일본, 아시아 최초 삼투압 발전소 가동…폐수로 24시간 전력 생산

재생에너지의 치명적 약점을 극복하다

해가 지면 태양광 패널은 전력 생산을 멈춘다. 바람이 잦아들면 풍력 터빈도 멈춰 선다. 가뭄이 장기화하면 수력 댐의 발전량도 줄어든다. 재생에너지 혁명은 날씨 예보를 확인하지 않고도 시간마다 꾸준히 가동되는 청정 에너지원을 찾기 위해 수십 년을 보냈다. 2025년 8월, 일본 남부 해안의 한 소규모 시설이 담수와 바닷물 사이의 화학적 차이에서 전기를 끌어내며 바로 그 일을 시작했다. 후쿠오카 우미노나카미치 나타 해수담수화센터 안에 들어선 이 시설은 아시아 최초의 상업 가동 삼투압 발전소다. 2023년 문을 연 덴마크 시설에 이어 전 세계에서 연속 가동되는 상업 시설로는 두 번째다. 화석연료 대부분을 수입하고 탈탄소화 압박이 커지는 일본에 이번 가동은 지역 실험 이상의 의미를 갖는다. 일본을 둘러싼 바다가 안정적인 기저부하 청정 전력원이 될 수 있는지를 검증하는 현장 시험이다.

마미즈피아라고도 불리는 이 시설은 2025년 8월 5일 개소식과 함께 공식 가동을 시작했다. 기존 발전소와 달리 연료를 태우지 않고 이산화탄소도 배출하지 않는다. 터빈 하나를 제외하면 움직이는 부품도 거의 없다. 무엇보다 햇빛이나 풍속, 계절별 강수량에 좌우되지 않는다. 이 발전소는 흔히 PRO라고 줄여 부르는 압력지연삼투법 원리를 활용한다. 물이 염분 농도의 균형을 이루려는 자연적 성질에서 쓸 수 있는 에너지를 추출하는 방식이다. 도시에서 이미 발생하는 두 종류의 폐수, 즉 담수화 과정에서 나온 고농도 염수와 하수처리시설의 처리수를 결합해 연간 약 88만 킬로와트시의 전력을 생산한다. 이 정도면 담수화센터 전력 수요의 상당 부분을 충당하고, 일본 평균 가구 220~300곳이 사용하는 양에 해당하는 전력을 공급할 수 있다. 운영업체는 이용률이 90%에 근접한다고 밝혔다. 태양광과 풍력 설비가 고가의 배터리 없이 이만큼 꾸준히 전력을 생산하기는 어렵다.

블루 에너지의 조용한 물리학

후쿠오카 발전소의 작동 원리를 이해하려면 기본적인 생물학적 과정을 떠올리면 된다. 삼투는 나무뿌리가 토양에서 물을 끌어들이고, 체액에 둘러싸인 인간 세포가 무너지지 않도록 하는 힘과 같은 원리다. 염분 농도가 다른 두 용액이 반투막 양쪽에 놓이면, 농도 차이를 줄이려는 물 분자가 염도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 자연스럽게 이동한다. 염분 이온은 막을 통과하기에는 크기가 너무 커 물만 이동한다. 밀폐된 압력실 안에서는 물의 이동으로 염도가 높은 쪽의 부피와 압력이 모두 증가한다. 엔지니어들은 이 압력을 포착해 터빈으로 보내 전기 발전기를 돌린다. 서로 다른 두 물의 화학적 차이만으로 전기를 생산하는 것이다.

