생에너지분야에서 2015년이후상용화를목표로고성능의태양열해수담수화기술개발을제시하고있다. 이와같이국내담수화에이용되는신재생에너지원은태양에너지를근간으로연구되어왔다. 114_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

한국기계연구원에서는 2011년부터상용태양열집열기를사용하지않는태양열해수담수화시스템을개발하고있다. 3) 본기술은태양열집열기, 축열조, 진공장치등기존태양열해수담수화시스템의필수요소가필요없으며, 투명유리탱크속의해수를직사광선에직접노출시키는방식으로증발을유도한다. 또한증발된수증기가응축될때발산되는응축잠열을회수, 증발공정에재투입하는 다중효용증발 기술을채용하여태양열해수담수기의가장큰단점인낮은생산성을보완한다. 또한태양열과함께소형발전기의배기가스폐열등여타에너지원을동시에또는개별적으로이용할수있도록구성하여생산성을극대화할수있는장점이있다. 또한한국에너지기술연구원에서는 태양에너지해수담수화시스템실용화연구 를수행하였는데, 이는상용태양열집열기를사용한간접가열식으로이젝터를채용한진공상태에서증발이일어나는보급형담수기를사용해 120m2의집열면적에서평균 330L/day급의담수장치를개발하였다. 또한태양열및태양전지등의신재생에너지를이용한해수담수화장치의연구개발도활발히수행하고있으며, 최근에는태양열을이용하여 2ton/day급저압증발식소형담수화장치를개발하였고상용화를위해노력하고있다. 한편, 2009년한국남동발전을비롯한 6개업체는기존의역삼투압방식과태양열을이용한담수기개발을수행하였다. 상용집열기를사용한간접가열식으로이젝터를채용한진공상태에서증발이일어나는선박용상용조수기를사용하여 1,200m2의집열면적에서 12ton/day급의담수장치를개발하였다. 전체시스템은 4개의독립적인시스템을통합한복합시스템으로, 태양열에너지를이용한다중복합시스템, 저에너지및고효율복합막담수시스템, 연수기를활용한 2단역삼투담수시스템, PCF(Pore Control Fiber Filter) 및 UF(Ultra-Filtration) 를이용한막여과전처리시스템으로구성된중소형 (10,000ton/day) 담수플랜트이다. 태양열및폐열적용흡착식냉방및담수화기술개발 연구과제를추진한제주대학교에서는컴퓨터시물레이션을이용한담수화시스템요소및설계기술을개발하였으며, 소규모 mock-up 시스템을제작하여운영한기초연구과제로태양열및폐열을사용한담수화시스템의타당성및시너지효과를제시하였다. 경남대학교는 2010년 해수담수화를위한태양열집광형직접-증발식시스템개발 연구과제를통하여태양열집광형해수담수기관련원천기술개발을시도하였다. 2. 해외동향해수담수화플랜트의세계시장규모는 2012년 55조원대로 1990년대초반이후 2006년까지연평균성장률 (CAGR 기준 ) 20.2% 로지속적인성장세를보이고있다. 지역별해수담수화플랜트적용실적은중동이가장높고 (48%, 약 1,200만m3 / 일 ), 미국, 유럽, 아시아순이며, 중동지역은주로발전소병합증발법의실적이많으나, 최근미국, 일본등은역삼투압법해수담수화설비를늘리고있는추세이다. 공법별누적설치실적은증발법이약 50%, 역삼투압법이 45% 이나최근에는역삼투압법의설치실적이증발법보다증가하고있으며, 향후에는역삼투압법담수화설비가시장을주도할것으로판단된다. 그러나역삼투압담수화의경우전기에너지의소모량이많고, 운영 / 유지보수가어렵기때문에저비용저에너지담수화기술연구가활발히진행중에있다. 2010년유럽 15개기관이참가한 ProDes 프로젝트를통해 재생에너지해수담수화개발 태양열등신재생에너지를이용한소용량해수담수화기술동향 _115

로드맵 을수립하고, 환경친화적이고지속가능한물공급을위한분산형담수화기술개발을진행하고있다. 4) "ProDes" 는해수담수화를통해물을생산하는데있어서재생에너지의활용촉진 (Promotion of Renewable Energy for Water Production through Desalination) 을의미한다. 이 ProDes 프로젝트에서는태양에너지, 풍력, 지열, 해양에너지를담수화에너지원으로사용할때의가용성을분석하였고, 중 소규모담수플랜트전체열원이나부분열원으로의태양열의유용성을경제적 / 기술적관점에서제시하였다. 또한 2016년까지신규로구축한담수설비의 3~5% 까지재생에너지원담수설비로대체하는것을목표로하고있으며, 지중해국가를중심으로재생에너지와디젤발전기를이용하여에너지와담수를동시에생산하는공동연구과제를수행하는등재생에너지를담수화의에너지원으로활용하는기술을적극개발하고있다. < 표 2> 는유럽의재생에너지해수담수화개발로드맵에서제시하고있는다양한미래해수담수화기술과조합가능한재생에너지를보여주고있다. < 표 2> 재생에너지원담수화기술조합 태양에너지 풍력 지열 해양에너지 구분 CSP 집열기열전기 PV 기계적 전기적 열 전기 전기 기계 열 SD o MEH o o o o MD o o o o TVC o o o MSF o o MED o o o o ED o o o o o MVC o o o o o o o RO o o o o o o o 자료 : Roadmap for the development of desalination powered by renewable energy, ProDes 2010 * SD: Solar Distillation ( 태양증류 ), MEH: Multiple-effect humidification ( 다중효용가습법 ), MD: Membrane distillation ( 막증류법 ), TVC: Thermal vapor compression ( 열증기압축법 ), ED: Electrodialysis ( 전기투석법 ), MVC: Mechanical vapor compression ( 기계증기압축법 ), CSP: Concentrating solar power ( 집광형태양열 발전 ), PV: Photovoltaic ( 태양광발전 ), RO: Reverse Osmosis ( 역삼투압법 ) 태양에너지의경우, 태양열뿐만아니라태양광발전시스템과의조합이가능하고, 모든해수담수화기술과도조합가능한것이특징적이다. 풍력에너지의경우기계적에너지및전기에너지와의조합가능한기술로 ED, MVC, RO을제시하고있다. 지열및해양에너지의경우도열에너지를에너지변환없이바로사용하는경우와발전시스템과조합하여사용하는경우로나누어서제시하고있다. 여기서주목해야할점은거의모든해수담수화기술과재생에너지의조합이가능하고, 일반적인최적의조합을제시하기보다는상황과용도에따라최적의조합이달라질수있다. 따라서특정용도와조건에최적의기술을파악하여적용하는것이필요하다. 또한재생에너지발전시스템을이용하여생산된전기를이용한담수화기술분야에도단순한시스템간의물리적결합이 116_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

