전북대, 바닷물로 전기까지 만든다… 세계 첫 ‘자가발전 담수화’ 기술 개발

물 부족과 에너지 위기를 동시에 해결할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 국제 학계와 산업계의 주목이 쏠리고 있다.

전북대학교와 싱가포르 난양공과대학교(Nanyang Technological University) 공동 연구팀은 태양열 기반 해수 담수화 과정에서 전기를 함께 생산하는 자가발전형 시스템을 구현했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 재료과학 학술지 Advanced Materials에 게재됐다. 연구 핵심은 수생식물인 부들과 폐목재 등 바이오매스에서 추출한 소재를 활용해 만든 ‘하이드로겔(Hydrogel)’ 소자다.

연구팀은 이 소재를 냉각 건조 방식으로 가공해 수직 기공 구조를 구현했고 이를 통해 소금은 남기고 물만 빠르게 증발시키는 고효율 담수화 시스템을 개발했다.

특히 이번 기술은 단순 담수 생산에 그치지 않는다. 물속 양이온과 음이온이 이동하는 과정에서 발생하는 전위차를 활용해 전기까지 생산할 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다.

기존 해수 담수화 시설이 막대한 전력을 소비하는 것과 달리 이번 시스템은 외부 전력 의존도를 크게 낮출 수 있는 ‘자가발전형 담수화’ 구조라는 점에서 차세대 친환경 기술로 평가받고 있다.

현재 중동과 아프리카, 남아시아 등 세계 여러 지역은 심각한 물 부족과 에너지 위기를 동시에 겪고 있다.

실제 세계 최대 담수화 시설 중 하나인 두바이 제벨알리 담수화 시설은 하루 225만 톤의 담수를 생산하기 위해 약 8,000MWh의 막대한 전력을 소비하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 이번 기술이 향후 사막 지역과 섬 지역, 전력 인프라가 부족한 개발도상국 등에서 새로운 대안이 될 수 있다고 기대한다.

과학계에서는 이번 연구가 단순한 수처리 기술을 넘어 미래 물·에너지 패권 경쟁과 탄소중립 시대를 겨냥한 핵심 기술로 발전할 가능성이 있다는 평가도 나오고 있다.

물 만들며 전기도 생산… 담수화 기술의 패러다임 바꿨다

전기 먹는 담수화 시설… 세계는 이미 ‘물 전쟁’ 중

현재 전 세계는 물 부족과 에너지 위기가 동시에 심화하는 상황에 직면해 있다. 특히 중동과 북아프리카, 인도 등 건조 지역에서는 담수 확보가 국가 생존 전략 수준의 문제로 떠오르고 있다.

대표적인 사례가 아랍에미리트(UAE) 두바이의 초대형 해수 담수화 시설이다. 세계 최대 규모 가운데 하나인 제벨알리 담수화 시설은 하루 약 225만 톤의 담수를 생산해 수백만 명에게 공급하고 있다.

하지만 이를 위해 약 8,000MWh에 달하는 막대한 전력을 소비한다. 문제는 기존 담수화 기술 대부분이 엄청난 에너지 소비를 전제로 한다는 점이다.

현재 가장 널리 사용되는 역삼투압(RO) 방식과 증발식 담수화 기술은 안정성은 크지만, 운영비와 전력 사용량이 매우 크다. 결국 물 부족을 해결하기 위해 다시 막대한 화석연료와 전력을 사용하는 구조가 이어지고 있는 셈이다.

기후 위기와 탄소중립 압박이 커지는 상황에서 국제사회가 ‘저전력·친환경 담수화 기술’ 개발에 집중하는 이유도 여기에 있다.

물을 생산하는 동시에 에너지 문제까지 해결할 수 있는 기술은 사실상 차세대 전략산업으로 평가받고 있다.

전북대 연구팀, ‘자가발전 담수화’ 세계 첫 구현

전북대학교와 싱가포르 난양공과대학 공동 연구팀은 이런 한계를 넘어서는 새로운 개념의 담수화 시스템을 개발했다. 핵심은 태양열 담수화 과정 자체에서 전기를 동시에 생산하는 ‘자가발전형 구조’다.

