도시하수처리장, 처리에서생산기지로! 신재생에너지 1) 의생산기지: 물재생센터 서울물연구소최영준 1. 정책수행시기 서울시하수도시스템을운영, 관리하는부서에서는, 2007년부터각하수처리장특 성에적합한신재생에너지도입계획이수립되어추진중이었다. 하지만, 2012 년새로운서울시에너지정책으로 원전하나줄이기 정책이수립되어, 서울시전체를포괄하는에너지정책이추진되자, 서울시에너지정책에기여하기 위한방안의하나로, 물재생센터의특성과자원을활용한신재생에너지생산정책 을보다적극적으로추진하게되었다. 원전하나줄이기 2012년 4 월, 서울시는지역에너지정책의하나로, 원전하나줄이기(One Less Nuclear Power Plant) 를추진하겠다고발표했다. 원전하나줄이기 에너지정책 은, 후쿠시마원전사고, 전국순환정전(2011년 9월 15 일) 등에너지위기와지구온 난화등기후변화에효과적, 선제적으로대응하는것을목적으로시작되었다( 유외, 2015). 에너지를절약하고, 신재생에너지를생산함으로써, 2014년까지원자력발전 소 1기에서생산하는 200만 TOE 만큼의에너지를절감하는것을목표로하였으며, 1) 기존의화석연료를변환시켜이용하거나, 햇빛 물 지열( 地熱 ) 강수( 降水 ) 생물유기체등을포함하는재생가능한에너지를변환시켜이용하는에너지: 1) 태양에너지, 풍력, 수력, 연료전지, 해양에너지, 지열에너지, 수소에너지, 2) 대통령령으로정하는기준및범위에해당하는폐기물에너지, 3) 생물자원을변환시켜이용하는바이오에너지로서대통령령으로정하는기준및범위에해당하는에너지, 4) 석탄을액화 가스화한에너지및중질잔사유( 重質殘渣油 ) 를가스화한에너지로서대통령령으로정하는기준및범위에해당하는에너지, 5) 그밖에석유 석탄 원자력또는천연가스가아닌에너지로서대통령령으로정하는에너지, 6) 하수열에너지원( 하수열, 하천수열등미활용에너지의경우법규상신 재생에너지로분류되지않지만서울시는이를포함시켜신재생에너지정책을추진하고있다 ). - 73 -
당초계획보다 6개월앞당긴 2014년 6월 204만 TOE 를초과달성하였다( 유외, 2015). 원전하나줄이기 2단계 2014 년성공적인 원전하나줄이기 1 단계사업의성과를바탕으로서울시는, 원전 하나줄이기 2 단계사업을시작했다. 2 단계사업은, 친환경에너지관련제도와생산 및소비구조의변화를통해사업의의미와가치를실현하겠다는목표를가지고있 으며, 1 단계사업중노정된조직적문제를보완하고, 신기술의적용과이미도입되 거나시행되고있는정책에대한연구를통해새로운과제를적극적으로발견하기 위한목적으로기획되었다. 서울시의 원전하나줄이기 2 단계 의핵심목표는전력자 립률 20% 달성이다( 그림 1). 2013년 4.2% 에불과했던서울시의전력자립률을 2020년 20% 까지확대하며, 이가운데 46% 는신재생에너지와열병합발전을통해 달성하고, 나머지 54% 는에너지효율개선및절약을통해달성한다는계획이다. 서울시의경우, 2011년 9월 15일서울을비롯한전국곳곳에서발생했던대규모정 전사태와같은전력위기에대비, 무정전도시구현을위한최소한의자립기반을 마련할필요가대두되었다. 특히화석연료를포함한에너지절감노력과함께, 신재 생에너지의분산형생산과이용효율화라는과제가중요한해결책으로제안되었다. 그림 1. 서울시전력자립률목표 (Lee, 2015) 서울시전력자립률을높이기위해서는, 에너지소비도시에서생산도시로탈바꿈 하고, 이를위해서대형, 중앙집중형에너지생산및분배시스템보다분산형에 너지시스템으로에너지생산공급구조를바꾸어나갈필요가있다. 2020년까지 20% 에너지자립률목표를달성하기위해서, 전력수요절감을통해 9,553 GWh의 전력을절감하고, 신재생에너지생산으로 2,711 GWh, 화력과열병합발전을통해 5,444 GWh 의전력을생산하는등, 2020년에총 8,155 GWh의전력을생산할계획 - 74 -
