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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.33 No.4 pp.281-289
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2019.33.4.281

Analysis of seawater desalination energy consumption based on changes in raw water characteristics and operating condition

Seung-Hyeon Yun, Dal-Sik Woo*
Water and Environmental Science Department, Korea Interfacial Science and Engineering Institute, 240, Sapyeong-daero, Seocho-gu, Seoul 06592, Republic of Korea
Corresponding author: Dal-Sik Woo (E-mail: dswoo7337l@hanmail)
10/12/2018 22/07/2019 07/08/2019

Abstract


Desalination plants are generally studied with higher operating costs compared to water supply facilities. This study was conducted to reduce the cost of water production and to preserve existing water resources. Therefore, the purpose of this study was to utilize the control valves to increase maximum efficiency, thereby reducing the power of the pumps and operating costs. Specific energy consumption was shown to reduce the process operating power by up to 1.7 times from 6.17 to 3.55 kWh/m3 based on seawater reverse osmosis 60 bar. In addition, the water intake process was divided into pre, inter, and post-according to the use method of blasting, and the water treatment process was divided into pre, inter, and post blending. In order to reduce power consumption, the blending process was combined to operate the facility, which resulted in the reduction of power consumption in the order post > pre-inter> inter blending.



원수 특성 변화 및 공정운영 조건에 따른 해수담수화 에너지 소비량 분석

윤 승현, 우 달식*
재단법인 한국계면공학연구소, 물환경연구팀, 서울시 서초구 사평대로 240, 06592

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18AWMP-B129633-02

    1. 서 론

    해수담수화의 기술방식은 2000년대 이후 증발식 담 수방법에서 분리막 방식인 역삼투 방식으로 전환되어 많은 연구가 진행 중에 있다 (GWI 2010; Desalination Markets 2010). 또한, 수처리 기술은 물부족 지역에서 활용해야하기 때문에 전 세계 이동식 수처리 시장은 점차 확대되고 있다. 이동식 수처리 시장은 2016년 9억 달러 수준에서 2019년까지 매년 11.2%의 성장이 가능 할 것이며, 이는 아시아 지역에서 주도할 것으로 예측 하고 있다 (GMR 2016).

    일반적으로 해수담수화 설비는 1,000 m3/d이상의 규모에서 3~5 kWh/m3의 에너지소모량을 보이며, 이 비용이 전체 운전비용의 50~70%를 차지한다 (Lee et al., 2016;Park et al., 2016;Kim et al., 2009). 에너지 소모량을 줄이기 위해 많은 연구가 진행중인데 저용 량의 펌프를 활용하여 높은 출력을 내는 가변속 펌프 사용, 에너지회수장치 등(Woo and Kim, 2017;Jeon et al., 2017;Hwang and Kim, 2016)을 활용한 연구가 활 발히 진행 중에 있다. 가변속 펌프를 활용한 동력 절 감 연구는 2017년 우성우 등이 연구를 수행하였는데, 역삼투압 막에 해수를 공급하는 고압 펌프의 제어 방 식을 인버터를 활용하여 수행하였다. 펌프의 운전 효 율을 분석하기 위하여 고정속도-밸브 제어 방식으로 운전한 결과, 펌프 효율은 약 73~75% 범위에서 운전 되었으며, 에너지 비용은 약 14% 절감된 것으로 보고 하였다. 둘 째, 에너지 회수장치는 Jeon et al. (2017) 보고에 따르면 이들은 기존 해수담수화 시장에서 소 규모의 에너지 회수장치는 설치하지 않지만, 연구결 과 2.5 m3/d 규모의 선박 해수담수화 시설에서는 최대 1,914.1원/m3의 절감효과를 볼 수 있고, 100 m3/d의 경 우 400원/m3수준의 효과를 볼 수 있어 필요하다고 주 장하였다. 마지막으로 에너지 절감 연구 동향은 Hwang and Kim (2016) '국내 및 해외의 해수담수화 기 술 비교분석'을 통해 국내 연구진의 연구동향을 알 수 있었다. 해수담수화플랜트사업단에서는 펌프의 단수 저감 및 양방향 유입 및 단방향 유출이라는 새로운 설계 컨셉을 적용하여 펌프의 효율을 85%까지 증가 하였고, 기장의 전력소모량은 3.7 kWh/m3으로 세계적 수준의 톤당 전력소모량을 소요하는 기술을 개발할 수 있었다. 이후 공정고도화 연구단에서는 O&M 최 적화와 높은 플럭스를 적용하여 에너지 소모율을 최 적화 하고자 하였고, 정·역삼투 연구단에서는 정삼투 공정을 통해 해수를 희석하여 전력 소모량을 2.5 kWh/m3 수준으로 낮추는 연구를 수행하고 정삼투-역 삼투 융합공정을 연구하고 있다. 막증류/압력지연삼 투 공정 연구단에서는 막증발기술을 통해 농축수를 저감하고 에너지 및 자원을 회수하는 보조 공정을 적 용하는 연구를 수행하고 있다.

