기후변화를 대비하여 국내 수자원 확보를 위한 해수담수화 플랜트의 필요성이 점차 높아지고 있어 향후 해수담수화 플랜트 건설시 경제적 판단의 근간이 될 수 있는 자료의 필요성도 또한 높아졌다. 이에 본 연구에서는 국내 해수담수화 플랜트 설치가 가능한 지역, 인천, 대산, 여수, 부산, 울산, 속초시를 대상으로 생산수 단가를 추정하여, 향후 플랜트 건설시 참고 자료로 활용이 가능하도록 제안하고자 하였다. 동해바다를 취수원으로 하는 속초와 울산시 생산수 단가는 부산과 여수시의 단가와 유사하였으나, 서해바다를 취수원으로 하는 인천과 대산에 비해 취수시설 건설비용 저감으로 인하여 비교적 경제적인 생산수 단가 범위를 나타내었다. 염도 조건은 비교적 유사하여 생산수 단가에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 사료되나, 계절별 수온 차에 의한 영향은 역삼투막의 생산수량 차이에 의해 높게 나타날 것으로 사료되었다. 가장 크게 생산수 단가에 영향을 미치는 요소는 생애주기 분석 시 적용되는 감가상각 연수와 플랜트 용량이었으며, 인천과 대산의 경우 감가상각 연수에 따라 최대 29%, 플랜트 용량에 따라 22%까지 차이가 발생하였다. 그러나 본 연구에서 추정된 생산수 단가는 간접비 등을 고려하지 않은 것으로 국내에서 생산할 수 있는 최소한의 단가로 고려되었으며, 실질적인 공사 시에는 제시된 생산수 단가보다 증가될 것으로 사료된다.
기후변화를 대비하여 국내 수자원 확보를 위한 해수담수화 플랜트의 필요성이 점차 높아지고 있어 향후 해수담수화 플랜트 건설시 경제적 판단의 근간이 될 수 있는 자료의 필요성도 또한 높아졌다. 이에 본 연구에서는 국내 해수담수화 플랜트 설치가 가능한 지역, 인천, 대산, 여수, 부산, 울산, 속초시를 대상으로 생산수 단가를 추정하여, 향후 플랜트 건설시 참고 자료로 활용이 가능하도록 제안하고자 하였다. 동해바다를 취수원으로 하는 속초와 울산시 생산수 단가는 부산과 여수시의 단가와 유사하였으나, 서해바다를 취수원으로 하는 인천과 대산에 비해 취수시설 건설비용 저감으로 인하여 비교적 경제적인 생산수 단가 범위를 나타내었다. 염도 조건은 비교적 유사하여 생산수 단가에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 사료되나, 계절별 수온 차에 의한 영향은 역삼투막의 생산수량 차이에 의해 높게 나타날 것으로 사료되었다. 가장 크게 생산수 단가에 영향을 미치는 요소는 생애주기 분석 시 적용되는 감가상각 연수와 플랜트 용량이었으며, 인천과 대산의 경우 감가상각 연수에 따라 최대 29%, 플랜트 용량에 따라 22%까지 차이가 발생하였다. 그러나 본 연구에서 추정된 생산수 단가는 간접비 등을 고려하지 않은 것으로 국내에서 생산할 수 있는 최소한의 단가로 고려되었으며, 실질적인 공사 시에는 제시된 생산수 단가보다 증가될 것으로 사료된다.
This study was conducted to supply information that can be utilized as data for desalination plant construction in the future by estimating unit cost of water production in the potential site of Incheon, Daesan, Yeosu, Busan, Ulsan and Sokcho in Korea. The production costs in Sokcho and Ulsan were s...
This study was conducted to supply information that can be utilized as data for desalination plant construction in the future by estimating unit cost of water production in the potential site of Incheon, Daesan, Yeosu, Busan, Ulsan and Sokcho in Korea. The production costs in Sokcho and Ulsan were similar to those of Busan and Yeosu. Those four sites showed better economic range due to low construction cost for intake facility compared to Incheon and Daesan. Although the salinity measured in the above 6 sites did not show perceptible effect on the production cost, the difference of seasonal seawater temperature needs to be considered due to the change of flux in reverse osmosis (RO) membrane. It turned out that the most critical parameters are the amortization in a year by the analysis of life cycle and the capacity of plant. Incheon and Daesan showed the difference of production cost up to 29% at the condition of amortization in 25 year, and up to 22% depending on plant capacity. However, the production cost in this study did not take into account of other indirect costs, therefore, this should be considered as the minimum cost.
