- 세계 최초 역전기투석 염분차-역삼투 해수담수화 융합공정 실증

- 100톤/일 급 담수 생산에 에너지소모량 30% 이상 절감, 농축해수 친환경 배출 확인

- 세계 최고 수준의 분리막도 자체 개발해

[사진자료] 연구진이 개발한 염분차-해수담수화 융합 파일럿의 실험 결과에 대해 논의중이다

□ 국내 연구진이 역전기투석*-역삼투** 기술의 융합을 통해 친환경적인 담수와 전기 생산이 가능한 핵심기술을 개발했다. 여기서 더 나아가 공정의 핵심 소재인 분리막은 기존 세계 최고수준 대비 2배 이상 향상시켜 글로벌 기술 선도 기반도 마련했다.

* 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED): 스택 내의 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산

** 역삼투(Reverse Osmosis, RO): 삼투압보다 높은 압력을 가할 때, 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져 나오는 현상으로 해수의 담수화에 사용

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 해양융복합연구팀 정남조 박사 연구진은 에너지소모량을 최소화하기 위해 역삼투 모듈의 앞뒤에 역전기투석 발전기를 연계시키는 융합 공정(역전기투석-역삼투-역전기투석)을 개발했다. 이를 통해 100톤/일급 담수생산 실증을 성공적으로 마쳤으며, 기존 역삼투 단일 공정 대비 에너지 소모량을 30% 이상 절감시켰다.

□ 지속가능한 미래를 위해 물 부족문제를 해결할 수 있는 대안은 해수담수화 기술이 가장 유망하다. 하지만 해수담수화 시장의 78%를 차지하는 역삼투 기술은 담수 생산을 위한 에너지소모량이 많고 공정 이후 배출되는 농축해수가 다시 해안에 방류됨으로써 해수의 염 농도 상승으로 해양 생태계 오염의 원인이 되고 있다.

* 해수담수화 기술 관련 글로벌 시장은 매년 15% 이상의 성장세로 2025년에는 38조원 규모로 예상된다.

○ 최적화된 역삼투 공정은 1톤의 담수 생산에 약 3.5kWh의 전기에너지가 소모된다. 이는 담수 생산단가의 약 30%를 차지하며 1.6kg/톤의 이산화탄소를 발생시키는 것과 같다. 한편 2019년 기준 전 세계 16,000개의 해수담수화 플랜트에서 쏟아내는 농축해수의 양은 하루 1억 4천만 톤/일 이며, 세계 담수화 시장 점유율 50% 이상인 중동지역의 해양 오염은 심각하다.

■ 이에 연구진은 에너지소모량 절감과 농축해수의 친환경 처리라는 해수담수화의 두 가지 기술적 현안을 동시에 해결할 수 있는 100톤/일급 역전기투석 염분차발전-역삼투 해수담수화 융합 공정을 세계 최초로 단일 플랜트로 실증하는데 성공했다.

□ 전단에 놓인 역전기투석 발전기는 해수를 이용해 에너지를 생산하면서 해수의 농도를 20% 이상 낮춘 후 역삼투 공정에 공급할 수 있으며, 이때 역삼투에 필요한 에너지소모량은 낮아진 농도만큼 줄어든다.

□ 이어지는 역삼투 공정을 통해 담수와 함께 배출된 농축해수는 고 밀도의 에너지원으로 저장되고, 후단에 설치된 역전기투석 발전기를 이용해 필요할 때 전기로 전환되며, 최종 배출되는 농축해수의 농도는 해수 수준으로 배출시키는 것을 확인했다.

■ 연구진은 이 외에도 역전기투석-역삼투-역전기투석 융합 공정의 핵심 소재인 역전기투석용 패턴형 이온교환막과 역삼투용 삼투막을 자체 개발했다.

□ 역전기투석 공정에 적용된 패턴형 이온교환분리막은 세계 선도기관(일본, 후지필름)의 기술과 비교해 두께는 1/10, 성능은 2배, 내오염성은 3배 이상 향상된 결과를 확인했으며, 실용화 수준의 적층 기술을 확보했다. 역삼투용으로 개발된 신규 유입수 조건의 삼투막은 유입수의 농도가 2.3~2.8wt.% 조건에서 99.8% 이상의 염제거율을 보였으며, 8인치 모듈화에 성공했다.

■ 연구진은 경제성 분석으로 공정의 대용량화와 최적화 달성을 통해 담수 생산단가는 10% 이상 절감, 염분차발전 균등화발전비용* 단가는 130원/kWh 이하도 가능함을 확인했다. 또한, 개발한 염분차발전 기술은 해수온도, 해양생태계에 악영향을 미치는 발전소(원자력, 화력)의 온배수**를 이용해 대용량 발전소 구축에도 사용할 수 있어 국내 기저부하와 재생에너지 간 에너지믹스 체계 유연성 확보에 핵심적인 역할도 기대한다.

* 균등화발전비용(Levelized Cost Of Energy, LCOE): 발전소에서 생산하는 전력(㎾h)당 평균 실제 발전 비용

** 2020년 기준 국내 온배수 배출량은 연간 563억톤으로, 염분차발전(효율 30%)으로 회수할 수 있는 잠재 발전량은 연간 5.6TWh(2020년 국내 1인당 전력소비량 9,826kWh 기준, 약 57만명 사용 가능)에 달한다.

■ 연구책임자인 정남조 박사는 “염분차-해수담수화 융합 기술은 기존 해수담수화의 기술적 이슈인 에너지소모량 저감 및 농축해수 친환경 처리가 가능하고, 해수 이용 장주기 에너지저장과 대용량 발전이 가능한 미래에너지기술의 핵심”이라며, “중동, 동남아시아, 유럽 등 세계적으로 관심 높은 물-에너지 융합 기술로 대용량 실증의 조기 완료와 정부의 지속적 지원을 통해 글로벌 기술 선도가 가능할 것”이라고 말했다.

□ 연구진은 향후 저탄소 선도형 해수담수화 산업의 국내 기술경쟁력 강화와 대용량화를 통한 해외 진출을 위해 2,000톤/일 이상급 대용량 파일럿 플랜트 개발에 나설 계획이다.

□ 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 에너지연이 주관하고 한국건설기술연구원, 한양대, 국민대, 서울대, 아주대, 한국환경연구원이 참여했으며, 과제선정과 최종평가에서 모두 우수(A) 등급을 받았다.