아니라최적의결합이되기위하여개발되어야할기술이많은것을이해할필요가있다. 한편, 일본의경우신에너지산업기술종합개발기구 (NEDO) 를중심으로태양열에너지기술개발이이루어지고있으며, 태양광과태양열을함께이용하는하이브리드시스템에관한연구가많이진행되고있다. 일본류큐대교는 18L/(day m2 ) 를생산할수있는태양열해수담수기술을개발하였다. 또한, 미국은예일대학교에서유도용액개발을포함한정삼투압해수담수화기술을개발중이며, LLNL, Sabrex of Texas 등에서는소규모시설에적합한전기흡착식 (Capacitive Deionization, CDI) 담수기술을개발하고있다. CDT Systems가 CDI 방식의제품을개발하고있으나, 10kWh/ m3이상의전력이필요하고아직상용화되지않았다. 매사추세츠공과대학교 (MIT) 와국내의포스텍은휴대가능한새로운형태의해수담수화기술개발에성공하였는데, 이기술은교환막주변의이온농도분극현상을이용하여막으로부터생성된힘에의해크기에상관없이염을포함한전하를띄고있는모든물질을밀어내해수로부터담수를분리해내는방식이다. 생산되는담수의양이적어주로재난구제용이나군사용으로활용가능하다. 이외에도 NMSU(New Mexico State University) 뉴멕시코수자원연구소는태양에너지나공조기의온수등과같은낮은열로염분제거가가능한방법을개발하였는데이시스템은공기기화와집적을위하여진공과중력을사용하였다. Ⅲ. 향후전망 고효율, 저비용해수담수화연구는우리나라를비롯한유럽, 미국, 일본등여러나라에서진행되고있다. 역삼투식, 정삼투압식및전기흡착식담수기술등다양한각도로신개념담수화기술개발이진행되고있지만, 이모든기술은화석에너지에기반한기술이므로환경문제뿐만아니라유한한에너지라는한계를가지고있다. 따라서이러한한계를극복할수있는재생에너지의사용은전기생산분야외에담수생산분야에서확대될것으로예상된다. 국내에서는다양한재생에너지중태양열을이용한해수담수화기술이가장먼저개발되었고, 현재상용화에가장근접하여있다. 하지만, 아직까지생산용량관련시스템성능과기술적 / 구조적한계로인하여상용화에어려움을겪고있다. 따라서향후태양열해수담수기의성능및신뢰성향상을위한연구개발이지속적으로진행될전망이다. 한편재생에너지담수화기술의선진국인유럽에서제안하는다양한미래담수화기술뿐아니라사용하는환경과조건에따른최적적용기술개발이대체수자원확보의일환으로계속적으로진행될전망이다. 또한기존태양열담수기는해수의공급이나생산수의이송에필요한펌프및제어시스템에별도의전력이필요하므로, 태양광모듈과의하이브리드시스템을통하여도서지역등과같이전력과상수도인프라가동시에부족한지역에적합한독립형태양열해수담수기의개발이필요하다. 수자원부족과고갈, 중동및아프리카지역경제활성화, 대체수자원확보를위한각국의 태양열등신재생에너지를이용한소용량해수담수화기술동향 _117

투자증가등으로세계해수담수화시장은연평균 16.6% 의고성장을이루고있으며, 향후 5년간 314억달러규모의시장을형성할것으로예상된다. 5) 태양열을포함한신재생에너지원담수기술개발은세계적인물부족문제를해결하고기술수출로인한경제적이익을가져다줄것으로예상된다. 따라서한국이세계 1위를차지하고있는대형증발식담수기술에이어담수기술선진국으로명성을이어나갈수있도록계속적인노력을기울여야할것이다. < 참고문헌 > 1. Global Water Intelligence(GWI), Desalination Markets 2007, 2006 2. 산업자원부, 신재생에너지 RD&D 전략 2030, 2007 3. 박창대, 임병주, 타나카히로시, Development of seawater distiller utilizing waste heat of portable electric generators, Transactions of the KSME B, 2010 4. Roadmap for the development of desalination powered by renewable energy, PRODES, 2010 5. 손진식, 한지희, 김석화, 신동우, 임재한, 아시아주요국의해수담수화플랜트시장전망과진출방안, 상하수도학회지, Vol.24, No.2, pp.157-164, 2010 118_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)