[상수도 미래기술 전망] ④ 물을 이용한 에너지 개발 / 김광렬 K-water 녹색에너지처 차장

현재 우리는 심각한 기후변화와 전력난에 직면해 있다. 북극해 얼음 면적이 5년만에 15% 감소하는 등 세계적으로 지구온난화 현상이 가속화되고 있으며, 일본 원전사고로 인한 피해도 있었다. 이러한 전력난에도 원전 비중은 감소추세에 있다.

2008년 정부는 저탄소 녹색성장을 국가 비전으로 제시했다. 2020년까지 세계 7대 녹색강국으로 진입하기 위해 풍력을 제2의 조선 산업으로, 태양광을 제2의 반도체 산업으로 육성할 계획임을 밝혔다. 지난해 신재생에너지 공급의무화가 시행되면서 정부는 1천200㎿ 규모의 태양광 사업을 기획하고 있다. K-water(한국수자원공사)도 공급의무화제도의 13개 발전회사 중 하나로 포함돼 있다.

「녹색성장기본법」과 신재생에너지 보급 확대 정책에 발맞춰 K-water는 ‘G2G Wave 5대 전략사업’을 추진하고 있으며, 물 전문기관으로 국내 신재생에너지 1위 기업으로 도약했다. K-water의 신재생에너지사업은 물과 에너지를 융합한 특화된 전략으로 정부의 녹색성장 발전에 기여하고 있다.

물과 에너지의 융합으로 Watergy(Water+Energy)를 구현하고 있다. 그 종류로 수상태양광, 온도차, 조력, 수력, 해상풍력 등이 있다. 1973년 수력발전, 2009년 풍력발전, 2011∼2012년 조력과 4대강 소수력, 현재는 신재생에너지를 개발함으로써 국내 신재생에너지의 41%를 K-water가 개발·운영하고 있다. 중장기 목표는 2020년까지 3천㎿ 규모, 매출은 약 1조원을 달성하는 것이다.

수열원을 활용한 온도차 시스템은 물에 있는 열을 이용해 냉난방을 하는 것이다. 전국적으로 보면 풍부한 잠재자원(국내 7.4GW)으로 이것을 보급·확대하고 RHO(열공급 의무화제도)가 2015년에 시행되고자 한다. K-water는 원수관로를 많이 갖고 있기 때문에 이것을 이용해서 온도차 사업을 추진할 계획이다.

시화호 조력사업은 세계 최대 규모로, 총 사업비 5천204억 원을 들여 올해 완공된다. 시설용량 254㎿, 연간발전량 552GWh로 약 50만 명이 전력을 사용할 수 있는 규모이다. 31만5천 톤의 CO₂저감량과 942억 원의 유류 대체, 소나무 9천844만 그루를 대체할 수 있다. 태양광 발전과 부유 설비가 합쳐진 수상태양광 발전은 조금 생소할 수 있다. 이것은 K-water가 가지고 있는 댐의 유휴 수면을 활용한 신개념의 발전 유형이다. 현재 대규모로 진행하는 중이다.

물의 낙차를 이용하는 4대강 소수력 건설사업은 지난 2009년부터 2012년까지 진행됐다. 약 2천억 원이 투입됐으며, 16개 보(51㎿)를 사업구간으로 연간발전량은 270GWh에 달한다. 약 24만 명이 사용할 수 있는 양이다. 댐이나 정수량의 낙차가 발생하는 부분에서 소수력발전을 개발해서 운영하고 있다. 현재 38개소에서 61㎿ 규모를 운영하고 있다.

육상풍력은 풍력상황 등 환경이나 주변여건이 좋지 않아 해상풍력 사업 쪽으로 방향을 전환하고 있다. K-water는 시화호 자연에너지 클러스터를 조성하는 단계에 있다. 해상은 부지제한이 없으며 풍력발전량을 40% 향상시킬 수 있어 세계적으로 개발 중이고 많은 발전가능성이 있다.

