Jebel Ali Desalination/ko
물 부족
물은 지구 표면의 75%를 차지합니다. 이 낭비의 97%는 바닷물인 바닷물에 있습니다. 인간이 소비하기에 적합한 담수는 지하수, 강, 호수에서 발견되는 3%에 불과합니다. 실제로 인간이 이용할 수 있는 담수는 1%도 되지 않습니다. 즉, 이용 가능한 담수 자원이 제한되어 있으며 점점 더 빠른 속도로 고갈되고 있습니다. 지구는 표면 아래에 담수 매장량이 있지만 경제적으로 효율적인 방식으로 접근하기에는 너무 깊습니다. 물 부족은 전 세계적인 문제입니다. 2005년에는 28억 명이 심각한 물 부족 지역에 살았습니다. OECD 환경 전망은 2030년까지 이 숫자가 약 10억 명 증가할 것으로 추정하며, 이는 약 39억 명이 물을 구하기 위해 고군분투할 것이라는 것을 의미합니다. 이는 인구의 47%가 될 것입니다(Khawaji, 2008).
많은 반건조 및 건조 지역이 물 부족으로 어려움을 겪고 있습니다. 또 다른 문제는 물 추출 속도가 자연 재생 속도를 초과하면 피해가 발생하여 물의 염화 고갈과 토지 사막화로 이어진다는 것입니다.
인구가 증가하고 생활 수준이 향상됨에 따라 미래에는 점점 더 많은 양의 담수가 필요할 것입니다. 그래서 담수화와 같은 기술이 아랍에미리트와 같은 많은 국가에서 중요해지고 있습니다. 방금 M 스테이션을 오픈한 두바이의 제벨 알리 플랜트를 살펴보면 지속 가능한 담수화가 얼마나 중요한지 알 수 있습니다.
두바이의 역사
서구 도시들과 달리 두바이는 1세기가 아닌 불과 50년 만에 산업화 이전에서 산업화, 산업화 이후까지 발전했습니다. 아라비아 만의 어촌 마을에서 21세기의 주요 도시로 발전했습니다. 경제 성장과 부동산 활동으로 측정했을 때 1990년대 가장 성공적인 도시 중 하나로 여겨집니다. 현재 실업률은 약 5%로 낮습니다. 1인당 GDP는 가장 큰 이웃 국가의 5배 이상입니다. 1인당 GDP는 이 지역의 다른 주보다 훨씬 높습니다. 연간 방문객이 약 500만 명으로 이집트나 인도보다 많습니다. 진주 산업은 19세기 대부분 경제 기반이었습니다(Pacione, 2005).
이 도시는 1902년 페르시아가 항구에서 운영하는 상인에게 높은 관세를 부과했을 때 경제적으로 활성화되었습니다. 이로 인해 인도 무역과 상인, 장인 및 그 가족이 두바이 항구로 이전되었습니다. 20세기 초반 내륙과의 무역을 위한 주요 유통 센터였던 이곳은 인도에서 온 상품이 페르시아와 주변 국가로 재수출되는 주요 항구가 되었습니다.
1966년 해상에서 석유가 발견된 후, 광석 산업의 발전은 두바이의 경제와 사회에 혁명을 일으켰습니다. 석유 수입으로 정부는 포트 라시드, 드라이 도크, 알루미늄 제련소, 제벨 알리 항구 및 산업 지역 건설과 같은 주요 인프라 및 산업 프로젝트를 수행할 수 있었습니다. 또한 많은 상인이 국제적 접촉과 연결되어 있었기 때문에 지역 상인 커뮤니티가 매우 중요했습니다(Pacione, 2005).
