- San Diego 인근 Carlsbad Desalination Plant는 하루 약 5천만 갤런, 23,000㎥의 담수를 만들어 지역 담수의 약 10%를 공급하지만, 전 세계 18,000개 이상 담수화 플랜트가 맡는 물은 세계 수요의 1% 미만임
- 바닷물은 보통 리터당 약 35g의 염분을 담고 있어, 음용 가능한 1‰ 이하 또는 담수 상한인 500ppm 수준에 맞추려면 염분 98% 이상 제거가 필요함
- 증류는 원리가 단순하지만 실험에서는 200ml 생산에 약 2시간과 1kWh가 들었고, 현대 설비는 폐열·다단 증발·감압으로 열효율을 끌어올림
- 역삼투(RO)는 약 600psi 같은 높은 압력으로 물을 막에 통과시키며, 실험 장치는 1리터에 약 5분과 1,200W가 들었지만 최신 RO 플랜트는 1㎥당 1~2kWh까지 낮출 수 있음
- 실제 비용은 전처리, 막·증발기 청소와 교체, 후처리, 농축수 처리, 전력 가격, 기술·법률·정치·환경 리스크까지 겹쳐 다른 수원보다 정당화하기 어려운 경우가 많음
담수화가 마주하는 기본 수치
- 캘리포니아 San Diego 인근의 Carlsbad Desalination Plant는 바다에서 직접 물을 끌어와 하루 약 5천만 갤런 또는 23,000㎥ 의 담수를 생산함
- 이 생산량은 해당 지역 담수의 약 10%에 해당함
- 전 세계에는 18,000개 이상의 담수화 플랜트가 운영 중이지만, 이들이 공급하는 물은 세계 물 수요의 1% 미만임
- 담수화 플랜트는 물 산업 전체 에너지 사용량의 4분의 1을 소비함
- 바닷물의 염도는 지역과 계절에 따라 조금 달라지지만, 보통 1리터당 약 35g의 용해 염분을 포함함
- 이는 35‰, 즉 천분율 기준 35 parts per thousand에 해당함
- 의료용 생리식염수는 약 9‰이며 혈액과 거의 등장성(isotonic)이지만, 이 농도도 마시기 좋은 맛은 아님
- World Health Organization은 용해 고형물이 1‰를 넘으면 일반적으로 소비자가 받아들이기 어렵다고 봄
- 담수의 일반적인 상한은 500ppm, 즉 0.5‰ 수준이며, 소금뿐 아니라 모든 용해 고형물을 합친 값임
- 바닷물을 음용 가능한 수준으로 만들려면 염분의 98% 이상을 제거해야 함
증류는 단순하지만 에너지와 스케일에 막힘
- 증류는 가장 오래되고 직관적인 담수화 방식으로, 소금은 남기고 물을 가열해 증기로 만든 뒤 다시 응축함
- 실험용 장치에서는 직접 만든 바닷물을 플라스크에 넣고 hot plate로 가열한 뒤, 냉각수를 순환시켜 증기를 다시 액체로 만들었음
- 결과물의 용해 고형물은 몇 ppm 수준으로 거의 없었지만, 200ml를 얻는 데 약 2시간과 약 1kWh의 전기가 필요했음
- 미국 가구의 하루 물 사용량을 대략 300갤런, 즉 1,100리터로 잡으면 같은 효율의 실험 장치를 약 500배 키워야 함
- 이 경우 하루 약 6,000kWh가 필요함
- 미국 평균 주거용 전기요금 기준으로 하루 약 800달러가 듦
- 현대 증류 설비는 실험 장치보다 훨씬 효율적으로 설계됨
- 폐열을 활용하기 위해 석탄 또는 가스 화력발전소와 함께 배치되는 경우가 있음
- 응축 과정에서 나온 열을 재사용함
- 여러 단계를 써 액체를 더 효율적으로 증발시킴
- 펌프로 압력을 낮춰 기계적으로 증발을 유도함
