하수처리시설의 탄소중립 실현을 위한 재생에너지 활용 현황 분석
Analysis on the Utilization of Renewable Energy for Carbon Neutralization in Sewage Treatment Facilities
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Abstract
국내 공공하수처리시설은 오염된 하수를 처리하는 과정에서 많은 에너지를 소비하고 온실가스를 발생시키고 있다. 기후변화 대응과 정부의 탄소중립 실현을 위해서는 처리시설의 에너지 절감은 수질관리와 함께 중요한 사안이 되었고 이에 따른 처리시설의 재생에너지 다각화 방안은 필수적이 되었다. 국내에서 운영되고 있는 시설용량 500 ㎥/일 이상의 하수처리시설에 대하여 에너지소비 현황 파악을 위하여 하수도통계(2019) 및 국가하수도정보시스템의 운영자료를 바탕으로 시설용량별 에너지자립률과 재생에너지 활용도를 분석하였다. 하수처리시설 대상으로 소비된 에너지량은 83.6만 TOE로 분석되었고 생산된 재생에너지는 10.8만 TOE로서 국내 공공하수처리시설의 에너지자립률은 12.9%로 나타났다. 재생에너지 중에서는 바이오가스의 기여도가 83.6%로 가장 높게 나타났으나 에너지자립률 현황은 다소 미진한 것으로 나타나고 있어 추가적인 재생에너지의 생산 및 확보를 위한 대안과 정책의 뒷받침이 요구된다. 재생에너지 활용의 증대와 다각화를 위하여 유기성폐자원의 통합소화 바이오가스 확보, 하수열 기반의 냉난방 에너지 활용 및 데이터 센터 연계방안, 처리하수 및 해수의 농도차이를 이용한 염분차 발전 등을 검토하였고 이를 바탕으로 하수처리시설의 탄소중립 달성을 위한 대책 마련에 기여하고자 하였다.
Trans Abstract
Domestic wastewater treatment facilities(WTF) in Korea consume a lot of energy and generate greenhouse gases in the process of treating contaminated sewage. In response to climate change and the government's carbon neutrality, measures for energy reduction in WTF is an important issue along with water quality management, and simultaneously, diversification of renewable energy based on treatment facilities is essential. The energy independence and renewable energy utilization by facility capacity were analyzed based on sewage statistics (2019) and operation data of the National Sewage Information System. The amount of energy consumed by WTF was analyzed to be 83.6 million TOE, and the renewable energy produced was 10.8 million TOE. In consequence of analysis, the energy independence of domestic WTF in Korea was 12.9%. Among renewable energy, the contribution of biogas was the highest at 83.6%, but the current status of energy independence is somewhat insufficient to energy independence plan of WTF, requiring support for alternatives and policies to produce and secure additional renewable energy. In order to increase and diversify the use of renewable energy, the integrated digestion biogas of organic waste resources, the use of cooling and heating energy based on sewage heat, and the development of salinity gradient power generation were reviewed. Based on this, it was intended to contribute to the preparation of measures to achieve carbon neutrality in sewage treatment facilities.
1. 서 론
국내에서 운영되고 있는 공공하수처리시설은 2019년 연간 약 70.9억 m3의 하수를 처리 후 방류하였고 지속적으로 증가하고 있다[1,2]. 이와 같이 도시의 물순환 과정에서 거주민의 다양한 사회경제적인 활동으로 발생되는 오염된 하수는 하수관거를 통하여 처리장으로 모여 물리화학적 또는 생물학적으로 처리된 후 방류수역으로 배출된다. 도시화 및 인구집중으로 연중 지속적으로 유입되는 하수량이 증가되어 오염부하를 저감하는 과정에서 하수처리시설은 많은 에너지를 소비함과 동시에 유기성 폐슬러지 등의 부산물과 이산화탄소와 같은 온실가스를 배출하며 매년 증가하고 있다. 하수처리시설에 의한 에너지 소비 및 온실가스 발생 등의 부정적 측면을 줄이고 기존 시설의 활용을 통한 재생에너지의 활용으로 탄소중립을 실현시키기 위한 노력이 다양한 사례로 제시되고 있다. 시설의 잔여부지를 활용한 태양광 시설 도입, 유기물의 혐기소화에 의한 메탄가스 생산, 하수의 온도차를 활용한 하수열 냉난방, 하수의 이동과정에서 발생하는 낙차에 의한 소수력 등 다양한 재생에너지원을 활용하는 시설도입이 하수처리시설의 탄소중립 달성의 대안으로 제안되고 있고 일부는 적용하여 에너지자립화에 기여하고 있다[3,4,5].
