설비 고급화·시스템 효율 극대화로 경쟁력 확보

수자원 부족한 중동·아프리카·동남아·중국 중심 해외 진출 확대 중
셰일가스 용수처리 위한 이동식·모듈형 패키지 엔지니어링 기술 개발

Part 05. 해수담수화 산업 및 기술개발 현황

산업화·도시화로 물 수요 증가

지구 온난화, 환경오염, 산업화, 인구증가 등의 요인으로 수자원 고갈이 전 세계적으로 심화되고 있다. 또한, 도시화와 산업화가 진행되면서 산업화 지역에서 물 사용량이 급격하게 증가하는 추세이다. 이에 산업화 지역의 증가하는 물 수요를 맞추기 위해 물 공급 기술 및 산업이 발달하면서 환경오염과 지구온난화보다 산업화 및 도시화가 주목받는다.

2025년경에는 세계 인구의 1/3이 절대적 물 부족 지역에 거주하고, 2/3가 물 기근을 겪을 것으로 전망된다. 특히, 2020년에는 북아프리카, 중동, 인도, 동남아시아, 북중국 지역 등에 물이 부족하거나 물 부족으로 갈등이 발생할 것으로 전망되고 있다.

이 지역의 대부분은 개발도상국으로 현재 경제발전이 급속도로 나타나는 중이다. 적도 부근의 중앙지역대로 기후상 물이 부족한 측면도 있지만 도시화, 산업화가 되면서 물 수요가 급격히 증가하는 추세이다. 

해수담수화 통해 수자원 확보

한편, 북아프리카와 중동 지역의 물 수요가 증가하면서 우리나라 플랜트 기업의 진출이 활발히 이루어지고 있다. 산업적 측면에서 봤을 때 이러한 물수요 증가는 우리기업이 진출할 수 있는 조건과 공간을 갖춰 미리 준비한다면 해외 진출의 기회가 확대될 것으로 전망한다.

세계 수자원 분포는 해수 97.5％, 담수 2.5％로 사용할 수 있는 담수의 비중이 낮아 해수를 이용해야 하는 상황이다. 이에 물부족 문제의 해결방안으로 해수담수화가 중요한 방안으로 주목받고 있다. 해수담수화는 해수에서 염분과 미네랄을 제거해 담수를 생산하는 과정으로, 제거한 미네랄을 자원으로 재활용하는 하이브리드 형태를 기업들이 선호하고 있다. 

서비스 분야, 산업 역량 강화 필요

세계 물시장은 2010년 기준 588조 원으로, 산업용수 5.7％, 생수 12.2％, 사용처 시설 3.1％, 관개용수 시설 2.1％, 공공시설 76.9％로 구성된다. 공공시설 부문은 대부분 상하수도 시설로 물 시장에서 차지하는 비중이 높다. 때문에 세계적으로 물산업은 상하수도 산업 및 생수 산업에 통용되어 쓰이는 경우가 많다. 한편, 산업용수 산업에서는 초정수나 미네랄이 함유된 물 등 특수처리된 물이 필요하므로 더 발달된 조성과정이 요구된다.

▲ 물시장에서 상하수도 산업이 차지하는 비중이 높아 세계적으로 물산업은 상하수도 산업 및 생수 산업에 통용되어 쓰이는 경우가 많다. 사진은 서울 영등포정수장 고도정수처리시설.

세계 물산업 시장은 지금까지 주력산업이었던 조선, 반도체, 자동차시장에 비해 커졌지만 한국의 물산업 비중은 아직까지 낮은 편이다. 유럽은 상하수도 중심으로 물산업이 100년 동안 성장해온 지역으로 선도기업들이 유럽과 미국에 다수 포진해 있다. 싱가포르는 전통적인 인프라 기반과 상하수도 기반이 오래되지 않았지만 국가적 차원에서 물산업을 육성해 성장한 나라로 우리나라가 벤치마킹 해야 하는 국가로 주목받고 있다.

한국은 두산중공업의 해수담수화 플랜트 수출과 함께 웅진, 효성, 코오롱 등의 상하수도 설비 개선사업 노하우를 바탕으로 해외로 진출하고 있다. 설비 고급화, 시스템 효율 극대화로 경쟁력을 확보해 지역적으로 수자원이 부족한 중동, 아프리카, 동남아, 중국 등을 중심으로 진출을 확대 중이다.

현재 물산업 시장은 산업부가 추진하고 있는 기자재, 기술개발과 같은 제조업 분야가 아니라 상수도 공급, 하수처리, 위탁운영 등 서비스 분야에서 두각을 나타내고 있다. 이에 물산업을 일개부처가 담당하는 것에서 벗어나 환경부, 국토교통부 등 여러 부처가 협력해 복합적으로 산업역량을 강화시키는 것이 중요해지는 실정이다.

하이브리드 기술…에너지 소비 절감

대표적인 해수담수화 기술로는 증발식(MSF)과 역삼투(SWRO)식이 있다. 증발식은 해수를 끓여서 나오는 수증기를 채취하는 방식이고, 역삼투식은 삼투를 역방향으로 압력을 가해 담수를 끌어내는 방식이다. 최근 이러한 담수화 기술의 트렌드는 에너지를 낮추는 방향으로 발전하고 있다.

낮은 에너지로 담수를 만들기 위해 증발식보다 막을 이용하는 역삼투식으로 발전하고 있으며, 역삼투 분리막을 이용해 단위 생산량당 에너지 소비량을 줄이고 있다.

하지만 역삼투식의 운전비용 중 에너지 비용이 차지하는 비중은 60％로 아직까지도 에너지가 많은 비중을 차지한다. 이에 고효율 고압펌프, 에너지 회수장치 설치를 통해 에너지 효율을 향상시키고 물 생산에 사용되는 에너지를 기술적 한계인 4㎾h/㎥ 까지 낮췄다.

