산업이 발전하고 인구가 급격하게 늘어남에 따라 용수량이 급증하고 있다. 또한, 기후변화로 인해 가용 수자원은 도저히 예측할 수 없는 상황이 벌어졌다. 이에 새로운 수자원의 필요성이 대두되고 있다.

대표적인 새로운 수자원으로는 바닷물, 물재이용, 빗물이 있다. 그 중에서도 전 세계가 공통적으로 사용할 수 있는 것이 바닷물이다. 해수담수화 시장은 2008년부터 급격하게 성장하고 있고 그 중에서도 특히 역삼투압 방식은 매년 17% 정도의 발전이 이루어지고 있다.

2006년 당시 건설교통부는 신성장 동력산업과 녹생성장 기술로 ‘Value Creator(VC)-10’과 ‘Global Top-5 Tech’를 선정해, 그의 일환으로 해수담수화플랜트사업단(www.seahero.org)을 발족하게 됐다. 목표는 세계 초일류의 해수담수화 플랜트 기술 확보였다. 

기술적인 목표는 △단일 대형 트레인 크기 △낮은 에너지 소비량 △새로운 인덱스 활용 파울링 저감 등 총 3가지로 대변된다. 트레인의 크기를 키우고 에너지 소비량을 줄이며, 역삼투막의 수명을 늘릴 수 있는 방안을 만드는 것이었다. 이 목표는 EPC(Engineering, Procure-ment & Construction)와 O&M 비용을 최소화해서 에너지를 절약하는데 집중되어 있었다.

해수담수화플랜트사업단은 총 4가지의 핵심과제를 수행했다. 정부출연금 총 185억 원이 투입된 ‘핵심과제 1’은 기초기술과 응용기술로, △해수담수화 기반 및 지원체계 개발(Development of the infrastructure and the support system of seawater desalination) △해수수질 맞춤형 최적 전처리 공정 개발(Development of optimal pretreatment process adjusted to seawater characteristics) △SWRO 공정 모니터링 기술 : RO 공정 센서 및 네트워크 기반 공정 관제 시스템 개발(Monitoring tech-nology for SWRO process : Development of RO process sensors and network based monitoring systems) △용도별 생산수의 후처리 기술 및 농축수 위해성 평가(Post treatment of R/O processed water and risk assessment of condensed water) △차세대 RO막 분석 및 막공정 진단 기술(Next Generation RO membrane analysis and operation diagnosis) 등 5개의 세부과제로 이루어져 있다. 

전처리 공정 연구는 응용기술의 가장 대표적인 것이다. 재래식 전처리와 멤브레인 전처리로 나누어 각각의 효율성을 비교했다.  

‘핵심과제 2’는 정부출연금이 총 168억 원이 투자됐다. 이 과제는 국산 단위공정 및 소재개발, 즉 역삼투막, 고압펌프, 베셀(Vessel), 동적 모사기 개발에 집중했다. ‘핵심과제 2’는 △해수담수화플랜트 건설 소재의 국산화 및 공정최적화 기술(Systems engineering technology development for seawater desalination systems Integration) △폴리아미드계 고기능성 해수담수화플랜트 건설용 국산막 제조 및 모듈 개발(Development of high performance poly-amide RO membrane for SWRO desalination plant construction) △고내구성 차세대 해수담수화플랜트 건설용 국산막 제조 및 모듈 개발(Development of novel SWRO membranes with high durability and chemical resistance for seawater desalination) △해수담수화플랜트 건설용 저에너지·고효율 대용량(8MIGD [3만6천368톤/일] 급) 고압펌프(70 bar) 및 에너지 회수장치 개발(Development of high efficiency, high capacity high pressure pump and ERD for desalination Plant) 등 총 4개의 세부과제로 이루어져 있다.

이 중 가장 대표적인 16인치 역삼투막, 베셀, 고압펌프, 에너지 회수장치를 개발했다. 16인치 역삼투막은 1천100 GPD로 세계 최고수준이다. 고압펌프도 세계 최고수준으로 테스트베드를 통해서 장기간 검증이 진행될 예정이다. 

‘핵심과제 3’은 미래형 해수담수화 플랜트 기반 기술 개발로 총 427억 원이 투자돼 해수담수화시설을 설계하고 건설하는 프로젝트이다. ‘핵심과제 3’은 △대용량 해수담수화 플랜트 시스템 설계 및 시공 기술(Development of large-scale SWRO desalination plant design and construction technology) △테스트베드 국산소재 현장적용성 평가기술 개발(Development of evaluation technology of domestic device’s site application characteristic on Test-Bed plant) 등 2개의 세부과제로 이루어져 있다.

DABF는 두산중공업에서 전체적으로 개발한 것이고, UF는 KIST(한국과학기술연구원)와 코오롱이 합작해서 만들어낸 전처리 공정이 들어가 있는 것이다. 고압펌프는 효성이 개발한 고압펌프가 들어간다. 그 다음으로 웅진의 16인치 역삼투막이 적용되고 두산중공업의 독자적인 8MIGD 트레인이 들어가서 최종적으로 각각의 성능들이 장기적으로 검증이 되게 되어 있다.