2018년 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Inter-governmental Panel on Climate Change, IPCC)는 지구의 평균 온도 상승 억제 목표를 1.5℃로 권고하였고 이를 위해 2050년까지 세계 탄소 순배출량이 ‘0’이 되는 탄소 중립(Net-zero)을 달성해야 한다고 제안하였다. 이후 전 세계의 국가들은 UN의 기후행동 정상회의(Climate Action Summit, 2019)를 기점으로 탄소중립 선언을 발표했고 우리나라도 세계적인 흐름에 맞춰서 ‘2050 탄소중립 비전’(2020. 12)을 선포하여 ‘2050 탄소중립 추진 전략’(관계부처 합동)을 통해 2050 탄소중립 시나리오 초안을 제시하였고 탄소중립위원회 및 국무회의 심의를 통하여 확정되었다[6]. 환경부도 2050 탄소중립 실현을 위하여 ‘2021년 탄소중립 이행계획’(2021.03)을 발표하여 정부의 탄소중립 정책에 대한 명확한 방향성 제시, 부문별 핵심 추진전략 수립, 국가온실가스 감축목표 상향 등 구체적인 이행체계를 제시함으로써 국가적 탄소저감 체계를 구축 하였다[7].
지속적으로 증가하는 오염하수를 처리하여 방류수역의 수질환경을 보호하는 하수처리시설은 에너지 다소비 시설로 인식되어 국가의 저 에너지 정책 및 기후변화 대응 측면에서 재생에너지 생산, 소화가스의 활용, 고효율 기기도입 등의 기술개발을 통해 자원활용 효율성 증대와 재생에너지의 회수가 가능한 인프라 시설로 전환시키려는 노력이 전 세계 공통적으로 진행되고 있다[8,9,10]. 우리나라도 1차 국가하수도종합계획(2007)을 시작으로 증가하는 하수처리시설의 도입으로 운영을 위한 에너지 소비량과 온실가스 배출량이 증가하고 있어 하수도 시설의 에너지 효율성 제고, 부생가스 자원화 및 재생에너지 도입을 통한 하수처리시설의 에너지자립화의 도입 필요성이 중요한 이슈가 되었다. 이에 대한 방안으로 환경부는 2030년까지 하수처리시설의 에너지자립률 50% 달성을 위한 ‘하수처리시설 에너지 자립화 기본계획’(2010)의 수립으로 소화가스, 하수열, 소수력 발전에 의한 미이용 에너지활용의 확대와 태양광 및 풍력 등의 자연에너지 도입을 통한 에너지자립화 대책을 마련하였다[11,12]. 그러나 정부는 환경기초시설에 대한 다양한 에너지저감 관련 정책을 수립 및 시행하였으나 하수처리시설은 국내 환경기초시설 중에서 가장 많은 온실가스가 발생되고 소각시설 다음으로 많은 에너지를 소모하는 것으로 분석되었고 에너지자립률의 달성률은 목표 대비 낮은 수준에 이르고 있다[13,14].
본 연구에서는 최근 공공하수처리시설 대상의 운영현황자료(하수도통계, 2019)를 바탕으로 에너지사용량을 분석하고 그동안 시행되어온 하수처리시설 대상의 국내외 에너지자립화 정책의 검토와 이를 위하여 현재 운영되고 있는 처리시설내 재생에너지 활용 현황을 분석함으로써 향후 2050 탄소중립 실현을 위하여 공공하수처리시설 대상의 활용 및 적용 가능한 재생에너지 보급 방안을 제안하고자 한다.
2. 본론
2.1. 공공하수처리시설의 에너지자립화 현황
2019년 기준으로 유입하수량의 99% 이상을 처리하는 시설용량 500m3/일 이상의 처리시설은 총 678개소로서 2009년 대비 시설수의 55.5%, 시설용량의 5.3%, 유입하수량의 9.8%가 증가하였고 일평균 약 3,265 ton의 유기물 부하(BOD, 생물학적 산소량)를 처리하였다[1,2]. 처리시설로 유입된 오염부하와 발생된 슬러지를 처리하는 과정에서 연간 사용된 전력사용량은 33.1억 kWh이고 생산된 재생에너지량은 10.8만 TOE (Ton of Equivalent, 석유환산톤)로 기록되어 시설운영을 위하여 총 사용된 에너지 사용량과 에너지자립률은 각각 83.6만 TOE, 12.9%로 나타났다[1,7]. (Table 1)
Energy usage and own energy production by size of public sewage treatment facilities.
공공하수처리시설의 시설규모에 대한 에너지 사용현황을 분석하면 시설용량이 증가할 수록 에너지 사용량과 재생에너지의 생산량은 증가하지만 시설용량에 대한 에너지 사용량은 감소하고 생산량은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 처리시설 규모가 큰 처리장일수록 투입 에너지 대비 많은 하수를 처리할 수 있어서 가동효율이 높아 처리량당 사용된 에너지 원단위는 감소하기 때문이다. 재생에너지 설비의 경우는 대규모 처리시설 중심으로 소화가스, 소수력, 하수열 등의 설비가 설치 및 가동되고 있어서 재생에너지 생산 원단위가 증가하여 에너지자립률은 시설용량 20만 m3/일 이상의 대규모 처리시설에서 18.9%로 가장 높은 비율로 나타났으며 일본에서도 시설의 에너지자립도를 높이기 위해서 시설용량 1만 m3/일 이상의 하수처리시설에 재생에너지 설비도입을 권장하고 있다[15]. 소규모 하수처리시설은 제한된 시설부지와 추가 설비 도입의 어려움으로 재생에너지 설비 도입을 통한 에너지자립화를 추진하기에는 투입 비용 대비 효율성이 낮아지기 때문에 처리장의 실시간 제어 및 관리와 같은 스마트 하수도 사업의 적용 또는 유역별 처리시설 관리 시스템 도입을 통하여 에너지 소비 최적화를 통한 에너지자립화 추진이 필요할 것으로 판단된다[7].
