Global Issue Technology
“담수화 공정 환경·경제적 문제 대안으로 풍력발전 주목
부유식 풍력기술 접목한 해수담수화 사업 전망 밝아”
담수화·풍력발전 융합 프로젝트 투자비용 높은 반면 운전비용 절감 가능
현장서 직접 풍력발전 접목할 경우 간헐적 정지 대비해 배터리 저장 활용
풍력 이용한 해수담수화 전망
일반적인 재생에너지원으로서의 풍력자원은 담수화 공정에서 탄소배출량 및 전력사용량을 줄이는 강력한 해결책이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 이에 프리랜서이자 리포터인 윌리엄 스틸(William Steel)은 최근 ‘풍력을 이용한 담수화 처리에서 풍력기술과 담수화기술 간의 융합에 대한 현재 상황 및 향후 전망’에 대해 『WWI』에 기고했다. 그 내용을 번역했다. [자료제공·번역 = 김덕연 본지 편집위원]
에너지가 많이 소비되는 해수담수화 공정은 지금까지 주로 화석연료에 의존해 왔다. 현재 전 세계적으로 설치·운영되고 있는 담수화 플랜트에서 연간 7천600만 톤의 이산화탄소가 배출되고 있으며 2040년에는 2억1천800만 톤으로 늘어날 것으로 전망된다.
그러나 이에 대한 해결은 큰 진전이 없어 보인다. 청정에너지 생산에 대한 집중적인 요구와 재생에너지의 기술적 진보가 이뤄졌다 하더라도 청정에너지로 담수화 플랜트의 동력을 제공하는 방법의 타당성 및 합리성은 크게 향상되지 못했다. 이러한 가운데 환경 문제나 기후관련 문제는 고려하지 않더라도 재생에너지가 갖고 있는 경제성 및 전력 생산비용의 효과에 주목해 해수담수화 공정에 이를 사용하는 방향을 지향해야 한다는 사실을 우리는 이미 알고 있다.
담수화 공정은 전력에 의해 동력을 받아 운전되는 기술로 중동국가에 위치한 대형 해수담수화 플랜트는 대부분 가열증발방식에 의해 운전되고 있다. 이러한 전력 및 열원이 청정재생에너지에 의하여 공급된다면 담수화 운전비용을 크게 절감할 수 있다.
재생에너지를 사용하는 방법 중 태양열전지(Solar photovoltaics) 및 풍력(Wind power)발전은 가장 접근이 용이한 방법으로 인식되고 있다. 특히 재생에너지의 선두 위치에 있는 풍력발전은 담수화 공정의 탄소 절감을 위한 가장 확실한 방법이다. 풍력발전에 의한 해수담수화의 경제적 효용은 풍력터빈에 의한 전력 생산이 지정학적 위치에 따라 서로 다르므로 프로젝트별로 상이하다.
그러나 낮은 풍속에서도 운전이 가능하도록 설계된 풍력터빈 개발을 통해 담수화 동력 공급에 유연성을 가지게 되었으며, 3∼4m/초의 바람에도 안정적인 에너지 생산이 가능해 많은 지역으로 사용이 확대되고 있다. 지난 5년 전에도 이미 풍력에 의한 담수화 방식은 다른 담수화 설비와 비교해 가격경쟁력이 있었으며, 현재 이러한 경제성은 더욱 높아졌다.
역삼투(RO) 담수화 기술은 현재 가장 효율성이 우수한 기술로, 물 1㎥당 3.5㎾h/h의 전력을 사용한다. 1개의 7메가와트(㎿)용 풍력터빈 설치로 4만8천㎥/일에 달하는 물을 생산하기 위한 전력을 얻을 수 있다. 이러한 풍력발전이 풍력단지(Wind farm) 형태로 건설되면 수백㎿의 전력을 얻을 수 있으며 이를 통해 엄청난 양의 담수처리된 물의 생산이 가능하다. 또한 기존 화석연료 사용과 비교해도 막대한 경제적 효과를 얻을 수 있다.
As a characteristically energy intensive industry desalination has, historically, relied heavily on fossil fuels. It is estimated that currently installed and operational desalination plants worldwide emit around 76 million tonnes of CO2 per year; an amount expected to grow to around 218 million tons by 2040, according to the Global Clean Water Desalination Alliance(GCWDA).
Change, however, may be on the horizon. With the convergence of heightened calls for clean power production and the advent of technologically advanced renewable energy systems, the feasibility and rationale of powering desalination with clean energy has never been greater.
“Aside from environmental or climate issues, the economics of renewable energy and the costs of power production really suggest that this is the direction desalination should take” Leon Awerbuch, director of the International Desalination Association tells WWi. “In fact, it’s already the direction we see being taken.”