두바이의 도시 개발은 4가지 주요 단계로 이루어졌습니다: 1900-1955, 1956-1970, 1971-1980, 1980-현재. 급속한 인구 증가: 1833: 1,500 1900: 10,000 1968: 59,000 1985: 370,788 1995: 689,420 2000: 862,387 해외 출생자 53% 2002: 961,000 출처: Pacione, 2005
두바이가 이처럼 빠르게 성장한 데에는 두 가지 주요 이유가 있었습니다. 첫째는 이민입니다. 석유 산업을 기반으로 한 경제 확장은 해외에서만 충족할 수 있는 노동력과 전문 지식에 대한 수요를 창출했습니다. 둘째는 자연스러운 증가였습니다. 이 도시는 출산율이 높아지고 유아 사망률이 감소했으며, 더불어 현대 의료로 인해 기대 수명이 증가했습니다. 현재 이 도시는 빠르게 성장하는 도시에 적절한 인프라와 서비스를 제공해야 하는 과제에 직면해 있습니다. (Pacione, 2005)
담수화
지난 세기 동안 전 세계 물 소비 수준이 극적으로 증가했습니다. 중동과 북아프리카와 같은 많은 지역에서는 재생 가능한 수자원의 한계를 초과하는 과제에 직면해 있습니다. 다행히도 담수화 비용과 에너지 강도는 지난 수십 년 동안 감소했습니다. 담수화된 물은 중동에서 식수의 주요 공급원입니다.
현재 전 세계 용량은 약 3,200만 m3이며, 15,000개가 넘는 담수화 플랜트가 있습니다. 이는 약 1억 6,000만 명에게 공급하기에 충분합니다(Schiffler, 2004). 집중적인 담수화의 핫스팟은 아라비아 만이었지만 지중해, 홍해, 캘리포니아, 중국, 호주로 퍼졌습니다. 담수화 플랜트의 77%는 중동과 북아프리카에 있습니다. 그 다음으로 유럽이 10%, 아메리카가 7%, 아시아 태평양이 6%의 플랜트를 보유하고 있습니다. 아라비아 만은 1일 1,100만 m3의 용량을 가지고 있습니다. 걸프의 주요 생산국은 아랍에미리트, 사우디아라비아, 쿠웨이트입니다. 지중해에서 스페인은 전 세계 용량의 7%로 이 지역에서 가장 큽니다. 홍해는 전 세계 용량의 14%인 340만 m3/일을 생산합니다. 미래를 내다보면, 전 세계적으로 해수담수화가 빠른 속도로 확대될 것입니다(Lattemann, 2008).
담수화는 해수만을 위한 것이 아닙니다. 현재 추세에 따르면 담수화 공정의 경우 원수는 일반적으로 생산량의 58%를 차지하는 해수입니다. 기수는 담수화 원수의 22%를 차지하고 5%는 폐수입니다. 담수화된 물은 고품질의 물이 필요한 산업 공정에 적합한 수원입니다. 관개용 담수화는 덜 흔하지만 상당히 증가할 수 있습니다. 현재는 고부가가치 작물을 재배하는 경우에만 가능합니다(Schiffler, 2004).
담수화 비용은 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 담수화 비용의 80%는 에너지 소비와 투자 비용에서 발생합니다. 에너지 소비는 공정 설계, 멤브레인 유형, 에너지 회수 시스템, 담수화 수질, 폐수 처리 시스템, 펌핑을 위한 펌핑 시스템에 따라 달라집니다(Lapuente, 2012). 이론적으로 약 0.7kWh/m3가 해수에서 담수를 얻는 데 필요한 최소 에너지입니다. 실제로는 3-15kWh/m3입니다. 담수화를 사용하는 많은 국가는 상당한 국내 화석 에너지원을 보유하고 있으므로 에너지원은 문제가 되지 않습니다(Schiffler, 2004).
투자 비용은 공장을 가동하는 데 필요한 토지, 건설 및 인프라 비용을 포함한 시작 비용입니다. 담수화의 평균 재정 비용은 0.45~0.70달러/m3입니다. 건조 국가에서는 댐과 같은 먼 재래식 수원에서 나오는 물 비용이 종종 담수화보다 가깝거나 더 높습니다. 담수화의 또 다른 비용 개선은 식물 수명입니다. 식물 수명이 증가했습니다. 이전에는 식물 수명이 15년 미만이었습니다. 지금은 약 20~25년입니다(Schiffler, 2004).