‘핵심과제 4’는 △플랜트 운전 및 유지관리 최적화 기술(Development of optimization technology for large-scale SWRO plant) △플랜트 진단 및 관리 시스템 기술(Development of diagnosis and control system for large-scale SWRO plant) 등 해수담수화 플랜트 고효율 운영 및 유지관리 기술 개발로 정부출연금 60억 원이 투입된다. 

그러나 여러 가지 사정에 의해 ‘핵심 과제 4’는 장기간 운전이 불가능하게 된 상황이다. 때문에 2014년 2월까지 시운전을 마치고 운영 프로그램 위주로 개발하는 것으로 마무리 지을 예정이다.

 

총 200억 원 규모 기술 이전 추진 

해수담수화플랜트사업단의 학술적 성과로 논문은 국내 33건, 국외 186건이 발표됐다. 해수담수화는 국내시장이 존재하지 않다 보니 국외에서 홍보를 많이 했다. 해외 위주로 기술을 발표했으며, 국내 112건, 국외 6건 등 다수의 특허를 획득했다. 사실 국외 특허가 더 많아야 하지만, 대기업을 제외한 중소·중형기업에서는 불가능한 상황이다. 특허를 국내에서 낼 수밖에 없는 R&D의 한계가 있다.

해수담수화플랜트사업단을 통해서 역삼투막을 호주를 비롯해 5곳에 수출했다. 해수담수화 플랜트는 칠레 에스콘디다 프로젝트 1억 달러 규모를 두산중공업을 통해서 수주했으며, 그 외에도 4건의 공사수주가 있었다. 

이란의 석유화학 플랜트에 고압펌프를 수출했으며, 북평화력발전소, 칠레 전해질 소독장치를 수주했다. 기술 이전의 경우, 성균관대 세정기술 20억 원 내외로 총 9건이 맺어졌으며 두산중공업에서 130억 원 등에 총 200억 원 내외에 기술이전을 추진 중에 있다.

해수담수화 성과를 홍보하기 위해서 수처리사업전시회를 총 2회 실시했으며, 국제 워크숍을 사업단 자체적으로 총 5회를 실시하기도 했다. 전 세계에서 총 15개국에서 참석할 만큼 굉장한 관심을 불러일으켰다. 

또한 광주과학기술원은 세계적인 시장조사 업체인 럭스 리서치(Lux Re-search)가 최근 조사·발표한 ‘2013년 세계 우수 물 연구기관 조사 평가(Top Academics and Institutions in Water Research 2013)’에서 세계 7위의 우수 물 연구기관으로 뽑혔다. 

담수 분야에 있어서만은 공신력 있는 기관으로부터 인증을 받은 세계 3위이다. 따라서 현재 기술력만 놓고 봤을 때 국내 해수담수화 기술은 선진국에 크게 뒤쳐지지 않는다고 판단할 수 있다.

 기술검증 위한 국내시장 창출 절실

 해수담수화플랜트 사업단 종료 후 이슈들에 대해 살펴보겠다. 첫째, 사업단이 만들어낸 테스트베드 활용방안이다. 지금 테스트베드 소유와 운영에 대해서 관계 기관간의 이해 득실관계가 있어서 지지부진한 상황이다. 실제 플랜트로서의 가치, 즉 정수 공급이 우선인지 아니면 테스트베드라는 목적에 따라서 R&D나 민간 활용이 우선인지, 경제성과 가치측면을 놓고 판단 중에 있다.

둘째, 각 과제별 실질적 사업화 실적이다. 사업단은 보여지기 위한 기술이전이 아닌 국익창출을 위해 만들어진 것이다. 대기업들은 해당사항이 없지만 중견·중소기업 같은 경우에는 기술이전 이후 실제 사업화까지 추진해 나가기에는 부족한 면이 있다. 따라서 이러한 기업을 선도할 수 있어야 한다. 

현재 해외시장 진출을 위한 국제 네트워크가 구축되어 있지 않고, 사업단에 참여한 2∼3개의 대기업을 제외하고는 해외시장 경험이 없는 상황이다. 국내 장기 기술검증을 위한 시장 창출이 절실하다. 

국내에 시장이 있다면, 기업들이 기술력을 인·검증을 받은 다음 진출할 수 있다는 장점이 있다. 이를 위해 강원도 등 물 부족 지역을 대상으로 국가 차원의 물 공급 대책을 마련해, 시장을 만드는 것이 굉장히 중요하다.

해수담수화 시설은 가치성과 경제성 면에서 충돌이 일어나고 있다. 경제성 부족으로 인해 민간이나 지자체에서 자체적으로 추진하기에는 상당한 무리가 있다. 따라서 국가적인 지원이 절실하다.  

역삼투 공정은 2000년 초반에 완성됐다. 따라서 사업단이 출범할 시기에는 이미 늦은 해수담수화 기술을 개발할 수밖에 없었다. 역삼투막 방식의 추격형 R&D로 개발하였다. 