- 증류에는 스케일(scale) 문제도 따라옴
- 물이 끓어 사라진 뒤 소금 침전물이 쌓이면 열 전달이 어려워져 효율이 떨어짐
- 침전물은 정기적으로 청소해야 함
- 플래시 증발기(flash evaporator)는 액체 흐름을 팽창 밸브로 보내 끓는점보다 낮은 온도에서 증발을 유도해 스케일 축적을 줄임
- 중동 지역을 포함한 증류식 담수화 플랜트에서 수십 년 동안 신뢰성 있게 담수를 생산해 온 핵심 장비임
역삼투는 더 효율적이지만 압력과 막 관리가 핵심임
- 역삼투(reverse osmosis, RO)는 막을 사이에 두고 자연스럽게 확산되는 삼투 현상을 압력으로 거꾸로 밀어붙이는 방식임
- 실험에 사용한 해수용 막은 나선형으로 감겨 있어 작은 패키지 안에 넓은 표면적을 제공함
- 물은 통과시키고 용해 고형물은 붙잡는 필터와 비슷하지만, 훨씬 작은 규모에서 작동함
- 대부분의 현대 담수화 플랜트는 1차 분리 방식으로 RO를 사용함
- 열 증류보다 일반적으로 훨씬 효율적임
- 그래도 일반적인 원수 처리 플랜트보다 훨씬 많은 에너지를 씀
- 실험 장치는 약 600psi, 즉 일반 대기압의 약 40배 압력을 사용함
- 소형 RO 시스템도 장시간 운전용 고압 펌프를 사용함
- 실험에서는 전용 펌프 대신 저가 압력세척기를 사용함
- RO에서는 모든 유입수가 막을 통과하지 않음
- 대부분의 물은 막을 지나쳐 더 짠 농축수(brine)로 배출됨
- 막을 통과한 물은 투과수(permeate)로 하우징 중앙에서 나옴
- 농축수 밸브를 닫으면 하우징 압력이 올라가 투과수 유량이 증가하지만, 소금을 씻어낼 물이 없으면 막이 오염됨
- 막은 보통 몇 시간 동안 물을 흘려야 최적 성능에 가까워짐
- 실험용 압력세척기는 그만큼 오래 돌리기 어려웠음
- 약 30분 뒤 얻은 물은 용해 고형물이 1~2‰ 수준이었고, 고품질 음용수는 아니지만 마실 수 있는 수준이었음
- 실험에서는 부스터 펌프와 압력세척기의 합산 전력이 약 1,200W였고, 1리터 생산에 약 5분이 걸렸음
- 하루 300갤런을 만들려면 압력세척기 4대를 계속 돌려야 함
- 하루 100kWh 이상이 필요하며, 비용은 하루 15달러 또는 연 5,000달러 이상임
- 최신 RO 플랜트는 대형 고품질 막 랙, 고효율 펌프, 농축수 에너지 회수 장치를 사용함
- 실험 장치는 해수 1㎥, 즉 264갤런을 처리하는 데 약 100kWh가 필요함
- 최신 RO 플랜트는 같은 양을 1~2kWh로 처리할 수 있음
실제 비용은 분리 공정 밖에서 커짐
- 실제 해수 담수화 플랜트는 실험처럼 수돗물에서 시작하지 않고, 소금 외에도 흙, 조류, 유기물, 기타 오염물질이 섞인 원해수를 처리함
- 이런 성분은 증발기나 막을 오염시키거나 손상시킬 수 있어, 모든 담수화 플랜트는 먼저 전처리를 수행함
- 전처리에는 화학약품 주입과 필터 유지 비용이 듦
- 이 비용과 에너지는 염분 분리 단계 전에 이미 발생함
- 전처리가 잘 되어도 RO 막이나 증발기는 정기적으로 가동을 멈추고 청소해야 함
- 시간이 지나면 교체도 필요함
- RO 투과수나 증류수는 보통 고객에게 바로 보낼 수 없음
- 물이 너무 깨끗해 대부분의 사람이 선호하는 맛을 위해 미네랄을 다시 넣는 후처리가 필요함
- 배수 시스템을 지나며 오염되지 않도록 소독제도 추가함