2.2. 공공하수처리시설의 에너지자립화를 위한 국내외 사례
미국은 하수의 유기물 및 영양물질을 제거하면서 소비되는 높은 에너지 소비량을 절감시키고 새로운 에너지원을 발굴함으로써 재생에너지 생산량을 증대시키는 하수처리시설의 에너지자립화를 위하여 다양한 정책을 수행하고 있다. 1992년부터 미국 EPA (Environmental Protection Agency)와 에너지부(Department of Energy)가 공동 추진하고 있는 Energy Star Program은 에너지 효율성 개선 프로그램으로서 2007년부터 하수처리시설이 대상에 포함되었고 에너지 사용량 평가 결과로 에너지스타 인증이 부여된 처리시설은 일반 시설의 에너지 소비량보다 평균 약 35%의 에너지를 절감한 것으로 평가되었다[8]. 2018년 물환경연맹(Water Environment Federation, WEF)은 ReNEW Water 프로젝트를 통하여 방류수역의 수질환경을 보존하는 기존의 역할을 유지하면서 에너지 소비량을 절감시키고 재생에너지의 생산량을 증대시키는 기능을 추가한 수자원 회수시설(Water Resource Recovery Facilities, WRRFs)로의 전환을 시도하였다[9,10].
캘리포니아주는 유기성 폐기물에 의한 바이오가스 활용에 주목하여 배출된 유기성 폐기물을 기반으로 바이오가스화 하여 재생에너지를 생산함으로써 폐기물의 매립량을 2020년까지 2014년 수준의 절반으로 줄여 2025년까지 75%로 감축하는 것으로 목표로 하는 Senate Bill 1383 법안을 시행하였다. 이를 위해서 유기성 폐기물 기반의 재생에너지 생산이 요구되어 시설의 통합 혐기성 소화의 확대와 소화조 용량의 증대를 통한 하수처리장의 바이오가스에 대한 미래 시장 창출의 중요성을 강조하였다[2,16].
EU는 온실가스 배출량은 2050년까지 1990년 수준보다 80-95% 감소시키는 장기적인 목표를 수립하였고 에너지로드맵2050을 통하여 이러한 온실가스 감축 목표와 병행할 수 있는 방식으로 에너지 시스템의 전환을 시도하고 있다. 이와 함께 장기적인 에너지 연구, 저탄소 기술의 개발과 적용, 관련 산업의 시장 활성화를 위한 전력적인 에너지 기술 계획을 제시함으로써 하폐수 처리시스템에 의한 재생에너지를 새로운 자원으로 주목하고 있다[17]. 또한 물관리기본지침(Water Framework Directive, WFD)을 제정하여 하수처리시설 운영으로 발생되는 탄소량을 감소시키기 위해 시설의 운영 효율성 개선, 혐기성 소화가스 증대 및 열병합발전에 의한 에너지 손실 최소화 등을 반영함으로써 연간 10.2만 톤의 탄소 감축과 처리비용 절감효과를 예측하였다. 영국 환경청은 WFD을 준용하면서 탄소배출량을 저감하기 위하여 하수처리시설의 탄소배출 저감을 위한 사업자와 규제기관의 역할에 대한 권장사항을 제시하였고 영국의 물환경관리기구(Chartered Institution of Water and Environmental Management, CIWEM)는 물순환 부문에 대한 영국의 탄소배출 저감 미래상을 제시하여 하수열, 기존 시설의 개선 및 최적화, 통합 혐기성 소화 및 소수력 발전 확대, 혁신적인 수처리공정의 도입 등을 제안하였다[2,8].
일본은 연간 147억 m3의 하수(2018년)를 처리하면서에 전국 전력소비량의 약 0.7%(약 75억 kWh)의 전력을 사용하고 총 온실가스 배출량의 약 0.5%(약 596만 tCO2)를 배출하고 있다. 하수처리시설의 온실가스 저감을 위하여 ‘하수도의 지구 온난화 대책 매뉴얼’(환경부 및 국토교통성, 2016)을 발간하여 하수처리장 에너지환경개선을 위하여 도입 및 적용 가능한 기술 분야를 전처리 공정, 수처리 공정, 하수슬러지 처리 및 자원화 공정, 통합관리 시스템, 미이용 에너지의 활용 등의 분야별로 분류하여 온실가스 배출저감을 위한 방안 및 기술을 제시하였다. 또한 ‘하수처리장 에너지최적화 기술도입 매뉴얼(안)’(국토교통성, 2019)을 통하여 소비전력량이 큰 시설을 대상으로 적절한 처리수질을 유지하면서 에너지절약 효과를 증대시키는 것을 목적으로 운전관리 기법의 개선 및 에너지절감형 고효율 설비 도입 등과 같은 매뉴얼을 마련하여 지자체에 보급함으로써 하수처리시설의 탄소중립 및 에너지자립화를 추진하고 있다[15,18].
