역삼투막 효율성 증대시킬 신공정 개발 시급

중동지역 중심에서 미국·호주·중국 등이 신흥시장으로 급부상
해수담수화, 민·관·산·학이 협력 차세대 산업으로 발전시켜야

해수담수화, 대체수자원으로 대두

수자원이 전 세계적으로 부족하고, 확보된 수자원도 시간이 지남에 따라 오염돼 이용에 부적절해지고 있으므로 수자원을 잘 보존하고 개발하는 기술이 필요하다. 현재 지역적으로는 중동과 아프리카 지역이 가장 심각한 물 부족에 직면하고 있으며, 2025년 30억 명의 인구가 물 부족 상황에 직면할 것으로 예상된다. 2000년 이후 전 세계적으로 농업용, 도시용, 산업용 등에서 수용량이 급증하여 지표수 및 지하수에 의한 기존 용수 공급은 심각한 위기를 맞을 것으로 예측된다.

또한, 전 지구적 인구증가와 산업 발달로 인한 수질오염의 확산에 따라 기존 지표수 및 지하수에 의존한 용수생산 공정의 고도화가 요구되고, 최근 지속적으로 관측되는 기후변화로 인하여 기후에 절대적으로 의존하는 지표수 및 지하수 등의 기존 수자원을 대체할 수 있는 지속가능한 수자원의 필요성이 증대됐다.

이에 대해 기후변화로 인한 가용 수자원 확보 문제를 해결하고 지속가능한 수자원으로서 해수담수화가 부각되고 있다. 하지만 아직까지 해수를 이용하기 위해서는 많은 비용과 에너지, 높은 기술력이 필요하기 때문에 많은 기술개발 노력이 요구되는 상황이다.

해수담수화 시장, 180억 달러로 성장

세계 물시장은 동아시아, 미국, 중동을 중심으로 지속적으로 성장하고 있다. 2015년 물시장 규모는 중국을 중심으로 동아시아 지역 전체가 8천억 원, 미국 5천억 원, 중동 및 북아프리카 3천 억 원으로 추산된다.

세계 전체 물시장에 비해 해수담수화 시장은 2016년 약 8％로 수준으로 매우 작은 규모지만 현 생산 시설용량 대비 요구량의 급격한 증가로 시장 규모가 지속적으로 확대될 것으로 예상된다. 따라서 해수담수화 부문에서도 국가 간 경쟁력이 심화되고 특히, 기술부문에서는 멤브레인 기술 개발이 중요해질 것으로 전망된다.

해수담수화 시장은 전체 담수화 시장의 63％, 생산량은 하루 4천300만㎥ 규모로, 2005년 이후 매년 60억 달러 이상의 시장을 형성해 2016년에는 180억 달러 규모까지 성장할 것으로 예측된다. 대표적 물부족 국가인 중동지역을 중심으로 미국과 호주, 중국 등이 신흥시장으로 부상하고 있으며, 연평균 17％ 수준으로 지속적인 성장이 예상된다.

기술개발 통해 에너지 소비 절감

해수담수화 플랜트의 많은 에너지 소비로 인해 비용이 많이 들다보니 효율적으로 염분과 미네랄 물질을 제거하면서 에너지 소비를 절감하는 기술과, 제거된 폐기물을 다시 자원화해 원가를 절감하고 농축수를 재활용하는 기술을 개발하기 시작했다.

이에 따라 기존에는 증발식을 많이 사용했지만 점차 멤브레인을 이용하는 역삼투식 플랜트가 증가하고 있는 추세로, 멤브레인의 투과율, 에너지 절감, 재질의 내구성 등에 대한 기술을 개발하고 있다.

사업단, ‘3L’ 목표로 기술개발 추진

해수담수화사업단(SeaHERO)은 낮은 에너지(Low Energy), 대용량(Large Scale), 낮은 파울링(Low Fouling)의‘3L’을 목표로 기술개발을 추진해 왔다. 4㎾h/㎥ 이하의 에너지 소비율 달성을 통한 운영비용 절감, 물값 안정화, 에너지 회수장치 개발을 추진했으며, 8MIGD급 이상의 RO 트레인을 세계 최초로 개발해 에너지를 절감했다. 또한, 막 오염을 50％이상 감소시켜 막 오염의 신개념 지표를 개발했다.