‘온도차 냉난방 시스템’이란 쉽게 말해 에어컨이다. 외부 기온과의 온도차가 있는 열원을 히트펌프(Heat Pump)를 이용해 냉난방하는 시스템이다. 대표적인 열원으로는 하천수, 해수, 하수, 지하수, 지하의 열 등이 있다. 열원의 특성은 외부기온보다 여름은 온도가 낮고, 겨울은 온도가 높아 히트펌프의 효율이 높아져 경제적이라는 점이다.

온도차 냉난방 시스템의 국내 사례를 살펴보면 하수를 열원으로 이용하는 탄동하수처리장(50RT), 대구 서부하수처리장(100RT), 울진 하수처리장, 여주대 하수처리장(10RT), 한전 생활연수원(40RT), 경주 토비스콘도(160RT) 등이 있다.

원수를 열원으로 이용하는 곳은 충청통합운영센터(30RT), 밀양댐(80RT), 주암댐(10RT), 대청댐(60RT-Hybrid), 청주정수장(30RT), 금산무주정수장(80RT), 부안댐(65TR), 아산정수장(65RT), 성남정수장(10RT), 부산 화훼단지 등이 있다. 그리고 여수 양식장(50RT)과 해양대 국제교류관(60-75RT)은 해수를 열원으로 이용한다.

외국의 경우, 해수는 노르웨이와 일본, 하천수는 북유럽, 독일 등에서 주로 이용하며, 프랑스, 캐나다 등에서는 지하수를 열원으로 이용한다. 특히 일본은 하천수를 펌핑, 단일건물이 아닌 더 멀리 수송해 지역난방에 사용하고 있다. 미국은 호수의 심층수를 이용해서 냉난방을 하고 있다.

히트펌프 시스템은 공기열원, 수열원, 지열원 등을 이용한다. 수열원 히트펌프시스템은 하천수(원수, 강변여과수, 지하수), 해수, 하수 등의 물을 이용해서 냉난방을 하는 장치이다. 한 가정에 냉난방을 위한 전력이 5㎾정도라면 수열원을 이용했을 때는 1㎾의 전력만 사용하게 된다. 나머지 4㎾의 전력은 수열이나 지열에서 발생되는 열기를 이용해 냉난방이 가능한 것이다.

공기열원에 비해 효율이 높고 도심 열섬화 현상을 억제한다. 초기투자비가 공기열원에 비해 비싸나, 운영관리비가 적게 든다. 공기열원과 다르게 제상을 필요로 하지 않으며, 화재나 폭발 위험이 없다. 물 대 공기(Water to Air) 방식과 물 대 물 방식이 있다. 물 대 공기방식은 가스 부분 면적이 적어 효율적이며, 물 대 물 방식은 대규모나 멀리 수송할 때 효율적이다.

히트펌프 시스템 효율을 다른 에너지와 COP 비교해 보았다. COP가 3이라는 것은 전기 1㎾ 투입 시, 열에너지로 3㎾를 생성한다는 뜻이다. 전기히터를 1로 보았을 때 수열원 냉난방의 COP는 3∼4이다. 보일러(COP 0.6∼0.8)에 비해서 효율이 높으며, 이것은 곧 전기요금이 절약된다는 것이다. 원수 온도차 냉난방은 LNG, 보일러, 지역난방 등과 비교해, 거의 1/3∼1/4정도의 요금 차이가 발생한다. 이 정도로 효율이 좋아서 전기가 절감되는 것이다.

온도차 시스템을 적용한 사례로 강변여과수를 들 수 있다. 원예작물에 강변여과수 장치를 연구목적으로 설치했더니 8천만 원 정도 들던 난방비가 1천만 원대로 약 80% 절감됐다. 냉방효과까지 있으니 작물 재배에도 효과적이었다. 4대강 수변지역 개발 활용 가능성이 높으며, 인공함양 및 환경영향평가 등이 필요하다.

제2롯데월드 냉난방 시스템의 경우, 롯데 물 사업단과 협약해 냉난방 공급로를 사용 중이다. 롯데월드에 5만㎥ 정도의 물을 공급했는데, 냉난방 부하량은 롯데월드 전체부하의 10%(3천RT) 정도이다. 87억6천만 원의 사업비가 투입됐으며, 올해 말 준공이 완성된다.