이다( 그림 2). 그림 2. 서울시원전하나줄이기 2 단계사업을통한전력생산량전망(Lee, 2015) 2. 당시의상황: 정책도입배경 서울시하수도시스템 조선시대만해도가정에서배출되는오수는노상과저지대로자연적으로집수되어, 구거( 溝渠 ) 를통해하천으로유입되거나지하로침투되었다. 다만, 청계천의경우, 특별히치수를위한관리와준설공사가행해졌다( 그림 3). 기록에따르면, 태종 12 년(1412 년) 하천의범람을막기위해청계천및옥천을대대적으로준설및보수하 였다고한다( 서울특별시물관리국, 2009a). 물론이전에도기초적인하수도기능을 담당하던구조물들이발견된사례 2) 가있어, 기록상으로추적될수있는하수도관 련시설의역사는신라시대까지거슬러올라간다. 근대적개념의하수도가도입된것은, 1921 년이후라고할수있는데, 1943년까지 지속적으로총 225 km 에이르는간선및지선의하수도가개량, 정비, 건설되었다. 2) 1983 년황룡사지발굴조사에서배수로와배수암거의잔형이발견되어, 신라시대에도하수처리법이적용되었다는것을알수있다고한다( 서울특별시물관리국, 2009a) - 75 -
당시하수도시스템의건설과운영목적은, 시가지범람방지, 하수의정체와이로 인한오염방지, 그리고방류분뇨의처리였다. 이후의하수도는주로도시우수배제를목적으로이루어졌으나, 도시화와산업화에따른고도성장과생활수준향상으로분뇨처리방식이종래의수거식에서수세식으로변화되어단위오염부하량이증가하고, 하천수질오염이문제가되면서하수처리장건설과하수도건설및정비에대한관심이증가하기시작했다. 3) 그림 3. 청계천의예전모습( 뒤쪽의다리가수표교) 1953 년한국전쟁이끝나고난뒤, 1954년부터전쟁복구를위한각종원조에힘입어 서울시의하수도건설및정비가대대적으로이루어지기시작한다. 청계천, 신당동 과혜화동지역의개수공사및치수사업에많은예산이투입되었고, 1959년청계천 1 차복개사업이준공되었다. 같은해 3월 17일서울시수도국하수과가발족되어 하수관리를위한행정조직이기능하기시작하게되었다. 1966년에는하수도법이제 정( 건설부) 되어하수도관리를위한제도적인장치가마련되었다. 1965년서울시최 초의하수처리장인청계천하수처리장건설계획이수립되었고, AID 차관 350,000 달러로사업이시작되어, 1976년하루 15만 m3 규모의청계천( 중랑) 하수처리장이 준공되어서울시하수가본격적으로처리되기시작했다. 하수도보급은상수도보급에비해늦은편이었는데, 1970년의하수도보급률4) 은 27.9% 로같은해상수도보급률(85.6%) 의 1/3 수준에불과했다. 당시의상황을보면 대부분의하수와빗물이하수관거가아니라지상에그대로노출되었다는것으로당 시서울의위생수준이열악했음을알수있다. 그러나이때까지만해도하수처리 시설의필요성을인식하지못했다. 전쟁후서울로몰려든빈민들이청계천변판자 3) https://goo.gl/30i2cr 4) 총인구중공공하수처리시설및폐수종말처리시설을통해처리되는하수처리구역내하수처리인구의비율을말한다. 하수도보급률=( 하수처리구역내인구/ 총인구) 100 으로나타낼수있다. [ 곽동희, 2007, 상하수도용어집] - 76 -
촌에살면서청계천이거의하수처리장역할을했고, 여타서울시내작은하천들도 청계천과크게다르지않았다. 하수도보급률이 50% 를넘긴것은 1977년에들어서 였으며, 80 년대부터급속하게확충되기시작하였다. 1982~1983 년 1년사이하수도 보급률은 68.8% 에서 85.9% 로약 17% 증가하였다. 1980년대중반들어서울시의 하수도보급률은 90% 를넘어섰고, 1997년에는 100% 를달성하였다. ( 서울연구원, 2010) 1986 년아시안게임에이어, 1988 년올림픽게임이서울에서치러지게되자, 도시기 능의개선을위해하수처리시설이급격하게증설되었다. 이에따라 1980년대중반 을넘어서면서서울시하수도보급률은 90% 를넘어섰다. 1986년난지하수처리장 을기점으로중랑( 청계천), 탄천, 서남, 난지등의하수처리장이신설및증설되어, 1997년하수도보급률은 100% 에도달하게된다. ( 표 1). 표 1. 서울시물재생센터현황 시설용량 [M m3/day] 처리구역 중랑 난지 탄천 ( 민간위탁) 서남 ( 민간위탁) 159 86 90 163 498 10개구 7개구 1개시 4개구 2개시 9개구 1개시 서울시 계 25개구 경기도 4개시 일부 2005 년부터는하수처리장이라는명칭을물재생센터로개명하고, 하수를처리하는 것뿐만아니라, 유용하고필요한자원의하나로서의수자원을재생하기위한기술 적, 정책적노력을기울이게되었다( 그림 4). - 77 -