하수처리시설 대상의 에너지절감 사례를 살펴보면, 매사추세츠주의 Deer Island 하수처리시설은 태양광 및 풍력 발전 설비와 수소력 발전과 혐기성 소화 설비의 도입으로 재생에너지 생산을 38% 증가시킴으로써 매사추세츠 수자원청(Massachusetts Water Resources Authority, MWRA)은 2012년도 총 전력 소비량의 27%를 처리시설의 재생에너지로부터 생산하여 에너지자립화에 기여하게 되었다[19]. 스위스의 Luzern 하수처리장은 소화가스의 생산을 통하여 열병합 발전 에너지(98 MWh)를 생산하여 높은 에너지자립률을 달성하였고 Berne 하수처리장은 하수 및 폐기물 처리과정에서 생산한 소화가스를 소화조 가온 용도로 활용하고 있으며 바이오 메탄 생산을 통한 시설의 자립화에도 기여하고 있다. 스웨덴의 Henrisksdal 하수처리장은 시내 2,000여개의 분리기에서 수거되는 유기물질 및 음식물쓰레기가 반입되어 하수 슬러지와 함께 혐기소화 처리로 바이오가스를 생산하고 있으며 가스는 정제되어 버스의 연료와 인근 주거지역의 가정용 연료로 활용되고 있다[7,20,21]. 일본의 가시와자키시와 야마가타시는 하수처리 처리시설의 소화가스를 이용한 열병합 발전 시스템을 도입하여 가시와자키시는 연간 약 32%의 전력 사용량 절감으로 약 650 tCO2/년(2013년도)의 온실가스 배출량을 저감시키는 효과가 보고되었고 야마가타시는 가스발전과 연료전지 생산으로 총 전력의 48.7% 자급을 달성하였다[7,15]. 후쿠오카시의 중부수처리센터는 도시 하수슬러지 기원의 소화가스를 원료로 수소를 제조하여 연료전지차량(Fuel Cell Vehicle, FCV)에 공급하는 실증사업을 추진하고 있다. 기존 화석연료로부터 제조되는 연료전지차량의 연료인 수소를 하수처리시설의 소화공정에서 발생하는 소화가스로부터 제조함으로써 처리시설의 에너지자립화 측면과 온실가스 배출량 저감의 효과로 정부의 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대하고 있다[7,18]. 인구감소에 따른 영향으로 일본에서는 하수처리량 감소와 시설의 잔여부지 증가가 전망되어 시설용지의 유효이용에 따른 수익확보의 요구가 증가함에 따라서 민간 수익 시설에 관한 하수도 부지의 활용사례가 보고되었다. 추진된 사업의 90%가 재생에너지와 관련된 사업이고 지방자치 단체는 시설을 운영하는 사업자로부터 임대료 수입 등을 확보하는 형태로 운영되고 있다. 태양광 발전시설(20,000kWh)을 도입한 야마가타현의 정화센터, 시설부지의 상부 공간을 상업시설 및 주민 편의시설로 활용한 오사카 부용화 물 미래센터, 시설의 지하화에 따른 상부 공간에 태양광(2,000kW) 및 바이오가스 발전(350 kW) 시설을 도입한 고베시 타루미 처리장 등의 사례가 하수처리시설 대상의 탄소중립 실현을 위한 에너지자립화 사례로 제시될 수 있다[7].
2.3. 공공하수처리시설의 재생에너지별 생산 현황
국외의 사례와 유사하게 국내 공공하수처리시설에서도 탄소중립 실현을 위한 재생에너지 생산 설비가 구축되어 운영 중에 있다. 국가하수도정보시스템(2019년 기준)에 따르면 국내 공공하수처리시설에 구축된 재생에너지 설비는 여유부지를 활용한 태양광 및 풍력 발전설비와 처리장의 운영을 통하여 발생되는 소화가스, 소수력, 하수열 이용한 에너지를 활용하는 설비가 전국 처리시설의 228개소에서 운영 중이다(Table 2).
New recycled energy production from public sewage treatment facilities(2019).