Desalination processes are powered predominantly by electricity; though a majority of large desalination plants in the Middle East Gulf do operate through thermal processes. Both electricity and heat, however, may be supplied through clean, renewable energy - dramatically lowering desalination operating costs.
Of the methods of renewable energy production available, solar photovoltaics and wind power stand out as the most accessible means of powering desalination. Already the leading source of new renewable energy capacity, wind power is an especially promising route for decarbonising desalination.
Precise economic advantages of wind powered desalination will invariably be project specific as wind turbine power generation is highly dependent on geographic location. However, innovations in the form of wind turbines designed for low wind speed operations are useful in the context of powering desalination - allowing for reliable energy production at wind speeds as low as 3 or 4m/s and available in many regions.
Markus Forstmeier, vice president business development, Electrochaea, but previously involved in researching the feasibility of wind powered desalination while working with GE, tells WWi: “As far back as the middle of the last decade we concluded that wind-powered desalination was cost-competitive with other desalination systems. The economics of these systems are even more favourable today thanks to innovations in the wind industry.”
He adds: “Wind power and desalination would seem a natural fit but it’s somewhat fallen between the cracks of the two industries.” Remarking on this potential Awerbuch says: “Consider reverse desalination(RO), which is today the most efficient desalination process, using roughly 3.5㎾/h per cubic meter of water. If you took just a single 7㎿ wind turbine, you have power for producing over 48,000㎥ water per day.” “If you consider some of the wind farms being built today, of hundreds of megawatts in capacity - you could produce a huge amount of water from this, with a cost of energy that fossil fuels cannot compete with.”
풍력 사용의 기회 및 도전
(Opportunities and challenges in wind)
호주 퍼스(Perth)에 위치한 퀴나나(Kwinana) 풍력 해수담수화 플랜트는 14만㎥/일 규모의 역삼투 플랜트로 2006년 운전을 개시했을 당시 80㎿ 용량의 풍력단지로부터 동력이 공급되도록 설계됐다. 이러한 종류의 담수 플랜트로는 최초였다.
그러나 풍력에 의한 전력 공급은 허울일 뿐 국가의 기존 그리드망으로부터 에너지를 공급받는 상황이 발생했다. 즉, 그리드망으로부터 간접적으로 재생에너지가 공급되는 효과를 가져온 것이다. 이처럼 호주에서 대규모 해수담수화 플랜트는 대부분 풍력에너지와 융합된 설비지만, 풍력에너지를 간접적으로 이용하는 현실에 처해 있다. 이에 풍력발전을 직접적으로 이용하는 방법을 모색해야 한다고 많은 전문가들은 주장한다.
직접방식과 간접방식을 비교해 보면, 풍력발전과 담수화를 융합하는 방법에는 프로젝트 융합방식(Project integration)과 프로세스 융합방식(Process integration)의 두 가지가 있다. 프로젝트 융합방식은 호주의 퀴나나 플랜트와 유사한 것으로, 이곳에서의 운전은 담수화에 사용되는 일정한 양의 에너지를 실시간으로 그리드망으로부터 공급받아 이뤄지며 바람이 많은 시간대에 만들어지는 풍력에너지로 전력그리드 발전량의 상쇄가 이루어진다.
즉, 안정적인 전력 그리드망이 확립된 지역에서는 이러한 방식이 기술적으로 타당하고 합리적인 방법으로 인식된다. 그러나 그리드망으로부터 에너지를 공급받는다 하더라도 이는 올바른 대안이 될 수 없으며 현장에서의 재생에너지 직접생산이 유일한 해결책이다. 현장에서의 직접생산은 곧 프로세스 융합방식이다. 이는 그리드망 공급의 접속체계가 없는 담수화 설비와 풍력발전에 의한 에너지 공급을 융합하여 사용하는 방식으로, 풍력에 의한 에너지 생산이 가능한 때에만 담수화 플랜트의 운전이 가능한 경우이다.
Australia’s Kwinana wind powered desalination plant in Perth was a seminal development when it came online in 2006; the first of its kind, it’s a large scale 140,000㎥/day RO plant, touted as powered by an 80㎿ wind farm. But while Kwinana - like the Kurnell desalination plant in Sydney - is on paper powered by wind, it’s actually run off electricity from the national grid. “These plants are purchasing renewable energy certificates to cover their power consumption. In effect, they’re powered by renewables indirectly though the grid,” says Awerbuch.
“If you look at desalination in Australia - every major plant is coupled to wind energy,” says Awerbuch. “These are fantastic examples of indirect use of wind power in desalination plants; but what I'm excited about is finding solutions to use wind power directly.”
