[영국] “태양열 발전 기술로 바닷물 배출 없는 식수 변환 기술 개발”

특수 막 사용 소금 분리하여 신선한 식수 생산…인도 마을서 최대 10㎥의 담수 생산 성공

물 생산에 사용 가능한 태양에너지를 극대화…저소득 국가서 이전보다 더 저렴하게 식수 생산 가능

영국 킹스 칼리지 런던대·미국 MIT공대·독일 헬름홀츠 신재생 에너지연구소 공동 협력

국제학술지 『네이처(Nature)』의 자매지 『네이처 워터(Nature Water)』 3월 27일자에 발표

영국 킹스 칼리지 런던대학교(King’s College London)의 과학자들은 미국 MIT공대 및 독일 헬름홀츠 신재생 에너지 시스템 연구소와 협력하여 콜레라와 같은 위험한 수인성 질병을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 바닷물을 신선한 식수로 변환하는 새로운 태양열 발전 시스템을 개발했다. 이 장치는 물 생산에 사용 가능한 태양에너지를 극대화하여 저소득 국가서 이전보다 더 저렴하게 식수 생산이 가능하다. [사진출처(Photo source) = 킹스 칼리지 런던대학교(King’s College London)]

영국 킹스 칼리지 런던대학교(King’s College London)의 과학자들은 콜레라와 같은 위험한 수인성 질병을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 바닷물을 신선한 식수로 변환하는 새로운 태양열 발전 시스템을 개발했다.

최고 권위의 국제학술지 『네이처(Nature)』의 자매지인 『네이처 워터(Nature Water)』 에 3월 27일자에 발표된 논문에서 연구자들은 이 공정이 기존 방법보다 20% 이상 저렴하고 전 세계 시골 지역에 배포될 수 있음을 보여준다. 그들은 농촌 지역사회에서 테스트한 결과, 신기술이 개발도상국과 그 외 지역에 깨끗한 물을 제공하는 데 있어 단계적 변화를 가져올 수 있다는 사실을 발견했다.

염분이 있는 지하수를 담수로 변환하는 기존 프로세스를 기반으로 킹스 칼리지 런던대학교의 연구원들은 미국 매사추세츠공과대학교(Massachusetts Institute of Technology, MIT) 및 독일 헬름홀츠 신재생 에너지 시스템 연구소(Helmholtz Institute for Renewable Energy Systems)와 협력하여 태양 에너지를 사용하여 일정한 수준의 물을 생산하는 새로운 시스템을 개발하여 장치를 만들었다.

킹스 칼리지 런던대학교의 공학과 엔지니어링 분야 수석 강사인 웨이허(Wei He) 박사는 “이 기술은 전통적인 것을 넘어 지역사회가 이용할 수 있는 수원을 확장할 수 있고 오염되지 않은 식염수에서 물을 제공함으로써 물 부족이나 최근 아프리카 잠비아(Zambia)에서 발생한 콜레라와 같은 기존의 물 공급이 중단되었을 때 예상치 못한 비상 상황을 방지하는 데 도움이 될 수 있다”라고 말했다.

이 장치는 소금 이온을 소금물 흐름으로 돌리는 일련의 특수 막(membrane)을 사용하여 소금을 분리하여 물을 신선하고 마실 수 있도록 함으로써 작동한다. 연구원들은 전압과 소금물이 시스템을 통해 흐르는 속도를 유연하게 조정함으로써 신선한 식수의 양을 손상시키지 않으면서 가변적인 햇빛에 적응하는 시스템을 개발했다.

처음에 인도 하이데라바드 근처의 첼러루(Chelleru) 마을에서 수집된 데이터를 사용하여 뉴멕시코에 있는 마을의 이러한 상태를 재현함으로써 연구팀은 최대 10㎥의 담수를 성공적으로 전환했다. 이것은 하루에 3천명의 사람들이 사용하기에 충분했으며 구름 덮임이나 비로 인해 발생하는 가변적인 태양열 발전과 관계없이 공정이 계속 진행할 수 있었다.