처리시설의 여유부지를 활용하는 태양광 및 풍력 설비의 도입은 환경부와 한국환경공단에서 수행한 ‘환경기초시설 탄소중립 프로그램 설치사업’(2011)의 일환으로 시작되었으며 환경기초시설 탄소중립 도모와 친환경 문화공간 조성을 목적으로 현재도 운영 중인 사업이다. 태양광발전은 태양이 갖고 있는 광전자에너지를 반도체 소자를 통하여 만들어진 전기에너지를 전력변환 장치를 통하여 직류전류의 전력을 공급하는 발전방식이다. 풍력발전은 바람이 갖는 운동에너지(연평균 풍속 5m/s 이상)를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 시설로서 바람이 불어오는 방향에 대하여 로터의 회전축이 평행한 수평축 풍력발전과 수직으로 설치하는 수직축 풍력발전이 있다. 높은 에너지를 얻기 위해서는 연중 높은 일조량 및 안정된 풍황 조건이 유지 가능한 입지조건의 처리장에 도입되야 하고 자연조건에 의하여 생산된 재생에너지를 안정적으로 공급 및 사용하기 위한 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)의 설치가 요구된다. 태양광 및 풍력 발전설비는 전국에 207개소의 처리장으로부터 9.8천 TOE의 에너지를 생산하여 에너지자립화에 기여하고 있으며 태양광 설비는 2030년까지 총 344개소, 풍력 설비는 2020년까지 43개소에 설치하는 것으로 계획되어 있다. 그러나 시설별 위치에 따른 기후변화와 일조량의 영향이 크고 미세먼지 등 오물 제거를 위한 판넬의 주기적 관리가 동반되어야 하므로 모든 처리시설의 도입에 의한 재생에너지 증대는 한계가 있다[7,22].
소수력발전은 대전하수처리시설을 포함한 전국의 6개소의 처리장에서 운영되었으며 총 136 TOE의 에너지를 생산하였다. 소수력은 하수처리 단위공정에 의하여 발생하는 처리수의 낙차(위치에너지) 및 방류관거의 유속(운동 및 압력에너지) 등을 이용하여 전력을 발생시키는 방안으로서 하수의 유량과 물리적인 유효낙차(2.0m 이상)에 비례하여 에너지 확보가 가능하다. 설비용량 3,000kW 이하의 수력발전을 소수력발전으로 분류하고 있으며 일정한 처리수가 연중 방류되는 하수처리장에 적용될 경우 하천에 설치되는 발전소보다 가동률이 높아 많은 에너지의 확보가 가능한 것으로 알려져 있다. 하수처리시설은 방류수역의 수위보다 높은 위치에서 방류하도록 설계하고 경제성을 고려하여 자연유하로 방류할 수 있는 높이로 계획하기 때문에 총 운영시간에 대하여 충분한 낙차에서 방류되므로 유효한 위치에너지를 갖게 된다. 일반 수력발전과 다르게 대규모의 토목 기계설비가 요구되지 않아 온실가스의 배출이 없는 것이 장점이지만 소규모 시설로서 개별 발전량이 적어 에너지자립화에 대한 직접적인 기여도가 낮아 운영사례가 적은 단점이 있다[7,23].
바이오가스에 의한 에너지 생산량은 하수처리시설 대상의 재생에너지 중에서 가장 높은 비중을 차지하여 운영중인 67개소의 처리장 중에서 53개소의 처리장으로부터 8.8만 TOE의 에너지를 생산하였으며 기타로 분류된 열병합발전에 의한 생산량까지 고려하면 더 많은 유기성폐기물 기반의 유효자원이 생산 및 사용된 것으로 판단된다. 하수슬러지 등의 유기성 폐기물의 감량화를 위한 혐기소화를 거치면 메탄 등의 유효자원을 포함하는 소화가스가 발생되기 때문에 에너지회수 측면에서 매우 중요한 과정이다. 소화가스는 산 발효균에 의한 가수분해와 산 생성 및 아세트산 생성 단계를 통하여 생성되는 유효자원으로서 바이오가스로도 불리며 평균 45-75%의 메탄을 함유하고 있으며 효율적인 메탄가스를 확보하기 위해서는 소화조 설비가 요구되고 일정 규모(시설용량 1만 m3/일) 이상의 처리장에 적용하는 것이 유리하다. 또한 혐기소화를 통한 바이오가스의 확보는 매우 오래된 재생에너지 활용분야로서 최근에는 하수슬러지, 가축분뇨, 음식물쓰레기를 통합 소화하여 바이오가스 생산량을 증대시켜 확보하는 유기성 폐자원 통합 바이오가스화 사업이 진행중에 있고 환경부는 바이오가스화 생산시설을 2030년까지 150곳 이상으로 확대할 계획에 있다[7,24].
하수는 외부의 온도와 상관없이 연평균 12~20℃를 유지할 수 있고 하수관 바닥에 열교환기를 설치하여 히트펌프로 보내면 50~70℃까지 상승시켜 겨울철에는 난방과 온수를 공급할 수 있으며 여름철에는 히트펌프의 공기를 팽창 시키는 방식으로 실내온도를 떨어뜨려 냉방 유지가 가능하다. 국내에는 탄천 물재생센터 등 6개 처리시설로부터 136 TOE의 하수열에너지를 생산하여 활용되었고 앞으로도 확대되어 신규 시설의 설치 및 재생에너지가 추가될 계획으로 있다. 하수열은 생활하수에 함유된 열에너지로서 하수가 갖는 대기와의 온도차이를 이용하여 히트펌프로 난방열을 생산할 수 있는 열원을 의미한다. 주로 유럽의 많은 국가에 보급되어 있고 일본도 미활용에너지의 활용을 위하여 적극적으로 장려하고 있어 지역냉난방 시스템과 연계하여 운영하고 있다. 처리시설로 모이는 하수는 연중 발생되기 때문에 안정적으로 생산이 가능한 친환경 열원이지만 국내의 재생에너지법에는 제외되어 있고 하수열의 지역에너지원 적용 확대 등과 같은 정책적 지원이 부족하여 다른 에너지원보다 활용도가 낮은 수준이다[7,25].