저층부는 내년부터 시행이 가능하다. 연간 4.6GWh(4천명 분)의 전력을 절감할 수 있다. 서울의 잠재적 에너지양은 20만W 정도이나 이것이 발전된다면 700㎿에 육박한다. 환경적인 요소 등은 좀 더 고려해 보아야 한다.

온도차 시스템은 폐수 공정중에 농축폐수 질산화율을 올리는 과정에서도 적용된다. 적정농축폐수를 보내기 위해서는 섭씨 15도 이상의 적정수온을 유지해야 한다. 이를 통해 방류수 법적 수질기준(20㎎/L 이하)을 맞춰 방류할 수 있다.

동절기 저온수를 섭씨 15도까지 올리기 위해서는 보일러를 사용하는데, 이로 인해 난방비가 급격하게 올라간다. 이러한 상황에 온도차 냉난방 시스템을 실내가 아닌 공장에 적용하면 훨씬 더 효율적일 것이라는 가정 하에 개발을 검토했다.

이 방법은 우선 보일러를 가동하여 온도를 섭씨 15도에 맞추고, 물이 방류될 때 떨어진 온도를 물을 펌핑하며 발생하는 열에너지로 섭씨 15도에 맞춰준다. 적용 시 절감할 수 있는 운영비는 약 9억 원으로 예상된다. 실제로 적용했을 때 오차가 발생하겠지만 상당히 효율적이라고 생각된다. 또한 방류수 수온상승을 막아서 하천 수생태계를 보호하고 연간 이산화탄소 배출량 3천423톤을 감축할 수 있다. 향후 신도시, 대단위 지역, CES(구역형 집단에너지), 수변지역, 시설원예단지, 정수처리공정 등에 활용될 전망이다.

수상태양광, 댐 수면 위에 태양광 설치

2015년 국가 태양광 개발 목표를 달성하기 위해서는 여의도 면적의 2.3배 정도가 필요하다. 하지만 우리나라에서 이 정도의 부지를 확보하기가 어렵다. 옥상에도 한계가 있다. 또한 산지 난개발로 환경훼손을 유발하고 있으며, 이로 인해 국민들의 불만이 가중되고 있는 실정이다. 태양광 개발에 따른 환경훼손 유발 사례가 언론을 통해 조명되고 지역주민, 환경단체 NGO 등의 반대여론이 심화되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 발상을 전환한 것이 바로 댐 수면위에 태양광을 설치하는 수상태양광 발전시스템이다. 국내 총 저수면적으로 5%만 활용해도 개발 잠재량이 약 4천㎿에 달한다. K-water에서 실제로 계산해 본 결과, 31개의 댐의 8.4%만 활용해도 290㎿, 360만 명이 사용할 수 있는 전력을 생성할 수 있는 것으로 나타났다.

수상태양광 발전시스템은 태양광모듈을 수면의 부유체 위에 설치하고 계류장치를 통해 발전한다. 그리고 수중케이블로 환전해 판매하는 개념이다. 환경훼손방지 목적으로 국토를 효율적으로 이용할 수 있고, 수면의 냉각효과로 발전량을 10% 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또, 그늘형성 효과로 조류증식을 억제하고 어류 산란장으로 효과적이다.

수상태양광 발전 사업은 단계별로 체계적으로 추진하고 있다. 2009년 8월 초기연구에 착수, 1단계 Pilot Plant를 운영했다. 수상태양광 효과를 검증(발전량 10.24% 향상)하고 기술적 과제를 도출했다. 1단계의 성공을 토대로 2011년 9월 2단계(실증모델 개발)에 착수했다. 세계 최초 댐수면을 설치하고 태풍, 홍수, 수위변동 등에 대한 설비 안전성을 검증했다. 수상용 태양전지판을 적용, 합천댐의 경우 100㎾(130명 분 전력)를 확보했다.

