보도자료

한국에너지기술연구원 보도자료

에너지연, 국내최초 중소규모의 독립전원용 무방류 풍력발전 연계 MVR 해수담수화 플랜트 실증운전 성공

  • 작성일 2012.10.15
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국내최초 중소규모의 독립전원용

1)무방류 풍력발전 연계 MVR 해수담수화 플랜트 실증운전 성공

 

 


 

 

초고효율 MVR히트펌프시스템 적용기술(12kWh/톤-담수)

풍력발전 순시부하변동에 대응성이 높은 독립형 시스템

2)저파울링 고농축 기술을 통한 청정제염 생산


 

1) 풍력발전 연계 MVR해수담수화(MVR : Mechanical Vapor Recompression, 기계적 증기 압축기)란?

풍력발전에 의해 가동되는 기계적 증기압축기를 통해 가열과정에서 발생한 저온․저압의 증발 증기를 가압․승온함으로써 자체가열 열원을 재사용하여 증발 담수화에 필요한 에너지 소비를 최소화하고, 기존의 안정적인 전력 대신 부하변동이 큰 풍력발전에도 유연하게 대응할 수 있는 해수담수화 기술.


2) 저파울링

파울링(Fouling)은 어떤 물체가 원하지 않는 곳에 붙어 장애를 일으키는 경우를 일컫는 말로 해수담수화 플랜트 가동 시 두개의 열교환기를 사용하기 때문에 ※스케일(scale)이 발생되는 현상을 최소화 할 수 있어 효율을 높일 수 있다.

 

※ 스케일(scale)

금속을 고온으로 가열하였을 때 표면에 형성되는 산화물층으로 열전달이 저해되고 연료손실을 초래하는 등 여러 가지 장해를 초래

 

□ 인구 증가에 따른 물 사용량의 급증, 경제성장과 도시화에 따른 생활 폐수 및 공업용수의 수요 증가, 기후변화에서 기인한 국지적인 물 부족 문제는 더욱 심화되고 있다. 이에 따라 2025년에는 전 세계의 물 수요량이 지난 1995년 수준보다 약 40% 증가할 것이며, 급격한 물 수요의 증가로 인해 심각한 물 부족 현상이 발생할 것으로 예상된다.

 

◦ 이러한 물 부족 현상으로 인해 수도 및 하수처리장 등의 시설이 정비되어 있지 않은 도서 및 해안지역이 직접적으로 피해를 입을 것으로 보여지며, 따라서, 국지적 물 부족지역 여건에 적합한 중소규모의 독립전원용 해수담수화 플랜트 시설 개발이 필수적이다.

 
□ 한국에너지기술연구원(황주호 원장)은 기후변화에 따른 국지적인 물 부족 해결과 전력망 연결이 어려운 고립지역을 위해 중소규모의 새로운 해수담수화 모델로써 담수 1톤 생산에 12kWh 에너지가 소요되는 『고효율 무방류 풍력발전 연계 MVR해수담수화 파일롯 플랜트』를 순수 국내기술로 최초 개발해 실증운전에 성공했다.

 

◦ 연구원은 중소규모의 고효율 해수담수화 플랜트 개발을 위해 MVR히트펌프시스템을 개발하고 3)엑서지(exergy) 개념에 기초한 기본설계(FEED)를 통해, 12kWh의 에너지로 깨끗한 물 1톤을 생산할 수 있는 고효율 기술을 확보했다.

 

3) 엑서지(exergy)

‘유용하게 쓸 수 있는 에너지(available energy)’라는 의미로 엑서지는 온도, 압력, 엔탈피와 마찬가지로 하나의 상태량으로 볼 수 있는데 이론적으로 최대한 얻을 수 있는 유용한 에너지를 말한다.

