2019년 07월 17일, 수요일  



압력지연삼투(PRO) 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수 기술


염도차 에너지로 소모전력량 절감하는 친환경 플랜트 기술
 
기존 역삼투(RO) 방식의 해수담수화 플랜트 공정 대비 전력소비량을 20% 이상 절감할 수 있는 기술이 나왔다. 이 기술은 해수담수화 플랜트 공정에서 파생되어 바다로 배출되는 고농도의 농축수를 압력지연삼투(PRO) 공정의 유도용액으로 사용한 후 희석배출하여 해양환경에 대한 오염을 저감할 수 있는 기술이다.
 
이에 따라 기존 플랜트 공정에서 농축수 희석시설의 구축과 운영에 따른 비용을 절감할 수 있으며 전력소비량을 절감할 수 있다. GS건설㈜이 개발한 압력지연삼투를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수기술은 이러한 기술력을 바탕으로 건설신기술 제866호로 지정됐다.

전 세계적으로 심각해지고 있는 물 부족과 수질오염을 방지하기 위하여 유엔은 ‘세계 물의 날’을 제정하고 우리나라에서도 다양한 행사가 열리고 있다. 지구의 표면은 대부분 바닷물이 덮고 있으나 바닷물에는 염화나트륨과 광물이 포함되어 있어 인간이 사용하기에는 적합하지 않다. 우리가 사용할 수 있는 물은 담수다. 담수는 지구에서 2.5%에 불과하다. 그중에서도 절반 이상은 극지방과 고산지역에 있는 빙하로 구성되어 있다.

우리 몸을 구성하는 요소로 물의 중요성을 빼놓을 수 없다. 1년 동안 한 사람이 영양 섭취를 위해 필요한 물의 양은 약 1100톤에 이른다. 이에 따라 1년 동안 한 사람이 사용 가능한 물의 양이 이러한 기준에 미치지 못하면 물 기근국가, 물 부족국가 등으로 분류된다. 우리나라는 물 부족국가에 속해 있다. 강수량이 지역별로 편중되어 있고 시기적으로도 한여름 장마철에 집중되어 국지적 가뭄이 발생하고 있는 것이다.
 
■ 기술개발자
 · GS건설 주식회사 (대표이사 임병용)
  서울시 종로구 종로 33, 그랑서울
  www.gsenc.com
■ 건설신기술 제866호
   보호기간 : 2019. 05. 17 ~ 2027. 05. 16 (8년)
 
 
 
물 부족 해결 위한 해수담수화
해외에서는 이러한 물 부족 문제를 해결하기 위하여 해수담수화 기술을 적극 활용하고 있다. 이스라엘의 경우 대체 수자원인 해수담수화의 비중이 30%를 차지하고 있고, 싱가포르의 경우 해수담수화와 재생수 공급이 차지하는 비중이 2060년에는 85%까지 증가할 것으로 전망되고 있다.

일반적인 해수담수화 기술은 증발식과 막여과 방식, 이온교환 방식 등이 있다. 이 중에서 대규모 해수담수화 플랜트 공정으로 증발식과 막여과 방식이 주로 활용되고 있다. 특히 막여과 방식은 상대적으로 에너지 소모량이 적고 생산단가가 낮아 현재 전체 해수담수화 시장의 약 66%를 차지하고 있다.

대표적인 해수담수화 기술은 역삼투 기술이다. 역삼투 기술은 RO막과 농축수 압력회수장치(ERD) 등으로 구성된다. 이러한 기존 해수담수화 기술의 기술적 문제는 에너지 과다 소비와 농축수 방류로 인한 환경 문제다. RO 반투막에서 걸러진 염분 등의 고농도의 농축수가 생산되는 것이다.
 
해수담수화 플랜트 해수 원수의 약 1.5배에서 2.5배의 고염도 농축수가 해양으로 배출되면서 해양생태계에 영향을 미치고 있다. 플랜트 규모가 커지고 환경에 대한 인식이 높아지면서 해수담수화 부산물인 농축수를 해양으로 방류할 때 발생하는 해양환경오염에 대한 인식이 높아지고 있다.
 
세계 최초 PRO를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수기술 개발
이에 따라 GS건설㈜은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 차세대 해수담수화 기술개발 연구사업을 통해 세계 최초로 PRO를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수기술을 개발했다.

주요 핵심기술로는 PRO 압력지연삼투기술을 이용한 SWRO 공정 소모전력비 절감 기술과 SWRO 농축수 농도 저감 기술이다. 여기서 PRO는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis)의 약자로 삼투흐름에 따른 삼투압을 최대로 발생키기기 위해 고농도 염수 방향에서 일정수준의 외부압력을 인위적으로 가하는 공정기술이다.

