글로벌물산업정보센터

○ 지난 세기 동안에 해수담수화 기술의 진보, 특히 역삼투 분리막 기술의 진보에 따른 괄목할만한 해수담수화 비용의 저하 및 물 수요의 증가에 힘입어 해수담수화 시설용량이 급격히 증가하고 있다. 특히, 가격적인 측면에서 일반 담수의 저장 및 이송에 드는 시설비를 감안하면 특정 지역에서는 일반 담수와 경쟁할 수 있는 수준이 되었다.

○ 물 부족 국가, 특히 건조 지역의 국가들에서의 인구증가 및 생활수준 향상, 농업개발 그리고 산업화에 따른 물 수요의 증가를 해소하기 위해 해수담수화 시설의 증대가 활발히 이루어져서 현재에는 카타르나 쿠웨이트 같이 100% 해수담수화에 의존하고 있는 국가도 나타나고 있다.

○ 현재 전 세계 해수담수화 시설의 용량은 7천만㎥/일에 육박하고 있으며 연간 55% 증가율로 시설용량이 증가하고 있다. 시설의 약 60%가 분리막 공정, 그리고 약 35%가 증류 공정을 채택하고 있으며 전기분해법은 약 5% 미만으로 미미하다. 유입 원수로 약 60%는 바닷물, 약 20%는 지하염수 그리고 그 나머지는 지표수를 사용하고 있다.

○ 다양한 해수담수화 기술 중에서 정책입안자가 기술을 선정하는 기준으로는 설비투자비, 생산비용, 그리고 정부보조금을 우선 생각할 수 있지만, 실제로는 생산비용은 설치위치에 따라 달라질 수 있고, 또한 원수의 염도 및 수질, 설비규모, 에너지 및 노동비용, 그리고 정치적/환경적 규제와 같은 다양한 변수에 의해 영향을 받는다.

○ 본 분석보고서에서는 다양한 해수담수화 기술의 비용적인 측면의 비교 및 비용에 영향을 미치는 주요 인자의 평가, 가격저하에 기여한 최근의 기술개발, 그리고 공정의 차이에 따른 비용 차이 발생의 주요 요인들에 대해 기술하고, 아울러 앞으로의 도전과제들에 대해서 살펴본 결과를 소개하고 있다.

○ 해수담수화가 신선한 물 공급의 유일한 수단이 아닌 나라에서도 해수담수화가 선호되는 이유는 해수담수화는 강우량 등 기후 조건에 영향을 받지 않고 무한한 해수자원을 활용하는 것이 가능하므로 자원안보 측면에서도 중요하기 때문이다.

○ 해수담수화 설비용량은 중동 및 북아프리카 사막 지역은 물론 사막 및 반사막 지역을 같이 갖고 있는 스페인이나 호주 같은 나라에서도 꾸준하게 늘어나고 있어 2015년에는 시장규모가 300억 달러를 초과할 것으로 예상되고 있다. 이중의 절반을 초기 설치비 및 가동비용이 상대적으로 낮고 아라비아만의 해수와 같은 고염도 해수를 처리할 수 있는 역삼투 분리막법이 차지하고 있다.

○ 특히 에너지 가격이 싼 지역에서는 증류법도 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있으며 다중효과 증류법이 다단 증류법을 대체하는 쪽으로 진행될 것으로 예상하고 있다. 원수의 염도 혹은 오염도가 매우 높은 지역에서는 증류법이 역삼투막법과 경쟁할 수 있을 것으로 예상된다.

○ 또한 증류법은 아라비아 만 지역을 중심으로 널리 사용되어 그 신뢰성이 확인되었기 때문에 시장에 지속적으로 존속할 것이며 발전과 정수를 동시에 할 수 있는 하이브리드 시스템도 가능하다. 최근에는 비용적인 측면에서 유리하기 때문에 막분리법에 의한 해수담수화 공장과 발전소를 따로 짓는 경우가 늘어나고 있다.

○ 해수담수화 프로젝트 재정의 핵심 주체는 정부이지만 민간과 정부가 공동으로 추진하는 독립 정수·발전 생산자(IWPP)로 불리어지는 정부-민간 거래 형태도 성공적으로 추진되고 있다. 또 다른 형태로는 정부가초기 추진 주체는 아니지만 계약을 보증해 주는 건설·소유·운전(BOO)과 건설·소유·운전·이관(BOOT) 모델도 있다. 현재 전 세계적으로 BOOT 및 IWPP가 각각 약 30%를 점유하고 있다.

○ 현재 새로 추진되는 해수담수화 프로젝트의 대부분은 민간 주도 형태인 BOO 및 BOOT이다. BOO는 물 혹은 물·전력을 공급받는 정부와의 장기 계약에 의해 추진된다. BOOT는 근본적으로는 BOO와 같은 형태로 추진되지만 공급 계약이 만료되는 시점에 프로젝트를 정부에 이관한다. 정부는 물을 BOO 혹은 BOOT 추진 주체로부터 물을 사서 이를 수요자에게 되파는 형태를 취한다.