후쿠오카 시설은 압력지연삼투법이라는 변형 기술을 적용한다. 일반적인 해수·담수 PRO 시스템에서는 약 26바(bar)의 압력 차이가 가장 효율적인데, 이는 높이 270m의 물기둥 밑에서 받는 압력과 대략 같다. 후쿠오카 시설은 염분이 높은 쪽에 일반 해수 대신 담수화 과정에서 담수를 분리하고 남은 고농도 염수를 공급해 기존 모델을 개선했다. 담수 쪽에는 인근 하수처리시설에서 관을 통해 보내온 처리수를 사용한다. 멜버른대학교의 화학공학자 산드라 켄티시는 이런 조합이 염분 농도 차이를 키워 일반적인 해수를 사용하는 방식보다 더 많은 에너지를 뽑아낼 수 있다고 설명했다. 시드니공과대학교에서 대체 수자원을 연구하는 알리 알타이 박사는 두 물줄기가 방류 전에 이미 섞이고 있었기 때문에, 그 사이에 막과 터빈을 설치하면 원래 바다로 흩어졌을 에너지를 회수할 수 있다고 말했다.

해안 도시 문제를 푸는 순환형 해법

후쿠오카는 물 위기가 닥칠 도시처럼 보이지 않을 수 있지만, 지리적 여건 때문에 지역은 신중한 계획을 세워야 했다. 인구 약 260만 명의 광역도시권에는 인근에 큰 강이 없어 빗물만으로 식수 수요를 안정적으로 충당하기 어렵다. 우미노나카미치 나타 해수담수화센터는 2005년부터 하루 약 5만 세제곱미터의 해수를 담수로 바꿔 지역의 물 공급을 안정시켜 왔다. 생존에 필수적인 이 과정에서는 처리가 까다로운 부산물이 나온다. 염분 농도가 8%에 달하는 경우도 있는 고농도 염수를 제대로 처리하지 않으면 지역 해양 생태계가 훼손될 수 있다.

삼투압 발전소는 이 폐수를 자원으로 바꾼다. 염수를 희석해 방류해야 하는 환경 부담으로만 보지 않고, 운영자들은 이를 막 모듈을 거쳐 처리수와 접촉시킨다. 막을 통과해 이동하는 담수는 염수 쪽 압력을 높여 터빈을 돌리고, 최종적으로는 생태계에 미치는 부담을 줄여 방류할 수 있는 희석수를 만들어 낸다. 사실상 두 가지 폐기 문제를 하나의 전력원으로 바꾸는 셈이다. 생산한 전기는 담수화센터로 다시 공급돼 운영비를 줄이고 기존 전력망에서 끌어오는 전력량도 낮춘다. 해수담수화센터를 이끄는 히로카와 겐지는 이 시설을 완성된 해법이 아닌 소박한 첫걸음이라고 설명했다. 상업 규모에서 성능을 입증하는 단계인 기술을 놓고 보면 적절한 표현이다. 동시에 더 큰 포부도 담겨 있다. 세계 여러 해안 도시가 에너지 수요 증가와 염수 처리라는 같은 문제를 안고 있다. 후쿠오카 사례는 두 문제를 동시에 해결하는 방법을 보여준다.

10년간의 시행착오에서 얻은 교훈

염분 농도 차이에서 전력을 얻는다는 발상은 새로운 것이 아니다. 미국의 한 연구자가 1976년 《멤브레인 사이언스 저널》에서 처음 이 개념을 제안했다. 이후 30여 년간 이론에 머물렀지만 노르웨이 전력회사 스타트크래프트가 본격적인 설비 구축에 나섰다. 2009년 11월 스타트크래프트는 삼투압 발전이 실제 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있는지 입증하기 위해 토프테의 오슬로 피오르에 첫 PRO 시범 시설을 열었다. 설계 발전용량은 10킬로와트였지만 실제 발전량은 2~4킬로와트에 그쳤다. 2014년 1월 스타트크래프트는 막 효율이 상업성을 갖추기에는 여전히 낮다며 사업을 중단했다.

