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공기로부터 물 얻는 획기적 기술 개발
공기로부터 물 얻는 획기적 기술 개발
2014년 05월 07일 (수) 13:31:00 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr


공기로부터 물 얻는 획기적 기술 개발 


네덜란드 Dutch Rainmaker사, 쿠웨이트 Um Al Himam에 파일럿 설치
저렴한 가격에 열악한 기후조건에도 적용 가능…상용화시키는 것이 관건

지난해 9월 네덜란드 소재 Dutch Rainmaker사는 쿠웨이트 Um Al Himam 지역에 공기에서 물을 얻는(water from air) 기술을 사용한 파일럿 시스템을 설치했다고 밝혔다. 새로운 기술의 작동원리와 기술 도입에 따른 문제점 그리고 중동 및 타 지역에서 설치·운영되기 위한 향후 전망 등을 발표했다.

Dutch Rainmaker의 사업개발 매니저는 “이번 파일럿 시스템의 설치 목적은 쿠웨이트의 열악한 기후조건에서 적용가능성을 평가하는 것”이라고 설명했다. 이미 쿠웨이트 지역 소규모 시스템에서 성공적으로 공기로부터 물이 생산되는 것을 확인했다. 쿠웨이트의 환경보호국(KEPA)은 국가 ‘Green Wall Project’에 이 기술사용을 고려하고 있다. ‘Green Wall Project’는 1차적으로 쿠웨이트 국경을 따라 31만5천 그루의 나무를 식재하며 향후 10년간 국경 경계선을 따라 420㎞ 정도 연장하는 프로젝트다.

   
▲ 네덜란드 소재 Dutch Rainmaker사는 쿠웨이트UM AL HIMAM 지역에 '공기에서 물을 얻는(water from air) 기술'을 사용한 파일럿 시스템을 설치했다.

Dutch Rainmaker의 기술은 풍력 터빈의 회전용 블레이드로 발생되는 기계적 에너지를 변환시켜 thermal 에너지 발생으로 작동된다. 이러한 고효율의 변환 과정은 특허기술인 direct-drive 형식의 터빈에 의해 이루어진다. 열원(heat)을 발생시키기 위한 컴프레셔(compressor)가 사용되고 발생되는 heat는 대량으로 유입되는 공기를 냉각(cool down)하는데 사용되며 이때 남아있는 air는 배출구(vent)로 배출된다.

공기가 냉각될 때 용적(㎥)당 보유하고 있던 물의 양이 감소하고 남아 있는 물은 응축된다. 비가 발생되는 원리와 유사한 개념으로 이런 과정은 모두 Dutch Rainmaker 내부에서 이루어지고 발생되는 물을 모두 손실 없이 사용 가능하여 물 자원의 활용성이 높다.

회사는 쿠웨이트의 파일럿 프로젝트 수행 외에 네덜란드 Leeuwarden지역에서도 파일럿 플랜트를 운영 중이며, 이 두 곳의 플랜트 모두 공기로부터 물 획득이 성공적으로 이루어지고 있다. 이 두 곳의 플랜트는 서로 다른 지정학적 요소와 다른 기후 환경에 위치하고 있기 때문에 이 기술의 광범위한 사용 가능성을 알 수 있다.

In september 2013, a Netherlands based company announced the successful pilot installation and validation of its 'water-from-air' technology at a site in UmAI Himam, Kuwait. So, how exactly does the technology work? What are the challenges involved in establishing it? And what are the prospects for rolling it out across the Middle East and elsewhere?

As Wouter van Rooijen, business development manager at Dutch Rainmaker explains, the chief objective of the pilot installation is to validate the technology in the “diffcult conditions of the Kuwaiti climate”. The facility has already successfully produced water out of air at the site-and the Kuwaiti Environmental Protection Agency (KEPA) intends to use it to supply its ‘green wall’ project, an ongoing government-backed scheme, which aims to plant 315,000 trees along the borders of Kuwait along a 420km stretch within the next ten years. The Dutch Rainmaker technology works by converting the mechanical energy of the rotating blades on a turbine to produce thermal energy.

According to van Rooijen, this ‘highly effcient’ conversion process is applied via a patented ‘direct-drive’ turbine, which uses compressors that generate heat. This heat is then used to cool down large amounts of incoming air, which is displaced by using vents.“When air is cooled down it diminishes the capacity of water it can hold per cubic metre. This excess fashion as it would when it starts to rain.of water then condenses, in a similar Because this process takes place inside the Dutch Rainmaker installation it can ‘catch’ all of this water and use it as a resource,” he adds.

