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【포커스】 세계 최초 해수 담수화 융합 핵심 기술과 분리막 자체 개발

2022-08-23

세계 최초 해수 담수화 융합 핵심 기술과 분리막 자체 개발 바닷물에서 전기와 식수까지 … 글로벌 기술 선도 기반 마련 물 부족 문제를 해결할 수 있는 대안으로 해수담수화 기술이 가장 유망하지만 기존 역삼투 기술은 결과적으로 염 농도 상승으로 해양 생태계 오염의 원인이 되고 있다. 기존 해수담수화기술을 보완할 역전기투석 염분차-역삼투 해수담수화 융합 기술은 친환경적인 담수와 전기 생산이 가능한 핵심기술로 한국에너지기술연구원에서 개발했다. 또한 세계최고 수준으로 향상시킨 공정의 핵심 소재인 분리막 자체 개발로 글로벌 기술 선도 기반도 마련했다. 정리 정영주 기자 자료 한국에너지기술연구원 하루 100톤급 역전기투석-역삼투-역전기투석 파일럿 전경 지속가능한 미래, 물 부족 문제를 해결할 가장 유망한 대안이 해수담수화 기술이다. 글로벌 시장에서 해수담수화 기술은 매년 15% 이상의 성장세를 이루며 2025년에는 38조원 규모가 될 것으로 예상되지만 해결해야할 기술적 과제가 있다. 해수담수화 기술 시장의 78 %를 차지하는 기존의 역삼투 기술은 담수 생산을 위한 에너지 소모량이 많고 공정 이후 배출되는 농축된 해수가 다시 해안에 방류됨으로써 해수의 염 농도 상승으로 해양 생태계 오염을 초래한다. 최적화된 역삼투 공정은 1톤의 담수 생산에 약 3.5 kWh의 전기에너지가 소모된다. 이는 담수 생산단가의 약 30 %를 차지하며 1.6 kg/톤의 이산화탄소를 발생시키는 것과 같다. 한편 2019년 기준 전 세계 16,000개의 해수담수화 플랜트에서 쏟아내는 농축해수의 양은 하루 1억 4천만 톤이며, 세계 담수화 시장 점유율 50 % 이상인 중동지역의 해양 오염은 심각하다. 역전기투석 염분차-역삼투 해수담수화 융합공정 실증 이에 한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 정남조 박사 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. 역삼투 모듈의 앞뒤에 역전기투석 발전기를 연계시키는 융합 공정(역전기투석-역삼투-역전기투석)을 개발해, 100톤/일급 담수생산 실증을 성공적으로 마쳤으며, 기존 역삼투 단일 공정 대비 에너지 소모량을 30% 이상 절감시켰다. 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) 기술의 융합을 통해 친환경적인 담수와 전기 생산이 가능한 핵심기술을 개발했다. 여기서 더 나아가 공정의 핵심 소재인 분리막은 기존 세계 최고 수준 대비 2배 이상 향상했다. 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 고밀도의 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, 내 오염성은 3배 이상 향상된 결과를 확인했으며, 실용화 수준의 적층 기술을 확보했다. 역삼투용으로 개발된 신규 유입수 조건의 삼투막은 유입수의 농도가 2.3~2.8 wt.% 조건에서 99.8 % 이상의 염제거율을 보였으며, 8인치 모듈화에 성공했다. 기술의 구성도 및 개념도 해수담수화 기술의 차별성 해수담수화는 기후변화에 따른 수자원의 안정성 확보를 가능하게 하는 기술이지만, 과다한 에너지소모량 및 농축해수의 환경오염문제는 극복해야 할 도전과제였다. 