노르웨이의 실패는 실험실의 화학 원리와 산업 현장의 경제성 사이에 놓인 간극을 보여주는 경고 사례가 됐다. 막의 단위 면적당 발전량이 핵심 지표로 떠올랐다. 학술지에 발표된 연구에 따르면 삼투압 시스템이 경제성을 확보하려면 막 1제곱미터당 약 5와트의 전력을 생산해야 한다. 토프테 시설의 발전량은 제곱미터당 1~3와트에 불과했다. 막은 너무 비쌌고 오염도 빠르게 진행됐으며, 필요한 펌프 동력을 정당화할 만큼 물을 충분히 통과시키지 못했다. 이후 10년간 기술은 시범 사업과 학술 논문에 머물렀고, 그 사이 태양광과 풍력 발전 비용은 급격히 떨어졌다.

후쿠오카 발전소는 소재 기술의 돌파구를 기다리기보다 입지 선정을 개선해 같은 함정을 피하려 한다. 시설에서 고염도 염수를 이미 생산하고 처리 하수도 공급받기 때문에 염분 농도 차이가 일반적인 해수와 담수를 조합하는 경우보다 훨씬 크다. 이런 큰 농도 차이 덕분에 아직 완벽하지 않은 기존 막 기술로도 발전소의 경제성을 확보할 만큼 순에너지를 추출할 수 있다. 이 분야 전문가인 다니오카 아키히코는 이번 성과와 더 넓은 활용 가능성을 높이 평가했다.

이번 성공적인 구현은 큰 성과입니다. 전 세계적으로 확산되기를 바랍니다.

덴마크 기업 솔트파워는 2023년 마리아게르에서 상업용 연속 가동 시설을 운영해 이 개념의 실현 가능성을 이미 입증했다. 이제 일본의 더 큰 시설이 아시아의 사례를 더하고, PRO 기술이 기존 지방자치단체의 수도 인프라와 결합될 수 있음을 보여주고 있다.

작은 규모, 꾸준한 가치

대형 전력망 기준으로 보면 후쿠오카 삼투압 발전소는 규모가 매우 작다. 평균 연속 출력은 약 100킬로와트로, 해상 풍력단지나 가스 발전소가 생산하는 수백 메가와트에 비하면 반올림 오차 수준이다. 약 438만 달러에 이르는 사업비도 아직 값싼 전력이 아님을 보여준다. 생산한 전력의 거의 전부가 담수화센터 가동에 다시 쓰인다. 따라서 이 시설은 도시 전력망에 전력을 공급하는 독립 발전소라기보다 에너지를 회수하는 순환 설비에 가깝다.

그러나 규모만으로 중요성을 판단할 수는 없다. 발전 용량은 작아도 예측 가능성이 높다. 이용률이 90%라는 것은 태풍이 불거나 바람 없는 밤이 이어지거나 흐린 겨울이 와도 전력을 생산한다는 뜻이다. 축구장 두 개 넓이의 태양광 패널이면 이론상 연간 발전량을 맞출 수 있을지 모르지만, 구름과 해 질 녘, 계절에 따른 태양의 각도가 실제 발전량을 변동시킨다. 전력망 운영자는 이런 변동을 회전 예비력이나 배터리로 보완해야 한다. 반면 삼투압 발전은 전력회사가 안심하고 계획에 반영할 수 있는 일정한 발전 곡선을 제공한다.

이 시설은 운영 여건을 고려하면 경제성도 있다. 《케미컬 엔지니어링 사이언스》에 2024년 발표된 연구는 염분 농도 차이를 활용한 지속가능한 발전을 앞당길 수 있는 새로운 막 개량 기술을 다뤘다. 《프런티어스 인 에너지 리서치》에 실린 PRO 기술·경제성 분석은 담수화 시설에 PRO를 결합하는 방식이 이 기술의 상업화 가능성이 높은 경로 중 하나라고 확인했다. 이유는 간단하다. 염수는 추가 비용 없이 이미 만들어지고, 처리수도 이미 흐르고 있다. 발전소는 연료를 구매하거나 외딴 지역에 송유관을 놓을 필요가 없다. 기존 물 이용 순환에 설비를 추가하기만 하면 된다.