2.4. 공공하수처리시설 대상 재생에너지 설비 도입 다각화
분류식 하수시스템이 도입된 도시에서 발생되는 하수는 평균 0.5kg COD/m3의 오염부하를 포함하고 하수내 유기물의 잠재적 열에너지 함량을 4kWh/kg COD로 가정하면 도시하수는 최소 2kWh/m3의 에너지를 갖는다. 혐기성소화에 기반한 활성슬러지 하수처리시설의 운영에는 약 0.45-0.60kWh/m3의 에너지가 요구되므로 하수내 유기물 및 영양물질을 포함한 잠재적 에너지를 회수하여 최적화한다면 처리시설의 에너지자립화와 연계가 가능하다[26,27]. 처리과정에서 생산되는 부산물이기 때문에 다른 재생에너지를 위한 토목 설비가 상대적으로 적게 소요되고 관련 기술개발이 이미 성숙단계에 있기 때문에 국내외의 많은 하수처리장에 적용되고 있다. 그러나 처리시설의 탄소중립을 위해서는 일정규모 이상의 시설용량을 갖는 처리장 중심으로 소화조 시설의 도입이 가능하여 지속적인 확대는 어려울 것으로 판단된다. 환경기초시설 탄소중립 프로그램 설치사업의 일환으로 보급된 태양광 발전설비는 가장 많은 처리장에 보급되어 있고 계속 증가하고 있다. 하지만 기상변화에 민감하고 에너지밀도가 낮으며 경제성이 낮은 단점(B/C<1.0)이 있으며 소수력 발전은 발전설비의 출력이 낙차 및 유량과 설치장소의 조건에 따라서 결정되기 때문에 경제성이 처리장 조건에 따라서 상이하게 나타나는 특징이 있다[7,28]. 따라서 하수처리시설의 탄소중립 실현을 위해서는 재생에너지 생산의 다각화 및 이에 따른 기술개발이 필요하다. 국내에서 검토되고 있는 기술로는 해수 및 담수 기반의 염분차발전, 하수열 기반의 열원 활용 확대, 유기성폐기물(음식물쓰레기, 하수찌꺼기, 가축분뇨 등)의 통합소화를 통한 바이오가스 증대 등의 새로운 재생에너지원의 확보를 위한 기술개발이 검토되어 시범사업이 검토되고 있으며 최근 수요가 증가하고 있는 데이터 센터에서 발생되는 에너지를 하수열의 활용을 통하여 감축하는 방안도 고려할 수 있다.
염분차발전은 서로 다른 농도의 용액이 혼합될 때 발생하는 화학적 에너지를 전기적으로 전환시켜 전기를 생산하는 발전방식으로서 담수화 공정에 사용되는 에너지를 절감하면서, 고농도 농축수를 친환경적으로 동시에 처리할 수 있는 염분차발전(역전기투석, Reverse Electrodialysis(RED) 또는 압력지연삼투, Pressure Retarded Osmosis(PRO))와의 하이브리드 공정이 주목받고 있다. 무한 청정한 해수를 활용한 기술로서 해수 및 담수 각각 1m3를 이용하면 약 1.8 MJ의 에너지 확보가 가능하여 전 세계의 연간 에너지 소비량과 유사한 양의 잠재적 에너지가 확보 가능할 것으로 평가되고 있다[29]. 국내에서는 제주테크노파크의 용암해수산업단지 내에 5kW급 염분차발전 파일럿플랜트가 구축되어 최대 2,000m3/일의 해수와 담수 기반의 역전기투석법(RED)에 의한 전기에너지 활용 및 보급 연구가 진행 중에 있다[30]. 생산 과정에서 온실가스 및 폐수의 발생이 없고 다른 재생에너지 생산기술보다 에너지밀도가 높으며 상시 발전이 가능한 장점이 있는 기술로 평가되어 해수와 담수가 인접한 해안가에 위치한 하수처리시설을 대상으로 염분차발전 시설을 도입한다면 추가적인 에너지생산이 가능할 것으로 판단된다.