동일한 부지에 태양광 시설을 지을 시, 수상태양광은 육상태양광보다 30％ 정도 공사비가 많이 드는 것으로 분석됐다. 육상태양광 시설처럼 나대지에 바로 건설하는 게 아니라, 물 위로 부유식 시설을 먼저 짓고 설비를 추가로 건설해야 하는 탓이다.

3단계에서는 상용모델을 개발했다. 지난해 6월 세계 최대 댐수면을 설치, 사업성을 확보하고 대량생산이 가능토록 했다. 건설비 30%를 저감하고 시공일수 또한 80% 단축시켰다. 그리고 신기술 6건을 특허출원 했으며, 합천댐의 경우 500㎾의 전력을 확보할 수 있었다.

현재 상용화를 위해 설치기술력, 기자재, 설치공급 등을 개선해 3단계가 진행중이다. 농업용 호수 및 빗물저수지 실증단계에 있는 미국이나 일본, 이탈리아보다 2년 정도 먼저 상용화에 성공해 기술력을 확보하고 있고 수상 자연재해(홍수, 태풍)에도 안정적이다. 또한, 40m 수위변동에도 계류장치가 안정적이고 수질환경에 무해한 전용 기자재를 개발했다.

수상태양광를 통해 좁은 국토의 효율적인 이용이 가능하다. 국내 저수지 5%만 이용해도 여의도 8배 부지를 대체할 수 있으며, 2015년까지 국가 태양광에너지 개발 목표의 3.4배를 달성할 수 있다. 아울러 7만5천명의 일자리 창출 효과도 기대된다.

한국수자원공사가 합천댐 유역에 설치한 500㎾급 수상 태양광발전 설비.

수상태양광은 지구를 살리는 기술로 △연간 560만 명분의 청정전력 생산 △환경비용 연간 2천억 원 절감 △유류 대체 연간 1조2천억 원 절감 △이산화탄소 연간 400만 톤 저감 등의 효과를 얻을 수 있다. 언론에서도 환경친화적인 기술적 가치에 주목하고 있다.

오는 2022년까지 31개댐에 1천800㎿ 규모 수상태양광을 단계적으로 개발할 계획이다. 이를 위해 올해 합천댐에 40㎿ 규모의 솔라시티(Solar City) 건설과 함께 2곳에 8㎿를 추가하는 등 모두 3개의 댐에서 본격적인 사업을 추진한다.

수도관로를 활용한 소수력 발전으로는 고산정수장 소수력 개발사업을 들 수 있다. 이 사업은 지자체(대구시)와 고산정수장의 신재생에너지(소수력발전) 공동개발을 통해 정부의 저탄소 녹색성장정책을 적극 부응하고 상생의 수익모델을 창출하는 것이 목적이다. 2008년부터 15개월 동안 24억4천800만 원을 투입해 소수력 발전을 개발했다. CDM 포함 127억 원의 수익이 기대된다.

슬러지를 이용해 건축자재를 개발하기도 한다. 슬러지 발생량과 물류비의 상승으로 처리비용이 증가했다. 공정·설비개선과 처리방법에도 한계가 있기 때문에 슬러지를 자원화하는 패러다임의 전환이 필요했다.

이에 2010년부터 약 1년간 연구에 착수, 슬러지의 성상이 건축자재와 유사하다는 연구결과를 얻었다. 연구 기간 막바지에 시범생산이나 품질 검증 및 특허 출원에 문제가 없는 제품을 개발했다. 현재 제품화하는 단계이며, K-water 11개의 사무실에 설치했다.

국가 녹생성장 기여와 국민편익 증대를 위해 물과 융합된 녹색에너지 필요성이 대두되고 있다. K-water는 녹색정책에 부응하기 위해 5대 전략사업을 중점 추진하고, 에너지공급을 확대한다. 이와 함께 에너지, 수질환경, 해양, 관광자원 등 융복합 기술을 개발하고, 관련 분야 강소기업 육성으로 동반성장 및 수출기반을 조성해 해외시장 진출을 모색할 계획이다.