태양광 해수담수화 – 22억 인류의 물 부족 해결

물 부족 문제는 우리가 상상하는 것보다 더 시급합니다. United Nations Environment Programme에 따르면, 전 세계 인구의 거의 50%에 해당하는 약 40억 명이 연중 최소 한 달은 물 부족을 겪고 있습니다.

내년인 2025년까지 18억 명이 식량농업기구(FAO)가 ‘절대 물 부족’이라고 부르는 상황에 직면할 가능성이 있습니다.

이처럼 거대하고 전 세계에 퍼진 문제를 해결하려면 혁신적인 솔루션이 필요하며, 이는 아직 탐구되지 않았거나 충분히 활용되지 않은 자원을 이용해야 합니다.

예를 들어, 물 부족 문제를 해결하기 위해 바닷물을 담수로 전환하는 것은 바닷물 공급이 풍부하기 때문에 가장 효과적인 해결책 중 하나가 될 수 있습니다. 이 과정이 실시된다면 재생 에너지, 예를 들어 태양광을 이용하는 것이 좋습니다.

바닷물로 식수를 생산하는 에너지 효율적인 장치

바닷물을 신선한 식수로 전환하려면 담수가 필요합니다. 그러나 현재 바닷물을 막을 통해 펌프하여 염을 분리하는 시스템은 에너지 집약적일 뿐만 아니라 장치 표면에 염이 축적되는 문제도 있습니다. 그 결과 물 흐름이 방해받아 효율이 감소합니다. 이러한 염 침전은 기계가 지속적인 운영에 부적합하고 유지보수가 자주 필요해 비용이 많이 듭니다.

워털루 대학교 연구팀이현재 새로운 자연의 물 순환에서 영감을 받은 자연의 물 순환, 나무가 뿌리에서 잎으로 물을 운반하는 방식을 크게 참고했습니다.

워털루 화학공학부의 마이클 탐 박사에 따르면:

우리의 영감은 자연이 스스로를 유지하는 방식을 관찰하고, 물이 환경에서 증발하고 응결되는 방식을 통해 얻었습니다.

이 메커니즘은 자연 물 순환에서 영감을 얻었기 때문에 거의 큰 유지보수가 필요하지 않습니다.

이 과정은 물을 증발시키고, 표면으로 운반한 뒤 폐쇄 회로에서 응축시키는 엔지니어링 솔루션을 포함합니다. 그 결과 염 축적을 효과적으로 방지하고, 효율성을 손상시키지 않으면서 장치 수명을 향상시킵니다.

이 장치의 장점에 더해 재생 에너지를 사용하여 장치가 에너지 효율적이라는 점입니다. 태양광으로 구동되며 태양 에너지의 약 93%를 전기로 전환할 수 있습니다.

효율성은 현재 시장에 나와 있는 기존 담수화 시스템보다 다섯 배 뛰어나며, 평방미터당 약 20리터의 신선한 물을 생산합니다.

흥미롭게도, 이는 세계보건기구(WHO)가 사람당 하루 기본 식수 및 위생을 위해 권장하는 물의 양과 동일합니다.

장치가 태양 에너지를 효율적으로 활용하도록 연구진은 기본 재료로 니켈(Ni)을 사용했습니다. 니켈 폼 기반에 전도성 폴리머 코팅과 온도 반응성 꽃가루 입자를 입혔습니다. 이 조합으로 소재가 태양 복사 스펙트럼 전반에 걸쳐 햇빛을 흡수하도록 만들었습니다.

물의 상승을 위해 얇은 염수 층을 가열하여 운반했습니다. 이는 자연 나무의 모세관을 통해 물이 이동하는 방식과 유사합니다. 물이 증발하면 남은 염은 장치 하단으로 이동합니다.

이 솔루션의 단순성은 더 널리 채택될 준비가 되어 있음을 의미합니다. 휴대성이 뛰어나 특히 해안 및 섬 국가와 같은 외딴 지역에서도 사용할 수 있습니다.

솔루션의 전반적인 이점을 요약하면서, 워털루 화학공학부의 유닝 리 박사는 다음과 같이 말했습니다:

이 새로운 장치는 효율적일 뿐만 아니라 휴대성이 뛰어나 신선한 물에 접근하기 어려운 외딴 지역에서 사용하기에 이상적입니다. 

잠재적 이점을 더 자세히 설명하자면, 마이클 탐 박사는 다음과 같이 말했습니다:

시험이 성공적으로 입증된다면, 이 기술은 해안 지역 사회에 지속적으로 신선한 물을 공급하고 UN 지속가능 개발 목표 3, 6, 10, 12를 촉진할 수 있습니다.

위에서 언급한 연구가 과학계와 지속 가능한 담수 솔루션을 추구하는 사람들에게 큰 희망을 불러일으킨 반면, 다른 연구자들도 이 분야에 매진하고 있습니다.

다음 섹션에서는 MIT 연구진이 2022년에 제안한 휴대용 담수화 장치 개발에 대해 논의합니다.