웨이 허(Wei He) 박사는 새로운 기술이 식수 공급을 늘릴 뿐만 아니라 건강상의 이점도 가져오는 등 농촌 지역사회에 막대한 이익을 가져올 수 있다고 믿고 있다. 

웨이 허(Wei He) 박사는 “우리 기술은 전력망 밖에서도 운영할 수 있는 저렴하고 친환경적인 대안을 제공함으로써 지역사회가 대체 수원(예 : 심층 대수층 또는 염수)을 활용하여 물 부족과 전통적인 방식으로 물 부족과 오염을 해결할 수 있도록 해준다”고 강조했다.

웨이 허(Wei He) 박사는 이어 “이 기술은 기존의 수자원을 넘어 지역사회에 이용 가능한 수자원을 확장할 수 있으며 오염되지 않은 식염수 수원에서 물을 제공함으로써 최근 잠비아에서 발생한 콜레라 발병과 같이 기존의 수자원 공급이 중단될 때 물 부족이나 예상치 못한 비상 상황에 대처하는 데 도움이 될 수 있다”고 덧붙였다.

대략, 세계 인구의 4분의 1이 ‘매우 높은(extremely high)’ 수준의 물 스트레스(water stress)에 직면하고 있는데, 이것은 물 부족의 높은 가능성으로 이어진다. 전 세계 농촌 인구 16억 명의 사람들이 물 부족에 직면하고 있는데, 그들 중 많은 사람들은 지구 표면 아래에 있는 스트레스 받는 지하수 매장량에 의존하고 있는 실정이다.

그러나 전 세계적으로 지하수의 56%가 식염수로 소비하기에 부적합하다. 이 문제는 특히 인도에서 널리 발생하는데, 인도는 땅의 60%가 음용할 수 없는 식염수를 가지고 있다. 따라서 신선한 식수를 저렴하고 규모 있게 생산하기 위한 효율적인 담수화 방법이 절실히 필요하다.

전통적인 담수화 기술은 물에서 소금을 제거하는 데 필요한 에너지를 공급하기 위해 독립형 시스템(off-grid system)인 값비싼 배터리나 그리드 시스템에 의존해 왔다. 개발도상국의 농촌 지역에서는 그리드 인프라(grid infrastructure)가 불안정할 수 있으며 화석 연료에 크게 의존하고 있다.

정기적인 에너지 공급이 없으면 개별 마을과 지역 사회는 태양열과 같은 재생 가능한 에너지를 사용하여 담수를 공급하고 비용을 개별 소비자에게 전가하기 위해 비싼 배터리에 의존해야 한다.

킹스 칼리지 런던대학교 웨이 허(Wei He) 박사팀이 개발한 이 시스템은 다양한 일조량에 따라 소금물이 흐르는 전압과 속도를 자동으로 조정했다. 기계의 작동을 사용 가능한 수력과 일치시킴으로써, 연구팀은 생산되는 식수의 양을 손상시키지 않으면서 값비싼 배터리 사용을 줄이는 시스템을 개발할 수 있었다. [그림출처(picture source) = ] = 킹스 칼리지 런던대학교(King’s College London)]

저비용의 ‘배터리와 같은(battery-like)’담수화 기술을 개발하면 독립형 애플리케이션9off-grid application)에서 간헐적인 태양 에너지를 사용하기 위한 배터리 기술에 대한 의존도가 제거되어 인도와 같은 개발도상국의 농촌 지역사회에 저렴한 가격을 제공할 수 있다.

