해수담수화, ‘글로벌 TOP3’ 기술 강국 목표

글로벌 네트워크 중심의 R&BD 허브로서 담수 클러스터 조성
중동 53.4%·미국 17%·유럽 10.1% 시장 형성…중국 급부상

Part 04. 담수화 분야 R&D 추진 전략

미래에는 급격한 도시화에 따른 기후변화로 지역적 물 부족 현상이 가속화될 것으로 전망된다. 이에 따라 장기적으로 물을 공급받기 위해 내륙은 재이용수, 해안 인접 지역은 해수의 활용성이 증대될 것으로 예상된다.

우리나라는 OECD국가 중 물 스트레스 지표가 40%를 넘은 ‘심각한 물 스트레스 국가’로 분류된다.
현재 국토교통부에서 진행하는 댐 건설은 국내 수자원 확보의 절대적인 의존 방법이지만, 건설 적지 감소 및 높은 보상비, 지역 주민의 반대 등으로 추진하기 곤란한 실정이다.

이에 대체 수자원으로 중수도 및 강변여과수 등의 자원이 거론되고 있으나, 음용수의 부적합성 및 용수량의 부족으로 한계를 갖고 있다. 특히 우리나라는 강수량이 1월과 8월에 10배 가량 차이나는 등 계절별 편차가 심해 향후 지표수를 안정적으로 확보하기 어려울 것으로 예상된다.

막증발법·정삼투법, 신공정으로 주목

세계 물시장 중 해수담수화 시장은 2016년 기준 약 8% 수준으로 전체 담수화 시장의 약 63%를 차지하고 있다. 담수화 시장은 향후 지속적으로 시장규모가 확대되어 2030년에는 하루 평균 2천만㎥ 정도 증가할 것으로 예측된다. 해수담수화 시장의 주요 대상 국가는 중동 53.4%, 미국 17%, 유럽 10.1% 순이며, 최근에는 호주와 중국이 신흥시장으로 급부상하고 있다.

해수담수화 기술은 1995년 이전까지 증발법의 비중이 컸으나, 증발법보다 낮은 생산단가 등을 이유로 같은 해 이후부터 지금까지 역삼투 방식이 시장의 70% 이상을 점유하고 있다. 다단플래시법(MSF) 및 다중효용증발법(MED)과 같은 증발법은 이미 사양기(斜陽期)에 접어든 상황으로, 역삼투 방식과 하이브리드 기술이 강세이다.

▲ 세계 물시장 중 해수담수화 시장은 2016년 기준 약 8% 수준으로 전체 담수화 시장의 약 63%를 차지하고 있다. 담수화 시장은 향후 지속적으로 시장 규모가 확대되어 2030년에는 하루 평균 2천만㎥ 정도 증가할 것으로 예측된다. 사진은 일본 후쿠오카 우미노나카미치 나타 해수담수화 시설.

역삼투 공정은 대형화, 에너지 효율화, O&M 기술개발이 진행되고 있으며, 2002년 이후 EPC 및 부품소재 간의 성능차이가 없어 생산수 단가면에서 평준화됐다. 에너지 소모율은 대부분 3∼5㎾h/톤 정도로, 입찰 시 운영에너지가 낮은 기업이 수주를 맡는 추세이다.

한편, 신재생에너지 융합 해수담수화 공정기술로는 태양에너지와 풍력이 가장 활발하게 접목되고 있으며, 태양광 및 풍력은 역삼투(RO), 태양열 및 지열은 증발법 방식을 주로 채택한다.

아직은 소규모 수준으로 경제적 약점이 있으나, 지금까지 개발된 가장 경제적 공정인 태양열 증발법 기술은 일반 증발법과 유사한 비용으로 생산이 가능하다.