해수담수화의 기술적인 면에서 실질적인 문제는 생산원가가 높다는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 하이브리드형, FO(정투압), RO(역삼투), PRO(압력지연삼투) 공정과 투과 효율을 높이는 막 재질을 개발하고 있다.

또, 시간적인 면에서는 무한 경쟁이기 때문에 시간의 긴박함이 있으므로 산·학·연이 공동으로 순차적인 로드맵을 구축해 적극적으로 협력하는 것이 중요하다. 환경부, 국토교통부, 산업자원통상부가 각각 필요한 로드맵을 통합해 효율성 높은 연구 R&D 계획을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

농축수 자본화…전체 비용 절감

한편, 해수의 농축수를 자본화할 필요성이 제기됐다. 2013년 MD(증발식)·PRO(압력지연삼투) 복합 탈염 기술 개발 연구단은 해수에서 나오는 알칼리 금속, 마그네슘, 미네랄 등을 자본화해 전체적인 비용을 절감하고 재활용하기 위한 연구를 추진했다.

연구단은 환경효과 저감(Reduction), 에너지 회수(Recovery), 자원화(Re-source)의 ‘3R’을 기본 목표로 설정했다. 즉, △MD를 이용한 신개념 복합 탈염 및 농축수 저감 기술 △PRO를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수 기술 △해수담수화 플랜트 부산물 자원화 기술 등을 개발해 해수담수화 플랜트의 농축수 농도를 30％ 저감, 방류하고, 해수담수화 플랜트 농축수에서 해수 에너지를 회수하며 부산물을 자원화했다.

또한, 2014년 고효율 정·역삼투 융합 해수담수 플랜트 고도화 연구단은 에너지 소비를 2.5㎾h/㎥ 이하로 절감하여 물 생산 단가를 700원/㎥으로 낮추고, 회수율을 30％로 증가시키며 SWRO 플랜트 농축수를 30％를 낮추기 위해 △정·역삼투 융합공정 고도화 기술 △정·역삼투 융합 플랜트 엔지니어링 △신소재 정·역삼투 막 제조 기술 △저비용 전처리 기술 개발을 추진했다. 연구단의 전략 목표 달성 시 순현재가치(NPV)가 3천703억 원, 비용편익비가 4.69로 경제적 효과를 창출하고 3천860명의 고용유발 효과가 발생할 것으로 전망된다.

신공정 개발해 세계 경쟁력 확보

현재 담수화는 단가가 비싸다는 단점이 있지만 기술개발을 통해 향후 가능성이 높으며, 세계가 사막화되고 수자원 확보가 지속적으로 어려워지는 상황에서 필수적이다. 이러한 담수화 기술을 확보하고 선진국과 경쟁하기 위해서는 역삼투막의 효율성을 증대시키고 신공정을 개발해야 한다.

또한, 에너지 저감을 위한 새로운 기술을 접목시킨 해수담수화 공정을 개발해야 하며 정삼투 및 막증발식 등 새로운 공정에 대한 지속적인 연구개발이 필요하다. 아울러 중·장기 전략적 목표 설정에 있어 지금까지의 문제점을 피드백하고 효과를 극대화할 수 있는 계획을 세워야 하며, 기술을 선도하고 있는 부처간의 협력을 통해 통합적으로 기술개발을 추진, 전주기적 기술개발 플랜을 구축할 필요가 있다.

정부 주도적 R&D 지원 필요

한편, 해수담수화는 기술개발 범위가 넓고, R&D 투자의 위험성이 높아 민간 부문의 독자적인 R&D 추진이 현실적으로 어렵다. 이러한 문제점을 해결하려면 정부가 주도적으로 R&D 사업을 지원하고 정부 주도의 체계 아래 국가적 역량을 결집시켜야 하며, 민·관·산·학이 협력해 차세대 산업으로 발전시켜야 한다.

특히, 싱가포르 하이플럭스의 사례를 벤치마킹해 문제점을 점검, 보완한다면 기술, 공간, 시간적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망된다. 정부는 해수담수화 분야의 세계 선도를 위한 미래 핵심기초연구, 실증, 인증의 글로벌 전문 연구센터를 구축하고 지속적으로 연구를 지원해야 한다.

[『워터저널』 2015년 2월호에 게재]