Claus Mertes, managing director of desalination consultants DME expands on the direct/indirect distinction; explaining to WWi that there are two methods of coupling wind power and desalination. The first, project integration, is evidenced in Kwinana and Kurnell. “Here operations are designed in such a way that amount of energy used in desalination is grid provided in real time, but is offset (i.e. matched) by wind power generated at some other time,” he says.
“In locations with stable grids, this type of system is very achievable and technically feasible as it allows for stable desalination operations.”However, as Forstmeier observes: “While one could source green energy through the transmission grid, this isn’t always an option, so on-site production of renewable energy is the solution.”
On-site production of renewable energy is what Mertes terms process integration: “This refers to direct coupling between desalination system and wind power; as there’s no grid connection this means that the plant can only operate water when wind power is available.”
융합방식(Integration)
프로세스 융합방식을 해수담수화 플랜트에 적용하는 데에는 몇 가지 제약이 있다. 우선 담수화 플랜트에서 풍력발전의 기술적 측면에 대한 고려 없이 전력을 충분히 공급받을 수 있는지에 대한 불확실성이 있다. 풍력발전을 융합하는 데 있어 피할 수 없는 과제는 에너지 생산이 간헐적으로만 가능하다는 것이다.
담수화 플랜트는 기본적으로 최소 필요전력이 공급되는 상황에서 지속적으로 운전되어야 한다. 이러한 이유로 기존 담수화 플랜트에는 프로젝트 융합방식이 선호되어 왔다. 그러나 프로세스 융합방식에서는 담수화 플랜트의 운전 및 정지가 간헐적으로 발생해야 한다는 문제가 있다. 이러한 문제는 중요한 논쟁의 요소가 되지만 쉽게 해결이 가능하다. 우선 풍력발전만으로 동력이 공급되는 경우 이에 맞게 담수화 시스템에 대한 일부 수정 및 개조가 이루어져야 한다. 즉 실제적으로 발전 시스템과 일치하는 수정 및 개조가 필요하다.
예를 들면 전력공급 장치의 다양한 변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 담수화 전기설비에 주파수변환장치(VSD, Variable Speed Drive) 설치가 필요하며 매우 정교한 운전 컨트롤 정보 시스템(SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition)을 도입해야 한다. 또 이들 시스템의 효과적인 융합을 목적으로 한 효율적인 운전방식 로직(Logic)을 갖추어야 한다.
아울러 풍력발전이 전혀 가능하지 않은 경우 담수화 플랜트의 운전이 중단되는 문제가 있다. 이에 대해서는 두 가지의 해결책이 있다. 그 하나는 담수화 설비용량을 증가시키는 것으로 전력 공급이 가능한 시기에 계획량보다 더 많은 충분한 물을 생산해 저장시키는 것이다. 그러나 저장조를 확장하거나 신설하는 것은 경제성 측면에서 적절하지 않으며 투자비용의 증가를 가져오므로 권장할 만한 해결책은 아니다.
다른 대안으로 풍력발전 용량을 증가시키는 방안이 있다. 담수화 플랜트의 처리 용량은 에너지 발생량보다 적은 용량으로 설계되는 것이 일반적이다. 예를 들면 10개의 풍력터빈에서 발생되는 일부 전력을 담수화 플랜트의 기본 최소 전력량으로 할애 운영하며 나머지 전력은 그리드망에 공급하는 방식이다. 이는 풍력터빈에 의한 이상적인 발생량을 100% 사용으로 설계하는 것이 아니라 담수화 플랜트에 안정적이고 지속적으로 공급이 가능하도록 보다 적은 양으로 설계를 하는 방식이다.
It is process integration of wind power that Awerbuch, Mertes and Forstmeier alike would like to see more of. Unfortunately, there are obstacles to the deployment of process integrated desalination plants. Prominently this is because doubt remains over the feasibility of process integration within the desalination community. Much of that doubt is grounded in uncertainty over whether desalination systems - irrespective of technology - may be adequately powered through wind power systems.
Awerbuch explains the key challenge in this respect, saying: “One of the unavoidable challenges of coupling wind power - or solar power for that matter - is the intermittent nature of energy production. Usually desalination plants like to be operated with base loaded power, which allows for continuous operation.”
Concern remains in the water industry over the idea of have to shut desalination systems on and off. It’s principally for this reason that conventional power production, project integration, or at the very least retaining of a back-up grid connection, have been favoured. While the intermittency of wind as an energy resource is inherently unavoidable, and stands in direct conflict with a preference for steady state operations, the problems intermittency creates do hold solutions.
