| 3차년도 |
1) 파일럿 플랜트의 실제 현장 운전을 수행하여 성능평가 및 적용성 평가를 통한 문제점 및 개선방안 도출2) 프로토타입 다층박막광흡수발열소재 이용 막증류 정수처리 시스템 파일럿 플랜트 운전을 통한 경제성 분석 및 사업화 기반 구축 3) 태양에너지를 이용한 발열 특성 평가 및 이를 통한 광흡수 특성과의 상관관계 규명을 통해 최적 구조 도출
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1) 파일럿 플랜트의 실제 현장 운전을 수행하여 성능평가 및 적용성 평가를 통한 문제점 및 개선방안 도출- 막증류의 장점을 가질 수 있는 수원(원수수질이 나쁜 특화 지역 및 일반정수처리 공정의 대체 불가 지역 등)을 대상으로 제반여건 등을 고려하여 선정, 평가 검토하여 정수처리 시스템 플랜트를 설치 운영한다.- 개발된 막증류 스텍 및 태양에너지 집열기의 수류 흐름 및 열전달 등에 대한 시뮬레이션을 통한 최적 운전조건을 도출하여 막증류 정수처리 시스템에 적용한다.- 현장 연속운전 실험을 수행하며 전체시스템의 정수생산량, 태양에너지 흡수율, 처리수 수질 등을 모두 분석한다. 또한 집열기의 시간에 따른 태양에너지 흡수량의 생산율을 모니터링하여 기존 집열기 대비 개발된 집열기의 경제성을 검토하며, 전체 파일럿 플랜트의 분석 결과를 바탕으로 전체 시스템의 경제성 및 사업성 분석을 수행하여 실용화 및 상용화에 필요한 정보를 확보한다. - 태양열의 일사조건에 따른 파일럿 운전을 통하여 태양열 일사량이 최적인 5월 및 여름철을 포함한 계절별 일사조건 변화에 따른 운전성능을 파악하고 파일럿 플팬트 막증류 정수처리 시스템의 최적운전 조건을 도출한다.- 연속적인 파일럿 운전을 통하여 다양한 원수 적용과 현장 조건의 변화가 정수효율 및 정수생산에 미치는 실질적인 영향을 파악하고 이를 토대로 시스템의 운전 및 유지관리의 효율적 운영을 위한 개선점을 도출함으로써 다중수원에 대한 현장 적용성이 향상된 기술을 확보하여 전체적인 시스템 운전을 검증을 통하여 향후 사업화 추진방안을 마련한다. - 실제 원수를 대상으로 현장 파일럿 운전 시 처리수의 먹는물 수질기준 만족 여부를 확인하며, 공인시험기관에 수질분석을 의뢰하여 공인성적서를 통한 연구결과 신뢰성을 확보한다.- 현장연속 운전결과를 토대로 실규모로의 스케일업을 위하여 고려가 필요한 시스템 설계 및 운전인자들을 파악하고 스케일업 파라메터를 확정하며, 이를 토대로 소규모 마을 수도시설로서의 처리대상 수질, 목표, 규모 등을 제시하여 시스템의 타겟을 구체적으로 설정하며 이를 향후 상용화 시스템 설계에 반영한다.- 연구성과의 질적 분석이 포함된 성과분석 보고서를 작성하며, 연구개발을 통해 확보한 원천기술의 사업화를 위해 실증플랜트 구축 및 운영 방안 등이 포함된 후속과제 사전기획보고서 등 후속 상용화과제 세부계획을 마련한다.2) 프로토타입 다층박막광흡수발열소재 이용 막증류 정수처리 시스템 파일럿 플랜트 운전을 통한 경제성 분석 및 사업화 기반 구축 - 응집침전을 포함한 전처리 공정은 MD 공정의 효율화 및 유지관리에 유리한 공정으로 최적화하며 전체 시스템에 최적화된 운전기술을 확보 한다. - 주관기관인 한국과학기술연구원과 공동으로 연속적인 파일럿 플랜트 운전을 수행하며 다양하게 일어나는 현장 조건의 변화에 따른 영향을 파악하고 개선을 시도함으로써 현장조건변화에 대처 가능한 운전방안을 확보하며, 경제성 분석과 함께 추후 상용화를 위한 기술적 노하우를 확보한다.3) 태양에너지를 이용한 발열 특성 평가 및 이를 통한 광흡수 특성과의 상관관계 규명을 통해 최적 구조 도출 - 2차년도에 개발된 흡수체를 집열기에 적용하여 실제 태양에너지를 이용한 발열 특성을 평가하고, 태양 에너지 대비 열 변환 효율을 계산한다. 