염분차 발전은 용액의 농도 차이에 의해 전기에너지를 생산하는 기술로, 기존 해수담수화기술의 두 가지 현안을 동시에 해결할 수 있는 열쇠가 될 것으로 전망한다. 역전기투석 염분차-역삼투 해수담수화 융합 기술은 기존 해수담수화기술의 기술적 이슈 타개뿐 아니라, 해수 이용 장주기에너지저장/대용량발전 융합 기술의 핵심이다. 기존 역삼투 공정의 전단에 1차 역전기투석 염분차 발전기를 설치하여 에너지를 생산하면서 역삼투 모듈로 공급되는 해수의 농도를 낮추어 역삼투 공정의 펌프 에너지 저감한다. 2차 역전기투석 염분차 발전기를 역삼투 공정의 후단에 설치하여, 역삼투 모듈에서 배출되는 농축해수를 친환경적으로 처리하면서 에너지를 회수하여 역삼투 공정의 에너지를 저감한다. 하루 100톤급 역전기투석-역삼투 조합 파일럿 세계 최초 실증을 통해 기존 단독 역삼투 공정 대비 에너지소모량 30 % 절감한다. 조합 공정에 적합한 역전기투석용 패턴형 이온교환막 핵심소재 및 제막 기술 개발을 통해 기존 선진 기술 대비 성능 2배, 내오염성 3배 이상 향상되었다. 신규 유입수 조건에 적합한 역삼투용 삼투막 핵심소재 및 제막 기술 개발을 통해 99.8 % 이상의 염제거율 달성했고, 개발된 분리막의 대면적 스택화와 8인치 모듈화 기술을 개발했다. 역전기투석-역삼투-역전기투석 조합 공정의 실험결과 평형과 패턴형 이온교환막의 오염 전후 실험결과 비교 . 실험 및 실증 데이터, 기술의 응용분야 TRL 5 수준으로 벤치스케일 규모의 제품 개발이 완료되었다. 현재 개발된 제품은 담수 생산량 기준 100 m3/d 규모이며, 2023년 이후 2,000 m3/d 규모의 대용량 실증과제를 준비하고 있다. 기술의 응용분야는 해수담수화, 대용량발전, 해수 이용 에너지저장/발전 융합 기술, 전기화학 에너지시스템이며, 기술을 응용한 제품은 대용량 해수담수화, ED·EDi·CDi, 대용량 염분차 발전 플랜트, 수전해, ESS 소재 등이 있다. 역전기투석-역삼투 조합공정용 분리막 제막 장비 (RO막 자료-KICT 제공) 역전기투석-역삼투 조합공정용 분리막 및 스택/모듈 전경 (RO막 자료-KICT 제공) 공정의 대용량화와 최적화 달성 연구진은 경제성 분석으로 공정의 대용량화와 최적화 달성을 통해 담수 생산단가는 10% 이상 절감, 염분차발전 균등화발전비용(Levelized Cost Of Energy, LCOE): 발전소에서 생산하는 전력(㎾h)당 평균 실제 발전 비용) 단가는 130원/kWh 이하도 가능함을 확인했다. 또한, 개발한 염분차발전 기술은 해수온도, 해양생태계에 악영향을 미치는 발전소(원자력, 화력)의 온배수(2020년 기준 국내 온배수 배출량은 연간 563억톤으로, 염분차발전(효율 30 %)으로 회수할 수 있는 잠재 발전량은 연간 5.6 TWh(2020년 국내 1인당 전력소비량 9,826 kWh 기준, 약 57만명 사용 가능)를 이용해 대용량 발전소 구축에도 사용할 수 있어 국내 기저부하와 재생에너지 간 에너지믹스 체계 유연성 확보에 핵심적인 역할을 기대한다. 세계 최초로 역전기투석-역삼투-역전기투석 융합 공정 핵심기술 개발 및 실증을 통해 해수담수화의 기술적 이슈를 타개하고 기술을 선도할 수 있는 기반 마련했다는 평이다. 2040년 글로벌 시장점유 예상치는 약 5.9 백만 m3/d, 경제적 효과는 약 29조원/년에 달할 것으로 예상된다. 또한 수자원의 안정적이 확보와 86만 tonCO2/yr 온실가스 저감을 통한 안전한 미래사회 구현에 기여할 것으로 전망한다. 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. < Energy News >