하수열은 일정한 온도로 연중 지속적으로 발생되는 되는 자원으로서 유럽과 일본에서는 재생에너지로 분류되고 있다. 히트펌프를 활용한 냉난방시스템 구축시, 냉방시, 45-55%, 난방시, 65-75%의 연간 에너지를 절감 가능한 것으로 평가되고 있다[31]. 국내에는 탄천 물재생센터(63 Gcal/hr), 서남 물재생센터(32Gcal/hr), 용인 수지 레스피아(6.6 Gcal/hr), 굴포천 하수처리시설(7.7 Gcal/hr), 제1화도 하수처리시설(0.15 Gcal/hr)에 구축되어 있고 탄천 및 서남은 운영 중에 있으나 히트펌프의 전기요금 등의 낮은 경제성을 이유로 일부 처리장은 가동이 미미한 상태이다[7,32]. 하수열의 재생에너지 확대 활용을 위해서는 하수열을 재생에너지의 범주에 포함시키는 정책적인 노력과 기존의 미운영된 처리장의 시설을 보수 및 개량하여 시스템을 재가동 시키고 하수도법 및 하수도정비계획을 정비하여 시범사업을 통한 지역사회의 활성화가 필요하다.
바이오가스는 유기성 폐기물(바이오매스)의 혐기소화를 통하여 생산되는 에너지로서 재활용 또는 에너지로 재순환되지 않으면 환경문제를 일으킬 수 있고 에너지 회수를 위한 최적 처리시설의 설치와 운영을 통해서 온실가스의 저감과 동시에 화석연료를 대신할 수 있는 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있어서 재생에너지 설비 중에서 많이 보급되어 있다[33]. 음식물쓰레기는 높은 생분해성 유기물질이 함유되어 있으나 높은 염분 및 수분 함량, 부패 용이성, 낮은 발열량의 문제가 있고 하수슬러지는 다양한 미량원소 및 미생물이 포함되어 있으나 낮은 유기물함량, 슬러지의 단단한 세포벽에 의한 소화효율 저하 등의 문제점이 있다. 가축분뇨는 총고형물질(Total Solid) 및 분해가능한 휘발성물질(Volatile Solid)의 함량이 낮아 에너지원으로써 경제성이 낮은 단점이 있다[34]. 이러한 문제점들을 완화시키면서 높은 바이오가스를 생산하는 방안으로 단일의 반응조에 유기성 폐기물을 혼합하여 처리하는 통합소화에 의한 바이오가스 생산하는 방안이 주목받고 있다[33,35]. 충남 서산 하수처리시설(58,000m3/일)은 유기성폐자원 통합처리 시범사업에 선정되어 가축분뇨(100 톤/일), 음식물쓰레기(50 톤/일), 하수슬러지(100 톤/일), 분뇨(70 톤/일)를 통합 처리하는 시설을 2020년부터 운영 중에 있다. 서산의 바이오가스화 사업으로 연간 운영비 20% 절감 및 바이오가스 생산 21% 증대의 경제적 효과와 연간 3,400t CO2의 온실가스 저감 효과를 기대하고 있으며 에너지 자립률이 5.6%(2019년)에서 33.0%(2021년)으로 향상될 것으로 평가하였다. 창원의 덕동물재생센터는 ‘바이오가스 수소화시설 시범사업(환경부)’에 선정되어 하수슬러지와 음식물의 통합소화 처리로 발생되는 바이오가스(25,000m3/일)를 고질화 및 개질화 하여 바이오메탄(16,250m3/일)과 수소(43,200m3/일)를 생산하는 시범사업을 추진 중에 있다[7].
4차 산업혁명의 도래와 ICBM(IoT, Cloud computing, Big data, Mobile) 기반의 정보통신기술과 인공지능(AI, Artificial Intelligence) 플랫폼은 급성장하고 있고 다양한 ICT를 활용함으로써 하수처리공정의 운영을 지능화하고, 에너지 소모 등을 줄이기 위한 스마트 하수처리공정의 도입에 대한 관심도 높아지고 있다[36]. 스마트 하수처리공정은 센서 등을 이용하여 전공정에 대한 모니터링을 강화하고, 취득된 데이터의 분석결과에 기반한 의사결정으로 공정운영을 최적화하고 약품투입, 전력사용 등을 줄여 하수처리시설의 에너지사용 효율을 높일 수 있으며, 향후 관련분야에 대한 지속적인 연구로 탄소중립 실현에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 이와 같은 플랫폼은 정보 활용을 기반으로 하고 있어 가공된 정보의 저장, 관리, 전송을 위한 데이터센터(Dater Center)의 수요가 최근에 급격히 증가하고 있다. 국내에서는 53개(2000년)에서 156개(2020년)로 늘어났고 2024년까지 약 19개의 시설이 추가 구축될 계획으로 있다. 데이터 센터는 정보처리를 위해서 연중 24시간 가동되어 2018년 세계 전력사용량의 약 1%(205 TWh)를 소비하는 것으로 나타났고 시스템의 효율적 운영을 위하여 장비들의 열을 식히기 위한 냉각에 사용된 에너지의 절반 이상이 전기 에너지와 냉각용수 확보에 사용되는 주요 탄소배출시설로 분류되고 있다[37,38]. 처리 데이터의 효과적인 활용을 위하여 데이터센터는 대부분 지가가 높은 주요 도시에 위치하고 있어 추가 부지의 확보도 해결되어야 하는 문제이다. 이와 같이 증가하는 데이터센터 수요에 따른 부지의 필요성에 대응하고 수반되는 냉각설비에 대한 에너지(전력 및 냉각용수)의 소비 문제를 해결하기 위해서는 하수처리시설과 연계한 데이터센터 구축 방안이 정부의 탄소중립실현에 유리할 것으로 판단된다[39]. 하수처리시설은 유입된 하수를 처리과정에서 발생하는 악취발산 방지 목적과 시민친화적인 공원조성 및 친환경 공간 창출을 위해서 대부분의 시설이 지하화로 추진되어 이에 따른 여유부지를 데이터센터 부지로 활용 가능하다. 그리고 연중 일정하게 발생되는 하수열 및 히트펌프를 이용한 냉각시스템의 운영이 가능하고 고효율 하수처리 시스템에 의하여 깨끗한 용수를 지속적으로 공급받을 수 있어서 데이터센터의 운영에 소비되는 에너지를 절감할 수 있다.