    본 연구에서는 미국 플로리다 주, 호주 시드니의 정수 혼합 시스템과 해수담수화 공정에서의 워터 블 랜딩 기술에 관한 연구에 관한 사례(Xiao, 2004)를 바 탕으로 다중수원을 활용한 연구를 수행하였다. 다중 수원을 활용한 수처리 공정을 진행하고, 이의 전력 소 모량을 줄이기 위해 컨트롤밸브를 활용하였고, 워터 블랜딩 공정을 기반으로 유입수를 블랜딩하는 pre 블 랜딩, 공정내 블랜딩을 수행하는 inter 블랜딩, 처리수 를 블랜딩하는 post 블랜딩을 활용하고 결합하는 연구 를 수행하였다.

    2. 연구방법 혹은 재료 및 실험방법

    2.1 분리막

    실험에 사용된 분리막은 toray社의 polyamide 재질로 구성된 제막을 사용하였으며 데모플랜트를 활용하여 연구를 진행하였다. 사용한 분리막의 제원은 아래의 Table 1과 같다.

    2.2 Feed Water

    본 실험에서 사용한 해수는 인천광역시 서해안 지 역의 수원을 사용하였으며, 지하수는 도서지역에서 관정을 통해 얻은 담수를 수원으로 사용하였다. 사용된 수원의 정보를 계절적 수질 변화를 고려하여 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다. 서해 도서 지역의 해수는 일반 적인 해수 특성에 비해 낮은 총용존 고형물(TDS) 특 성을 보였다. Fig. 1

    본 연구에서는 지하수와 해수를 블랜딩하여 분리막 의 원수로 사용하였으며, 원수 조건은 TDS를 기준으 로 26,435, 20,040, 14,914, 7,677 mg/L로 구분하여 실 험을 진행하였다.

    2.3 데모플랜트

    데모플랜트의 경우 Fig. 2와 같이 구성하였으며, 운 전조건은 직교류 방식의 정압제어방식으로 2단계 공 정으로 일 최대 생산량은 100 m3 규모로 설계하였다. 또한 데모플랜트의 침지형 한외여과막(UF)를 통해 여 과된 처리수를 해수 담수 역삼투 공정(SWRO)과 기수 담수 역삼투 공정(BWRO)의 원수로 사용하였다. 원수 특성 변화 및 공정운영 조건에 따른 에너지 소비량을 분석하였고 이때의 운영전력(SEC, kWh/m3)은 전체 공 정의 운영전력을 의미한다. 데모플랜트의 기본 운전 조건은 Table 3에 나타내었다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 컨트롤밸브 사용 유/무에 따른 운영압력별 에너지 소비량 분석

    데모플랜트 공정 운영시 농축수가 배출되는 구간에 컨 트롤밸브를 적용함으로서 압력제어를 유도하였고 운영 압력 조건에 따른 운영전력을 산정하였으며, 30~60 bar까 지 운영압력에 따른 운영전력과 원수 특성별 컨트롤밸 브 유/무에 의한 운영전력 분석을 Fig. 3과 Fig. 4에 나타 내었다.