 

◦ 이번에 개발된 플랜트는 15℃의 4)용암해수가 예열기를 거쳐 온도 상승(70~80℃) 후 열교환기를 통해 증발기로 보내지며, 증발기에서는 증발을 통해 생성된 100℃의 증기를 MVR(기계적 증기 압축기)에서 가온‧가압 하여 110℃의 증기로 만들게 된다. 110℃의 증기는 열교환기로 들어가 예열기를 거친 용암해수의 온도(70~80℃)를 상승시키고 응축수 탱크에 저장되며 응축수 탱크에 저장된 응축수는 다시 예열기에서 15℃의 용암해수와 열교환을 통해 용암해수의 온도를 상승시킨 후 담수 탱크에 저장되는 순환 구조로 운전된다. 증기를 가온‧가압하기 위해 MVR시스템을 거치며, 이때 사용되는 전력량이 풍력발전을 통해 해소됨으로써 에너지 효율을 크게 높인 것이 이 기술의 핵심이다.

 

4) 용암해수

바닷물이 화산암반층에 의해 자연 여과되면서 육지 지하로 흘러든 지하수 자원. 수온, pH, 염분 등이 연중 변동이 거의 없는 안정한 상태로, 화산암반에 의해 자연 여과 되어 청정하고, 게르마늄, 셀레늄 등 유용 미네랄 성분이 함유되어 있으며, 수은, 카드뮴 등 유해 중금속이 검출되지 않음.

 

◦ 이번에 개발된 풍력발전 연계 MVR해수담수화 플랜트는 한국에너지기술연구원 지역 조직인 제주글로벌신재생에너지연구센터(JGRC)에 설치되었으며 하루 최대 75톤 용량의 용암해수를 처리할 수 있고, 올해 6월까지 실시한 실증운전 결과 12.4kWh의 에너지만 투입되면 담수 1톤 생산이 가능하며, 기존 5)상용화된 증발법에 사용된 에너지 대비 18% 수준으로 최고 효율을 나타내고 있어 증발법 중 가장 경제성이 뛰어나다.

 

5) 상용화된 증발법(MSF, MED)

일반 증발법은 다단의 증발기 내에 원수를 채우고 연료를 태워 끓여서 나온 수증기를 냉각수로 응축하여 담수를 생산하는 방법임. 기존 10단의 증발법으로 통상 담수 1톤을 생산하는데 필요한 에너지는 약 70kWh정도임.

 

□ 김동국 박사 연구팀이 개발한 MVR해수담수화 시스템은 담수 생산에 필요한 에너지를 재생에너지원인 풍력과 연계하여 구축함으로써 탄소배출 저감 효과도 기대할 수 있게 되었고, 풍력의 시간대별 발전량에 맞춰 시스템이 운영될 수 있도록 설계함으로써, 전력 공급이 원활하지 않은 고립지역에서도 독립적으로 운전할 수 있는 고효율 담수플랜트를 국내 자체기술로 공급할 수 있게 되었다.

 
□ 또한, 이번에 개발된 기술은 기존의 증발 담수화과정과 달리 농축수를 방류하지 않는 친환경 담수 시스템으로 농축방류수로 인한 해양생태계에 미치는 영향을 근본적으로 배제시켰으며, 담수화의 부산물인 농축수를 유용한 자원으로 탈바꿈시킬 수 있도록 18% 이상의 농축염수를 제조하는 저 파울링 고농도 농축기술도 함께 확보했다.

 

◦ 기존 증발법에서는 담수화 과정의 부산물인 농축염수를 바다에 방류시켜 염도 증가, 해수 온도 상승, 탁도 증가, 화학첨가제 오염 등으로 해양생태계에 악영향을 끼쳤지만, 풍력발전 연계 MVR해수담수화 시스템은 담수 후 남은 농축수를 방류하는 대신에 ‘결정화 농축장치’를 통해 18% 이상의 고농도로 농축시켜 소금을 생산할 수 있도록 응용, 플랜트의 부가가치를 현저하게 높였다.

 

□ 연구책임자인 김동국 박사는 풍력발전 연계 MVR 해수담수화 시스템 개발을 통해 “해양생태계를 변화시키는 농축염수를 고부가가치의 미네랄 이나 소금으로 제조하여 담수시설의 경제성을 제고할 수 있으며 운전에 소비되는 에너지를 신재생에너지원으로 대체함으로써 기존 전력망 연결이 어려운 고립지역에 독립적인 담수생산이 가능해지는 등 경제․산업적으로 상당한 효과를 거둘 것”이라고 밝혔다.

 

 

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