이를 통해 광흡수 특성과의 상관관계를 규명하여 열 손실의 발생 여부 및 그 원인을 규명한다. - 넓은 파장영역에서의 높은 광흡수를 위해 금속/유전체의 변수(소재, 두께 등)을 최적화하여 최종 흡수체 제작 공정에 반영한다.4) 열적 안정성 및 내구성 평가를 통해 문제점 파악 및 개선- 태양열 흡수체의 열처리 온도 및 시간 조건을 통하여 열적 안정성을 평가하고, 이에 개선점을 모색한다.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
- 본 연구를 통하여 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술이 성공적으로 개발되면 재생에너지인 태양에너지를 이용하는 정수처리기술로서 에너지를 다량 소비하는 기존의 정수처리 시스템을 대체하는 차세대 에너지자립형 정수처리기술로서 다양한 응용이 가능한 미래원천기술을 확보할 수 있다.- 본 연구를 통한 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 원천기술을 확보는 국내 고도 수처리 기술 위상의 제고 및 선진기술 수준과의 격차 해소 및 물 관련 세계시장의 글로벌화에의 대비가 가능하며, 개발된 요소기술과 시스템화기술을 바탕으로 해수담수화, 물재이용을 위한 기술로 개량이 가능하므로 전반적인 물산업 분야의 경쟁력 제고에도 큰 이바지를 할 것으로 기대된다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
- GWI의 예측에 따르면 세계 물시장 규모는 2007년 3,620억 달러에서 2025년까지 8,650억 달러 규모로 성장할 것으로 예측하고 있으며 그중 상수도 분야만도 3,880억 달러로 연평균 4.6%의 성장세가 예상되고 있어 기술의 시장성은 상당히 큰 것으로 예측되고 있다.- 특히, 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술은 에너지 자립이 가능한 소규모 분산형 용수공급 시스템을 타겟으로 개발되므로 적용대상이 도서지역, 산간지역, 고립지역의 기존 용수공급망이 닿지 않는 지역의 마을상수도 등으로 기존의 정수시스템과는 차별화된 시장을 대상으로 하고 있어 시장전망은 밝을 것으로 예상되며, 특히 중국, 몽골, 동남아, 남미, 중동, 아프리카 등 상수도 보급율이 높지 않은 국가의 부락단위 용수공급 시스템으로서 해외시장 개척도 가능할 것으로 판단된다.- 본 기술은 신재생에너지인 태양열을 이용하게 되므로 용수생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있으며, 태양열 집열 장치 및 신재생에너지 관련 산업의 발전에도 기여할 것으로 예측된다. - 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술은 다양한 수원을 이용할 수 있는 분산형 용수공급 기술로 기후변화에 따른 지역적 수자원 부족 문제를 해결하는 솔루션을 제공함으로써 안정적인 용수공급과 그에 따른 국민의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.- 또한 본 기술은 신재생에너지인 태양열을 이용하게 되므로 용수생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어 글로벌 기후변화에 대비한 온실가스 저감에도 중요한 역할이 기대된다.