○ 증류법에 의한 해수담수화가 처음 시작된 것은 1850년대지만 생산비용은 1970년대까지 매우 높았다. 1970년대에 분리막법이 시작되면서 생산비용이 떨어지기 시작하여 1975년 2$/㎥에서 현재 대규모 분리막법 시설에서는 일반 담수 원수 처리비용에 근접하는 0.5$/㎥이 가능해졌다. 한편, 증류법에 의한 해수담수화 비용도 1975년 4$/㎥에서 특정한 지역에서는 1$/㎥ 이하로 떨어졌다.

○ 증류법에서 그 동안 단위시설의 처리용량 증대, 운전조건 개선, 사용재질 최적화, 그리고 발전과의 병합공장 건설 등을 통해 생산비용의 많은 저하가 있었지만, 해수담수화 기술에서의 최근의 중요한 진보는 역삼투막 시스템에서 일어났다.

○ 낮은 생산비용에 힘입어 역삼투막 기술을 이용한 해수담수화 시설의 총용량이 전 세계적으로 늘어나고 있는데, 특히 에너지 비용이 낮고 오염으로부터 분리막을 보호하기 위해 별도의 사전처리가 필요할 정도로 수질이 좋지 않은 아라비아 만에서도 해수담수화 시설이 꾸준히 증가하고 있다. 스페인 같은 나라에서는 농업용수도 역삼투막 기술로 생산하고 있다.

○ 지난 30년 동안 역삼투막법에 의한 해수담수화 생산비용 저하에 기여한 많은 기술의 진보가 있었는데, 그 중에서도 특히 염제거율 향상, 단위 체적당의 표면적 증대, 유량 증가, 막 수명 향상, 그리고 고압에서의 분리력 향상 등을 통한 분리막 및 모듈의 성능 향상 및 가격 저하, 그리고 효율적인 에너지 회수 분야에서 괄목할만한 발전이 있었다.

○ 회수율이 향상되면 역삼투분리 계열 수 및 유입 및 배출 시스템의 용량이 줄어들기 때문에 투자비 및 운전비용이 낮아진다. 염제거율 향상에 따른 회수율의 증가를 보면 염도 36,000㎎/L의 해수 기준으로 1980년대 25%에서 1990년대에는 35%, 그리고 최근에는 45%에 달하고 있으며 2단으로 처리하는 경우에는 60%까지도 가능하게 되었다.

○ 효율적인 에너지 회수는 주로 해수 입수 공정에서 있었는데 가역 펌퍼, Pelton 터빈, 터보차지, 그리고 수압부스터를 포함하는 터보 시스템을 통해서나 ERI 압력교환기, DWEER(Dual Work 교환기), 혹은 KSB(SalTec) 장치를 포함하는 용적 시스템을 통해 이루어진다. 현재 총 에너지 소비량을 2kWh/㎥ 이하로 낮추기 위한 노력이 진행되고 있다.

○ 둘 혹은 그 이상의 해수담수화 공정을 발전설비와 결합해서 물 생산비용을 줄일 수 있다. 이러한 하이브리드 시스템은 전력 및 물의 수요의 변화폭이 큰 경우에 매우 적합하다. 예를 들면, 여유전력으로 물을 생산하여 비축해서 필요할 때 공급함으로써 전체적인 설비 운영효율을 높일 수 있다.

○ 해수담수화 생산비용은 생산규모는 물론 설치위치에 따라서도 달라지며 이밖에도 다음의 인자들에 의해 결정된다. ① 전력 접근성: 전력 접근성이 나쁘면 막분리법이 증류법에 비해 유리 ② 원수의 수질, 온도, 그리고 접근의 용이성 및 처리수의 요구 수질 ③ 농축수의 저장 및 방출 방식: 염도, 온도, 중금속 함유량 ④ 처리수의 후처리 필요성 여부 및 비축량: pH 및 경도 조정 등이 그것이다.

○ 자본비용(CAPEX)은 프로젝트의 입안에서부터 성능 확인 운전까지의 전과정에 소요된 총 비용이며, 총 물 비용(TWC)은 연간 감가상각비와 운전비용을 합한 것을 연간 총 물 생산량으로 나눈 것으로 물 배송 비용은 포함하지 않는다.

○ 해수담수화 공정의 에너지 소요량은 역삼투막법의 경우는 3∼4kWh/㎥, 다단증류법의 경우는 4kWh/㎥ 수준으로 큰 차이가 없다. 역삼투막법에서의 TWC는 감가상각비, 에너지비, 그리고 막교환비가 주로 차지하는데, 감가상각비는 TWC의 35∼45%, 그리고 전기비용은 TWC의 19∼40% 를 차지한다.

○ TWC는 기술의 진보로 1991년 이래 꾸준히 낮아져 2003년에는 0.47$/㎥까지 낮아졌다가 이후 다시 증가하는 추세로 2011년에는 1$/㎥ 수준으로 높아졌다. 이러한 가격상승의 요인으로는 석유가의 상승에 따른 에너지 비용의 증가, 인플레이션, 분리막 가격의 상승, 장치 및 약품가 상승, 전문기술인력의 부족, 그리고 가혹해지는 환경규제 등을 들 수 있다.