This study was conducted to supply information that can be utilized as data for desalination plant construction in the future by estimating unit cost of water production in the potential site of Incheon, Daesan, Yeosu, Busan, Ulsan and Sokcho in Korea. The production costs in Sokcho and Ulsan were similar to those of Busan and Yeosu. Those four sites showed better economic range due to low construction cost for intake facility compared to Incheon and Daesan. Although the salinity measured in the above 6 sites did not show perceptible effect on the production cost, the difference of seasonal seawater temperature needs to be considered due to the change of flux in reverse osmosis (RO) membrane. It turned out that the most critical parameters are the amortization in a year by the analysis of life cycle and the capacity of plant. Incheon and Daesan showed the difference of production cost up to 29% at the condition of amortization in 25 year, and up to 22% depending on plant capacity. However, the production cost in this study did not take into account of other indirect costs, therefore, this should be considered as the minimum cost.
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문제 정의
국내 수자원의 다변화를 위하여 해수담수화 플랜트는 지속적으로 발주될 것으로 예상되는바 가장 가능성이 높은 지역 6곳을 선정하여 생산수 단가의 범위를 추정하고자 하였다. 속초와 울산시 생산수 단가 범위는 조건에 따라 533~ 905원/m3, 부산과 여수시는 534~909원/m3로 큰 차이가 발생하지 않았으나, 인천과 대산시는 557~956원/m3로 비교적 높은 단가를 나타내었다.
이에 대한 사용량은 플랜트 건설지 수질 환경에 따라서 영향을 받기 때문에 모든 플랜트 설비마다 달라질 수밖에 없다. 따라서본 연구에서는 참고문헌을 통하여 화학약품 사용비를 추정하고자 하였다. Voutchkov15) 와 Wilf 등30) 은 각각 자신의 저술에서 SWRO의 O&M 비용에서 화학약품의 비율을 3~ 9% (0.
0 kWh/m3 범위에 있는 것으로 조사되므로 Table 3의 염도 범위로부터 이 범위를 크게 벗어나지는 않을 것으로 사료된다. 이러한 자료를 참고하여 본 연구에서는 3.5~4.0 kWh/m3에 대해서 전력비를 추정하고자 하였다.39)
이에 본 논문에서는 향후 지속되는 기후변화에 따른 대체 수자원 확보수단으로서 해수담수화 플랜트의 건설이 지속적으로 추진될 것으로 예상됨에 따라 국내 전반적인 해수담수화 플랜트의 생산수 단가에 대한 고찰을 통해서 해수담수화 건설시 참고자료로 활용할 수 있는 가이드라인을 제시하고자 하였다.
가설 설정
15,45~47) 30%로 분석한 대부분은 직접비 외에 간접비를 포함한 전체 금액에 대하여 분석한 결과이므로 본 연구에서는 간접비를 생략하고 트레인 공사비용을 전체 시공비의 50%로 가정하여 계산하였으며, 속초와 울산시 조건에서 계산된 10,000 m3/d 공사비 21,291 백만원을 기준으로 계산하였다. Fig.
5) 또한 Mabrouk 등24)은 각 공정별 5,000 m3/d 플랜트에서 역삼투공정이 열역학적으로 생산수 단가면에서 다단플래쉬(Multi Stage Flash, MSF), 다중효용법(Multi Effect Distillation, MED)에 비해 각각 51%, 80% 수준으로 분석한 것 외에도 다양한 논문에서 역삼투방식이 더 효율적이라고 발표되었다.6,7) 이러한 역삼투 공정의 효율성은 고압펌프의 효율 증대, 에너지 회수장치의 개발에 따른 에너지 저감과 역삼투막 성능향상 및 대형화에 따른 단위면적당 플럭스 향상과 이에 따른 에너지 효율성 증대에 기인한바가 크다.8~14)
O&M 비용에서 슬러지 처리비용, 모니터링 비용 등은 상황에 따라서 차이가 많이 발생하므로 본 연구에서는 고려하지 않았다.
