"아로아로벼에서 소금을"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 16일 (일) 18:53 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 해수담수화 플랜트의 에너지 효율 상승 ..

영문 : Energy Efficiency Enhancement for Seawater Desalination Plants..

과제 팀명

아로아로벼에서 소금을

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2013XXX3** 최**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2013XXX7** 정**

서울시립대학교 환경공학부·과 2013XXX5** 권**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

● 지표수 및 지하수 등 기존 용수의 공급을 대체하기 위한 수자원의 비중이 커질 것으로 예상.

● 해수의 담수화 기술은 각종 용수 부족으로 야기되는 문제를 해결하기 위한 효과적인 기술임.

● 기후변화와 강우패턴 변동, 수자원의 지역적 편중 등에 따른 가용수자원의 확보 필요.

● 기존 전력 사용량을 개선하여 생산단가 절감을 통해 해수담수화 시설의 효율적인 운영을 실현.

● 에너지 효율성을 제고하고 환경 부하를 저감시키는 방식으로 설계목표를 설정.

개발 과제의 배경

전 세계적인 인구증가와 산업의 발달 및 오염의 확산으로 지표수 및 지하수에 의한 기존 용수의 공급은 심각한 위기를 맞을 것으로 예상되며, 점차 대체 수자원의 비중이 커질 것으로 예상하고 있다.

지구상에 존재하는 수자원 중 97.5%가 염수(그중 96.5%가 해수)로서, 특별한 처리가 없이는 음용수로서 사용이 불가하며, 담수인 2.5% 중에서 총 사용가능한 것은 지하수와 강물을 포함해 전체 수자원의 0.77% 정도이다. 중수도는 대단위 사업체를 중심으로 점차 확대되고 있으나, 음용수로 사용이 불가함에 따라 적용범위가 제한적이다. 또한, 강변여과수에 대한 개발이 확대되고 있으나 전체 취수량에 비해 극히 미비하다(5개소, 336,000 ton/d, 환경백서 2012). 지하댐은 일반 저수지보다 증발이 적고 수질오염도 적지만 유지비용이 많이 들고 대용량의 물을 확보하기는 어려워 소규모 (30,000 ton/d 내외)로 운영되며, 적용범위가 대부분 농업용수를 대상으로 한다.

● 지속가능한 수자원

현재 지속가능하면서 지구의 물 부족을 해결할 수 있는 수자원 확보 기술은 하폐수 재이용, 우수 재이용 및 해수담수화로 정의되고 있다.

하폐수 재이용 기술은 인간이 사용하고 버린 물을 다시 정화해서 사용한다는 개념으로, 기존 수처리와 고도 수처리 기술이 복합되어 사용 목적에 맞는 물을 생산할 수 있다. 우수재이용 기술은 저장되지 못하고 버려질 수 있는 빗물을 인위적으로 저장하고 여과 및 소독 등을 통해 수자원을 확보하는 방법이다. 마지막으로 해수담수화기술은 말 그대로 해수를 담수로 만드는 기술이며 지구의 물 중 97%를 차지하는 해수를 지속가능한 수자원으로 바꿀 수 있는 방법이다.

하폐수 재이용 기술은 하폐수의 오염도가 높아 먹는 물로 이용하기 위해서는 많은 기술적 제약이 따르고 우수 재이용은 비가 내리지 않는다면 실용성이 떨어지는 단점이 잇다. 하지만 바닷물은 비교적 오염도가 작고 1년 내내 언제든지 이용할 수 있다는 장점이 있어 해수담수화기술은 물부족 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 과제의 내용

가) 해수담수화의 종류

● 다단증발법 (MSF, Multi-Stage Flash)

다단증발법은 해수를 압력이 다른 여러 단계의 열 교환기 내부를 거치게 하면서 발전 플랜트에서 발생하는 증기로 가열해 증발시킨 후 차가운 해수가 흐르는 관 외벽에서 증기를 응축하는 과정을 통해 담수를 생산하는 방식이다.

● 다중효용증발법 (MED, Multi-Effect Distillation)

다중호용증발법은 다단증발법의 단(stage)와 유사한 개념의 이펙트(effect)라는 기기를 사용하여 담수를 생산하는 방식이다. 다중효용증발법은 고압의 BRP Pump 설비를 필요로 하지 않아 전력 소모량이 적어 운전 비용을 줄일 수 있다는 강점이 있으며, 소형, 중형, 대형 담수화 설비 모두 공급이 가능하다.

● 역삼투압법 (RO, Reverse Osmosis)

세계담수화 시장에서의 지배적인 기술은 2000년대 이전까지 다단 플래쉬 공정이 지배적인 기술이었다. 그러나 에너지 비용의 증가는 해수담수화 기술을 증발식 기술에서 에너지 비용이 저렴한 역삼투 기술로 변화시켰다. Desalination Market 2016에 따르면, 현재 해수담수화 플랜트의 90%가 역삼투공정이다.