그림 4. 서울시물재생센터현황( 서울특별시물관리국,2009b) 서울시에너지자립정책 2011년당시서울의전력소비는 46,903 GWh로전국소비량의 10.9% 를차지했고, 에너지자립률은 2.8% 에불과했다. 낮은전력예비율로인해 2011년 9월 15일서울 을비롯한전국곳곳에서대규모정전사태가발생했다. 향후동일한형태의에너지 위기가발생될가능성이높아졌고, 전력대란에대비한전력자립능력제고에대한 필요성이대두되었다( 유외, 2015). 원전하나줄이기 정책의성공적수행으로당 초목표를추가달성한서울시는다음단계로, 2020년까지전력자립률을 20% 까지 높이기위해, 에너지살림도시, 서울 (2014년 8 월) 정책을수립, 추진하고있다. 또 한, 환경부의 에너지자립화기본계획 (2010년 1 월) 에따라, 2030년까지하수처리 시설에너지자립률 50% 달성을목표로, 전력절감및신재생에너지사업을지속적 으로추진할계획을수립하게되었다. 2016 년현재, 서울시물재생센터의에너지 자립화율은 51% 로이미계획을초과달성하였고, 향후 2020년 100% 자립화를위 한노력을기울이고있다. UN 의지속가능한개발목표(Sustainable Development Goals) UN 이 새천년개발목표(Millennium Development Goals) 를성공적으로수행하고나 서, 그다음단계로 2016년부터 2030 년까지의새로운목표로내세운것이 지속가 능한개발목표 이다. 2015년 12월 5 일, UN 상임위전체회의(General Assembly) 에 - 78 -
서 post-2015 SDG 의사일정이채택, 추진되게되었다. 지속가능한개발(Sustainable Development) 는여러가지로정의될수있지만, 국 제지속가능개발연구소 (International Institute for Sustainable Development, IISD) 에따르면, 가장널리사용되는정의는 Brundtland Report 로알려져있는 Our Common Future 라는보고서에서사용된정의이다. 지속가능한개발이란, 후세대 들이자신들의필요를충족시킬수있는능력에영향을주지않으면서, 현재의필 요를충족시킬수있도록하는개발 을말한다. UN 의 지속가능발전목표 는 17개 목표와 169 개의세부추진목표로구성되어있다( 그림 5). 그림 5. UN 의지속가능한개발목표(Sustainable Development Goals) 출처 : https://sustainabledevelopment.un.org/sdgs 193개국모든 UN 회원국들이합의한지속가능한개발목표의실제적인이행주체는 도시가되어야할것이다. 이런의미에서서울시는 2016년 6월 8 10 일, 지속가 능한개발목표를위한도시정책에대한국제포럼 (International Forum on Urban Policy for the Sustainable Development Goals) 를개최한바있으며, 향후지속가 능한개발목표를달성하는데앞장설것을약속했다. 지속가능한개발의전제는자원의효율적이용과재이용혹은지속가능한생산이라 고할수있다. 따라서, 모든부문에서의자원의효율적이용과생산은이러한의지 와계획을뒷받침하는데필수적이라할수있다. 이런의미에서하수처리시스템에 서의에너지생산은, 반드시포함되어야할시정어젠더가되었다. - 79 -
