해수담수화 플랜트 건설용 고효율
대용량 고압펌프 및 에너지 회수장치 개발
"해수담수화 연구는 바다의 오아시스를 만든느 것이다"
[연구진 인터뷰]
● ‘해수담수화’는 바닷물을 식수로 만드는 기술로 흔히 알고 있다. 이번 연구에 대해 소개한다면?
전 세계적으로 식수로 쓸 수 있는 물은 줄어들어 물 부족현상이 우려된다. 물부족현상을 해소하기 위한 방법의 하나가 바로 ‘해수담수화’이다. 이에 전 세계적으로 ‘역삼투 방식’의 ‘해수담수화플랜트’ 건설이 증가하고 있으며 더불어 고압펌프의 수요도 꾸준히 증가 추세에 있다. 고압펌프의 경우 역삼투 해수담수화플랜트 전체 소비 동력의 80%를 차지하기 때문에 플랜트 경쟁력과 직접적으로 연결되며 저소음, 친환경성, 고신뢰성 등이 요구된다. 더불어 해수담수화 과정에서 낭비되는 농축수의 압력에너지를 회수하는 에너지회수장치를 통해 고압펌프의 소비동력을 감소시킬 필요가 있다. 따라서 이러한 역삼투압 방식의
해수담수화플랜트 핵심기기인 ‘저에너지·고효율 대용량 고압펌프 및 에너지 회수장치’의 설계와 제작을 완료하고 성능시험만을 남겨 두고 있다.
● 미래에는 물 부족이 큰 문제가 될 것으로 예측되고 있다. 이 연구를 통해 달라지게 되는 점은 무엇인가?
물은 모든 생물이 살아가는데 필요한 첫 번째 조건이다. 물 부족현상은 머지 않아 전세계인이 당면할 가장 큰 문제 중의 하나로 인식되어야 한다. 국제 보고에 따르면 2025년 세계 인구의 38%인 30억 명, 전체 국가의 20%가 심각한 물부족을 겪을 것으로 전망된다. 이에 지구 물 자원의 97%를 차지하는 해수를 이용하는 ‘해수담수화기술’의 공유 및 활용으로 세계인의 물 걱정을 해소할 수 있으며, 국제사회 협력의 촉매제로서의 역할을 담당할 것이라 생각한다.
● 물은 생명과 직결된 문제인 만큼 세계적인 주목이 예상된다. 앞으로 계획은 어떠한가?
전 세계적으로 친환경, 신재생에너지 기술이 부각됨에 따라 물 분야에서 기술의 변화가 과거와는 비교할 수 없이 급변하고 있으며, 관련 국내외 기업 모두가 신기술 확보에 사활을 거는 등 경쟁이 더욱 치열해지고 있다. 이에 경쟁의 우위를 차지하기 위하여 해수담수화플랜트 핵심 기기인 고압펌프의 고효율 대용량(8MIGD, 36,000톤/일)을 개발했으며, 부산 기장에 건설 중인 테스트 베드에 설치하여 신뢰성 평가를 진행할 계획이다. 이러한 새로운 시도로 차별화된 경쟁력을 확보함으로써 미국, 유럽, 일본 등이 선점하고 있는 세계 해수담수화 시장에서 후발주자로서 한계를 극복하고 세계가 주목하는 새로운 강자로 등장할
것으로 기대하고 있다.
지구 전체의 물 구성은 바닷물이 97%, 빙하 2%, 기타 1%이며, 인류가 식수 및 생활용수로 사용할 수 있는 강이나 호수의 물은 그 비율이 0.008% 정도에 지나지 않는다. 전 세계 60억 인구 중에서 40%는 충분한 양의 물을 얻지 못하는 지역에 살고 있고, 2025년에는 물 부족으로 고통받는 사람들의 비율이 70%로 늘어날 것으로 예상된다. 해수담수화 기술은 이러한 물 부족현상을 해소하기 위해 물자원의 대부분을 차지하는 바닷물을 담수화 하여 식수를 비롯한 생활용수로 사용하기 위한 기술이다.