- 농축수(brine) 는 생산수에서 제거된 소금이 더 작은 물 부피에 모인 폐기물임
- 현대 담수화 플랜트는 보통 유입수의 약 절반을 회수함
- 따라서 농축수는 일반 바닷물보다 약 2배 높은 염도를 가짐
- 고염도 농축수를 바다에 그대로 방류하면 해저 근처 식물과 동물에 환경 영향을 줄 수 있음
- 농축 용액은 보통 가라앉기 때문임
- 많은 배출관은 확산기(diffuser)를 사용해 짠 물을 빠르게 희석함
- 발전소 냉각수나 하수 처리수 같은 다른 물 흐름과 섞어 방류 전에 희석하기도 함
- 이런 방법이 불가능하면 일부 플랜트는 소금물을 지하에 주입해야 하며, 이는 비용이 많이 드는 방식임
담수화가 다른 수원과 경쟁하는 방식
- 자연의 물순환은 이미 태양 에너지로 바닷물을 증류하고 내륙으로 운반해 지표에 떨어뜨리는 역할을 함
- 댐, 저수지, 운하, 펌프장, 지표수 취수 시설도 큰 비용과 환경 영향을 가지지만, 해수 담수화의 막대한 비용과 에너지 요구량이면 특정 인구 밀집 지역에는 긴 파이프라인을 건설·운영할 수도 있음
- 담수화는 겉으로는 단순해 보이지만 실제 비용과 복잡성을 합치면 다른 대안보다 정당화하기 어려운 경우가 많음
- 원자력 발전과 비슷하게 표면적으로는 단순하지만 실무 복잡성이 큼
- 상대적으로 새로운 기술이라 숨은 기술·법률·정치·환경 문제를 예측하기 어려움
- 높은 에너지 수요 때문에 담수화는 물 비용과 전기 비용을 강하게 연결할 수 있음
- 가뭄 중에는 수력발전 비용이 오를 수 있음
- 전체 에너지 비용이 올라가면 담수화는 가장 필요할 때 경제성이 낮아질 수 있음
- 대규모 인구와 심각한 물 부족이 있는 지역에서는 담수화가 실행 가능한 해법이 될 수 있음
- 가장 큰 플랜트들은 Saudi Arabia와 UAE 같은 중동 국가에 있음
- California, Texas, Florida처럼 기후 변동성이 큰 지역에서도 물 공급 포트폴리오의 한 요소가 될 수 있음
- 담수화 물은 강, 저수지, 지하수보다 비싸지만, 다른 수원이 제한되거나 사용할 수 없는 가뭄 조건에서는 더 신뢰할 수 있음
- 바닷물보다 염도가 낮은 하구나 기수성 지하수가 있는 곳에서는 담수화가 훨씬 비용 효율적인 담수원이 될 수 있음
민간 리스크와 Carlsbad 프로젝트의 신호
- 민간 부문이 리스크를 맡으면 담수화 프로젝트의 실행 가능성이 높아질 수 있음
- 대형 담수화 플랜트 상당수는 공공 유틸리티가 일반 처리장을 직접 금융 조달·건설·운영하는 방식이 아니라 민간 물 회사와의 파트너십으로 운영됨
- 유틸리티는 물 구매 계약을 통해 금융 비용과 운영 리스크를 민간 회사에 넘기고 안정적인 물 구매 구조를 얻음
- 정부 이사회가 선례가 적은 복잡한 기술 문제와 혁신에 직접 판단해야 하는 부담도 줄어듦
- San Diego County의 Carlsbad 플랜트를 운영하는 민간 회사는 2018년 옆 발전소가 폐쇄된 뒤 필요한 독립 해수 취수 시설을 2024년 완료 목표로 진행 중임
- 이 프로젝트 채권은 Fitch에서 BBB 등급으로 상향됨
- 이는 해당 시설의 전망이 비교적 안정적이고 채무불이행 가능성이 낮다는 평가임
- 한 평가기관이 한 프로젝트와 한 막 기반 플랜트에 대해 내린 평가이지만, 담수화 기술이 진전되고 있음을 보여주는 신호임