2.3.1 에너지소비량 저감으로 인한 탄소배출량

앞서 언급했듯이 에너지소비량이 저감되면 탄소배출량도 저감된다. 그 이유는 전력생산 시에도 필요한 재료가 있고 재에 따른 탄소배출량도 모두 다르다. ^{Shrestha et al.(2011)}에 따르면, 화석연료 계통(oil, coal 등)은 신재생에너지(wind, solar 등)보다 탄소배출량이 매우 높으며 원자력발전으로 전력을 생산하는 경우가 탄소배출량이 가장 낮다. Table 1은 전력생산을 위해 필요한 재료에 따라 발생하는 탄소배출량을 정리한 것이다. 필요 재료에 따라 전력생산 시 발생하는 탄소배출량의 차이가 매우 커 에너지소비량 저감에 따른 탄소배출량 분석 시 전력생산을 위한 재료의 종류가 중요한 요소라고 할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 SWRO 공정과 FO-RO 융합공정의 전체 에너지소비량에 따른 탄소배출량을 전력을 생산하는 재료 종류에 따른 분석을 진행하였다.

본 연구에서는 각 공정의 전체 에너지소비량을 계산하기 위해 다음과 같은 가정을 하였다. ^{Voutchkov(2018)}에 의하면 RO 공정은 전처리, RO 시스템, 생산수 이송, 취수, 그 외 시설 등으로 분류하고 있으며, 각각 에너지 비율은 10.8, 71.3, 5, 5.3, 7.6 %이다. 본 연구에서는 SWRO 공정의 에너지를 계산하고 나머지 부속시설 에너지소비량을 역으로 계산하였다. 여기서 부속시설이란 RO 시스템을 제외한 모든 시설(전처리, 생산수 이송, 취수, 그 외 시설)을 말한다. FO-RO 융합공정 내 RO 공정의 막모듈 개수는 단독 RO 공정과 같은 수를 맞춰 설계하였으므로 규모도 같다고 가정하여 FO-RO 융합공정 부속시설의 에너지소비량도 SWRO 공정에서 계산된 부속시설 에너지소비량과 같다고 가정하였다.

2.3.2 건설로 인한 탄소배출량 증가

공정을 운영하기 위해서는 플랜트 건설이 필수적이다. 본 연구에서는 문헌조사를 통해 얻은 데이터를 기반으로 RO와 FO 공정 플랜트 건설에 대한 탄소배출량을 계산하였다. ^{Heihsel et al.(2019)}은 호주에서 RO 공정으로 담수를 생산하는 20개 플랜트의 건설로 인해 발생되는 실제 탄소배출량을 제시하고 있다. 20개 플랜트의 총 생산수량 합은 1,735,910 m$^{3}$/d이며 플랜트 수명은 20년으로 가정되었다. Table 2는 20개 플랜트에서 건설로 인해 발생된 탄소배출량을 정리한 것이다. 건설로 인해 발생되는 총 탄소배출량(Table 2의 Sum)에 플랜트 수명(20년)을 나눠 하루에 발생되는 탄소배출량(kgCO$_{2}$/d)으로 치환하였다. 여기에 총 생산수량(1,735,910 m$^{3}$/d)을 나눠 단위 생산수량 당 건설로 인해 발생되는 탄소배출량을 계산하였다. FO-RO 융합공정에서 FO 공정(FO process)을 제외한 다른 공정(Intake, Pretreatment, RO process, Others)의 경우, FO 공정 도입으로 인해 기존 SWRO의 건설로 인한 탄소배출량과 다를 수 있지만 이를 세세하게 다룬 문헌이 없어 모두 SWRO 공정과 동일하다고 가정하였다. 그리고 FO 공정의 건설로 인한 탄소배출량은 RO 공정의 건설 탄소배출량에 막모듈 수만큼 비례한다고 가정하여 계산하였다. 시뮬레이션을 진행한 결과 FO 막모듈 수는 162개, RO 막모듈 수는 80개로 계산되어 이를 기반으로 FO 공정의 건설로 인한 탄소배출량을 계산하였다. 시뮬레이션 조건 및 결과는 3장 결과에서 자세히 서술하였다.