연구팀은 부들과 폐목재 같은 바이오매스 소재를 활용해 특수 하이드로겔(Hydrogel) 소자를 제작했다.

이를 냉각 건조 방식으로 가공해 내부에 수직 기공 구조를 형성했고 이 구조가 바닷물 속 소금은 남긴 채 물만 빠르게 증발시키는 역할을 한다.

특히 이번 기술의 가장 큰 특징은 물속 이온 이동 과정에서 자연스럽게 전기가 생성된다는 점이다. 물이 표면을 통과할 때 양이온과 음이온 이동 속도 차이가 발생하고 이 과정에서 전위차가 형성되며 전력이 생산되는 구조다.

즉 기존 담수화 시설처럼 외부 전력을 계속 공급받는 방식이 아니라 담수화 과정 자체가 하나의 발전 시스템 역할을 하는 셈이다.

연구팀은 이를 통해 물 생산과 전력 생산을 동시에 수행하는 새로운 형태의 친환경 수처리 플랫폼 가능성을 제시했다고 설명했다.

태양열·바이오소재 결합… 차세대 친환경 담수화 기술 부상

부들·폐목재 활용한 하이드로겔이 핵심

이번 연구의 핵심은 자연 유래 바이오소재를 활용한 고효율 하이드로겔(Hydrogel) 기술에 있다. 연구팀은 수생식물인 부들과 폐목재 등에서 추출한 소재를 활용해 특수 하이드로겔 소자를 제작했다.

하이드로겔은 다량의 물을 흡수하면서도 내부 구조를 유지할 수 있는 고분자 소재로 최근 차세대 에너지·환경 기술 분야에서 주목받고 있다. 연구팀은 여기에 냉각 건조 공정을 적용해 내부에 정교한 수직 기공 구조를 형성했다.

이 구조는 바닷물이 표면으로 빠르게 이동하고 증발할 수 있도록 도우면서도 소금 결정이 내부에 축적되는 현상을 줄여준다. 기존 태양열 담수화 시스템의 가장 큰 문제였던 ‘염분 축적’ 현상을 크게 개선한 것이다.

특히 태양열을 이용해 물만 선택적으로 빠르게 증발시키는 방식이기 때문에 별도의 대규모 전력 공급 없이도 고효율 담수 생산이 가능하다.

연구팀은 실제 열대·사막·극지 환경 데이터를 기반으로 야외 적용 가능성과 내구성까지 검증했다고 설명했다.

물·전기 동시에 생산… 탄소중립 시대 주목

이번 기술이 국제적으로 주목받는 이유는 단순 담수화 효율 때문만이 아니다. 물과 전기를 동시에 생산할 수 있다는 점에서 탄소중립 시대의 새로운 인프라 기술로 평가받고 있기 때문이다.

현재 세계 각국은 기후 위기와 사막화, 인구 증가로 인해 물 부족 문제가 빠르게 심화하고 있다. 동시에 탄소배출 감축 압박까지 커지면서 기존 고전력 담수화 시설의 한계도 분명해지고 있다.

하지만 이번 기술은 태양열을 기반으로 작동하고, 담수화 과정에서 전기까지 생산할 수 있어 에너지 효율성과 친환경성을 동시에 확보할 가능성을 보여줬다.

특히 전력 인프라가 부족한 섬 지역이나 개발도상국, 사막 지역에서 활용 가능성이 높다는 평가가 나온다.

과학계에서는 이번 연구가 단순한 수처리 기술을 넘어 미래 물·에너지 산업 구조 자체를 바꿀 잠재력을 가진다고 보고 있다.

일부 전문가들은 “미래에는 담수화 시설이 물 생산 공장을 넘어 발전소 역할까지 수행하게 될 수 있다”라는 전망을 내놓고 있다.

물 만드는 설비가 발전소 된다… 미래 물·에너지 산업 바꾸나

사막·섬·개도국까지… 활용 가능성 커진다

연구팀은 이번 기술이 단순 실험실 수준을 넘어 실제 글로벌 물 부족 지역에서 활용될 가능성이 높다고 보고 있다.