3. 결론
하수처리시설 운영에 의한 에너지 소비와 처리과정에서 발생되는 직간접적인 온실가스 발생에 대한 이슈는 계속되어 왔고 이를 해결하기 위하여 시설운영의 에너지자립화를 통한 탄소중립 실현 노력은 현재도 진행 중에 있다. 에너지가 가장 많이 사용되는 시설(송풍기 및 펌프 등)의 고효율화, 수처리공정의 실시간 제어 및 관리를 통한 운영 최적화, 저에너지 수처리공정의 도입 등을 통한 사용 에너지 저감 방안만으로는 처리시설의 에너지자립화를 달성하기 어렵다[40]. 따라서 기존의 정책을 유지하면서 수처리 공정을 이용한 재생 가능한 에너지를 추가 확대 적용함으로써 처리시설의 탄소중립 달성이 가능하고 정부의 2050 탄소중립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
국내 하수처리시설은 유기성 폐기물의 혐기성 소화 처리에 의한 바이오가스 생산 중심으로 재생에너지를 확보하고 있어 공공하수처리시설의 에너지자립률은 12.9%로 분석되었다. 하수처리시설의 탄소중립을 실현하기 위해서는 분석된 것보다 높은 에너지자립률의 확보가 요구되는데 혐기성 소화 기반의 바이오가스 시설은 일정 규모 이상의 소화조를 갖춘 처리장 중심으로 도입이 가능하고 여유부지를 활용한 태양광 및 풍력에 의한 전력생산은 기후조건 등의 입지조건에 의해서 도입이 제한될 수 있으므로 추가적인 재생에너지 생산 시설의 도입에는 한계가 있다. 이를 위하여 재생에너지 활용 다각화 방안이 요구되어 국내에서 시범적으로 진행되고 있는 유기성폐자원의 통합 바이오가스화 사업, 해수 및 처리하수의 농도차를 이용한 염분차 발전, 에너지하수열 기반 냉난방 에너지 확보 및 데이터 센터 연계를 검토하였다.
이러한 하수처리시설 기반의 재생에너지 활용 확대를 대상 시설별 재생에너지에 대한 에너지자립률 개선 시나리오를 설정하여 시나리오별 우선순위 도출과 경제성 분석이 요구된다. 또한 재생에너지의 범주에 포함되지 못한 하수열의 경우는 법제도 개정과 이를 통한 재정적 지원을 통한 실현가능 및 지속가능성에 대한 의사결정에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 최근 정보화 시대의 도래로 전자통신 및 사회관계망서비스의 활용도가 높아져 데이터의 사용량이 급증함에 따라 데이터센터의 수요도 급증하고 있다. 증가하는 데이터센터의 부지와 에너지 사용량의 문제가 증가할 것으로 예상되어 해결방안으로 하수처리시설의 지하화, 하수열 기반의 냉각 시스템 활용으로 탄소중립에 대한 정부의 정책에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
하수처리시설의 에너지 효율화를 달성할 수 있는 유일한 방법 또는 기술을 찾는 것은 쉽지 않으며 앞으로도 완성되기까지 많은 시간과 노력이 필요할 것으로 보인다. 따라서 하수처리시설의 에너지자립화 향상을 위한 가장 효과적인 방안은 에너지 활용에 대한 장기적인 관리를 통하여 지속가능성을 보장하고 재생에너지 확보 기술개발을 통한 활용도를 높임으로써 탄소중립형 하수처리시설로의 패러다임 전환이 요구된다. 이와 더불어 변화된 패러다임의 확대를 위하여 정부의 정책에 반영될 수 있도록 하수처리시설 기반의 재생에너지 활용 활성화를 위한 관련 법과 제도의 개선도 수반되어야 한다.
Acknowledgements
본 연구는 환경부의 재원인 한국환경산업기술원의 환경시설 재난재해 대응기술개발사업(2022002870001)의 연구비 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.