더 나은 막을 둘러싼 세계적 경쟁

후쿠오카 시설을 둘러싼 기대감에도 삼투압 발전 산업은 여전히 소재 문제에 직면해 있다. 국제재생에너지기구(IRENA)는 염분 농도 차이 발전의 전 세계 기술적 잠재량을 최대 647기가와트, 연간 5,177테라와트시로 추산했다. 다만 지리적 여건과 공학적 한계로 실제 활용 가능한 규모는 훨씬 작을 전망이다. 이 잠재력을 현실화하려면 막의 가격을 낮추고 내구성을 높이며 오염에 대한 저항력을 키워야 한다. IRENA는 막 비용을 주요 장벽으로 꼽았고, 연구자들은 유기물과 미네랄의 축적을 억제하면서 물을 더 빠르게 통과시키는 소재를 계속 찾고 있다.

일본은 이 연구를 선도할 상업적 유인이 있다. 일본 정부에 따르면 일본 기업들은 이미 세계 담수화 막 시장의 약 60%를 차지하고 있다. 삼투압 발전용 막의 발전은 이 산업의 선도적 지위를 강화하고 수출 시장도 열 수 있다. 후쿠오카 발전소에 막과 터빈 패키지를 공급한 엔지니어링 회사 교와키덴산업은 수년간의 시험 가동에서 시범 시설이 좋은 성과를 내면 규모를 5~10배로 늘릴 계획이라고 밝혔다. 주요 고객은 이미 담수화에 의존하는 지역이며, 특히 개별 시설에서 하루 90만 세제곱미터가 넘는 담수를 생산할 수 있는 중동이 유력한 시장이다.

세계 곳곳에서 시범 사업도 이어지고 있다. 노르웨이, 한국, 호주, 스페인, 카타르에서 시제품과 실증 사업이 진행됐다. 알타이 박사는 시드니공과대학교도 자체 시제품을 운영하고 있으며, 정부 지원이 재개되면 뉴사우스웨일스주의 염호를 자원으로 활용해 다시 가동할 수 있다고 말했다. 후쿠오카 발전소가 영향력을 발휘하기 위해 거대할 필요는 없다. 막과 펌프, 경제성이 장기간 연속 가동을 견딜 수 있음을 입증해 더 큰 투자를 끌어내면 된다. 이를 입증한다면 담수화 시설을 갖춘 해안 도시는 예상치 못한 기저부하 청정 전력원을 확보하게 될 수 있다.

핵심 내용

• 일본 최초의 삼투압 발전소가 2025년 8월 5일 후쿠오카 우미노나카미치 나타 해수담수화센터에서 가동을 시작했다. 아시아 최초의 시설이며 2023년 문을 연 덴마크 시설에 이어 세계에서 두 번째로 연속 가동되는 상업 시설이다.
• 발전소는 압력지연삼투법으로 담수화 과정에서 나온 고농도 염수와 처리수의 염분 차이를 이용해 연간 약 88만 킬로와트시의 전력을 생산한다.
• 이용률이 90%에 가까워 날씨나 시간대와 관계없이 계속 전력을 생산한다. 저장 설비 없이는 태양광과 풍력이 제공하기 어려운 안정성이다.
• 두 종류의 기존 폐수를 재활용해 염수 방류로 인한 환경 영향을 줄이고 담수화 시설의 전력 소비 일부를 상쇄한다.
• 막 기술이 여전히 핵심 과제다. 2014년 중단된 노르웨이 시제품을 비롯한 과거 시도는 막 효율이 낮아 비용을 정당화하지 못하면서 실패했다.
• 일본 기업들은 세계 담수화 막 시장의 약 60%를 차지한다. 이를 바탕으로 삼투압 발전의 규모 확대를 추진할 산업적 동기와 기술력을 갖추고 있다.
• 시범 사업이 성공하면 엔지니어들은 시설 규모를 5~10배로 키울 계획이다. 중동 등 대규모 담수화 지역이 유력한 확장 시장이다.