국내 역삼투 방식 해수담수화 플랜트 시설 용량별 에너지 사용량 기반 경제성 분석 (Economic Assessment Based on Energy Consumption on the Capacities in Seawater Reverse Osmosis (SWRO) Plant in Korea)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 41권 / 7호 / 389 ~ 398페이지
· 저자명 : 최창규, 김창민, 임주환, 김동호, 김인수

초록

목적:역삼투 방식의 해수담수화플랜트 생산수 단가는 건설비와 O&M (Operation & Maintenance) 비용으로 결정되는데, 직접비, 간접비, 전력비, 기타 O&M 비용으로 구성되며, 국가별 및 지역별로 다르기 때문에 구체적 수치를 제시할 수 없는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 국내에 설치된 중형급 해수담수화플랜트를 대상으로 한 연간 TDS 농도 및 에너지 사용량 등의 운전 결과를 도출하고, 이를 기반으로 시설 용량별 건설비 및 유지관리비를 산정함으로써, 최종적으로 구체적 생산수 단가를 제시하고자 하였다.
방법: 본 플랜트는 생산수 기준 총 10 MIGD (45,000 m3/일) 규모의 역삼투 해수담수화플랜트로 2 MIGD (9,000 m3/일)와 8 MIGD (36,000 m3/일)로 구성되었으며, 2 MIGD 공정은 전처리로 DABF (Dissolved air bio-ball filter)와 UF (Ultrafiltration) 거친 후 역삼투 공정으로 유입되며, 8 MIGD는 DABF와 DMF (Dual media filtration) 처리를 통해 역삼투 공정으로 유입된다. 해수담수화플랜트의 생산 단가 추정을 위해서는 건설비와 유지관리비가 우선적으로 산정되어야 하며, 이는 GWI의 Desaldata의 cost estimator를 통해 산정하였다. Desaldata의 비용 추정방법은 생산용량 및 유입 해수 TDS 농도, 해수 온도, 회수율을 기반으로 한 EPC (Engineering, Procurement and Construction)의 CAPEX (Capital expenditure)와 생산용량 및 설치 국가, 에너지 사용량, 전력단가 등을 기반으로 한 OPEX (Operating expenditure)를 계산하고, 이를 기반으로 이자율과 대출상환 기간, 부채비율을 고려하여 생산수 단가를 추정하였다.
결과 및 토의: 현장에 설치된 EMS (Energy Management System)를 통한 각 공정별 에너지 사용량 분석에서는 SLC (9,000 m3/일)는 5.48 kWh/m3이었고, MLC (45,000 m3/일)은 3.4 kWh/m3로 분석되었다. 이를 기반으로 GWI의 Desaldata의 cost estimator를 이용하여 CAPEX 및 OPEX를 산정하여 최종적으로 생산수 단가를 추정하였다.생산수 기준 9,000 m3/일(SLC), 45,000 m3/일(MLC), 100,000 m3/일(LLC) 규모의 CAPEX 비용 측면에서 SLC에 비해 MLC가 395,954 원/m3만큼 줄어들었고, MLC에 비해 LLC가 192,019 원/m3 가량 줄어들어 플랜트 규모가 커지더라도 생산수량 당 CAPEX는 줄어드는 것으로 나타났으며, 10,000-50,000 m3/일 범위의 소규모 플랜트에서는 생산수량 당 CAPEX가 크게 차이나지만, 100,000 m3/일 이상의 중대규모 플랜트에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 추정되었다. 연간 생산수량에 대한 OPEX는 SLC에서 742.3 원/m3, MLC에서 636.5 원/m3, LLC에서 580.3 원/m3으로 큰 차이를 보였으며, 세부적으로는 OPEX에 가장 큰 영향을 미치는 것이 전력비로 나타났다. 전체적으로 생산수 단가는 이자율(3%와 5%)에 따라 SCL에서 1,326-1,384 원/m3, MLC에서 1,163-1,209 원/m3, LLC에서 1,023-1,070 원/m3으로, 전세계적으로 제시되는 생산수 단가의 평균값인 1.0 US$/m3과 유사한 결과를 보였으며, 생산용량이 증가할수록 생산수 단가가 감소하는 것으로 나타났다.
결론: 생산수량 당 CAPEX 및 OPEX를 기반으로 Desaldata cost estimator를 이용하여 산정한 생산수 단가는 생산용량이 증가할수록 생산수 단가가 감소하는 경향을 보였으며, 100,000 m3/일 이상에서는 50,000 m3/일이 증가할 때마다 40 원/m3 가량 감소하는 경향을 보여 생산수 단가의 차이가 줄어들었다. 이상의 결과에서 일반적으로 해수담수화플랜트의 규모가 100,000 m3/d 이상으로 건설되는 점을 고려한다면, 해수담수화를 통한 수돗물 생산단가는 1,023-1,070 원/m3으로 추정됨으로써, 2017년 국내 수돗물 평균 요금인 776.5원과 부산시 수돗물 요금인 834.6원에 비해 높은 생산단가를 보여 현재 기준으로 대규모 해수담수화플랜트의 국내 도입은 어려움이 있을 것으로 판단된다. 하지만, 기후온난화 및 수자원 오염으로 인해 식수원으로 이용 가능한 수자원의 부족 현상이 가중되는 상황에서 수돗물 요금이 상승하고, 역삼투막 및 고압펌프, 에너지 회수장치의 지속적인 개발로 인해 에너지 사용량이 감소할 경우 대체 수자원으로서 해수담수화플랜트의 도입이 가능해 질 것으로 예상된다.