제안 방법
이러한 금액은 Desalting handbook for planners를 통해서 계산한 금액과 유사한 범위를 나타낸다.50) 본 연구에서는 2개의 계산값 중에서 비교적 최근에 제시된 통계적 data인 Desalination market 2010을 통하여 계산된 것을 적용하였다. 그러나 Desalination market 2010 등에서 나타난 인건비와 화학약품의 비율과는 다르게, Table 6에서는 30,000 m3/d 이상에서는 화학약품비가 더 높게 나타나고 있는데 이는 국내 정수장의 인력 배치 가이드에 따라 20,000 m3/d까지는 필요인력수가 플랜트 용량에 비례하지만 그 이상의 대형 플랜트에서는 필요 인력수가 비례하지 않기 때문이다.
Table 3은 6개 도시에서의 건축비 추정을 위한 각 도시별 조건을 보여준다. 각 도시별 2016년 기준 부유물질 평균 농도가 동해 3.2 mg/L, 남해 10.6 mg/L, 서해 17.4 mg/L로35) 이를 반영하기 위하여, Table 3에서와 같이 취수시설 조건에 차이를 두었으며, 국내 해상의 염도의 경우 지역적 특성에 따라서 염도가 극히 다르게 분포하며 계절에 따른 변화가 심하여 특정 수치로 대체할 수 없어 가능한 각 도시별 조건에 근접하는 범위로 예측한 데이터를 이용하여 반영 하였다. Desaldata를 활용할 때 가장 어려운 점은 온도의 반영으로 현재 시스템 상에서 15℃가 최저점으로 되어 있다.
이러한 내용으로부터 국내 해수담수화 플랜트를 건설하기 위해서 주요 공정에 대한 플랜트 건설비용을 Desaldata 등을 참고하여 산정하는 것이 가능하나, 취수시설 중 취수구의 위치와 이에 따른 플랜트 까지 요구되는 파이프라인에 대한 보정이 별도로 고려되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 별도의 보정을 위해 한국물가정보를 이용하여 GRP관을 기준으로 파이프라인 건설 단가 추이를 비교하였다.38) Fig.
일반적으로 생산수 단가계산 시 플랜트 용량, 유입수 염도, 부품소재 종류 등이 영향을 미치지만26) Fig 2에서와 같이 플랜트의 용량은 특히 핵심적인 요소이므로 이에 대한 기준을 결정하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 1톤당 건설비의 기울기의 변곡점으로 추정되는 50,000 m3/d를 기준으로 10,000, 30,000, 100,000 m3/d 플랜트 규모의 생산수 단가에 대하여 추정하였다.
2는 Desaldata를 이용하여 추정한 것으로 플랜트 규모에 따라 capital, O&M 비용과 생산수 가격간의 관계를 보여주고 있다. 본 Desaldata를 활용한 가격 추산방법은 Desaldata가 제공하는 세계 각지의 플랜트 정보에 대한 데이터를 기반으로 플랜트 용량별 플랜트 건설비와 가격 정보에 대한 데이터를 추출하여 평가한 것으로 평가 툴은 Desaldata 홈페이지에서 제공한다. 이러한 평가 툴에 비교를 원하는 data를 추가하면, 그에 따른 추정 통계자료를 추출하는 것이 가능하다.
따라서 역삼투막의 교체비용을 결정하기 위해서는 각 플랜트 용량에서 소요되는 역삼투막 개수를 계산해야 하며, 이것은 일반적으로 역삼투막 제조사에서 배포한 프로그램을 활용하여 예측한다. 본 연구에서는 Dow Chemical 사에서 배포한 ROSA 9 프로그램을 활용하여 각 플랜트 용량별 필요 개수를 예측하였다. Table 2의 각 지역별 최저 온도조건 2℃와 필요 수질기준 중에서 28℃ 조건에서 보론 1 mg/L를 기준으로 각 회수율 조건 별로 필요한 역삼투막 개수를 계산한 결과를 Fig.
그 중에서 기장플랜트는 45,000 m3/d 규모의 생활용수 공급을 위한 국내 최초의 대형플랜트로 국내 해수담수화플랜트의 기준을 제시한다고 할 수 있다. 본 연구에서는 기장 플랜트의 기획보고서 자료를 토대로 건축비를 추정하였다. Fig.
따라서 어느 수량을 기준으로 하는지에 대한 명확한 기준 제시가 요구되나, 본 과제에서는 생산수량을 기준으로 계산하여 Table 6에 있는 인력을 그대로 적용하였다. 생산단가 산정을 위해서는 적절한 수준의 임금이 중요하게 작용하므로 평균 임금단가에 대한 기준을 산정하기 위하여 한국 건설업 노임 단가를 기준으로 분석하였다. 2016년 9월 1일 기준으로 플랜트 전공에 대한 노임은 185,583원으로 조사되었으며, 이를 연봉개념으로 계산할 경우 67,738천원이 된다.