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깨끗하고 투명한 식수를 생산하는 휴대용 담수화 장치

2022년 4월, MIT 연구진이 무게가 10kg 미만이며 여행가방 크기의 휴대용 담수화 장치를 개발했습니다. 이는 휴대폰 충전기보다 적은 전력으로 작동할 수 있었습니다. 이전 섹션에서 논의한 장치와 마찬가지로 이 장치도 필터를 통과시키는 물이 필요 없으며, 전력을 사용해 식수에서 입자를 제거합니다. 가격은 50달러에 구매할 수 있습니다.

필터가 필요 없는 장치를 구현하는 이온 농도 편극 기술

이 과정은 연구진이 10년간 연구한 결과로, 물 채널 위아래에 배치된 막에 전기장을 적용하는 것을 포함했습니다.그 막은 양전하 또는 음전하를 띤 입자, 즉 염분 분자, 박테리아와 바이러스를 물이 흐를 때 반발시킬 수 있었습니다. 이 과정은 용해된 고형물과 부유 고형물을 모두 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구진은 솔루션을 고안하면서 머신러닝을 포함한 최선의 기술들을 신중히 활용했습니다. 머신러닝은 총 6개의 모듈이 포함된 과정에서 ICP와 전기투석 모듈의 최적 조합을 찾는 데 효과적이었습니다.

연구진은 이러한 장치가 많은 사용자를 확보해야 효과적이므로 사용이 쉽고 간단해야 한다는 점을 염두에 두었습니다. 따라서 자동 담수화와 정화를 위한 버튼 하나만으로 작동하도록 출시될 수 있습니다.

염도와 입자 수가 특정 허용 한계 이하로 떨어지면 사용자에게 알림을 보낼 수 있습니다. 데이터 읽기를 간단하고 직관적으로 만들기 위해 연구진은 무선으로 장치를 제어하고 전력 소비 및 물 염도에 대한 모든 데이터를 실시간으로 보고할 수 있는 스마트폰 앱을 제공했습니다.

DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), Northeastern University의 Experimental AI Postdoc Fellowship Program, 그리고 Roux AI Institute의 일부 지원을 받아 진행된 연구는 만족스러운 결과를 제공했습니다.

연구진은 솔루션을 실험실에서 꺼내 보스턴의 카슨 비치에서 테스트했습니다. 결과 물은 WHO 품질 가이드라인을 초과했으며, 부유 고형물 수를 최소 10배 감소시켰고, 프로토타입은 시간당 0.3리터의 식수를 생산했으며 리터당 20와트시만 필요했습니다.

실험의 혁신적인 성격을 설명하며, 전기공학 및 컴퓨터 과학 교수이자 생물공학 교수이며 연구실 전자 연구소(RLE) 소속인 선임 저자 정윤 한은 다음과 같이 말했습니다:

이는 제가와 제 팀이 10년 동안 걸어온 여정의 정점입니다. 우리는 개별 담수화 과정의 물리학을 수년간 연구했지만, 그 모든 진보를 하나의 장치에 적용하고 시스템을 구축해 바다에서 시연한 것은 저에게 정말 의미 있고 보람된 경험이었습니다.

대학 연구자들이 이 고귀한 목표에 깊이 참여하고 있는 반면, 물을 담수화하는 일을 맡은 여러 기업도 있습니다. 그들의 기여도 중요합니다. 대규모 채택을 위해서는 상업 규모에서 작동하는 확장된 솔루션이 필요하기 때문입니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업 몇 곳을 살펴보겠습니다.

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

이 회사는엔지니어링 서비스를 보유하고 있습니다고객에게 전체 설계·시공을 제공하기 위해해수 역삼투 담수화 시스템. 이 회사는 설치, 확장 또는 리트로핏을 포함한 전체 서비스 사이클을 담당합니다.

이 회사는, 나스닥에 상장 및 거래되고 있으며,다음과 같은 공급업체가 역삼투 해수 담수화 플랜트의 원장비제조업체(OEM)로 인정한 DesalCo를 통해 담수화 관리, 엔지니어링 및 건설 서비스를 수행합니다.

기술적으로, 이 회사는 두 가지 주요 담수화 방법을 인식하고 있습니다:

(i) 열증류

(ii) 막 분리

이 회사는후자를 선호합니다왜냐하면 에너지 비용이 낮기 때문입니다. 회사는 염수 및 해수 담수화를 위해 역삼투 막 분리를 적용합니다. 이는 염수가 가압되고, 반투과성 막을 통해 염을 차단하여 담수가 분리되는 유체 분리 공정입니다.

Consolidated Water의 해수 역삼투 플랜트는바하마 연방의 뉴프로비던스 섬 나소에 위치해 있습니다. 2006년 7월에 가동을 시작했으며, 이 플랜트는 하루 1,200만 미국 갤런의 물을 처리할 수 있는 운영 용량을 가지고 있습니다.

2023년에 이 회사는PERC Water Corporation(“PERC”)의 남은 39% 지분을 인수하여 자회사의 100% 소유주가 되었습니다. 이 자회사는 미국 남서부에서 물 인프라 시설을 설계, 건설, 운영 및 관리합니다.

같은 해에 PERC는하와이 호놀룰루에 새로운 담수화 시설을 설계, 건설 및 운영하기 위한 2억 4백만 달러 계약을 수주했습니다.