웨이 허(Wei He) 박사는 “전통적으로 담수화는 에너지 집약적이고 비용이 많이 들어 안정적인 전력 및 재정 자원이 있는 지역으로 물의 사용을 제한해 왔다”라면서 “그리드 시스템의 필요성을 완전히 제거하고 배터리 기술에 대한 의존도를 92% 줄임으로써 우리 시스템은 안전한 식수에 대한 신뢰할 수 있는 접근을 제공할 수 있으며, 현장에서 완전히 배출되지 않고 전통적인 방법에 비해 물을 필요로 하는 사람들에게 약 22% 할인된 가격으로 제공할 수 있다”고 강조했다.

이 시스템은 특히 기후변화로 인해 관개용 담수가 불안정하게 비축되는 농업 분야에서 개발도상국 밖에서 사용될 가능성도 있다.

이 연구팀은 현지 파트너들과의 협력을 통해 인도 전역에서 그 기술의 가용성을 확대할 계획이다. 이 외에도 MIT공대 연구팀은 그 기술을 상업화하고 자금을 지원하기 위한 스타트업(start-up, 신생 창업기업)도 만들 계획이다.

웨이 허(Wei He) 박사는 “관개용 담수는 북미, 중동, 사하라 사막 이남의 아프리카를 포함한 전 세계적으로 큰 문제이다. 가뭄과 비용은 생존하기 위해 불안정한 물 매장량에 의존하는 산업에 주요한 영향을 미치고 기후변화는 이러한 도전을 더욱 악화시킬 것”이라고 말했다.

그는 이어 “농부들이 물의 양을 손상시키지 않고 관개용 담수를 인하된 가격으로 생산할 수 있는 지속 가능한 방법을 제공함으로써, 우리는 그들이 비용을 줄이고, 탄소 배출을 완화하며, 농업 생산을 보장하고, 결국 그러한 혜택을 소비자들에게 전달할 수 있도록 도울 수 있다”고 설명했다.

웨이 허(Wei He) 박사는 특히 “미국과 영국은 대부분의 국가보다 더 안정적이고 다양한 전력망을 보유하고 있지만 여전히 화석연료에 의존하고 있다”라면서 “농업과 같이 에너지가 부족한 부문의 방정식에서 화석연료를 제거함으로써 우리는 탄소중립(Net Zero)으로의 전환을 가속화하는 데 도움을 줄 수 있다”고 역설했다.

웨이 허(Wei He) 박사는 이와함께 “우리의 다음 단계는 이 저비용 기술을 하·폐수 처리를 포함한 다른 분야에 적용하고 알칼리성 생산을 통해 바다를 더욱 알칼리성으로 만들어 대기에서 더 많은 이산화탄소(CO2)를 흡수하도록 돕는 것”이라면서 “이러한 접근 방식을 취함으로써 우리는 농업을 탈탄소화할 수 있을 뿐만 아니라 더 넓은 환경 및 기후 혜택도 누릴 수 있다”고 강조했다.

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Solar-powered technology converts saltwater into drinking water emission-free

 

Scientists have developed a new solar-powered system to convert saltwater into fresh drinking water which they say could help reduce dangerous waterborne diseases like cholera.

In a paper published today in Nature Water, researchers show that the process is more than 20% cheaper than traditional methods and can be deployed in rural locations around the globe. Following testing in rural communities, they found new technology could signal a step change in providing clean water in developing countries and beyond.

Building on existing processes that convert saline groundwater to freshwater, the researchers from King’s College London, in collaboration with MIT and the Helmholtz Institute for Renewable Energy Systems, created a new system that produced consistent levels of water using solar power.

Dr Wei He said: “This technology can expand water sources available to communities beyond traditional ones and by providing water from uncontaminated saline sources, may help combat water scarcity or unexpected emergencies when conventional water supplies are disrupted, for example like the recent cholera outbreaks in Zambia."

It works by separating the salt using a set of specialised membranes which channel salt ions into a stream of brine, leaving the water fresh and drinkable. By flexibly adjusting the voltage and the rate at which salt water flowed through the system, the researchers developed a system that adjusts to variable sunshine while not compromising on the amount of fresh drinking water produced.