영어초록

Objectives: The production cost of reverse osmosis (RO) seawater desalination plant is determined by the CAPEX (Capital expenditure) and OPEX (Operating expenditure). In detail, CAPEX and OPEX are composed of direct cost, overhead cost, electricity cost, and other O&M costs. However, CAPEX and OPEX may vary by country and region. Therefore, this study tries to estimate the production cost by calculating the construction and maintenance costs depending on production capacities based on the operation results such as TDS concentration and the energy consumption from a seawater desalination plant in Korea.
Methods: A two-stage RO based seawater desalination plant with a capacity of 10 MIGD (45,000 m3/d) was used in this study. The plant consists of a 2 MIGD (9,000 m3/d) unit having DABF (Dissolved air bio-ball filter) and UF (Ultrafiltration) as pretreatment processes, and another 8 MIGD (36,000 m3/d) unit having DABF and DMF (Dual media filtration) as pretreatment processes. To estimate the production cost, construction and maintenance costs were calculated by using GWI's Desaldata cost estimator. CAPEX (Capital expenditure) was calculated based on production capacity, recovery rate, TDS concentration and temperature of seawater, while OPEX (Operating expenditure) was calculated based on production capacity, country, energy consumption, and electricity unit price.
Results and Discussion: The energy consumptions from EMS (Energy Management System) were 5.48 kWh/m3 at SLC (9,000 m3/d) and 3.4 kWh/m3 at MLC (45,000 m3/d), respectively. In the CAPEX, MLC was reduced by 395,954 ￦/m3 compared to SLC, and the LLC was lower by 192,019 ￦/m3 than MLC. Overall, CAPEX decreased as the production capacity increased. The CAPEX of small plants with production capacity between 10,000 and 50,000 m3/d was significantly different; however, there was no significant difference in larger plants having a capacity above 100,000 m3/d. The OPEX for the annual production capacity showed a sizable difference with 742.3 ￦/m3, 636.5 ￦/m3 and 580.3 ￦/m3 for SLC, MLC, and LLC, respectively. The electricity cost was a substantial portion of OPEX. Also, the production costs based on the interest rates (3% and 5%) were 1,326-1,384 ￦/m3, 1,163-1,209 ￦/m3, and 1,023-1,070 ￦/m3 for SLC, MLC, and LLC, respectively. The results were consistent with 1.0 US$/m3, which is the average production costs presented from other references.
Conclusions: The production cost estimated using the Desaldata cost estimator based on the CAPEX and OPEX tends to decrease as the capacity increases. However, when the capacity increased over 50,000 m3/d, the production cost decreased by an average of 40 ￦/m3. Thus the decrement of production cost reduced. From these results, the production cost of tap water through seawater desalination was estimated between 1,023 ￦/m3 and 1,070 ￦/m3 above 100,000 m3/d. Therefore, it is difficult to introduce a large-scale desalination plant in Korea, because the average tap water price was 834.6 ￦ in Korea in 2017. However, It is expected that the seawater desalination will be introduced as an alternative water source whenever drinking water price rises, or when the quantity of available drinking water sources reduce due to climate change and water pollution, or whenever energy consumption is reduced as a result of the steady development of the component technologies such as the reverse osmosis membrane, high-pressure pump, and energy recovery device.

참고자료

· 없음