물은 인류 생존, 식량 및 에너지 생산, 사회경제적 발전 등을 위한 기본재이다. 행성 표면의 4분의 3이 물로 덮여 있지만 담수는 3%에 불과하다.

특히 인구 증가와 지구 온난화로 인해 지난 20년 동안 담수 자원이 20% 이상 감소했다. 이 위기에 대한 해결책 중 하나는 바다의 물을 담수화하는 기술을 사용하는 것이다.

담수화의 방법은 여러 가지가 있으며 그 에너지원은 주로 태양광이다. 특허를 가장 많이 가지고 있는 나라는 놀랍게도 중국이다.


담수화의 주요 방법은 염수 필터인 멤브레인을 이용한 담수화와 증류 또는 증발에 의한 담수화의 두 가지다.

멤브레인 기술은 스페인에서 가장 널리 사용되는 기술인 역삼투, 나노 여과 및 전기투석이 있다. 중동에서 가장 널리 사용되는 증류 또는 증발 담수화 기술 중 다단계 플래시 증발, 다중 효과 증발 및 증기 압축(기계 및 열)을 강조할 가치가 있다.

1960년대 이후로, 담수화 플랜트는 특히 최근 수십 년 동안 매우 중요한 성장을 했다. 오늘날 약 3억 명에 달하는 많은 국가에서 담수화 플랜트의 물에 의존하고 있다. 막 기술이 69~73%로 가장 널리 사용되고 있으며 그 중 역삼투압 기술이 세계 시장을 장악하고 있다.

역삼투압 기술은 염도가 높은 물을 처리하는 데 가장 경제적이다. 염도가 낮은 물에서는 일반적으로 전기투석과 전기투석에 의한 역담수화가 사용중이다. 정삼투, 흡착식 담수화 및 막 증류와 같은 다른 유형의 막 기술이 개발 중이며 가까운 장래에 큰 잠재력을 가질 것으로 예상된다.


최근 수십 년간 담수화 기술 발전에도 불구하고 에너지 비용은 매우 높다. 게다가 화석 연료의 사용은 상황을 더욱 악화시키고 있다. 이러한 맥락에서 재생 에너지원을 구현하는 것이 최적의 솔루션으로 간주된다.

현재 태양열 및 풍력 에너지는 많은 경우 에너지 저장용 배터리가 있는 격리된 시스템에서 가장 많이 사용된다. 또한 시간과 환경에 구애받지 않고 안정적으로 열과 전기를 생산하는 지열 에너지도 주목해볼 만하다.

현재까지 연구 중인 분야에서 전 세계적으로 5,000개 이상의 특허군(실용 신안 포함)이 확인되었다.

첫 번째 응용 프로그램은 이 분야 초기 기술 발전을 보여주는 1940년대에 나왔다. 주목을 받은 첫 번째 시기는 1970년대 말에서 1980년대 중반 사이 발생했지만 이런 유형의 발명에 대한 보호가 큰 관심을 불러일으키기 시작한 것은 1990년대 말부터였다. 그 순간부터 2018년까지 성장은 사실상 기하급수적이었다.


1999년에서 2019년 사이의 기간에 특허를 분석한 결과, 이 단계 발명의 79%가 보호가 요청되었다. 이는 7,000개 이상이다. 11%는 국제 특허 출원이다. 이 유형의 응용 프로그램은 회사가 많은 국가에서 동시에 발명을 보호하려고 할 때 사용된다.

특허를 부여하는 절차나 국가의 양보를 대체하는 것이 아니라 부여 이전의 처리를 통합하는 시스템이다. 출원 중 5%는 유럽 특허이고 나머지는 국가 특허청에만 등록되어 있어 중국이 37%, 미국이 12%, 한국이 5%다.

1999년에서 2019년 사이에 등록된 발명의 60%는 어느 시점에서 적어도 하나의 특허 또는 실용신안이 시행 중이었다. 가장 많은 양허를 받은 특허청은 주로 중국(65%), 미국(19%), 한국(8%)이다. 중국 조계의 95% 이상이 중국 법인에 속한다는 점에 유의해야 한다.

더 많은 수의 유럽 특허가 검증된 유럽 국가는 스페인(46%), 덴마크(17%) 및 포르투갈(16%)이다. 마찬가지로 실용신안의 99%가 중국 기업에 속해 있다.