In addition to the Kuwaiti installation, the company also operates a pilot plant at Leeuwarden in the Netherlands. Van Rooijen reveals that both facilities have successfully produced water out of air. In his view, the fact that the two facilities are located at sites with ‘very dissimilar’ topographical and climatic conditions, serves as a validation of the technology-and suggests that it is viable “for all locations with conditions that lie between these two extremes”.

상업화된 규모의 기술(Technology at scale)

영국 수처리 전문사인 Thames Water사이며 Dutch Rainmaker의 이사회 멤버인 Piers Clark는 “이러한 혁명적인 기술 아이디어는 실제 현장의 성능 검증을 통하여 입증됐다. 이 기술은 전혀 새로운 독창적인 기술이 아니며 우리는 여름철 에어컨 장치에서 이 기술의 가능성을 볼 수 있다.

그러나 Dutch Rainmaker의 가장 큰 특징은 이를 대규모화(scale up) 한 최초의 경우이며 안정적인 비용절감 효과(cost benefit)를 얻을 수 있도록 개발됐다. 그리고 두 곳의 서로 다른 지역에서 각자의 데모용 크기의 설비를 갖고 운전이 되고 있는 점이 Dutch Rainmaker의 장점이다.”라고 설명했다.

For Piers Clark, commercial director at Thames Water Utilities and strategy advisory board member at Dutch Rainmaker, the fact that the innovative idea has also been backed up with examples in the feld provides substantial cause for optimism. “The recovery of drinking water from air is not particularly new-just look at an air conditioning unit and you can water from air.

The stand out featuresee how it is technically possible to get  from Dutch Rainmaker is that they are the frst team to do this at scale, using robust technology, with a clear reliable cost beneft,” he says. “When I frst saw the technology I knew that I was looking at something that had the ability to dramatically change how water is supplied to communities around the world." “The fact that they have not one but two demonstration scale units in two starkly different parts of the world is also very impressive,” he adds.


열악한 현장에 설치 가능(Temote locations)

이 기술은 열악한 현장조건에도 설치가 적합하다. 그 이유는 기존의 에너지 공급설비(energy grid) 혹은 원수공급 인프라 설비(water infrastructure)와 연계가 필요하지 않기 때문이다. 따라서 물을 필요로 하는 지점에 설치가 가능하고, 큰 비용이 들고 환경에 영향을 미칠 수 있는 물의 이송 설비의 투자도 필요하지 않다.

이 기술을 이용한 물 생산은 전 세계 어디에서도 비교적 저렴한 가격으로 생산 가능하고, 먼 거리 이송용으로 사용할수록 노후화되는 송수, 배수관로의 설치 필요성이 줄어들게 된다. 또한, 주위에 저수조나 지하수원이 없는 경우에도 물 생산이 가능한 혁신적인 기술이다.

이러한 기술 수준에도 불구하고 이 장치가 전 세계적으로 확대되기 위하여 몇 가지 문제점이 있다. 일반적으로 물 부족을 겪고 있는 지역은 재정적으로 인프라 구축이 열악한 지역이다. 이러한 지역에 이 장치를 도입하는 것은 경제성 면에서 쉬운 일이 아니다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 하이브리드 형태의 기술을 도입하여 일정한 생산량을 갖는 것이 가능해졌다. 즉, AW75 터빈장치에 의한 Bottling Unit 용도로 설계되어 자체적으로 충분한 양의 채수라인(water bottling line)을 장착하여 하루 7천500L의 물 생산이 가능하다.

Dutch Rainmaker의 van Rooijen은 장치 설치로 음용수 공급용과 농업용의 관개용수로 충분한 양의 물 생산으로 중동의 여러 지역에서는 커다란 이득을 얻게 될 것이라고 예상했다. 또한, 그는 최근 남미, 아프리카, 동남아시아 및 호주에서도 이 장치에 대하여 높은 관심을 나타내고 있으며 특히 농촌 지역이나 주민 접근이 쉽지 않은 지역, 날씨가 덥고 습한 지역에서 관심을 보이고 있다고 설명했다.

현재 회사는 물 수요 관점에서 물 생산 용량이 많은 프로젝트 수주에 노력을 기울이고 있다. 또 다른 흥미로운 아이디어는 기존의 풍력 터빈과 혼용되어 에너지 및 물을 자체적으로 충분한 생산량을 확보하기 위해 풍력에너지 단지 내에 AW75기술을 설치하는 것이다. 또한, 관광지로 이용되는 섬 지역에서는 계절별로 물 수요가 변화하는 관계로 물의 수요가 최대로 되는 경우에는 본토로부터 물을 수입하거나 고비용의 기술로 자체 생산시스템을 구축할 필요가 있다. 특히, 이런 경우 시스템의 설치로 커다란 효과를 얻을 수 있다.