    3.1.1 컨트롤밸브 유/무에 따른 에너지 소비량 분석

    SWRO공정의 운영전력 분석 결과는 Fig. 3에 나타 내었다. 컨트롤밸브를 사용하는 경우와 사용하지 않 을 경우 운영전력은 최대 1.7배(3.55→6.17 kWh·m-3) 정도 차이를 보였다. 실제 소모되는 전력량은 저압조 건(30 bar)에서 0.1 kWh·m-3 내외의 미미한 차이를 보 이는데 반면, 고압 조건(60 bar)에서 5.15 kWh·m-3 가 량 극명한 차이를 보였다. 역삼투 공정에서의 처리수 량과 적용 운영압력은 비례한다 (Sablani, 2001). 그렇 기 때문에 농축수 배관에 설치된 컨트롤 밸브를 활용 하여 필요압력을 형성함으로서 생산수의 공급효율을 높이고 동일 전력 소비량 대비 처리수량이 높아져 다 음과 같은 결과를 야기했다고 판단된다.

    3.1.2 원수 조건별 운영압력에 따른 컨트롤밸브 영향 분석

    원수 조건 및 운영압력별 컨트롤 밸브 유/무에 따른 운영전력의 차이를 Fig. 4에 나타내었다. SWRO 공정 에서의 전력 소비량은 고압의 펌프를 사용하기 때문 에 TDS 농도에 비례하여 전력 사용량의 소비량이 증 가하는 경향을 보인다. 그렇기 때문에 TDS 농도 차이 를 통해 역삼투 막에 적용되는 적정 운영압력을 조절 할 수 있으며 이를 통해 원수 TDS 조건별 전력사용량 에 차이를 유도할 수 있었다 (Park, 2010).

    Pre 블랜딩의 경우 컨트롤밸브 적용 여하에 따라 운 영전력의 차이가 많이 발생한다. 30 bar 이하로 운영 시 소모전력 차이가 거의 나타나지 않지만, 운영압력 이 40 bar일 경우 전력 차이가 0.8 kWh·m-3, 60 bar일 경우 5.25 kWh·m-3로 큰 차이를 보인다.

    3.2 Pre, Inter, Post 블랜딩에 따른 에너지 소비량 분석

    블랜딩 활용 방안에 따라 pre, inter, post 블랜딩으로 구분하였다. 유입수 블랜딩을 통한 블랜딩은 pre 블랜 딩으로 명명하였으며 공정내 블랜딩 방안은 inter 블 랜딩으로 명명하였다. 마지막으로, 처리수 블랜딩의 경우 post 블랜딩으로 명명하여 데모플랜트를 운영하 였으며, 각 블랜딩 공정에 따라 전체 운영전력을 분석 하였다.

    3.2.1 Pre 블랜딩

    Pre 블랜딩 공정 상세 모식도는 Fig. 5에 나타내었 다. pre 블랜딩은 운영 전력에 대해 매우 큰 영향을 미 치는 것으로 나타났다. pre 블랜딩 공정에 의한 운영 전력과 지하수 사용량은 Table 4와 같다. pre 블랜딩 을 적용하여 해수의 TDS 값이 26,432 mg·L-1에서 7,677 mg·L-1로 낮아질수록 운영전력은 30 bar기준 약 14.3 kWh·m-3에서 3.3 kWh·m-3까지 감소하는 현상을 보인다. 이를 통해 블랜딩에 의해 원수의 TDS를 낮 추는 것은 에너지 절감에 큰 영향을 주는 것으로 판 단된다.

    3.2.2 Inter 블랜딩

    Inter 블랜딩의 공정 모식도는 Fig. 6에 나타내었다. 이 공정 모식도와 같이 inter 블랜딩 공정은 BWRO 공정의 농축수가 SWRO에서 해수와 혼합되어 운전되는 공정이 다. 이 공정을 적용할 경우, 전체 공정 운영전력은 60 bar에서 운전을 해도 최대 전력이 3.56 kWh·m-3 가량으로 크게 줄어들었으나 pre 블랜딩 대비 지하수 사용량은 1.42~5 m3/hr로 크게 증가하는 현상을 보였으며 세부정보는 Table 5에 나타내었다.