특히 강한 태양광과 극심한 물 부족이 동시에 나타나는 중동과 북아프리카, 남아시아 지역에서 큰 효과를 낼 수 있다는 평가가 나온다.

현재 사우디아라비아와 UAE, 카타르 같은 중동 국가들은 국가 차원에서 대규모 담수화 시설에 의존하고 있다. 하지만 기존 시설은 막대한 전력 소비와 탄소배출 문제를 안고 있어 장기적으로 친환경 전환 압박을 받고 있다.

이번 기술처럼 태양열 기반 자가발전 담수화 시스템이 상용화될 경우, 물 생산 비용과 전력 부담을 동시에 낮출 가능성이 있다.

특히 전력 인프라가 부족한 섬 지역이나 개발도상국에서는 별도 전력망 없이 담수 생산이 가능해질 수 있다는 점에서 의미가 크다.

과학계에서는 향후 이동형 담수화 장비나 재난 지역 긴급 식수 공급 시스템, 군사용 독립형 수처리 설비 등으로도 응용 범위가 확대될 가능성을 주목하고 있다.

다음 목표는 ‘에너지 저장형 담수화’

연구팀은 이번 성과를 바탕으로 다음 단계 연구도 추진하고 있다. 핵심 목표는 빛이 없는 밤이나 악천후 상황에서도 작동 가능 에너지 저장형 시스템 개발이다.

남창우 전북대 교수는 “빛이 없는 상황에서는 배터리처럼 충전·저장 가능한 시스템 형태로 구현하는 것이 다음 연구 방향”이라고 설명했다.

즉 낮 동안 태양열 기반으로 물과 전기를 생산하고 저장된 전력을 활용해 야간에도 시스템을 운영하는 구조까지 구상하는 것이다.

만약 이런 기술이 완성된다면 단순 담수화 기술을 넘어 독립형 친환경 물·에너지 플랫폼으로 발전할 가능성이 크다는 평가가 나온다.

일부 전문가들은 “미래에는 담수화 설비 자체가 하나의 분산형 발전 시스템 역할을 하게 될 수 있다”라고 전망하고 있다.

이번 연구 결과가 세계적 재료과학 학술지 Advanced Materials에 게재된 것도 이런 기술적 잠재력을 국제 학계가 높게 평가했기 때문으로 분석된다.

과학계에서는 이번 기술이 기후 위기와 물 부족, 탄소중립이라는 글로벌 난제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 핵심 기술 가운데 하나로 성장할 가능성이 있다는 평가가 나오고 있다.

물 부족과 에너지 위기, 하나의 기술로 풀 가능성 열었다

전북대학교와 난양공과대학 공동 연구팀의 이번 성과는 단순한 담수화 기술 개발을 넘어 미래 물·에너지 산업 구조 자체를 바꿀 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 기존 해수 담수화 산업은 막대한 전력 소비와 높은 운영 비용이라는 한계를 안고 있었다.

하지만 이번 연구는 태양열 기반 담수화 과정에서 전기까지 동시에 생산할 수 있는 ‘자가발전형 시스템’을 구현함으로써 물 생산과 에너지 문제를 동시에 해결할 새로운 방향성을 보여줬다.

특히 부들과 폐목재 같은 바이오매스를 활용한 친환경 하이드로겔 구조와 이온 이동 기반 전기 생산 기술은 탄소중립 시대에 필요한 차세대 수처리 기술로 평가받고 있다.

전력 인프라가 부족한 사막 지역과 섬 지역, 개발도상국에서도 활용 가능성이 높다는 점 역시 국제사회의 관심을 끄는 이유다.

이번 기술이 상용화 단계까지 이어진다면 담수화 시설은 더 이상 막대한 전기를 소비하는 설비가 아니라 물과 전기를 동시에 생산하는 독립형 에너지 플랫폼으로 진화할 가능성이 있다. 과학계에서는 이를 미래 ‘물·에너지 융합 산업’의 시작점으로 보는 시각도 나온다.

기후위기와 사막화, 인구 증가로 물 부족 문제가 갈수록 심각해지는 상황에서 이번 연구는 단순 과학 성과를 넘어 인류 생존 문제 해결에 새로운 가능성을 제시한 사례로 평가되고 있다.