차세대 담수화 연구는 에너지 저감을 가장 큰 목표로 설정한다. 증발식 및 역삼투 공정은 각 단위공정 등의 효율 향상을 목표로 개발되고 있으며, CNT, Aquaporine, Graphene 등의 새로운 멤브레인 개발을 진행하고 있다. 새로운 공정으로는 막증발법(MD)과 정삼투법(FO)이 활발하게 연구·개발되는 추세이다.

두산, 역삼투방식 부진…세계 11위

국토교통부는 2006년부터 VC-10 사업으로 해수담수화 플랜트 사업단(Sea HERO)을 추진해왔다. 이 사업은 선진국 추격형 R&D로, 광주과학기술원을 중심으로 총 51개 연구기관이 959억 원의 정부예산을 투입해 역삼투 방식의 대형화 및 국산화를 목표로 연구를 진행하고 있다.

해수담수화 플랜트 사업단의 주요 성과는 △2009년 12월 이란 석유화학 플랜트 고압펌프 수출 △2013년 12월 칠레 광산 해수담수 소독장치 수출 △2013년 8월 칠레 에스콘디다 수주 등이 있다.

우리나라는 세계시장 점유율 확대를 위해 저에너지 담수화 신기술인 정삼투 방식과 막증발 방식에 대한 지속적인 해수담수화 기술 연구개발이 필요한 상황이다. 이를 위해 지금까지 산업통상자원부는 2009년 정삼투식 다목적 플랜트 개발과제를 기획하고, 정삼투 원천기술 및 역삼투막, 정삼투막 등의 제조기술 연구를 실시해 왔다.

또한, 국토교통부는 2012년 역삼투식 기반 정삼투 방식 및 막증발 방식 기술 개발을 위해 두 개의 연구단을 기획해 연구과제를 추진 중이며, 역삼투 방식의 공정고도화 연구단도 기획해 연구를 추진할 예정이다.

한편, 증발식 분야에서 세계 선두권인 두산중공업은 최근 각광받는 역삼투 방식에서 유일하게 칠레 플랜트 수주만을 따내며 세계 11위에 그치고 있다. 역삼투 방식에서도 현재 추진 중인 공정고도화 연구를 활용해 O&M 기술개발을 하고, 전력소모량을 3.5㎾h/톤 이하로 낮출 수 있어야 비로소 기술경쟁력 확보가 가능할 것으로 예상된다.

미국·싱가포르, 해수담수화 중점 개발

▲ 싱가포르는 올해 17억 싱가포르 달러(SGD)를 투자해 그에 따른 부가가치와 1만1천 개의 일자리 창출을 목표로 하는‘NEWater 프로젝트’를 추진 중이다. 사진은 싱가포르 최대의 투아스프링(Tuaspring) 해수담수화 플랜트.

미국은 2003년 해수담수화를 포함한 5개 분야를 선정해 기술을 개발 중이며, 해수담수화 기술 로드맵을 중심으로 연구를 추진하고 있다. 싱가포르는 ‘환경·물산업 개발의회’를 통해 저에너지 비용을 위한 기술개발에 1천만 싱가포르 달러(SGD)를 지원했다.

또한, 2015년에 17억 SGD를 투자해 그에 따른 부가가치와 1만1천 개의 일자리 창출을 목표로 하는 ‘NEWater 프로젝트’를 추진 중이다. 중국은 향후 15년 이내에 3∼5개의 시범사업 및 2∼4개의 엔지니어링 연구센터, 해수담수화 테스트 베드를 설립할 예정이다.

한편, 국내 국토교통 R&D 담수화 분야의 중장기 전략 비전은 ‘글로벌 TOP3 해수담수화 기술 강국’으로 도약하는 것이다. 이를 달성하기 위한 전략 목적은 △해수담수화 산업 기반 조성을 통한 담수 전문기업 육성 △글로벌 네트워크 중심의 R&BD 허브로서 담수 클러스터 조성 △미래시장 선도 원천기술 확보를 통한 국가브랜드 가치 상승이다.