    3.2.3 Post 블랜딩

    Post 블랜딩의 공정 모식도는 Fig. 7에 나타내었다. post 블랜딩은 지하수가 UF조에서 처리된 후, 바로 생 산수 라인에서 처리수와 혼합되는 구조이다. post 블 랜딩의 운영전력과 지하수 사용량은 Table 6에 나타내 었다. 지하수 사용량은 5 m3/hr로 동일하였으나 운영 전력은 post 블랜딩에서 1.17 kWh·m-3이하로 크게 감 소하였다. 지하수가 UF공정 이후 바로 생산수에 합류 하기 때문에 처리량이 크게 증가하였고 그로인해 운 영전력이 크게 감소한 것으로 판단된다. 이 공정의 운 영전력은 pre, inter 공정 대비 낮은 수치를 보이기 때 문에 운전 효율은 매우 뛰어나다고 할 수 있으나 지 하수가 바로 생산수로 투입되어 해수의 TDS 부하가 낮아지는 효과가 없어 RO 분리막의 안정성 측면에서 는 효과가 없을 것으로 판단된다.

    3.3 Pre-Inter, Pre-Post에 따른 에너지 소비량 분석

    Pre 블랜딩 공정과 inter 블랜딩, pre 블랜딩 공정과 post 블랜딩을 결합하여 공정별 운영전력의 차이를 분 석하였다. 각 블랜딩 공정별 운영압력의 변화를 통해 운영전력 소비량을 분석함으로서 최소 에너지 소비량 을 분석하였다.

    3.3.1 Pre-Inter 블랜딩

    Pre-inter 블랜딩의 공정 모식도는 Fig. 8에 나타내었 으며, pre-inter 블랜딩 운전 방식에 따른 운영 전력의 변화는 Fig. 9에 나타내었다. 블랜딩에 의해 TDS가 6,503 mg·L-1이하로 운전 될 때, 30 bar에서 60 bar까지 압력 변화에 따라 운영전력의 차이는 1 kWh·m-3 이상 차이를 보였고, TDS가 27,365 mg·L-1경우 2 kWh·m-3 이상 차이를 보였다. 이는 pre 블랜딩의 지하수 비율이 높을수록 압력 운영에 필요한 전력량이 적음을 나타낸다. 이러한 결과를 통해 원수의 TDS는 담수화 플랜트의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 인자임을 확인할 수 있었다.

    3.3.2 Pre-Post 블랜딩

    Pre 블랜딩과 post 블랜딩을 결합한 상세 모식도는 Fig. 10에 나타내었다. pre 블랜딩과 post 블랜딩이 조 합되면 플랜트 용량이 증가하더라도, 펌프 가동 빈도 의 차이와 RO 단독 공정 운영 대비 운영리스크 감소 를 유도 할 수 있을 것이라 판단된다 (Lee, 2015). Pre-Post 블랜딩 운전 방식에 따른 전체 공정의 운영 전력 변화는 Fig 11에 나타내었으며 전체 공정의 운영 전력과 지하수 사용량을 Table 7에 나타내었다. Pre-Post 블랜딩 운영에 따른 운영전력은 1 kWh·m-3이 하로 블랜딩 운전 중 가장 효율이 뛰어났지만 다른 블 랜딩 운전과 달리 pre 블랜딩에 대한 운전 효율 변화는 0.17 kWh·m-3 정도로 비교적 미미했다. 하지만 똑같은 지하수량을 사용하는 pre-inter 블랜딩 조합운전보다는 에너지 효율이 높음을 확인하였다.