○ 약품 사용량 최적화, 후처리 및 세척방법의 개선과 같은 현존 기술의 단순 개선만으로는 가격상승을 억제할 수가 없을 것으로 보인다. 그러나 개선된 분리막, 고효율 펌프, 고효율회수 시스템, 그리고 전처리 공정 등의 도입을 통해 제조비용을 낮출 수 있는 가능성은 아직도 열려 있다.

○ 더 나아가, Inter-staged 분리막 운전과 새로운 설계 형태 및 정 삼투압의 이용을 통한 에너지 절감, 16인치 역삼투 모듈의 사용, 내 염소성이 강한 새로운 분리막의 개발도 제조비용의 저하에 기여할 것으로 본다. 한편, 흡착 담수화, 분리막 증류, 그리고 재생에너지 병용 하이브리드 시스템에 의한 원가저하에는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다.

○ 다양한 해수담수화 공정의 자본비용 및 운전비용을 산출하는 대표적인 S/W로는 IAEA에 의해 개발된 DEEP와 USBR에 의해 개발된 WTCost가 있으나, 통상 공장 공급회사나 컨설턴트들은 그들 독자의 불투명한 비용 산출방식을 개발하여 사용하고 있다.

○ 좀 더 투명한 비용분석 방법은 특히 해수담수화 비용을 낮출 수 있는 새로운 기술이나 기존 기술의 개선을 위한 연구나 기술개발 종사자에게는 특히 필요하지만, 설비의 설치 장소에 따른 자본비용 및 운전비용을 정확하게 예측할 수 있는 S/W는 나와 있지 않다.

○ 자본비용 및 총 물 비용은 의사결정자들이 설비용량, 에너지 비용, 프로젝트 추진방법, 그리고 환경규제와 같은 비용증가 요인들을 감안하여 최적의 해수담수화 기술을 선정할 때 사용하는 일차적인 지수이다. 그러나 비용 산출은 다양한 요인들에 의해 영향을 받고 설치장소 및 사용하는 S/W에 따라서도 달라지기 때문에 현재로서는 그 정확도가 만족할만한 수준으로 높지 않다.

○ 해수담수화 비용은 꾸준히 낮아져 왔는데, 지난 세기에는 높은 성장률과 고효율 공정설계, 고성능 분리막, 그리고 에너지 비용절감 기술에 힘입어 특히 역삼투막법에서 많은 성과가 있었다. 그러나 앞으로는 지속적으로 비싸지는 장치 및 분리막 가격, 에너지 비용, 그리고 약품비 때문에 기존 기술의 단순한 개선만으로는 더 이상의 비용 저하는 어려울 것으로 보인다. 또한 강화되는 환경규제도 추가적인 비용 상승의 요인으로 작용하고 있다.

9. 전문가 제언

○ 해수담수화는 사막지역인 중동에서 시작되어 현재는 싱가포르 등 비 사막지역에서도 활발히 추진되고 있는 사업이다. 수자원의 국가안보 차원에서의 중요성 및 그 동안의 해수담수화 기술 발전 특히 역삼투막을 이용한 기술의 발전으로 제조비용이 대폭적으로 저하함에 따라 음용수 및 공업용수뿐만 아니라 일반 농업용수까지도 확대 사용되고 있는 현시대의 중요한 사업 분야의 하나이다.

○ 이러한 사업의 중요성을 인식하고 미국의 GE 및 분리막 업체인 일본의 아사히 화성 등 대회사는 물론이고 국내에서도 분리막 생산업체인 코오롱 및 설비 업체인 두산코어를 위시한 몇몇 대기업이 적극적으로 이 사업을 추진하고 있다.

○ 이 사업의 요체는 제조비용인데 현재의 성숙기에 있는 해수담수화 기술로의 단순한 개선만으로 증가하는 설치비용 및 운전비용의 증가를 상쇄할 수 없기 때문에 제조비용을 대폭 낮출 수 있는 획기적인 고성능 분리막, 고효율 분리기술, 고효율 에너지회수 시스템, 그리고 신재생에너지와의 하이브리드화 등의 개발이 필요하다고 본다.

○ 기존의 해수담수화 기술 중에서 특정한 지역의 특정한 상황에 가장 적합한 기술을 선정해 줄 수 있는 더 나은 S/W의 개발도 아직은 충분하지 못한 현실로 특히 신기술 개발 종사자에게는 더욱 정확한 S/W의 개발이 요청되는 바 이 분야도 중요한 연구 과제로 생각된다.

○ 향후의 해수담수화의 비용증가에 영향을 미치는 중요한 인자의 하나는 환경규제의 강화에 따른 비용증가인데 이를 극복할 수 있는 농축수의 재활용 방법 등 새로운 대안의 모색도 중요한 연구 과제라고 생각된다.

○ 이러한 과제에도 불구하고 막분리법에 의한 정수는 해수담수화만이 아니고 일차 사용한 물의 재처리 분야에서도 유용한 기술로 자리 잡고 있는 바, 에너지 절약형 환경 친화적 기술인 막분리법에 의한 정수 사업은 지속적으로 성장할 것으로 본다.