지난 수십 년 동안 담수 공급을 돕기 위해 많은 담수화 기술이 개발되었습니다. 해수 담수화 공정은 염분이 있는 해수를 낮은 농도의 용해된 염분을 함유한 담수 흐름과 농축된 염수 흐름의 두 흐름으로 분리합니다. 해수는 인간이 소비하거나 산업 및 농업용으로 사용하기에 적합하지 않습니다. 무한한 해수 공급에서 염분을 제거함으로써 담수화는 중요한 담수 공급원이 됩니다. 일부 국가는 담수 요구 사항을 충족하기 위해 담수화 기술에 의존합니다. 중동에서 해수 담수화는 사우디 아라비아, UAE, 쿠웨이트와 같은 국가에서 필수적이고 신뢰할 수 있는 담수 자원입니다(Khawaji, 2008).
담수화 공정은 열, 증류 및 멤브레인 공정입니다. 가장 중요한 기술 중 일부는 다단계 플래시, 역삼투 및 다중 효과 증류입니다. 대부분의 새로운 공장은 멤브레인 기술, 특히 역삼투를 사용합니다.
담수화는 기존 수자원에 대한 압력을 줄이고 과도하게 개발된 수역에 대한 압력을 완화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 담수화된 물은 병원균이 없으므로 일부 개발도상국에 도움이 될 수 있습니다. 실제로 물은 마시기 전에 재광물화되어야 합니다(Schiffler, 2004).
논쟁
담수화는 논란의 여지가 있는 기술입니다. 이 기술은 환경 및 건강 문제를 야기했습니다. 이러한 문제는 기술의 진보를 통해 감소했습니다. 많은 영향이 여전히 남아 있으며, 특히 플랜트의 운영 단계에서 그렇습니다. 가장 큰 환경 문제 중 하나는 담수화의 부산물인 소금물 배출입니다. 소금물은 뜨겁고 화학 물질을 함유한 농축된 소금 용액입니다. 이것은 보통 바다로 다시 방출되어 해안 또는 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있습니다. 따뜻한 소금물은 실제로 물의 온도를 변화시켜 일부 종에게 서식지를 살 수 없게 만들 수 있습니다. 이것은 생물다양성의 구성을 바꿀 수 있습니다(Schiffler, 2004).
환경에 미치는 또 다른 주요 영향은 발전소에 필요한 전기와 증기를 생산하는 과정에서 발생하는 온실 가스 배출입니다. 이는 매우 에너지 집약적인 과정으로, 공기를 오염시킬 수 있습니다.
또 다른 문제는 원수 흡입구입니다. 기본적으로 큰 파이프를 바다에 설치하여 바닷물을 흡입합니다. 흡입 스크린에 부딪히거나 물과 함께 공장으로 끌려들어가는 수생 생물의 손실이 문제가 되었습니다(Lattemann, 2008). 또한 소음, 시각적 방해, 대중의 접근 및 레크리에이션 방해, 잠재적인 우발적 오일 유출이 우려됩니다(Schiffler, 2004).
중금속은 또 다른 문제입니다. 구리-니켈 합금은 증류 플랜트에서 열교환기 재료로 일반적으로 사용됩니다. 배출 스트림의 구리 농도는 15-100ug/L입니다. USA EPA는 단기간 노출 시 4.8ug/L, 장기간 노출 시 3.1ug/L의 구리 농축물을 권장합니다. 스케일 방지제는 스케일 형성을 방지합니다. 배출 스트림에서 이는 부영양화 문제를 일으킬 수 있습니다. 응고 및 미디어 여과를 위한 응고제. 배출 스트림의 강렬한 색상, 빨간색은 탁도를 높이고 빛의 침투를 줄일 수 있습니다. 또한 배출 스트림에는 소포제, 세척 화학 물질(Lattemann, 2008)이 있습니다.