    3.3.3 데모플랜트(100 m3/일) 규모의 경제성 평가

    데모플랜트 운영에 따른 생산수의 수질 분석은 TDS와 전기전도도를 통해 분석하였다. 수중의 유기물 질을 나타내는 척도인 총 유기탄소 항목과 수중의 이 온들의 양을 나타내는 전기전도도 항목을 확인한 결 과를 분석한 결과, 생산수의 총 유기탄소는 해수와 지 하수의 원수에서 약 90%이상 제거되었고 전기전도도 유발 물질은 약 99.4%이상 제거되어 먹는 물 수질기 준을 만족하였다. 생산수의 수질 특성 및 전기전도 특 성은 Table 8과 Fig 12에 나타내었다.

    해수 단독 공정에 따른 담수화 운영전력은 약 3.02 kWh·m-3이며 계절 별 상황에 맞추어 운전했을 때 0.79에서 1.87 kWh·m-3사이로 달성이 가능하므로 현재 연구로 인한 전력절약 효과는 38~73%에 달하는 성과를 얻었다. 또한 그에 따른 전력비 절감 효과는 1 kWh 당 114원으 로 가정했을 때, 연구 전 전력비가 연 12,138,968원에서 성과달성 후 3,175,425~7,516,513원으로 약 4,622,455~ 8,963,543원 절약될 것으로 예상된다.

    4. 결 론

    각 공정 운영 방법에 따른 운영전력을 분석한 결과, pre-post 블랜딩, post 블랜딩, pre-inter 블랜딩, pre 블 랜딩, inter 블랜딩 순으로 높은 효율을 확인하였다.

    Pre 블랜딩 단독으로 운전할 경우에는 3.4~7.8 kWh·m-3 사이의 운영전력 경향을 보였으며 inter 블랜 딩과 함께 운전했을 때의 운영전력은 2.5~8.0 kWh·m-3 을 나타내었다. pre 블랜딩과 inter 블랜딩을 함께 운전 했을 때 운영이 더 효과적이며 이는 BWRO의 drain에 서 지하수 농축수가 SWRO 원수와 섞여 TDS 부하량 이 낮아졌기 때문이며 BWRO의 생산수가 SWRO의 생산수와 합산되어 pre 블랜딩 단독보다 더 좋은 효율 이 나온 것으로 사료된다.

    Inter 블랜딩은 소요되는 지하수량에 비해 (2.5~7.7 m3·hr-1) 운영전력이 매우 크므로 상시 운전이 불가능 하지만, 지하수에 유해물질이 발견되는 긴급 상황에 서는 지하수를 BWRO로 처리하여 유해물질을 제거하 고 물공급이 가능하다는 장점이 있다.

    Pre 블랜딩은 지하수량을 가장 적게 사용(1.2~3.6 m3·hr-1)하면서 운영전력을 낮추고 양질의 생산수를 얻 을 수 있기 때문에 해수 30%와 지하수 70% 블랜딩을 통한 pre 블랜딩 공정이 가장 바람직한 최적 블랜딩 조건으로 판단된다.

    블랜딩 기술에는 지하수의 사용이 필수적이기 때문 에 지하수의 사용 가능량을 분석하는 것이 필수적이 라 사료되므로, 본 기술의 핵심은 블랜딩을 사용할 수 있는 지하수량 산정 및 설치된 지역에 수자원 생산을 만족시키기 위한 공급량을 산정하여 운전 방법을 선 택하는 것이 바람직하다 판단된다.

    사 사

    본 논문은 국토교통과학기술진흥원 물관리연구사 업(과제번호 : 18AWMP-B129633-02)의 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Electrical conductivity of groundwater and seawater.

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    Demo plant.

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    Analysis of SEC by using control valve.

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    Analysis of SEC by raw water condition and operating pressure condition using control valve.

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    Pre blending diagram.

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    Inter blending diagram.

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    Post blending diagram.

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    Pre-Inter blending diagram.

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    Analysis of SEC in pre-inter blending.

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    Pre-post blending diagram.

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    Analysis of SEC in Pre-Post blending.

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    Electrical conductivity of groundwater and seawater, production water.

    Table

    SWRO membrane

    Characteristics of seawater and underground water

    Demo plant operating condition

    SEC and ground water of pre blending

    SEC and ground water of inter blending

    SEC and ground water of post blending

    SEC and Production cost of operating condition

    Characteristics of production water

    References

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