Van Rooijen believes that the technology is especially suitable for remote locations-mainly because it does not need to be connected to an existing energy grid or water infrastructure, meaning it can be constructed “in the exact location where water is needed the most”. This also provides an added advantage because it reduces the need for the transportation of water, which he points out is “very costly and environmentally unfriendly”. Clark adds: “Not only does it now mean that water can be produced at the world, it also means that the need for long distance, progressively aging, distribution networks is reduced. With DRM water can be produced locally, even if there is not a reservoir or groundwater source nearby.”

However, in spite of the vast potential of the technology, Van Rooijen admits that a number of challenges remain before it can be deployed at a global level. In particular, he highlights the fact that locations where water scarcity is most pressing often also lack a ‘serious’ fnancial infrastructure - meaning that it is “sometimes diffcult to establish projects at locations where it would add the most value”. In order to help in meeting these challenges the company recently introduced a hybrid version of the technology to guarantee a higher level of consistency in terms of output. It has also devised a Bottling Unit application, which can run alongside the AW75 to create a “self-suffcient water bottling line”.

Looking ahead, van Rooijen is confdent that locations across the Middle East could substantially beneft from the technological possibilities of Dutch Rainmaker “in securing suffcient drinkable water and resources for agricultural purposes”.

Moreover, he confrms that the company has also received high levels of interest from South America, Africa, South East Asia and Australia. “Warm, humid climates with remote or diffcult to reach inhabited areas are specifcally interesting for Dutch Rainmaker to work with,” he says. Currently, the company is focusing its efforts on fnding “specifc projects with a large capacity in terms of waterrequirements”.

Another intriguing possibility is the idea of installing the AW75 technology in wind farms, possibly in combination with existing wind turbines, to create “a completely self-suffcient area in terms of energy and water”. “Perhaps less obvious are the island community opportunities, in particular in tourist areas, where seasonally fuctuating water demands mean that large quantities of potable water often need to be shipped in from mainland sources or produced on-island using very expensive techniques. Dutch Rainmaker can resolve these problems,” says Clark. “There are even some very neat industrial solutions. The water-water DRM unit produces demineralised water which is necessary for many industrial processes and needs to be produced via a fairly costly process from conventional water sources,” he adds

딱정벌레의 연구(BEETLE MANIA)

호주에서는 대기로부터 직접 물이 어떻게 효과적으로 응축되는지에 대한 연구가 진행 중이다. 뉴사우스 웨일스 대학과 시드니 대학의 연구팀들은 공동으로 대기로부터 물을 모으기 위해 마이크로 패턴 형태의 코팅된 표면제 개발을 연구하고 있다.

연구팀 Dr. Stuart Thickett에 따르면 이러한 특성을 가진 표면제를 설계 및 제작하는 데 필요한 기초연구를 시작으로 제품을 대형화(scale up)하여 대규모 크기로 제작하는 과정까지 모든 것을 수행하고 있다고 설명했다.

호주에서는 이 프로젝트를 호주의 물 문제를 해결하기 위한 중요한 프로젝트로 고려하여 추진하고 있다. 연구팀은 남아프리카에 살며 최소한의 지표수 물만으로 생존하는 나미브 사막에서 발견되는 딱정벌레인 stenocara에 의해 기술개발의 영감을 얻었다. 2001년 이 벌레의 비밀이 일부 발견됐다. 이 벌레는 물을 매우 싫어하는 바깥 표면에 물을 좋아하는 친수성 바람주머니로 구성되어 있으며 이러한 표면의 특수구조로 직접 대기 중의 공기로부터 물을 얻을 수 있다.

발견 이후, 전 세계적으로 이러한 현상을 나타내는 자연상의 유사한 물질이나 biomimetic 기술 개발에 대한 많은 연구가 있었다. 초기에는 생산가격이 저렴하고 제조가 용이해 폴리머 코팅재료로 유사한 물질을 연구했다. 이러한 패턴의 표면 개발이 성공한 이유는 지속적으로 응축현상 발생이 가능하며 물의 생산량이 일정하기 때문이다.

남아프리카의 딱정벌레의 경우, 물은 바람주머니에서 응축이 일어나며 바람주머니에서의 표면 기공은 0.5㎜ 정도 수준으로 매우 미세한 물방울이 특정위치에서 발생되고 지속적인 응축으로 그 크기가 표면에 부착될 정도로 커져 굴러 떨어지게 된다. 이후 다시 동일한 과정이 반복적으로 일어나며 최종적으로 저장조 혹은 저장용 베셀에 모아지게 된다.