Using data first gathered in the village of Chelleru near Hyderabad in India, and then recreating these conditions of the village in New Mexico, the team successfully converted up to 10m3 of fresh drinking water. This was enough for 3,000 people a day - with the process continuing to run regardless of variable solar power caused by cloud coverage and rain.

Dr Wei He from King’s College London’s Department of Engineering believes the new technology could bring massive benefits to rural communities, not only increasing the supply of drinking water but also bringing health benefits.

Dr Wei He added: “By offering a cheap, eco-friendly alternative that can be operated off the grid, our technology enables communities to tap into alternative water sources (such as deep aquifers or saline water) to address water scarcity and contamination in traditional water supplies.

“This technology can expand water sources available to communities beyond traditional ones and by providing water from uncontaminated saline sources, may help combat water scarcity or unexpected emergencies when conventional water supplies are disrupted, for example like the recent cholera outbreaks in Zambia.”

Roughly, a quarter of the world’s population face ‘extremely high’ levels of water stress, which leads to a high likelihood of water scarcity. In the global rural population 1.6 billion people face water scarcity, many of whom are reliant on stressed reserves of groundwater lying beneath the Earth’s surface.

However, worldwide 56% of groundwater is saline and unsuitable for consumption. This issue is particularly prevalent in India, where 60% of the land harbours undrinkable saline water. Consequently, there is a pressing need for efficient desalination methods to create fresh drinking water cheaply, and at scale.

Traditional desalination technology has relied either on costly batteries in off-grid systems or a grid system to supply the energy necessary to remove salt from the water. In developing countries’ rural areas, the grid infrastructure can be unreliable and is largely reliant on fossil fuels. 

Without regular supplies of energy at use, individual villages and communities must rely on expensive batteries to use renewable energy like solar to provide their fresh water, passing the cost onto individual consumers.

Creating a low-cost ‘battery-like’ desalination technology removes the reliance on battery technology for using intermittent solar energy in off-grid applications, enabling affordability to rural communities in developing countries like India.

Dr He added: “Traditionally, desalinating water has been energy-intensive and costly, confining its use to areas with stable power and financial resources. By removing the need for a grid system entirely and cutting reliance on battery tech by 92%, our system can provide reliable access to safe drinking water, entirely emission free onsite and at a discount of roughly 22% to the people who need it compared to traditional methods.”

The system also has the potential to be used outside of developing areas, particularly in agriculture where climate change is leading to unstable reserves of fresh water for irrigation.

The team plan to scale up the availability of the technology across India through collaboration with local partners. Beyond this, a team from MIT also plan to create a start-up to commercialise and fund the technology.

Dr He said: “Fresh water for irrigation is a large problem in across the globe, including North America, the Middle East, and Sub-Saharan Africa. Drought and cost are major draws on an industry which relies on unstable reserves of water to survive, and climate change will further exacerbate these challenges.

“By providing a sustainable way for farmers to produce freshwater for irrigation at a cut price without its volume being compromised, we can help them reduce costs, mitigate carbon emissions, and ensure agriculture production and eventually pass those benefits onto consumers.

“While the US and UK have more stable, diversified grids than most countries, they still rely on fossil fuels. By removing fossil fuels from the equation for energy hungry sectors like agriculture, we can help accelerate the transition to Net Zero.

“The next step for us is to apply this low-cost technology to other sectors, including wastewater treatment, and producing alkaline to make the ocean more alkaline to help it absorb more CO2 from the atmosphere. By taking this approach not only can we decarbonise agriculture, but wider environmental and climate benefits as well.”

[출처 = 킹스 칼리지 런던대학교(King’s College London)(https://www.kcl.ac.uk/news/solar-powered-technology-converts-saltwater-into-drinking-water-emission-free) / 2024년 3월 27일]

[연구논문출처 = 『네이처 워터(Nature Water)』(https://www.nature.com/articles/s44221-024-00213-w) / 2024년 3월 27일]