As Forstmeier says: “This is the key conflict but it’s readily overcome.” First and foremost he observes that: “Some modifications to desalination systems themselves are required if it’s being powered by wind power. These are actually relatively straight-forward changes. For instance the desalination electrical system requires a variable speed drive to accommodate variability in power supply.”
Mertes comments on a related issue, saying process integrated plants require “[Having] a very precise supervisory control and data acquisition(SCADA) system [to monitor wind generation] and operating regime to effectively couple the systems.”
The issue remains, however, that if wind generation is altogether not available, desalination operations may not meet water requirements. There are two broad solutions to this. One is to increase the desalination capacity such that when power is available a water surplus - relative to planned demand - can be produced and stored. To this Mertes responds, “Water storage systems aren’t ideal from a financial perspective either. And besides, increasing capacity of your plant carries major CAPEX consequences which aren’t attractive.”
Alternatively, one might expand wind power capacity while designing the desalination plant to rely only on a smaller proportion of this energy capacity. Forstmeier explains the rationale here: “One could operate, say, ten wind turbines, and use some proportion of their output, as baseload, to power desalination processes, and then only feed fluctuation into the grid. In other words, you’re not designing to 100% of your wind turbines’ idealised output; but something far lower which is available far more frequently and reliably.”
배터리 저장기술의 활용(Charging up batteries)
간헐적인 에너지 공급에 대한 또 다른 해결책은 배터리 저장(Battery storage)을 이용하는 것이다. 현재 배터리 산업은 급속하게 개발이 이뤄지고 있으나 안정화 운전(Steady state operation)이 가능한 경쟁적 해결책이 되기에는 아직 시간이 필요하다. 결국 풍력발전에 의한 담수화 플랜트 설계는 필연적인 투자비용의 증가가 풍력발전 담수화를 활성화시키는 데 커다란 장애로 작용한다.
풍력발전의 융합은 해수담수화 프로젝트 투자비용의 증가를 가져오지만 운전비용은 상대적으로 절감된다. 이는 풍력발전 담수화 추진에 매우 중요한 사항으로, 이를 활성화시키기 위해서는 생각의 변화가 필요하다.
There is one further, obvious, solution to intermittency: “Naturally, battery storage would solve these issues,” says Awerbuch. “But while the battery industry has seen rapid development, it’s likely to be quite some time before its a competitive solution to enable steady state operations.” Ultimately, opting for a wind powered desalination design means increased capital costs - something that’s been a hurdle for encouraging wind powered desalination.
As Forstmeier says, “Incorporating wind power adds considerably to the up-front, capital costs to a desalination project. Of course operating costs are subsequently reduced. This is important because it means that encouraging the desalination industry to adopt wind power requires promoting a change in mind set - it’s about accepting higher CAPEX in place of high operating costs.”
풍력발전 담수화 전진기지 최적입지(Texas)
미국 텍사스 대학의 마이클 웨버(Michael Webber) 교수는 수처리 시스템에 풍력발전을 포함한 다양한 재생에너지 사용에 대한 여러 연구를 추진했다. 특히 그는 텍사스가 바람이 많고 청정수가 부족하다는 점, 전력 그리드망이 독립되어 있고 전력시장의 경쟁성이 높다는 점, 저염도의 지하수가 풍부하다는 점 등 지역적 특성에 대한 설명을 곁들여 텍사스에서 풍력에 의한 담수화를 가장 이상적인 해결책의 하나로 보고 있다. 그러나 물 가격이 저렴하고 초기 투자비용이 높은 것이 방식 도입에 중요한 억제 요소로 작용하고 있다. 그의 연구결과는 정책결정자의 마음을 사로잡는 계기를 마련했으나 현재 어떠한 시스템 구성으로 추진할 것인지는 아직 구체적으로 확립하지 못했다.
풍력발전에 의한 이득과 실제적인 추진 사이에 명확한 경계선이 존재하고 있는 까닭에 이를 해결하기 위해 지난해 GCWDA 설립이 추진됐다. 명확한 추진목적 등 세부사항은 지난 2016년 8월에 발표된 자료에 명시되어 있으며, 이에 따르면 2030년까지 전체 에너지 소요량의 10%를 청정에너지 자원으로부터 대체 공급할 수 있도록 계획됐다.
2020년∼2025년에 신규로 설치되는 해수담수화 플랜트에서는 전체 에너지 소요량의 20%를 청정에너지 자원으로부터 공급하며 2026년∼2030년에 설치되는 플랜트는 40%, 2031년∼2035년에 설치되는 플랜트는 60%, 그 이후 설립되는 플랜트는 80%를 청정에너지로 충당하는 목표를 설정했다.