단계별 전략목표는 2014∼2020년의 단기, 2020∼2025년의 중기, 2026∼2030년의 장기로 나눠진다. 단기 전략은 역삼투막 방식의 시장 중심형 R&D 전략, 실증위주의 국내 담수기술 업그레이드 전략, 신공정의 원천기술 확보를 통해 에너지 소모를 3.5㎾h/톤으로 줄여 생산단가를 10% 절감하고, 선진국 대비 75% 수준을 만드는 것이다.

중기 전략에는 신공정 중심의 실용·실증 전략, 미래 신소재 원천기술 확보 전략, 신재생에너지 융합공정 실증화 전략이 포함되며, 이를 통해 에너지 소모 2.5㎾h/톤을 달성해 생산단가를 30% 절감하는 공정기술을 만들고 선진국 대비 95% 수준에 도달하고자 한다.

장기 전략은 미래 신소재 실용·실증 전략, 국제적 협력 실증화 전략, 국제 거점 활용을 통한 현지화 전략을 통해 에너지 소모 2.0㎾h/톤 달성, 생산단가 40% 절감 공정기술을 개발해 선진국과 경쟁이 가능하게끔 성장하는 것이다.

전주기 토탈 솔루션…선두 자리 매김

담수화 기술 분야는 △막 공정 융·복합 기술 △공정 효율화 기술 △담수화 응용 플랜트 기술이 있다.
막 공정 융·복합 기술의 중점과제는 MD/PRO 복합 탈염 해수담수화 플랜트 기술개발, 정·역삼투 융합 플랜트 기술개발, 염도차 에너지 활용 융·복합 해수담수화 플랜트 개발 등이 있다.

공정효율화 기술 분야에서는 해수담수화 역삼투막 고급세정기술 개발, 역삼투막 플럭스 고도화 기술개발, 해수담수화 플랜트 적조 대응기술 개발 등이 중점과제이다.

담수화 응용 플랜트 기술을 위해선 태양광 이용 해수담수화 플랜트 기술개발, 신개념 태양열 다중효용 상압 해수담수 플랜트 상용화 개발, 소용량 태양열 담수화기술 개발 등 과제를 수행해야 한다.

▲ 국토부는 세계시장 선도를 위한 역삼투 방식 담수화 공정 효율화 및 고도화와 미래 시장을 선도할 저에너지 담수화플랜트 공정기술개발 및 산업 분야별 틈새 시장용 담수화 플랜트 기술을 중점 개발할 계획이다. 사진은 제주도 우도 해수담수화시설.

이러한 연구개발을 통해 우리나라는 원천기술을 확보하면서 국제적 연구 선도 및 수익을 창출하고, 담수화 분야의 국제적 위상을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 담수화 분야의 성장에 따라 중소기업 및 타 물산업 분야가 함께 성장해 일자리가 창출될 것이라는 기대도 있다.

또한, 국내 건설산업의 세계 플랜트 시장 진출기반을 확보하고, 신재생에너지 활용에 따라 에너지 분야 등의 기술 파급효과도 기대할 수 있다.

이 외에도 경제적으로 현 시장점유율 유지 시 연간 10조 원 수준의 국익을 창출하고, 핵심 원천기술 확보에서 플랜트 건설까지 전주기 토탈 솔루션 역량을 쌓아 세계 담수기술의 선도적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

사회적 기대효과로는 국내 수자원의 다양하고 안정적인 확보로 기후변화에 대처할 수 있다는 점, R&D 분야 확대로 12만여 명의 일자리 창출이 가능해졌다는 점 등이 있다.

나아가 해수담수화 산업은 고부가가치 기술로서 세계적인 국가브랜드 가치를 상승시키고, 이산화탄소세 도입 등의 국제적인 규제에 대한 적극적 대처방안을 마련할 발판이 될 것으로 관심을 모은다.

[『워터저널』 2015년 3월호에 게재]