역삼투압법은 해수에 압력을 가한 후 반투막을 이용하여 물과 염분 등 기타 물질을 분리하는 역삼투압 방법을 이용하여 담수를 생산하는 방식이다. 운영이 비교적 용이하고 담수 생산을 위한 에너지 소비량이 낮으며, 소, 중, 대용량의 담수화 설비에 모두 적용할 수 있다.

2) 개발 과제의 목표

가) 에너지 비용 저감 ㆍ 에너지 공급을 경제적으로 설계하여 운영비용을 저감

나) 고효율화 ㆍ 조건에 맞는 해수담수 시설 설정 및 구성 변경

다) 보급정책 제안 ㆍ 지역 실정에 맞는 해수담수화 시설 보급 정책 제안 ㆍ 국내외 사례 조사를 통한 현실적이고 효율적인 정책 제안

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 기술 소개 역삼투막에 의한 해수담수화는 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 반투막(RO)에 의해 담수화하는 기술이며, 역삼투 방식(RO) 해수담수화 공정의 설계에 대한 단위는 트레인으로 규정된다. 그림 1에서처럼, 트레인은 고압펌프와 Vessel로 구성되는 Membrane bank 그리고 에너지 회수장치(ERD)로 구성되는 자체적으로 운영이 가능한 최소의 단위이다. 일반적인 역삼투 방식 해수담수화공정은 이런 트레인이 다수 모여서 하나의 플랜트를 완성한다.

2. 에너지저감 기술 개발 현황

역삼투 공정의 경제성은 건설비를 제외 하면, 에너지 비용에 의존하며, 역삼투 공정의 에너지는 트레인에서 소모되는 에너지에 크게 의존한다. 일반적으로 역삼투 공정은 트레인을 구성하는 요소 중 역삼투막 성능, 고압펌프효율, 에너지회수장치의 효율에 의해 에너지 효율성이 크게 좌우된다.

역삼투식 해수담수화 플랜트의 에너지 효율성은 자연적인 환경을 제외하면 트레인의 효율성에 의존한다. 그러나 이러한 트레인의 효율성은 기술적 한계치에 도달함에 따라 일반적인 방식으로는 트레인 설계만 가지고는 효율성 면에서 개선효과를 기대하기는 힘든 상황이다.

3. 국내 기업의 기술수준 및 격차

담수화 공정에서 유입수의 콜로이드성 물질 및 입자성 물질 등 막오염 유발 물질의 제거를 위한 전처리 기술은 최근 분리막(UF/MF)을 사용한 전처리 방식의 적용 경향이 증가하고 있다. 현재 우리나라는 선진국과 주요 핵심기자재의 기술격차가 존재하며, 국산화가 완료된 분리막은 해외기업과 차이가 없는 것으로 판단된다.하지만 에너지회수장치, 제어ㆍ평가기법 등은 선진국과 큰 격차가 존재한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

● 공정의 융합

각 공정에 대한 연구는 지속적으로 증가하고 있으며, 아직까지 역삼투 공정을 대체하기에는 부족하지만 상업화에 근접한 기술로 평가될 수 있다. 따라서 기존 역삼투 공정과 융합하여 에너지 사용을 저감하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품 요구사항

1. 기존 전력 및 에너지 대비 경제성 본 과제의 핵심 목표인 에너지 효율 상승에 대한 필수적인 요구사항으로 중요도는 매우 높다.

2. 정삼투 공정에서의 유도용액 회수율 기존의 정삼투 공정은 유도용액의 비효율적인 처리 및 회수가 요인이 되어 따로 쓰이지 못하였다. 하지만 본 설계에서 다른 공정과 융합하여 유도용액의 효율적인 처리 및 회수를 필수적인 요소로 사용한다.

3. 염분 제거율 및 담수화 정도 본 과제의 목적이 해수의 담수화이므로 염분의 제거는 필수적이다. 하지만 기존의 공정에서 염분의 제거율은 97 – 99%를 이루었기 때문에 그에 대한 중요도는 낮게 산정하였다.

4. 수질 오염제어 기술 담수화 과정에서 발생하는 오염물질 및 기존 해수에 존재하는 오염물질에 대한 처리기술을 선정하였다.

5. 가용 처리 수량 및 플랜트 크기 담수화 플랜트의 용량은 설치 장소의 환경에 따라 달라지므로 이에 대한 요구사항은 낮게 산정하였다.

설계 사양

내용 설계 사양은 크게 플랜트 크기, 전력 소비량, 염분 제거율로 나눈다. 기존의 4 kWh/㎥의 전력소비량에서 40% 절감한 2.5 kWh/㎥ 이하의 전력 소비량을 목표로한다. 플랜트 크기는 1000m3/d로 시험용 플랜트를 목표로한다. 염분 제거율은 97 ~ 99%이상으로 기존과 동일하거나 이상의 효과를 내도록 설계한다.

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용