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태양광·열 활용, 해수담수화 기술개발 착수

신재생에너지 융·복합 통해 중동 등 해외신시장 개척 기대



고집광 태양광·열을 이용해 전기와 물, 담수를 효율적으로 생산할 수 있는 기술이 개발, 중동지역을 대상으로 한 신시장 개척이 기대된다.

한국에너지기술평가원이 발주하고 총 사업비 253억7,000만원이 투입되는 ‘중동시장 진출을 위한 신재생에너지 해수담수화 융합 기술 개발’ 과제는 디에코에너지가 주관하고 △한국기계연구원 △경희대 △국민대 △LG화학 △한국건설기술연구원 △CJK얼라이언스 △이노템즈 △프로세이브 등 9개 기관이 참여한다.

2023년 9월까지 진행될 예정인 이번 과제는 △고집광 태양광열(HCPVT, High Concentration Photo-Voltaic Thermal) 병합발전시스템 △역삼투방식(RO, Reverse Osmosis) 해수담수설비 △막증류(MD, Membrane Distillation) 방식 해수담수설비 △에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) △에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)로 구성됐다.

HCPVT로부터 얻은 전기와 열에너지를 동시에 이용해 담수시스템(RO+MD)에 적용하기 때문에 기존 PV-RO시스템 보다 담수 생산효율과 경제성이 우수한 해수담수화 시스템이다. 전력망이 없는 곳에서는 HCPVT의 설비용량을 증가시켜 RO설비에 필요한 부하 외에 전기공급이 가능하도록 구성할 수 있으며 전력망에 연결이 가능한 곳에서는 RO설비에 공급하는 전기 부하를 안정적으로 공급하고 HCPVT의 설비용량을 감소시키는 형태로 구성할 수 있다. 

HCPVT 병합발전시스템의 효율은 전기 30%, 열 40%로 최소 총 70% 이상의 태양에너지를 유용한 에너지로 전환할 수 있다. 기존 실리콘 평판형 태양광발전(PV, Photo-Voltaic)대비 설치면적당 더 많은 에너지를 얻을 수 있으며 동일 에너지를 생산 시 설치비용은 유사하나 필요 부지면적이 24~59% 감소하는 큰 장점을 가진다.
 
이번 시스템은 수요처에 따라 HCPVT-RO-MD, HCPVT-RO, HCPVT-MD, HCPVT-MED (Multi Effect Distillation) 등으로 유연하게 다양한 구성이 가능하므로 소용량 (50m³/d 이하)부터 대용량 해수담수설비까지 다양한 비즈니스 모델이 가능하다.

HCPVT-RO-MD은 HCPVT로부터 얻은 열을 MD에 공급해 700kW 발전용량 기준 50m³/d의 물을 추가적으로 생산 가능하며 RO의 생산수와 MD의 생산수를 혼합함으로써 생산수 수질 관리가 용이하다. RO의 농축수 일부를 MD의 원수로 공급해 방류수의 양을 줄이고 전체 흡입량을 감소시켜 전기 소비량 및 환경 부담을 감소시킨다.

HCPVT-RO는 HCPVT에서 생산된 전기는 RO설비에 공급하는 동시에 생산된 열은 해수 공급수를 예열함으로써 RO설비의 생산효율이 증가한다.

HCPVT-MD와 HCPVT-MED경우 물 수요량이 크지 않은 지역에서 HCPVT로부터 얻은 대부분의 전기는 전기 부하로 공급하고 생산된 열에너지는 물 수요량에 적합한 MD 또는 MED를 운전하여 전기–물 동시 공급이 가능한 시스템으로 전력망이 없는 낙후지역에 적합하다.

파급효과 및 특성
최근 세계적 수자원 부족 및 고갈문제가 심각하게 부상하고 있다. 또한 Water-Energy-Food Nexus 상호 의존성이 증가하고 태양광 발전시스템 시장의 성장과 한계에 직면했다. 해수담수화 시장의 지속적이고 확실한 성장세가 유지되는 가운데 신재생에너지 이용 해수담수화 융복합 기술의 필요성이 증가하고 있는 상황이다.

이번 과제의 대상 기술인 HCPVT-RO-MD는 태양광발전을 통해 전력과 담수를 동시에 공급 가능한 시스템이며 RO, MD, MED 등 전기 및 열에너지를 이용하는 대부분의 담수시스템과 조합이 가능해 다양한 물 수요량과 현지 요구조건에 대응할 수 있다. 특히 대상 플랜트의 핵심 설계 기술 및 설계 플랫폼 구축을 통하여 원천기술을 확보할 수 있다.

HCPVT-RO-MD는 PV-RO시스템과 유사한 구축 비용이지만 소요부지는 약 30%까지 감소되고 발전효율을 약 30%까지 달성 가능하다. HCPVT는 전기와 동시에 양질의 열생산을 통해 해수담수, 냉난방, 온수급탕, 산업공정열 등에 활용할 수 있다. 특히 PV-RO는 PV기술과 RO기술 모두 성숙된 기술이고 국내외 연구기관에서 많은 연구가 이뤄졌으므로 이미 시장에 상용화된 제품이 있지만 HCPVT의 경우 국내 개발사례가 없고 개발 시 고효율 에너지산업으로 확대가 가능하다.  

HCPVT-RO-MD시스템은 기존 해수담수 시장을 부분적으로 대체하거나 새로운 시장을 형성할 수 있으므로 신산업으로 육성이 기대된다. 중동 등의 세계 해수담수시장에서 신재생에너지를 이용한 해수담수 시장이 급성장하고 있으므로 해외 수출모델로 육성이 가능하다. 국내외의 만성적인 물부족 문제와 환경오염 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술로 전력망이 없는 도서지역이나 오지에 적용 시 중소기업의 유망한 사업분야가 될 수 있다.

국내의 만성적인 환경오염 문제를 해결할 수 있는 분산형 발전시스템 및 분산형 물공급시스템으로 주민 수용성이 높다. 최근 사회적 문제로 대두되는 환경오염문제에 대응해 화석에너지가 아닌 신재생에너지를 이용한 시스템을 산업계에 널리 적용하면 국민 건강 증진에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 정부의 친환경에너지 정책에도 이바지 할 것으로 보인다. 물-전기-열에너지 등 필수 에너지의 자립화를 달성할 수 있는 기술로 다양한 환경과 지역에 적용가능하며 전력망이 없는 소외지역에 적용시 정부의 공공적 역할에 대한 긍정적 인식에 기여할 수 있다.

HCPVT-RO-MD 플랜트의 설계 플랫폼은 각기 다른 현지 수요와 환경에 적합한 설계기술을 개발하므로 전기용량 및 물용량, 현지 기후 조건, 법적 환경 조건 등을 반영한 최적의 설계를 할 수 있는 혁신적인 프로그램이다.

IoT 융합 AI 진단·유지·정비 기술을 적용, 기존 신재생-RO 플랜트에서 심각하게 문제 시 됐던 운영·관리 문제를 효율적으로 개선할 수 있다. IoT 기반의 스마트 EMS 시스템은 원거리 플랜트나 설비의 상태를 원격으로 모니터링하고 제어할 수 있어 주기적 모니터링이 필요하거나 응급상황 발생 시 실시간으로 추적하고 관리할 수 있어 유지보수에 용이하다.