담수화 플랜트는 환경에 미치는 영향을 완화하기 위한 조치를 취해야 합니다. 원수 흡입구는 다양한 메시 스크린과 낮은 흡입 속도를 조합하여 사용하므로 동물이 빨려들어가는 것을 방지합니다. 에너지 사용은 재생 에너지 사용의 잠재력이 있습니다. 부지 선택도 중요합니다. 생태계와 서식지는 독특하고, 보호받고, 멸종 위기에 처해 있고, 해당 지역에서 먹이를 주거나 번식하는 데 중요한 경우 피해야 합니다. 부지는 바다, 물 분배망 및 소비자와 가까워야 건설 및 토지 사용 파이프라인과 물 분배를 위한 펌핑 노력을 피할 수 있습니다. 도로 및 전력망과 같은 다른 인프라에 에너지를 연결할 수 있습니다(Lattemann, 2008).
제벨 알리 담수화 플랜트
제벨 알리 M 발전소는 2013년 4월 8일에 공식적으로 문을 열었습니다. UAE에서 가장 큰 전력 및 담수화 플랜트입니다. 100억 디르함의 가스 연료 M 발전소는 제벨 알리에서 두바이 전력 및 수도청(DEWA)이 운영하는 다른 플랜트에 합류했습니다. 효율성이 높아져 주어진 양의 전력을 생산하는 데 필요한 연료가 줄었습니다. 전력 및 수도 요금에 대한 추가 요금은 Dewa가 플랜트에서 사용하는 연료에 대해 지불하는 가격과 연계됩니다. 플랜트의 효율성은 82%인 반면 유럽에서는 효율성이 45%에 불과합니다.
이 발전소는 하루에 2,060메가와트와 1억 4천만 갤런의 물을 생산할 수 있는 용량을 가지고 있습니다. 이 발전소에는 전력을 생성하는 6개의 가스터빈이 있으며, 뜨거운 배기가스는 보일러를 통해 공급되어 해수를 가열하여 증기를 생산합니다. 증기는 증기 터빈을 구동하여 더 많은 전력을 생산하거나, 8개의 담수화 장치를 통해 공급되어 식수를 생산합니다. 이 발전소의 유연한 설계는 각 목적에 사용되는 양을 필요에 맞게 조정할 수 있다는 것을 의미합니다. 담수화 장치는 세계에서 가장 큰 개별 장치입니다. 폐열을 사용하여 물이나 전력을 생산합니다. 첨단 기술은 온실 가스 배출을 줄이고 최소한의 탄소 발자국으로 전력과 물을 생산합니다. 이 발전소는 두바이의 부통치자이자 재무부 장관, Dewa 대통령인 셰이크 함단 빈 라시드가 개장했습니다.
M 스테이션의 비용은 27억 2천만 달러입니다. 6개의 234메가와트 가스터빈과 8개의 다단계 플래시 담수화 장치로 구성되어 있으며, 각각 하루 80,000m3의 물을 생산합니다. 가스터빈은 디젤을 연소시킬 수 있으며, 주요 천연가스 라인이 고장나도 공장에는 10일 동안 작동할 수 있는 충분한 디젤이 저장됩니다. 계약된 담수화 플랜트는 이탈리아의 FISIA였습니다.
M 스테이션의 목표는 경제 성장에 맞춰 전기와 물 생산 용량을 늘리는 것입니다. 거대한 파이프가 아라비아 만에서 하루에 최대 10억 갤런의 물을 끌어옵니다. 다른 제벨 알리 스테이션에 물을 공급하는 파이프는 바다까지 1km 뻗어 있지만 M 스테이션은 바로 해안에 있습니다. 이는 아라비아 만에서 유조선의 유출로 인해 운영에 영향을 받지 않도록 예방 조치입니다. 유출이 발생하면 흡입구 주변에 붐을 설치하여 떠다니는 기름으로부터 보호하고 M 스테이션이 계속 운영될 수 있도록 하지만 다른 플랜트는 가동을 중단해야 합니다. (제벨 알리 M 스테이션 공식 개장, 2013년; 두바이 수도 및 전기청).