3.1.1 SWRO 공정 에너지소비량

SWRO 공정 에너지소비량을 계산하기 위해서는 최종 생산수량, 원수 수질, 회수율, 막모듈 종류 등이 선택되어야 한다. 막모듈 종류는 Dow chemical사의 SW30XLE-400i 제품을 선택하였으며 FO-RO 융합공정의 RO 공정에도 같은 제품을 적용하였다. SW30XLE-400i 제품은 막면적 37.2 m$^{2}$이며 염제거율은 99.8 %이다. Dow chemical사의 reverse osmosis membranes technical manual에 따르면 원수가 해수인 경우 플럭스를 12-17 lmh (L/m$^{2}$h) 범위로 운전할 것을 권고하므로 이를 고려해 본 연구의 RO 공정 플럭스는 14 lmh로 설정하였으며, 이 때 막모듈은 80개 필요한 것으로 계산되었다. 막모듈 배열은 직렬로 8개, 병렬은 10개로(총 80개 모듈) 배치하였다. 위와 같은 조건으로 RO 설계 프로그램에서 계산된 결과는 Fig. 2와 같이 나타내었다. 그리고 Energy recovery사에서 제공하는 펌프 효율 산정 프로그램(power model)에서 얻은 펌프와 모터 효율을 적용(1,000 m$^{3}$/d 규모인 경우 펌프와 모터 효율은 각각 91.7, 69.9 %)하여 에너지소비량은 2.87 kWh/m$^{3}$으로 계산되었다.

Fig. 2. Results of SWRO System Design (Q: flowrate [m$^{3}$/d]; C: TDS [total dissolved solid] concentration [mg/L]; P: pressure [bar]; p: permeate; c: concentration)

3.1.2 FO-RO 융합공정 에너지소비량

FO-RO 융합공정에서 RO 공정에 에너지소비량은 앞서 계산한 SWRO의 그 방법과 동일하며 가정 값도 동일하게 계산하였다. 다른 점은 RO 공정에서 원수인 해수가 희석되어 유입되므로 RO 공정 설계 프로그램의 결과가 SWRO와는 다르다. 그리고 FO 공정의 에너지소비량도 FO 공정 설계 프로그램에서 계산된 유량과 압력으로 에너지소비량을 계산하였으며, 이 때 모터와 펌프 효율은 power model에서 계산된 값을 사용하였다. FO 공정 설계 시 막모듈은 Toray Chemical Korea Inc.사의 FO8040 제품을 사용하였으며 직렬 2개, 병렬 81개(총 162개 모듈)로 배열하였다. 이 때 RO 공정 모듈은 SWRO 공정과 동일한 모듈 동일한 배열로 적용하였다. 그 결과 FO 공정의 FSP와 DSP, RO 공정의 에너지소비량은 각각 0.093, 0.074, 1.99 kWh/m$^{3}$(총 2.16 kWh/m$^{3}$)으로 SWRO 공정 대비 24.7 % 정도의 에너지소비량을 저감할 수 있는 것으로 계산되었다(Fig. 3 참조).

Fig. 3. Results of FO-RO Hybrid System Design (Q: flowrate [m$^{3}$/d]; C: TDS [total dissolved solid] concentration [mg/L]; P: pressure [bar]; f: feed; p: permeate; c: concentration)

3.2.1 에너지소비량에 따른 탄소배출량

앞서 SWRO 공정의 에너지는 2.87 kWh/m$^{3}$로 계산되었으며, 2.3.1절 ^{Voutchkov(2018)}의 에너지소비량 비율을 참고하여 나머지 부속시설의 에너지소비량을 계산하였다. 당연한 결과지만 전력생산 시 탄소배출량이 가장 높은 경우는 석탄 연료 사용했을 때 생산수량 1 m$^{3}$ 생산 시 4.123 kg의 CO$_{2}$가 발생되고 이는 4.123 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로도 표현할 수 있다. 탄소배출량이 가장 낮게 배출되는 경우는 원자력 발전으로 전력을 생산할 때 생산수량 당 탄소배출량은 0.056 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로 약 73.6배로 차이가 매우 크다.

