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강에서 강으로

매년 3월 22일은 세계 물의 날(World Water Day)입니다. 유엔이 지정하여 1993년부터 시작된 세계 물의 날은 우리 모두가 물의 중요성에 대해 되새겨볼 수 있는 시간입니다. 이 날, 세계 각국은 물을 주제로 한 다양한 행사를 펼칩니다. 올해의 주제는 “물과 에너지”입니다. 깨끗한 물과 늘어나는 에너지 수요 사이의 관계는 중요한 주제임에도 거의 다루어지지 않았습니다. 특히 물과 에너지 두 분야 모두 화학산업과 중요한 관련이 있습니다.

“물과 에너지”라는 주제로 펼쳐진 세계 물의 날 행사

깨끗한 물은 인간다운 삶의 기본 요건이지만, 세계 여러 나라에서는 이것이 지켜지지 않고 있습니다. 아시아와 아프리카에 사는 인구 중 10억 명 가량이 깨끗한 마실 물을 얻지 못하고 있습니다. 전문가들은 앞으로도 필요로 하는 물의 양이 증가할 것이라고 예상하고 있습니다. 매년 세계 인구가 8천만 명 가량 증가함에 따라, 해마다 640억 톤의 물을 더 필요로 하게 됩니다.

에너지 수요에 관해서도 마찬가지로 예상되고 있습니다. 전기를 사용하지 못하는 사람들의 수는 15억에 달합니다. 물과 에너지 사이의 관계는 분명합니다. 물은 에너지 자원 추출에서 중요한 역할을 하며, 수력, 화력, 지열 등을 통한 발전에도 마찬가지로 중요한 역할을 하고 있습니다. 예를 들어, 발전과 난방 분야에서 물은 대형 터빈의 날개를 돌리는 힘으로 사용되며, 장비를 냉각하는 데에도 쓰입니다. 반대로, 에너지는 교외 지역에서의 물 공급과 관개 과정에서 중요한 역할을 합니다.

 물이 없다면 모든 것이 멈춘다

화석연료를 사용한 발전, 원자력 발전, 화학 산업, 전자 산업, 제지 산업 등 물은 전 산업 분야에서 대량으로 사용됩니다. 심지어 광산업, 식품산업, 철강산업, 자동차산업 등도 물이 없으면 멈추고 맙니다. 전 세계적으로 사용되는 물의 20% 이상은 산업용수로 이용되며, 강과 호수 등의 표층수는 물론 지하수도 끌어올려 사용합니다.

유럽과 같이 고도로 발달된 지역에서는 산업용수의 비율이 60%에 달하는 반면, 개발도상국에서는 대략 8% 정도에 지나지 않습니다. 독일의 경우 산업 분야에서 사용하는 물의 비중이 84%에 이릅니다. 산업용수의 4분의 3 가량은 화력발전소에서 냉각수로 사용합니다. 대부분의 공정이 순환식으로 이루어지고 이따금씩 재활용이 되기도 하지만, 기본적으로 독일의 전력 수요를 감당하기 위해서는 매일 1인당 630리터의 냉각수를 사용해야 합니다.

 냉각수

III_1_Weltwassertag복잡한 화학 및 기계적 공정에서는 냉각수 등의 용수가 필요하며, 발전소에서는 미네랄 성분이 완전히 제거된 순수한 물이 필요합니다. 이를 위해 사용하는 물은 이온교환수지를 이용해 미네랄을 제거하고 연수 처리됩니다. 이러한 처리를 거치지 않는 경우 물에 들어 있는 염분과 알칼리 성분이 발전소의 고온으로 인해 침전물로 쌓이게 되고, 이렇게 만들어진 단열층이 열의 전달을 방해하기 때문에 이는 필수적인 과정입니다. 또한 침전물이 축적되면 열 스트레스로 인한 보일러 균열, 폭발 등이 일어날 수 있고, 터빈의 마모, 부식, 불균형 등이 초래될 수도 있습니다. 가공된 물은 발전소의 응축회로로 보내집니다. 이곳에서 증발된 물은 발전에 사용된 후 다시 재응축됩니다.

물에 유기물질이 많이 들어있는 경우에는 역삼투압 필터를 통한 두 번째 처리를 거치기도 합니다. 유기물은 터빈을 비롯한 물-스팀 회로의 각종 부품에 손상을 입힐 수 있기 때문입니다.

 강력한 필터

IV_1_Weltwassertag독일 켐니츠에 위치한 Sachsen GmbH & Co KG가 운영하는 화력발전소에서는 랑세스의 박막 필터를 사용해 수질의 편차를 현저히 줄이고, 특히 유기물질을 효과적으로 걸러내고 있습니다. 60개의 레와브레인 (Lewabrane®) 필터가 미리 세정된 강물을 시간당 50-60 입방톤씩 정화하여 역삼투 과정에서 스팀 생성에 사용할 수 있도록 만들어줍니다.

발전소는 냉각과 스팀 생성에 사용하는 물을 켐니츠강과 쵸파우강에서 얻습니다. 냉각수, 용수, 순수, 스팀 생성을 위한 탈염수 등 용도에 따라 다르지만 복잡한 기계적, 화학적 준비 과정이 필요합니다. 이온 교환기로 탈염, 연수 처리된 물에도 여전히 유기물이 많이 남아 있는데, 이는 열 전도율을 과도하게 높여 터빈을 비롯한 물-스팀 회로의 각종 부품에 손상을 입힐 수 있습니다. 이 과정에서 사용되는 물의 90%가 다음 공정에 공급됩니다.

 

IV_2_Weltwassertag발전소 측에서는 강물에 들어 있는 유기물을 90%까지 줄인다는 목표를 설정하고, 박막기술을 통해 이러한 목표를 실현하고 있습니다. 역삼투기법의 역할은 이것으로 끝이 아닙니다. 역삼투 기술은 기수 또는 염수에 들어 있는 미네랄을 제거하여 마실 수 있는 물을 만드는 데도 적합한 방식입니다.

이온교환법과 역삼투 기술은 서로를 보완하여 최상의 결과를 달성하기 위해 종종 함께 사용됩니다.

 

공정 최적화를 통한 물 소비 감소

산업 공정의 다양한 변화와 용수 처리의 끊임없는 최적화를 통한 재사용으로 물 소비량이 꾸준히 감소하고 있습니다. 화학산업 제품들도 여기에 결정적인 기여를 하고 있습니다.

예를 들어, 1950년대 중반에는 제지산업에서 용수를 2.4회 사용한 반면, 지금은 물을 12번에 걸쳐 사용하고 있습니다. 오늘날 화학산업에서는 하수처리 시설로 보내어 정화한 후 다시 사용하기 전까지 용수를 평균 28차례나 사용하고 있습니다.

하지만 발전은 여기서 끝나지 않습니다. 원료로서의 물과 에너지의 생성 사이에서 화학은 두 가지 역할을 합니다. 독일에서 네 번째로 큰 산업분야인 화학산업은 원료로서의 물을 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 혁신적인 접근방식뿐만 아니라 자원을 절약하고 발전의 지속가능성을 높일 수 있는 솔루션을 만들어내고 있습니다. 이러한 역할이 갖는 중요성은 앞으로도 계속 늘어날 것입니다.