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| 활용방안 |
- 본 연구를 통하여 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술이 성공적으로 개발되면 재생에너지인 태양에너지를 이용하는 정수처리기술로서 에너지를 다량 소비하는 기존의 정수처리 시스템을 대체하는 차세대 에너지자립형 정수처리기술로서 다양한 응용이 가능한 미래원천기술을 확보하는 것이다.- 본 연구를 통하여 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술의 초기단계의 상용화 기술을 확보할 수 있을 것이며, 이를 참여기업에 기술이전하고 대용량화하고 테스트 배드 적용을 통한 추가적인 실증연구를 진행하여 상용화 기술을 완성한다면 실제 시장에서 충분히 경쟁력을 갖출 것으로 기대된다.- 본 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술은 다양한 수질의 원수에 대해서도 일정 수준 이상의 처리수질을 유지할 수 있으며, 구동을 위한 에너지를 태양으로부터 얻기 때문에 에너지자립이 가능하여 분산형 용수공급 시스템의 핵심기술로 적용이 가능하다. - 국내 상수도 보급률은 98.6%(2014년 기준)로 그 중 2.4%가 마을상수도와 간이상수도의 비율이며 주민 약 170만 명(2012년 기준)이 이러한 방식으로 물을 공급받고 있다. 이에 환경부는 농어촌 지역 상수도 보급률을 2012년 62.2%에서 2017년 80%까지 끌어올리기 위한 계획을 추진하고 있다. 또한 전국의 소규모 수도시설은 모두 1만8천350개소로 이 중 급수인구 500명 이하의 시설은 전체의 약 99% 정도를 차지하는 것으로 조사(2012년 기준)됐으며, 설치된 지 30년 이상 지난 노후시설은 9천여 개소로 전체의 약 50%에 달했다. 따라서 분산형 용수공급 시스템으로서 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술은 농어촌 지역의 상수도 보급률을 향상시키는데 기여할 것으로 기대된다.- 전국의 소규모 수도시설이 취수하는 수원은 대부분이 지하수(83.8%)였으며, 이어 계곡수(14.8%), 용천수(3.0%), 기타 수원(1.4%) 순으로 취수됐다. 형태별로는 비교적 급수인구가 많은 지역에 위치한 마을상수도(44.3%)보다는 100명 미만의 지역에 설치되는 소규모 급수시설(55.7%)이 더 많은 것으로 집계됐다. 그중 수질기준 초과 등 개선 필요시설이 12.5%에 달했으며 그 원인으로는 공정문제가 원인으로 나타난 결과 본 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술을 적용할 경우 소규모 수도시설의 수질개선 효과가 기대된다.- 싱가폴은 1.4백만 톤/일의 요구 수량중 절반가량만이 자국생산 가능하며, 2006년 330백만 달러 2011년 140백만 달러를 투입하였으며, 베트남은 폐수처리에 대한 법(2015년)이 실효성을 가지게 되면서 수처리 프로젝트(23개)가 시작되었고 2018년 600백만 달러 정도의 규모를 가질 것으로 예측된다. 필리핀은 인구가 급속도로 증가하고 있으나 43%만이 개인 거주지역에 상수도가 연결되어 있으며, 지방의 경우 상수도 보급률은 25% 정도에 불과하다. 이에 매년 물공급 관련 장비 및 서비스업의 성장이 5%씩 성장하고 있어, 본 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술이 적용 가능성이 충분히 있으며 동남아시아로의 시장개척도 가능할 것으로 판단된다. - 또한 중동은 연평균 6.8%의 경제성장률을 보이고 있으며, 이지역의 가용 수자원의 양은 1,700m3/인/일로 타지역인 7,000 m3/인/일에 비하여 턱없이 낮은 양을 나타내고 있다. 반면 중동 및 아프리카의 인구의 44%는 외곽지역에 분포되어 있으며 정수처리에 대한 요구조차 모르는 실정이므로 중동 및 아프리카로 본 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술이 적용가능 할 것으로 기대된다.- 따라서 분산형 용수공급 시스템으로서 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술은 도서지역, 산간지역, 고립지역의 기존 용수공급망이 닿지 않는 지역의 마을상수도와 같은 소규모 용수공급시스템으로서 적용성이 매우 높으며, 중국, 동남아, 남미, 중동, 아프리카 등 상수도 보급율이 높지 않은 국가의 부락단위 용수공급 시스템으로서 해외시장 개척도 가능할 것으로 판단된다.- 이동형으로 개발되는 경우에는 재해재난시의 비상급수시스템으로서의 역할도 가능하며, 이동이 잦은 군부대 특성상 군용의 임시 주둔지 용수공급시스템으로 중요한 활용이 기대되며, 해외파병 시 주둔지 용수공급시스템으로 적용가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.- 본 태양열 막증류 시스템(Solar-MD) 기술을 추가연구를 통하여 해수담수화용으로 개량하는 경우에는 중동, 북아프리카 지역의 해수담수화 플랜트로서의 적용 가능성도 매우 높을 것으로 판단되며, 선박용의 해수담수화 용수공급 시설로도 응용가능 할 것으로 기대 된다.- 또한 개량연구를 통하여 식품폐수, 주정폐수 등의 고농도 유기성 폐수처리 및 축산분뇨, 음식물폐수 등 폐자원 에너지화 기술로서도 응용이 가능하며, 오수처리 및 폐자원 에너지화 시스템 기술로 개도국 등에 기술 수출을 통하여 해외시장 진출도 기대된다.
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