이 기술의 특징은 기존 SWRO 해수담수화 플랜트에서 파생되어 바다로 그대로 버려지는 RO농축수와 기존 하수처리장에서 방류되는 하수처리방류수를 신규 PRO 공정의 유도용액과 원수로 활용하여 염도차 에너지를 발행시키고 회수 가능하다는 것이다. 이 기술은 기존 SWRO 해수담수화 플랜트에서 파생되는 농축수를 PRO 압력지연삼투의 유도용액으로 재활용한다는데 특징이 있다.

이에 따라 기존 SWRO 해수담수화 플랜트에서 운영비의 40% 이상을 차지하는 전력소비량을 절감할 수 있으며, 플랜트 최종 배출수의 농도를 기존 해수담수화 플랜트 대비 30% 이상 저감할 수 있다.
 
 
 
농축수 재이용 염도차 에너지 회수 기술
PRO 압력지연삼투기술을 구체적으로 살펴보면 먼저 반투과막 사이의 두 용액간 염분농도가 클수록 염도차 에너지 생성량이 비례하여 커지게 된다. 이에 따라 해수를 대신하여 고농도 염수인 해수담수화 농축수를 활용할 경우 삼투에너지를 두 배 이상 발생시킬 수 있다는 것이다. 이러한 기술을 바탕으로 기존의 SWRO 플랜트 공정에서 발생되는 농축수를 재이용 할 수 있는 SWRO-PRO Hybrid 기술이 개발됐다.

이는 SWRO 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수와 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 유입수로 사용하여 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치를 통해 회수하여 SWRO 공정 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나 터빈 형태의 에너지 회수 장치 작용을 통해 전력을 생산할 수 있는 것이다.

PRO 시스템은 고농도의 해수담수화 농축수의 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 에너지 컨버터다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비 및 생산단가를 절감할 수 있고 고농도 농축수 방류로 인한 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다. 또한 농축수 처리 비용 및 해수담수화 전력시설 설치비용을 절감할 수 있다.

PRO 기술은 태양광, 태양열, 풍력 등 다른 재생에너지 기술과 달리 환경 변화에 따른 영향이 적다. 일반적으로 SWRO 해수담수화에서 발생하는 농축의 농도를 일정하게 하여 PRO 시스템을 통해 회수되는 에너지의 양을 일정하게 유지할 수 있다.
 
 
 
소모전력량 절감하는 친환경 플랜트 기술
SWRO-PRO 해수담수화 시스템에서 PRO의 유도용매를 SWRO의 농축수로 사용할 경우, 해수를 사용하는 경우보다 2배 이상의 에너지 밀도를 생산할 수 있다. 또한 기존의 해수담수화 플랜트에서 바다로 그대로 버려지는 농축수를 해수 수준으로 희석하고, 신재생 에너지원으로 활용하는 측면에서 친환경적이며 경제적이다.

기존 해수담수화 플랜트 대비 SWRO 주요공정의 전력소모량을 20% 이상 절감할 수 있으며 운영비를 10% 이상 절감할 수 있다. 이는 현존하는 국내외 해수담수화 공정기술 중에서 최대로 소모전력량을 절감할 수 있는 것이다.

해수담수화 플랜트 시장은 2016년 약 15조원의 시장을 형성하고 있으며 연평균 10% 성장하고 있다. 해수담수화는 국내 수자원 확보 대안 중 심각한 물 부족 문제 해결을 위해 국가적으로 추진하여야 하는 장기적이고 근본적 수자원 확보 방안 중 하나다.

전 세계적으로도 물 부족 문제 해결을 위해 해수담수화 플랜트에 PRO 공정을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 페르시아만에서는 해수담수화 플랜트의 증가로 농축수 배출이 증가하여 염농도가 증가하는 문제를 해결하기 위해 다양한 연구를 진행하고 있다. GS건설㈜은 쿠웨이트와 해수담수화 플랜트에 PRO 기술을 적용하는 연구 협약을 체결하기도 했다. 이에 따라 GS건설㈜이 개발한 압력지연삼투를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수기술은 앞으로 국내외 해수담수화 플랜트 시장을 선도해 나갈 것으로 기대된다.
 
김정현 기자 (ltmkjh@hanmail.net)신기술신공법.pdf
기자 김정현 기자        
작성일 2019-07-02 (화) 17:45
분류 건설신기술
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