FO-RO 융합공정의 총 에너지는 2.16 kWh/m$^{3}$로 계산되었으며, 앞서 언급했듯이 부속시설의 에너지소비량은 SWRO 공정과 동일하다고 가정하였다. 탄소가 가장 많이 배출되는 경우는 석탄 연료를 사용하여 전력을 생산할 때 탄소배출량은 3.393 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로 계산되었다. 탄소배출량이 가장 낮게 배출되는 경우는 원자력 발전으로 전력을 생산하는 경우이며 이 때 생산수량 당 탄소배출량은 0.046 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로 계산되었다. 석탄 연료 사용 시 FO-RO 융합공정의 탄소배출량은 3.393 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로 SWRO 공정의 탄소배출량인 4.123 kgCO$_{2}$/m$^{3}$보다 약 0.73 kgCO$_{2}$/m$^{3}$ 더 낮은 값을 보였으며, 원자력 발전으로 전력생산 시 FO-RO 융합공정의 탄소배출량은 0.046 kgCO$_{2}$/m$^{3}$으로 SWRO 공정의 탄소배출량인 0.056 kgCO$_{2}$/m$^{3}$보다 약 0.01 kgCO$_{2}$/m$^{3}$ 더 낮은 값을 보였다(Table 3 참조). 즉 전력생산을 위한 재료가 바뀌더라도 동일한 비율로 바뀌므로 탄소배출량이 많이 발생되지 않는 재료로 전력을 생산하는 경우에는 FO-RO 융합공정에서 저감되는 에너지소비량이 큰 의미가 없다.

3.2.2 탄소배출량 계산 결과 및 분석

2장에서 언급한 방법으로 SWRO 공정과 FO-RO 융합공정의 건설과 에너지에 대한 탄소배출량을 계산하여 Table 4와 같이 정리하였다. SWRO 공정의 건설에 대한 탄소배출량은 Table 2에서 확인할 수 있듯이 0.555 kgCO$_{2}$/m$^{3}$이며, FO-RO 융합공정의 건설에 대한 탄소배출량은 0.716 kgCO$_{2}$/m$^{3}$로 계산되었다. 그리고 에너지소비량에 따른 탄소배출량도 전력생산을 위한 재료 종류에 따라 각 공정별로 정리하여 Table 4에 나타내었다.

Table 4의 데이터를 활용하여 1,000 m$^{3}$ 규모로 플랜트를 설계한다고 가정하여 각 공정별로 에너지소비량과 건설에 따른 탄소배출량을 전력생산 재료별로 Fig. 4와 같이 나타내었다. 화석연료(coal, oil, natural gas) 계통으로 전력을 생산하는 경우에는 화석연료의 특성 상 배출되는 탄소량이 많기 때문에 에너지소비량 저감으로 인한 효과가 높게 나타나 FO-RO 융합공정이 SWRO 공정 대비 총 탄소배출량이 낮은 것을 볼 수 있다. 화석연료로 전력생산 시 SWRO 공정과 FO-RO 융합공정의 총 탄소배출량 차이의 범위는 271.1-568.4 kgCO$_{2}$/m$^{3}$로 최대값(568.4 kgCO$_{2}$/m$^{3}$) 기준으로 보면 RO 공정 플랜트 건설 시 발생하는 탄소배출량(555 kgCO$_{2}$/m$^{3}$)보다 값이 높으므로 FO-RO 융합공정 적용 시 친환경 저에너지 운전이 가능하다고 할 수 있다. 하지만 원자력 발전과 신재생에너지에서는 얘기가 달라진다. 원자력 발전과 신재생에너지에서는 전력생산 시 발생되는 탄소량이 급감되므로 오히려 FO-RO 융합공정의 총 탄소배출량이 SWRO 공정 보다 높은 것으로 계산되었다. 탄소배출량이 가장 낮은 경우는 원자력 발전으로 전력을 생산하는 경우로 이 때 SWRO 공정의 총 탄소배출량이 FO-RO 융합공정보다 약 151 kgCO$_{2}$/m$^{3}$ 정도 낮은 것으로 계산되었다(20년 운영 기준, 생산수량 1,000 m$^{3}$ 규모). RO 공정의 에너지소비량 저감을 위해 FO 공정을 도입한 FO-RO 융합공정은 기존 SWRO 공정 대비 에너지소비량이 저감되는 공정임은 자명하다. 하지만, FO 공정 도입으로 인해 플랜트 건설이 추가로 필요하고 이에 대한 탄소배출량도 추가로 발생된다. FO 플랜트 건설이 추가되더라도 화석연료로 전력을 생산하는 경우에는 FO-RO 융합공정의 총 탄소배출량이 기존 SWRO 공정보다 낮으므로 친환경 저에너지 공정이라고 할 수 있지만, 원자력 발전이나 신재생 에너지로 생산된 에너지를 사용하는 경우에는 저에너지 공정은 맞지만 탄소배출량 관점에서 친환경 공정이라고 단정 짓기는 어렵다.

Fig. 4. Summary of Total Carbon Emission by Fuel Type