기술을 완성한 후 시장은 이미 기술적인 평준화가 이뤄졌다. R&D 기술개발 결과를 가지고 직접 시장과 연결하는 데는 굉장히 어려움이 있었다. 에너지를 낮추기 위한 기술이 필요하다는 분석결과를 도출했다.

해수담수화 플랜트 사업단의 성공으로 인해 소재 사업화의 다양한 부분에서 기대치의 실적을 달성했지만, 대형 플랜트는 직·간접적 지원에 따른 수주까지 했으나 기대치에 미비했다. 시장변화에 영향을 받았는데, 2000년 이전에는 EPC 기술 중심이었으나 그 이후에는 EPC와 O&M이 합쳐졌다. 

O&M는 결국 에너지 비용이라고 볼 수 있다. 대표적으로 Ras AI Khaimah SWRO(Seawater reverse-osmosis) 프로젝트 입찰에서 입찰순위 1위와 6위의 수주결과가 바뀌었는데, 이는 에너지 소요 비용 때문에 전체평가금액이 바뀐 것이다. 

세계적인 EPC 기술을 보유함에도 역삼투 공정 실적이 상대적으로 미비한 이유는 아직까지 운영에 대한 경험들이 절대적으로 부족하기 때문이다. 국내 EPC (Engineering, Procurement & Con-struction)를 위한 요소기술은 세계적인 수준으로 성장했다. 

그러나 역삼투 방식에서 에너지 저감을 위한 획기적인 요소기술의 개발은 상당히 힘들다. 현재 에너지 O&M의 가격 경쟁력은 4.0k㎾/㎥(생산수 가격 1천 원/㎥) 내외로 세계시장에서 대형 플랜트 수주를 기대하기 상당히 힘든 상황이다.   

기술선도형 담수화 핵심, 에너지 절감  

현재 시장 대응형 R&D 분야에서는 O&M에 대한 장기연구, 농축수 모니터링, 농축수 재활용 등이 필요하다. 또한, 역삼투막 플럭스를 증대시키는 소재 개발이 지속적으로 이루어져야 한다. 기술선도형 담수화 R&D 분야의 키워드는 역시 에너지이다. 

4가지 키워드는 △새로운 공정으로 정삼투(FO)와 막 증류(MD) △새로운 에너지원으로 신재생 에너지(태양·풍력·지열·화학에너지) △하이브리드 공정 △새로운 소재로 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 나노입자, 아쿠아포린 등으로 이를 통해 에너지를 줄여보고자 한다.

정-역삼투 융합 공정은 유도용액 회수공정이 불필요한 실용성을 갖춘 재이용 공정으로 FO와 RO를 이용했다. FO에서 희석을 통해 후속 RO에 소요되는 에너지량을 저감하는 것이다. MD/PRO 융합공정은 SWRO에서 나온 농축수를 MD를 통해서 더 농축을 시키고 PRO를 통해 에너지를 회수하는 공정이다. 

차세대 막소재로는 CNT, Nanopar-ticle, Aquaporin 등이 있다. CNT의 경우, 생산수량을 증대하고, Nanopar-ticle은 바이오 파울링을 저감하는 목적을 가지고 있다. Aquaporin은 운전 압력을 감소시키는 것을 키워드로 하고 있다. 이러한 차세대 막은 담수화 과정에서 요구되는 압력을 줄일 수 있다.

적극적인 R&D 결과 활용 제도 필요 

대형 국책과제를 시행할 때에는 미래시장 흐름을 대비한 R&D 계획이 필요하다. 시장은 급격하게 변하기 때문에 장기 R&D의 경우 매년 시장 변화에 따른 유연성을 가지고 있어야 한다. 우리나라의 경우, R&D 목표가 정해지면 바꿀 수 없는 단점이 있다. 이 때문에 추격형이 될 수밖에 없는 상황이다. 

국가 및 지자체의 적극적인 대응이 필요하다. 만들어진 테스트베드(Test-Bed)를 사용할 수 없는 것은 국가적인 낭비가 될 수밖에 없기 때문이다. 

R&D 결과를 지속적으로 활용하기 위해서는 국내 시장을 창출해야 한다. 해수담수화 같은 경우 법적·제도적 지원체계가 있어야 한다. 국내의 R&D 결과에 대한 적극적인 결과 활용을 위한 제도가 필요하다.  

마지막으로 지속적인 R&D를 추구해야 한다. R&D가 끝나면 중복 등으로 인해 관련 R&D를 하는 것이 굉장히 어렵다. R&D 사업 이후에도 국가적인 R&D 지원이 필요하며, 사업 이후 관련 분야의 노하우 및 결과물에 대한 지속적인 관리·활용이 요구된다. 

중소기업의 경우 해외 특허 관리에 어려움이 있다. 매년 관리비가 필요한데 감당이 되지 않아 포기하는 경우가 속출하고 있다. 세계 선도를 위해서는 국제적인 네트워크를 활용할 수 있는 방안을 마련해야 한다.