다른 담수화 방법과의 비교
다단계 플래시(MSF)
제벨 알리 플랜트는 다단 플래시(MSF) 담수화 기술을 사용합니다. 가장 널리 사용되는 열 담수화 기술입니다. 모든 열 담수화 생산의 90%를 차지합니다. 또한 모든 담수화 기술 중에서 가장 견고하며 거의 유지 관리 없이 매우 빠른 속도로 물을 처리할 수 있습니다. 대량의 담수화를 생산할 수 있습니다. 4~40개의 챔버 또는 단계를 사용하여 작동하며, 각각은 온도와 압력이 점차 낮아져 물을 빠르게 증발시킨 다음 응축되어 담수를 형성합니다. 최고 염수 온도인 90~120도 섭씨에서 작동합니다. 자본 및 에너지 비용이 모든 담수화 기술 중에서 가장 높습니다. 또한 더 넓은 면적과 재료가 필요하므로 면적이 가장 큽니다(Thye, 2010).
단기간이라도 대형 플랜트의 강제 정지는 탈염수의 저장 용량이 제한되어 심각한 문제를 일으킵니다. MSF 시스템은 가용성이 높아 선호됩니다. MSF는 다른 시스템에 비해 에너지 소비가 많은 것으로 알려져 있지만, 중동에서는 여전히 MSF 유닛이 더 많이 주문되고 계약되고 있으며, 특히 대용량 유닛의 경우 그렇습니다(Darwish, 2002).
역삼투(RO)
또 다른 유형의 담수화 기술은 역삼투(RO)입니다. RO는 멤브레인 담수화 기술입니다. 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 담수화 기술입니다. 이는 모든 멤브레인 담수화의 88%를 차지하는 가장 지배적인 멤브레인 기술입니다. RO 중에 염수는 합성 재료로 만든 반투과성 멤브레인을 통해 고압으로 펌핑되어 물만 통과시키고 소금물에는 소금과 오염 물질이 남습니다. 이는 전처리, 고압 펌프, 멤브레인 모듈, 후처리의 네 가지 하위 시스템으로 구성됩니다. 나선형 권선 또는 중공 섬유의 두 가지 유형의 멤브레인을 사용할 수 있습니다. RO는 광범위한 용량으로 제공되며 가장 큰 플랜트는 현재 320,000m3/일의 용량을 가지고 있습니다. RO는 자본 비용은 낮지만 멤브레인 교체 비용이 높기 때문에 상당한 유지 관리 비용이 듭니다. 멤브레인 수명은 5~7년에 불과할 수 있습니다. 대부분의 에너지는 고압 급수 펌프 시스템을 구동하는 데 필요합니다. RO 시스템은 급수 수질 변화에 취약합니다. 고압 작동으로 인한 기계적 고장 문제도 있습니다(Darwish, 2002).
역삼투(RO)는 MSF 시스템의 주요 경쟁자입니다. 비용과 에너지 강도가 감소하고 신뢰할 수 있습니다. RO는 멤브레인 소재의 지속적인 개선으로 더욱 매력적이 되었습니다. MSF에 비해 RO의 주요 장점은 다음과 같습니다. 에너지 소모가 적고, 발전소를 결합하거나 작동을 방해할 필요가 없으며, 간단히 켜고 끌 수 있고, 모듈로 제공되며, 비상 또는 정기 유지 관리를 위해 전체 발전소를 끌 필요가 없습니다(Darwish, 2002).