15) 따라서 실제 플랜트 건설을 고려할 경우 이율, 인허가 비용 등도 함께 고려되어야 하나, 간접비 항목들은 플랜트 건설지의 환경에 따라 크게 좌우되므로 설계를 포함한 순수 플랜트 비용에 대해서만 고려하였다. 아울러 해수담수화 플랜트가 국내 에서는 많은 시장이 있는 것이 아니므로 항목 각각에 대하여 직접적으로 계산하는 것이 불가능하였기 때문에 국내 건설된 대형플랜트 2곳과 GWI의 Desaldata 그리고 참고문헌을 통해서 간접적으로 추정하였다.
대상 데이터
8에 나타내었다. 사용된 모듈은 일반적으로 사용되는 SW30HRLE-400i (7500 GPD, 99.8% @ 32,000 mg/L NaCl)와 BW30-400 (10,500 GPD, 99.5% @ 2,000 mg/L NaCl)가 적용되었으며, 시뮬레이션 결과에서 회수율 55% 이상은 SWRO의 성능 초과로 설계에서 배제하였다.
성능/효과
1,2) 이러한 배경에 의해 물 부족 문제를 해결하기 위한 새로운 수자원으로서 해수담수화 플랜트의 중요성이 부각되었으며, 해수담수화 시장은 지속적으로 성장되었다. 세계 해수담수화 시장은 2000년 이후 에너지 효율성으로 인하여 증발식에서 역삼투 방식으로 기술변화가 되었다.
Fig. 8(a)에서 볼 수 있는 것처럼 회수율이 높을수록 설계범위가 감소하는 경향으로 인하여 회수율 50%조건에서 SWRO 모듈 수는 700~840개, 45%에서 최대 1120개, 40%에서 1190개까지 요구되는 것으로 나타났으며, 모듈개수가 증가할수록 SEC는 감소되었다. 이러한 결과는 에너지 비용에 의한 영향이 순수 막교체 비용보다 훨씬 더 크다는 것을 의미하며, 국내 환경조건에서 2℃까지 감안해야 하는 저온 조건에 의한 플럭스 감소에 따른 에너지 소요량 증가에 기인한다.
만약 이러한 요소를 추가할 경우 조건에 따라서 1,000원/m3가 넘을 수 있을 것으로 사료되며, 생산수 공급을 위한 배관비용까지 포함할 경우 더 높은 생산수 가격을 나타낼 수 있다. 그러므로 본 연구에서 제시된 생산수 단가는 최소한의 생산수 단가임을 고려해야 하나, 100,000 m3/d 이상의 규모에서는 송수관로 비용을 제외한 모든 조건을 포함해도 1,000원/m3 내외로 생산수 단가를 조정할 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 감가상각 연수가 30년으로 늘어나면 최적의 역삼투막 개수가 770개로 증가한다(본 연구 에서는 보여주지 않았음). 따라서 에너지 비용만을 고려할 경우 최적의 역삼투막의 개수가 증가하지만, 공사비에 의해 적절한 범위의 역삼투막 개수가 있음을 나타낸다.
10,000 m3/d 플랜트를 기준으로 할 경우 회수율 60%에서 18% 절감이 가능하다. 또한 100,000 m3/d 플랜트에서는 60% 회수율을 기준으로 m당 비용은 17%까지 절감이 가능한 것으로 분석되었다. 그러나 회수율이 같을 경우 플랜트 규모에 따라서 73%까지 절감이 가능한 것으로 계산되었다.
염도의 경우 모든 지역에서 상한선이 30 practical salinity unit (PSU) 이상이었으나, 특징적으로 동해안 쪽으로 갈수록 최대 염도가 높아지는 경향이 있으며, 서해안으로 갈수록 낮은 염도의 분포가 나타났다. 따라서 상대적으로 서해안 지역에 건설될 경우 에너지 소요량 면에서 유리할 것으로 보이고 있으나, 각 지역에 따른 염도의 차이가 높지 않기 때문에 국내에서는 해수의 온도가 더 중요한 인자로 판단된다.