1960년대에 들어서 바닷물을 증발시켜 담수를 얻는 증발식 해수담수화플랜트가 상용화 되었지만, 에너지 소모량이 많아 생산수의 생산단가가 비싸지고, 대부분 화석 연료를 이용하기 때문에 지구 온난화를 가속화시키는 단점을 가졌다. 1990년대 이후 에너지 절감이나 환경적인 측면을 감안해 기존의 증발법보다 역삼투압법을 이용한 해수담수화플랜트의 건설이 증가되고 있는 추세이다.
삼투압 현상은 용질은 통과시키지 못하고 용매(물)만 통과시키는 반투과성 막을 사이에 두고 농도가 서로 다른 용액이 있을 때, 농도가 낮은 용액의 용매가 농도가 높은 용액 쪽으로 이동하는 현상을 말한다. 역삼투압법은 삼투압 현상을 응용한 것으로 해수에 삼투압 이상의 압력을 가해 바닷물에 녹아 있는 소금, 전해질 등을 제거하여 순수한 물을 얻는 방법이다.
최근 전 세계 담수시장의 성장과 더불어 국내에서도 해수담수화와 관련한 사업을 적극적으로 추진하고 있다. 이 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 최근 수요가 늘어나고 있는 역삼투압법의 대용량 플랜트 기술을 확립해야 한다. 이를 위해서는 역삼투식 해수담수화플랜트의 전체 소요 동력 중 80% 정도를 차지하고 있는 해수담수화용 고압펌프의 대형화, 고효율화가 필요하다. 또한 해수담수화 공정에서 막을 통과하지 못하고 배출되는 염도가 매우 높은 농축수로부터 압력에너지를 회수하여 재사용함으로써 플랜트의 소비동력을 대폭 절감시키는 고효율 에너지회수장치의 개발도 필요하다.
현재 사용되고 있는 고효율 대용량 고압펌프의 주요 기술문제는 마찰로 인한 마모와 해수에 의한 부식이 주요부품에 자주 발생한다는 것이다. 따라서 이런 주요부품의 내마모성 및 내부식성을 향상시킴으로써 펌프의 수명과 부품교체 기간을 연장시켜 제품을 고급화시키고 관리비용을 절감할 필요가 있다.
이런 배경에 따라 한국건설교통기술평가원은 해수담수화플랜트 사업의 국가경쟁력 강화 일환으로 플랜트기술고도화사업을 추진 중이며, 역삼투식 해수담수화플랜트 핵심기자재인 고압펌프와 에너지회수장치 개발을 진행하고 있다. 최근에는 효율성을 높여 에너지 절감 효과를 증진시키며, 막에 대한 영향을 최소화하고, 해수에 대한 내부식성이 우수한 고압펌프의 연구가 진행 중이다. 또한 버려지는 고압 농축수의 압력에너지 중 95% 이상을 회수할 수 있는 고효율 용적형 에너지회수장치의 개발을 진행하고 있다.
고압펌프와 에너지회수장치를 자체 개발하기 위해 먼저 기초자료와 경쟁사 제품을 조사하고 분석했다. 펌프 및 해수담수화설비 전문 업체인 효성굿스프링스(주)에서 펌프 설계 및 제작에 10년 이상의 경험을 보유하고 있는 전문가 10여 명과 보조 연구 입력이 투입됐다. 해수담수화용 고효율 대용량 고압펌프의 내부식성, 내마모성 향상을 위해 레이저표면처리기술을 응용하였는데, 이는 레이저 가공분야의 전문가인 광주과학기술원 정성호 교수 연구팀에 위탁해 연구를 수행했다. 고효율 용적형 에너지회수장치개발은 효성굿스프링스(주) 연구팀과 한국기계연구원의 박상진 박사 연구팀이 담당했다.
현재까지 진행된 연구개발을 통해 축적된 기술로 이란 국영기업에 생산용량 일당 17,000톤인 해수담수화플랜트용 고효율 대용량 고압펌프를 국내 최초로 수출하기에 이르렀으며, 에너지회수장치는 소형 모델시험에서 효율 97% 이상의 고효율을 실현하였으며 최근에는 대형화를 위해 계속해서 연구가 진행 중이다. 이 연구를 통해 해수담수화플랜트의 핵심 기기인 고압펌프와 에너지회수장치를 국산화 개발함으로써 현재 미국, 유럽, 일본 등이 선점하고 있는 세계 해수담수화 시장에서 우리나라의 플랜트산업 경쟁력을 높여 나갈 것으로 기대된다.
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