다중 효과 증류(MED)
다중 효과 증류(MED)는 MSF와 같은 열적 담수화 기술입니다. 8~16개의 챔버에서 생성된 증기를 사용하여 주변 압력을 낮춰 다음 챔버 그룹에서 증류액으로 응축합니다. 최대 온도는 섭씨 70도입니다. 이 기술은 실제로 화학 산업에서 개발되었습니다. 장치는 일반적으로 600~30,000m3/일의 용량으로 제작됩니다. MSF와 유사하게 MED 기술은 상당한 에너지 비용이 듭니다(Thye, 2010).
비교
세 가지 담수화 기술을 비교하기 위해 비용, 에너지 소비, 재생 에너지 잠재력을 살펴보았습니다. 다음 두 차트에서 알 수 있듯이, 전 세계와 UAE 내에서의 기술 분포는 다릅니다. 전 세계적으로 RO가 주로 사용되는 반면, UAE에서는 MSF 기술이 가장 많이 사용됩니다.
다른 비교를 보면 비슷한 결과가 나타납니다(Thye, 2010). RO 비용은 m3당 $0.92-3.56, MED는 $0.90-3.06, MSF는 $1.36-4.30입니다. MSF는 투자 없이 가장 비싼 총 비용이며 투자 비용은 다른 두 가지보다 큽니다.
에너지는 어떤 기술이 가장 좋은지 결정할 때 중요한 요소입니다. 에너지는 상당한 열 및/또는 전기 에너지를 사용합니다. 1m3의 물에 대해 MSF 플랜트에서는 55-220kWh의 열 에너지와 4-6kWh의 전기 에너지가 필요합니다. MSF 플랜트는 평균 112도 섭씨에서 작동합니다. MED는 70도 섭씨 미만의 더 낮은 온도에서 작동합니다. 1m3의 물에는 약 40-220kWh의 열 에너지와 1.5-2.5kWh의 전기 에너지가 필요합니다. RO는 열 에너지가 필요하지 않으며 약 2.8-12kWh의 전기만 사용합니다. 또한 40도 섭씨 미만의 더 낮은 온도에서 작동합니다(Lattemann, 2008).
재생 에너지는 세계 에너지에서 점점 더 두드러지고 있습니다. 재생 에너지로 작동하는 기술을 찾는 것은 화석 연료가 제한적으로 공급되기 때문에 중요합니다. 많은 국가는 자국에 에너지를 공급하기 위해 외국산 석유에 의존하고 싶어하지 않습니다. 한 연구자는 담수화 기술에서 재생 에너지 사용의 잠재력을 조사했습니다. RO는 재생 에너지원에 대한 잠재력이 가장 큽니다. 풍력과 태양열 모두에서 작동할 수 있습니다. MSF 및 MED 기술은 열 에너지가 필요하고 태양열 에너지는 재생 에너지원에서 필요한 열을 얻을 수 있는 유일한 방법입니다.
결론
비용, 에너지 사용, 재생 에너지 잠재력을 비교한 후, 가장 지속 가능한 옵션은 다단계 플래시 기술보다는 역삼투 담수화 기술을 사용하는 것입니다. 또한 MSF 기술이 UAE에서 우세한 것으로 나타났는데, 이는 에너지원이 국내 화석 연료이기 때문일 가능성이 큽니다. 외국 연료에 의존하지 않으려는 많은 국가와 달리 UAE는 자체적으로 방대한 재고를 보유하고 있기 때문에 화석 연료 기술을 계속 사용하고 있습니다. 이것이 아마도 대규모 생산 용량 외에도 MSF 기술을 계속 사용하는 이유일 것입니다.
가장 지속 가능한 옵션은 새로운 수원을 담수화하는 것보다 물을 보존하는 것입니다. 이것이 경제적으로나 환경적으로 가장 좋을 것입니다.
참고문헌
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Thye, John. "담수화: 온실 가스가 없고 비용 경쟁력이 있을 수 있을까?" Yale School of Forestry and Environmental Studies. 2010년 5월 9일.