이 회사의 케이맨 제도 소매 사업은 그랜드 케이맨에 있는 Abel Castillo Water Works(“ACWW”)와 West Bay 부지에 위치한 세 개의 해수 역삼투 담수화 플랜트에서 식수를 생산합니다.

현재 ACWW에 위치한 두 플랜트의 총 생산 능력은 하루 300만 갤런이며, West Bay 플랜트의 생산 능력은 하루 100만 갤런입니다.

2023년에 이 회사는1억 8천 2백만 달러의 매출을 기록했으며, 이는 2022년 매출 9천 4백만 달러에 비해 크게 증가한 수치입니다. 2023년에는 지속 영업에서 순이익 3천 70만 달러와 주당 순이익 1.93달러라는 사상 최고 실적을 기록했습니다. 회사의 보통주 가격은 2023년 11월에 사상 최고치인 38.29달러에 도달했습니다.

#2. Veolia 

이 회사는 담수화를 물 부족 해결의 핵심 솔루션으로극복물 부족을 보고 있습니다. 전 세계에 수백 개의 담수화 플랜트와 시스템을 구축했으며, 지방 및 산업용 수요 모두를 위한 담수를 생산합니다. 최근 주요 프로젝트로는 바레인 알두르 2 플랜트, 사우디아라비아 라비그 3 플랜트, UAE 움 알 쿠와인 IWP 플랜트가 있습니다.

2007년부터 이 회사는 오만 전력·수자원 조달 회사(OPWP)와 함께 수르의 해수 역삼투 플랜트를 건설·운영해 왔으며, 이 시설은 60만 명 이상에게 식수를 공급합니다. Veolia는 산업용 담수화 시설도 구축합니다.

Veolia의 독점 Barrel 기술은 안전하고 컴팩트하며 디지털 RO 담수화 시스템으로, 플러그 앤 플레이 방식이 빠른 일정 확보에 도움을 주고, 내장된 디지털 센서가 효율적인 원격 모니터링을 보장합니다.

Veolia는 직접적인 담수화 솔루션 외에도 디지털 도구와 전문 지식을 결합해 고객의 프로세스를 더 스마트하고 안전하며 지속 가능하게 돕습니다.

그의 설치 기반 서비스 포트폴리오는 고객의 정확한 요구에 맞춘 맞춤형 수처리 서비스를 제공합니다. Veolia의 모바일 수처리 서비스는 임대 자산을 통해 고객 현장의 일시적 및 장기 수처리 요구를 지원합니다. 마지막으로, 수처리 화학 프로그램 부문에서 회사는 수위 위생 및 HYDREX 화학 솔루션을 제공하여 유틸리티 및 수처리 장비의 성능을 향상시킵니다.

Veolia(OTC: VEOVY) 주식은 장외(OTC) 시장에서 거래됩니다. 2024년 상반기에 이 회사는 221억 4100만 유로의 매출을 기록했으며, 이는 2023년 상반기 매출 227억 5500만 유로보다 약간 감소한 수치입니다. 이 중 약 88억 유로는 물 관련 사업 부문에서 발생했으며, 나머지 두 부문은 폐기물 및 에너지와 관련됩니다.

담수화의 중요성 증가

이미 상당량의 물이 담수화에서 공급되고 있습니다. 국제 담수화 협회가 제시한 데이터에 따르면, 누적 계약된 담수화 용량은 일일 1억 입방미터이며, 담수화의 거의 60%가 인간 소비에 사용됩니다. 추정에 따르면 약 3억 명이 일상 물 사용을 위해 이 과정을 의존하고 있습니다. 쿠웨이트와 같은 국가들은 신선한 물 사용의 거의 100%를 담수화를 통해 생산합니다.

하지만 담수화 프로젝트는 아직 전 세계에 고르게 분포되지 않았습니다. 중동 및 북미 지역이 전 세계 담수화 용량의 전 세계 담수화 용량의 70%을 차지합니다. 이 중 중동만이 53% 이상을 차지합니다.

데이터에 따르면 2022년에는 21,000개 이상의 해수 담수화 플랜트가 있었으며, 전 세계 일일 생산량은 9,900만 입방미터에 달합니다. 그러나 이 생산량은 하루 1억 5천만 입방미터 이상의 염수 부산물을 초래합니다. 염수는 담수화 플랜트가 바다에 배출하는 약간 농축된 해수이며, 염도는 해수의 약 60g/l, 온도는 해수보다 몇 도 높습니다.

향후 연구는 보다 환경 친화적인 방법을 찾기 위해 시간과 자원을 투자해야 합니다. 이러한 플랜트에 태양광을 활용하면 시설의 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 미래 연구는 거의 모든 해수 입력이 신선한 식수로 전환되도록 보장해야 합니다. 이는 해로운 부산물인 염수가 발생하지 않도록 하는 것을 의미합니다.

성공적인 운송 및 배분 메커니즘은 이 물이 해안 국가를 넘어 물 공급이 거의 없는 건조하고 사막 지역까지 도달하도록 보장할 것입니다.

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