On the other side of the globe in Australia, a team of academics has also made great strides in researching how water can be effciently collected directly from the atmosphere.

The group, which includes researchers from the University of New South Wales (UNSW) and the University of Sydney, is investigating the preparation of micropatterned surface coatings to collect water from the atmosphere.

According to Dr Stuart Thickett, Vice-Chancellor’s Post-Doctoral Research Fellow at the Centre for Advanced Macromolecular Design (CAMD) at UNSW, the project “covers everything from the fundamental science behind designing and preparing such surfaces, through to scale up and manufacturing of large devices over a metre squared in size”.“We consider the project important due to long-running sustainability issues related to water in Australia, in addition to providing alternatives to the typical centralized water collection and delivery methods in Australia’s major cities,” he says.

The team was initially inspired by the stenocara, a Namib Desert beetle that lives in Southern Africa and survives on minimal surface water. In 2001, the secret to Stenocara’s success was revealed-namely that it possessed an exoskeleton consisting of water-loving hydrophilic bumps on a highly water-repellent background, and it was this unique surface structure that enabled it to collect water directly from the air, via condensation from fog.

Since this discovery, Thickett says there has been a lot of research worldwide into such ‘biomimetic,’ or nature copying, materials in an effort to try and replicate this phenomenon.“We are trying to do the same, in particular with polymer surface coatings as the starting materials, which are particularly cheap, easy to manufacture and can be applied on a variety of surfaces and materials,” he adds. As Thickett explains, the reason why such a patterned surface is so successful is due to “continual condensation and water collection”.

Compared to a fat surface, water can only condense on the bumps, which are approximately 0.5 mm in diameter in the case of a stenocara beetle. In effect, water droplets are ‘pinned’ at these points, but continue to grow via condensation until they are so large that they detach from the surface, and roll off.

“This enables the Stenocara to have a drink, and we would envisage the droplets rolling off into a reservoir or collection vessel.” “Once the water droplets come off the surface, further water can condense, and the process can repeat itself,” the CAMD’s Vice Chancellor’s Post- Doctoral Research Fellow.

   
▲ 공기에서 물을 얻는(water from ari) 기술의 원리.

기술적인 문제점들(Technical challenges)

2011년에 연구팀은 Advanced Material 저널에 연구실 수준에서의 기술 성공 사실을 기술했다. 소수성 폴리머와 친수성 폴리머의 복합구조 패턴의 표면 특성으로 이슬점 온도보다 낮은 온도조건에서 기존 제품보다 더 많은 물을 얻을 수 있었다. 발표 당시, 물을 얻는 비율은 1㎡의 표면에서 시간당 3L 수준으로 측정됐다. 이와 함께 이 팀은 현재 대형화 공정에서 발생할 수 있는 문제점에 대한 연구를 추진하고 있다.

현재 가장 큰 문제점은 실험실 수준의 기술수준을 시장에 도입 가능한 기술수준으로 어떻게 향상시키느냐 하는 점이다. 또한 기존의 표면개질을 저렴한 가격으로 혁신적인 표면 특성을 갖도록 연구 개발하고 아울러 글로벌적인 다양한 설치 환경조건에 적합하도록 재질의 다양성을 연구하는 것이 향후 과제이다.

In 2011, the team published a high impact paper in the journal Advanced Materials, which outlined its initial success in proving that the idea works at the laboratory scale. Using a combination of a waterrepellent polymer and a hydrophilic polymer, they created patterned surfaces that could capture signifcantly more water than corresponding fat flms - an improvement in the range of-when cooled below the dew point. The rate of water collection was measured to be close to three litres of water per hour per square metre of surface.

The team is now devoting its attention to working out how to overcome the technological challenges involved in making the process work at larger scales. As Thickett explains, the main challenge at the moment is how to take a technology that is proven under laboratory conditions and translating it into a “true marketplace technology”. “

The numbers I mention above sound impressive but our materials at the moment are only a few square centimetres in size, and we need to make equivalent surfaces on a much larger scale,” he says. “This will involve alternative techniques to cast and prepare our flms, using cheap and robust substrates, as well as checking the viability of our materials under real-world conditions,”he adds.

[원문출처 = Water & Wastewatewer International(www.wwinternational.com) 2∼3월호 / 번역 = 김덕연 본지 편집위원]

[『워터저널』 2014년 5월호에 게재]

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