8(b)는 막 교체비, SEC 그리고 RO 트레인 총 공사비용을 합산한 총 비용과 역삼투막 개수와의 관계를 보여주는 것으로 총 공사비용에 대한 감가상각 연수에 따라서 최적의 역삼투막 개수가 변화하고 있는 것을 보여 준다. 이 결과는 감각상각 연수가 작을수록 역삼투막 개수 증가에 따른 공사비 증가가 역삼투막 개수 증가에 따른 SEC 감소량에 비해 크다는 것을 의미하며, desalination market 2010을 포함한 다양한 문헌들과 같은 결과를 나타낸다. 반대로 감가상각 연수가 늘어날수록 에너지 비중이 커진다.
따라서 각 비용별 전체 사용 연수의 선정과 이를 통한 총 비용을 생산된 총 생산수량 으로 나눌 경우 생산수 단가가 결정될 수 있다. 이 분석을 위해서 가장 중요한 것은 실질적인 할인율 산출인데 이것에 대한 분석은 본 연구의 범위를 넘는 것으로 사료되며, 따라서 2006년 한국수자원공사에서 발표된 할인율 수치 4.5%를 참고하여 계산하였다.
5원/kWh임을 알 수 있다. 이것은 당연한 결과이므로 본 연구에서는 전력비 기준을 101.5원/kWh로 정하였으며, 이를 기준으로 계산하면 전력비는 플랜트 용량 10,000 m3/d를 기준으로 0.1 kWh 당 약 37,047,500원씩 증가하게 되며, 다양한 변수에 의해 에너지 효율성 변화를 고려할 경우 10,000 m3/d 용량의 전력비는 13~14.8억 원/년, 100,000 m3/d 용량의 전력비는 130~148억 원/년 범위에서 결정될 것으로 계산된다.
인천, 대산 지역 내 해수담수화플랜트 건축비는 속초나 울산시에 비하여 154~222 $/m3까지 높은 것으로 계산되었으며, 대부분 취수시설과 설계비용에 의한 것으로 사료되었다. 여수와 부산은 염도 차이 외에는 같은 조건으로 속초와 울산시의 건축비와 유사하였다.
후속연구
국내에서 생산수 단가를 계산하기위해서는 원칙적으로 식 (1)에 따라서 자본비용, 영업외비용, 기타영업 수익 그리고 영업외 수익 등이 추가적으로 고려되어야 하나, 본 연구에서 수행하는 범위와는 다른 것으로 판단되므로 고려하지 않았다. 이외에도 농축수 처리비용, 인허가, 환경생태, 폐수/폐기물 처리비용은 적절한 기준단가를 추정할 수 없으며, 생산수단가에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 사료되므로 본 연구에서는 고려하지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상수도의 부족을 겪는 나라는 전 세계적으로 얼마나 되는가?
상수도의 부족을 겪는 나라는 전 세계적으로 약 26개국에 달하며 통계학적으로 40~50%의 인구가 향후 50년간 물 부족 문제에 시달릴 것으로 예측되고 있다.1,2) 이러한 배경에 의해 물 부족 문제를 해결하기 위한 새로운 수자원으로서 해수담수화 플랜트의 중요성이 부각되었으며, 해수담수화 시장은 지속적으로 성장되었다.
해수담수화 플랜트의 중요성이 부각되는 이유는 무엇인가?
상수도의 부족을 겪는 나라는 전 세계적으로 약 26개국에 달하며 통계학적으로 40~50%의 인구가 향후 50년간 물 부족 문제에 시달릴 것으로 예측되고 있다.1,2) 이러한 배경에 의해 물 부족 문제를 해결하기 위한 새로운 수자원으로서 해수담수화 플랜트의 중요성이 부각되었으며, 해수담수화 시장은 지속적으로 성장되었다.
해수담수화 플랜트의 필요성이 점차 높아지는 이유는 무엇인가?
기후변화를 대비하여 국내 수자원 확보를 위한 해수담수화 플랜트의 필요성이 점차 높아지고 있어 향후 해수담수화 플랜트 건설시 경제적 판단의 근간이 될 수 있는 자료의 필요성도 또한 높아졌다. 이에 본 연구에서는 국내 해수담수화 플랜트 설치가 가능한 지역, 인천, 대산, 여수, 부산, 울산, 속초시를 대상으로 생산수 단가를 추정하여, 향후 플랜트 건설시 참고 자료로 활용이 가능하도록 제안하고자 하였다.
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