Michael Webber, deputy director, Energy Institute at the University of Texas, has conducted significant amounts of research into the use of renewable energy, including wind power, in water treatment systems. In particular he has reported on Texas as an ideal candidate for wind-powered desalination, on account of “Texas [having] a lot of wind, freshwater scarcity, an isolated grid, a competitive electric market, and abundant brackish groundwater.”
Low water prices and high up-front costs remain the key prohibitive factors for deployment in Texas, where he says “our results have caught the attention of planners and policymakers, but it’s not clear whether any systems will be built.”
All told, there appears a clear divide between the relative advantages of wind powered desalination and its deployment. Working to close this divide, collective ambitions to accelerate the decarbonising of desalination industry has led to foundation of the GCWDA last year at COP21. Notable ambitions are outlined in a recent GCWDA paper - published August 2016. In regards to existing desalination plants, the paper calls for at least 10% of the annual energy demand to be supplied from newly installed clean energy sources by 2030.
For new desalination plants commencing operation between 2020 and 2025, the target is to supply at least 20% of the annual energy demand from newly installed clean energy sources; 40% between 2026 and 2030; 60% between 2031 and 2035; and 80% after 2035.
부유식 담수화 설비(Floating Desalination)
부유식 풍력기술(Floating wind power)은 풍력산업에서 비교적 새로운 기술로 프로젝트의 상업용 적용이 최근에 결실을 얻고 있다. 이 기술은 고정된 지상기초 방식에서 부유식 플랫폼으로 전환하는 것으로 부유식 설비 내에 풍력터빈이 장착되는 기술이다. 부유식 설계는 깊은 심해에 설치가 가능할 뿐만 아니라 바람의 강도가 세고 안정적인 먼바다에 설치가 가능할 것으로 기대되지만 비용이 많이 들고 고정식 지반기초 설치 적용이 어려울 것으로 예상된다.
이 기술은 기존의 바닷물 원수를 끌어들이는 취수 구조물(Intake structure)의 설치 필요성을 줄이는 반면, 설치 지역에서 부유상태 구조로 심해에서의 원수 취수가 허용된다. 이로써 담수처리 원수에 대한 전처리(Pre-treatment) 비용이 줄어들며, 바닷물 원수의 좋은 수질에 의하여 역삼투 멤브레인 운전이 용이하고 관련 비용을 절감할 수 있다. 이러한 추가 비용의 절감은 에너지 사용량의 감소로 이어지며 배출되는 농축폐수에 대한 해양에서의 처리가 용이해진다.
결과적으로 추가적으로 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있으며 바닷물 심해에 대한 접근성도 매우 용이해 이에 대한 향후 전망은 매우 좋다. 그러나 이는 육지 연안의 풍력발전에 의한 담수화 플랜트처럼 풍력 설비와 담수화 설비, 각각의 산업을 어떻게 융합하여 기대효과를 극대화할 것인지에 대한 검토가 필요하다.
결국 가까운 장래에 글로벌 담수화 용량의 막대한 성장 확대와 더불어 담수화기술 및 풍력기술의 상호보완적 특성으로 풍력에 의한 담수화 사업의 미래는 낙관적이라고 분석된다. 뿐만 아니라 향후 지속적인 발전에도 이러한 기술의 융합이 필수 요소로 작용할 것으로 전망된다.
Floating wind power is a relatively novel concept within the wind industry, and commercial projects are only recently coming to fruition. As the name suggests, floating wind replaces fixed-bottom foundation solutions with floating platforms on which turbines are set. Floating designs are expected to enable access to deeper waters, further out to sea where wind strengths are strong and reliable, but where it’s cost-prohibitive or altogether infeasible to deploy fixed-bottom foundations.
Furthermore, floating desalination systems eliminate the need for conventional intake structures. Instead, floating in a location of preference would allow for a deep-water intake. This means lower pre-treatment costs and better quality of seawater easier for RO membrane operation and reduces related costs. Additional savings would come from subsequent reduced energy requirement, says Awerbuch, adding that effluent concentrate disposal is also easier offshore. In summary, he says, “Significant additional costs can be avoided if you’re floating, and have easy access to deep water.”
Such a concept is certainly promising. However, as with onshore wind powered desalination, it remains to be seen how both industries - wind and desalination alike - might come together and respond to the opportunities before them. Ultimately, with great growth pitched for global desalination capacity in the near future and the complementary nature of desalination and wind power, integration of these technologies seems not only promising, but a vital part of a sustainable future.
[『워터저널』 2017년 4월호에 게재]