나아가 에너지 소비를 절감하기 위해 제3세대 하이브리드 기술이 떠오르고 있다. 하이브리드 기술은 증발식(MD)과 역삼투식(RO)의 다음 세대 기술로, 정삼투(FO)와 역삼투를 같이 순환해서 사용하거나 FO-RO, RO-PRO(염분차 발전), RO-태양열 발전 등 여러 가지 기술을 접목시켜 해수담수화 기술의 에너지 효율성을 높이고 에너지를 절감하는 방식으로 발전하는 중이다.

▲ 한국은 두산중공업의 해수담수화 플랜트 수출과 함께 웅진, 효성, 코오롱 등의 상하수도 설비 개선사업 노하우를 바탕으로 해외로 진출하고 있다. 사진은 두산중공업이 제작한 해수담수화 시설 증발기를 선박을 이용하여 중동지역으로 옮기고 있는 모습.

염분차 발전 이용해 전력 생산

역삼투식이 압력을 가해 해수에서 담수를 뽑아내는 방식이었다면, 정삼투식은 해수보다 염분농도가 높은 유도용액을 사용해 압력차가 아닌 농도차를 이용하는 방식이다.

역삼투식처럼 압력을 가하지 않고 삼투현상에 의한 자연적인 흐름을 이용하기 때문에 에너지 소비가 적다. 또한, 이상적인 막 개발 시 회수율이 70％ 이상이며, 농축수 배출이 적어 환경오염을 줄일 수 있다는 장점도 갖췄다.

염분차 발전은 삼투현상에 의한 물의 흐름을 이용한 발전으로 터빈이나 프로펠러를 사용해 터빈을 다시 회전시키는 방식이다. 발전으로 PRO막 면적당 5W/㎡ 이상의 전력을 생산하며, RO 농축수를 활용해 발전효율을 향상시킬 수 있다.

염분차 발전은 그 자체로 높은 전력을 생산하기보다 해수담수화 플랜트에 설치해 운영에 필요한 전력을 공급할 때 사용되고 있다. 자체적으로 전력을 생산하므로 하이브리드에 많이 사용되며, 농축수로 인한 환경오염을 감소시켜 긍정적인 평가를 받고 있다.

셰일가스 용수처리 기술에 주목

산업부는 올해 R&BD 전략을 수립했다. R&BD 전략은 매년 여름부터 하반기에 걸쳐 중장기 기술 개발 계획을 수립하고 여기서 나온 기술을 바탕으로 6대 과제를 선정해 기획한다. 이번 전략의 핵심 테마는 셰일가스 용수처리 플랜트 엔지니어링 기술과 시장수요 맞춤형 첨단 수자원 복합 플랜트 기술이다.

셰일가스 용수처리 기술 개발은 셰일가스 수압 파쇄에서 발생하는 폐수를 처리하고 생산수의 탈염공정 기술 개발을 주목하고 있다. 또한 플랜트 엔지니어링 핵심기술 개발사업을 통해 용수처리를 위한 이동식, 모듈형 패키지 엔지니어링 기술을 개발 중이다.

덧붙여, 산업별 맞춤형 초순수 제조공정 설계 기술을 개발하기 위해 2015년 신규과제 추진을 기획하고 있으며, 재해재난 대비 비상 용수 공급을 위한 모듈형 수자원 플랜트 기술 개발을 2016년 과제로 추진할 예정이다.    

염분·미네랄 재처리…자원화

한편, 각 기업은 역삼투식에서 다음 단계로 발전하기 위해 노력 중이며, 현재 추진하고 있는 기술개발 과제로 정삼투식 발전이나 역삼투식에서 발생하는 고농도의 염분과 미네랄 오염물질을 최대한 줄이는 담수화 기술을 개발하고 있다.

이에 따라 개발된 정삼투식 해수담수화 플랜트는 유도용액을 이용해 농도차로 담수를 뽑아내고 희석된 농도가 비슷해지면 역삼투막를 통해 다시 담수를 끌어내는 방식으로 담수를 생산하는 데 필요한 에너지를 15％ 절감할 수 있다.

또한, 무방류 지향형 하이브리드 담수화 기술은 담수공정의 부산물인 고농축 염분과 미네랄을 방류 처리하는 대신 재처리해 자원화하고 분리막, 전기투석 및 증발 농축공정과 결합한 회수율 80% 이상의 해수담수화 공정이다.

가스 수처리 시장 2018년 급성장

▲ 2018년 셰일가스 등 오일·가스 수처리 설비 시장 규모는 3조6천억 원으로 성장할 것으로 전망되며, 시장에 빠르게 진출하기 위해 고염분 성분의 폐수처리를 위한 탈염 수처리 기술이 필요하다.

마지막으로 하이브리드 수처리 기술은 셰일가스 수압파쇄에서 발생하는 폐수를 재이용하고 생산수를 처리하는 기술이다. 셰일가스는 기본적으로 물을 이용하는 산업이며, 수요가 증가하면서 수처리 기술도 함께 주목받는 추세이다.

2018년 셰일가스 등 오일·가스 수처리 설비 시장 규모는 3조6천억 원으로 성장할 것으로 전망되며, 시장에 빠르게 진출하기 위해 고염분 성분의 폐수처리를 위한 탈염 수처리 기술이 필요하다. 이에 산업부는 정삼투(FO), 막증발(MD), 막 결정화(MCr) 기술을 접목한 하이브리드 수처리 기술 개발에 주력하고 있다.

 [『워터저널』 2015년 3월호에 게재]