해수를 담수화하는 데 필요한 재생에너지는 태양광이다.

재생 가능 에너지 유형에 대한 자세한 연구를 보면 태양광 에너지에 이어 2위가 풍력 에너지(15%), 해양 에너지(6%), 지열 에너지(1%) 순이다.

주요 특허 보유자 중 중국계 특허 보유자가 가장 많다.

수많은 보호 발명품의 선두주자인 저장대(浙江大)의 발명품은 주로 태양 에너지 사용에 관한 것이다. 9%만이 풍력 에너지다. 사용된 담수화 기술과 관련하여 발명의 25%는 증류·증발 시스템에 대해 설명하고 15%는 역삼투에 대해 설명하고 6%는 직접 삼투에 대해 설명한다.

이러한 기술은 개별적으로 또는 조합하여 적용된다. 실용 신안의 3%가 멤브레인 제조를 목표로 한다는 점도 주목해야 한다.

2위와 3위는 베이징 공과대학과 산둥 대학이 차지했으며 둘 다 24개 보호 발명품을 보유하고 있다. 베이징 기술연구소는 2010년과 2017년 사이에 각 제품군의 첫 번째 응용 프로그램을 기록했다. 발명품 중 67%는 태양 에너지 사용과 관련이 있고 4%는 풍력 에너지 사용과 관련되어 있다. 사용된 담수화 기술과 관련하여 29%는 증류·증발, 28%는 박막을 나타낸다. 8%는 역삼투와 관련이 있다. 산둥 대학의 경우 2001년에 시작해 가장 활성화된 연도는 2012년이다. 태양 에너지가 가장 대표적이어서 발명의 20%는 집광형 태양열 장치를 설명하고 8%는 태양열 집열기를 설명한다. 담수화 기술은 증류·증발(48%)과 역삼투(16%) 기술이 두드러진다.

4위는 한국기계연구원이다. 2007년에서 2019년 사이에 첫 번째 신청서가 제출되었으며 2012년이 가장 주목받았다. 발명품 중 14%는 해양 에너지의 사용에 관한 것이다. 가장 널리 사용되는 담수화 기술은 역삼투압(45%), 정삼투압(9%) 및 다중 효과 증발(9%)이다. 27%는 에너지 회수 목표다.

중국이 아닌 기관 중에서 미국 기업 중 MIT가 두각을 나타내며 11개의 발명품이 여러 국가에서 보호되고 있다. 18%는 전기, 태양열, 지열 등으로 구동되는 공극막 증류(AGMD) 시스템을 설명한다. 18%는 광전지를 사용하여 막이 없는 해수의 직접 담수화를 위해 이온 농도 분극(ICP)을 사용한다.

다른 저명한 미국 기업은 그라디언트 코퍼레이션(Gradiant Corporation)과 오아시스 워터(Oasys Water)로 각각 7개와 6개의 보호 발명품을 보유하고 있다. 오아시스 워터는 미국 이외의 지역에서 보호되는 발명품이 거의 없다. 두 기관 발명은 태양 에너지의 사용을 언급하지만 담수화 기술에서 차이가 있다.

그라디언트 코퍼레이션에 속한 제품은 가습-제습 시스템을 사용하고 오아시스 워터는 삼투압 구동 멤브레인 시스템을 사용한다.

유럽 기업 중 네덜란드 회사인 디솔네이터(Desolenator)가 주목을 받고 있다. 다단계 플래시 증류, 다중 효과, 증기 재압축을 통한 다중 효과 및 역삼투와 같은 시스템에서의 태양 에너지 사용과 관련된 3가지 발명품을 가지고 있다.

다른 관련 유럽 법인으로는 풍력 터빈 기술의 선두 주자인 독일 회사 에어로딘 엔지니어링(Aerodyn Engineering), 독일 항공 우주 센터(DLR) 및 덴마크 회사 HSL 에너지 홀딩스가 있다.

에어로딘 엔지니어링의 특허는 역삼투압 및 증기 압축 시스템에서의 풍력 사용과 관련이 있다. 독일 항공 우주 센터의 발명품은 태양열 동력 역삼투압 및 동결 담수화 시스템을 설명한다. 끝으로 덴마크 회사인 HSL 에너지 홀딩스는 태양 에너지로 구동되는 다중 효과 증류 및 다중 효과 플래시 증류 시스템을 다룬다.


박정한 글로벌이코노믹 기자