Water-Energy NEXUS 수자원을그자체로이용하거나, 처리를거쳐수돗물로만들어공급하는경우, 그리 고사용된하폐수를차집 5) 하고, 처리하고, 방류하거나재이용하는경우, 또는해수 를담수화하는경우, 모든수자원의생산과이용에는에너지가개입될수밖에없 다. 2011 년미국에서물과관련된시스템에사용된에너지는, 전체에너지사용량의 12.6% 이다(http://goo.gl/2pFxgQ). 하수처리에사용되는에너지는, 미국전체에너 지사용량의 0.1~0.3% 정도이다(Stillwell et al., 2010). 우리나라의경우, 공공부문 의전력사용량은전체사용량의 4.6% 이고, 이가운데 1.02% 가상하수도부문에서 사용되고있다( 최, 2015). 서울시의경우에는상수도가전체전력사용량의 0.8% 를, 그리고하수도가 0.9% 를사용하고있다(2013). 또한, 에너지의생산을위해서도물이필요하다. 화력발전의냉각수나수력발전용 수, 광물자원의생산을위해사용되는물, 그리고연료생산에필요한물등이에너 지생산에사용되는수자원이라고볼수있다. 미국의경우, 화력발전의냉각용으로 사용되는물은전체에너지생산에필요한물의 48.7% 를차지하고이는담수취수 (freshwater withdrawal 6) ) 의 52%, 담수사용량의 10% 에해당한다( 그림 6). 그림 6. 물과에너지의넥서스관계 출처 :http://goo.gl/ucozax 5) 서울시의하수도관거시스템은중력을이용한자연유하방식으로운영되기때문에, 차집이나방류를위한이송에너지는사용할필요가없다. 6) 에너지생산에사용되는물은대부분 withdrawal ( 취수) 이다. 즉, 사용후, 원래상태에큰변화없이기원이된수체(water body, water system) 으로회귀되는물사용을 취수(withdrawal) 이라고한다. - 80 -
하수도시스템에서선순환적인(virtuous) 물- 에너지넥서스(Water-Energy NEXUS) 를구축하기위한접근법으로는, 1) 에너지절약, 2) 시스템효율화, 3) 최적관리 전략(Best Management Practice, BMP) 활용, 4) 신재생에너지생산이있다( 최, 2015). 미국에너지부(Department of Energy, DOE) 의국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory) 의시나리오에따르면, 2050년까지신재생에너지 사용비율을 80% 로올리게되면, 발전분야에서사용하는수자원량의 50% 를절감할 수있을것이라고한다 (NREL, 2012). UN 의보고서에따르면, 2050년까지세계인구는 92 억명에이르게될것이고, 기본 적인에너지사용량은 80% 증가할것으로전망되고있다(Le Blanc, 2012). 신재생 에너지가차지하는부분 10% 남짓할것으로판단되지만, 현재로서는가장지속가능 한대안이기때문에, 할수있다. 물재생센터에서생산되는신재생에너지는그의미가크다고 대부분의하수처리장에서는, 에너지효율증대방안과처리공정의변화를통해 30% 정도의에너지사용을줄일수있다(Means, 2004). 특히, 포기조와펌프의효 율적인운영만으로도하수처리에사용되는전체에너지의 (Hoppock and Webber, 2008). 3~6% 를절감할수있다 따라서, 하수처리시설의효율적운영과함께, 신재생에너지생산은, 지속가능한물- 에너지넥서스(Water-Energy NEXUS) 의중요한요소일수밖에없다. 기후변화와물-에너지넥서스 기후변화로인한환경문제는물론, 물관련문제에대한논의는너무나많으므로 본보고서에서는생략할것이다. 다만, 기후변화로인해, 물-에너지넥서스가물- 에너지갈등관계(Water-Energy Conflict) 에대해언급하는것은, 서울시의하수처리 시설신재생에너지생산정책의배경을이해하는데도움이될수있을것이다. 기후변화로인한수자원의가용성(availability) 이감소하게될것이며, 가용성을높 이기위해필연적으로에너지사용량이증가할수밖에없다. 에너지수급과재정 적부담은물- 에너지갈등관계를증폭시킬수밖에없을것이다. 2015년도의가뭄 으로인한문제는다행히유가하락으로인한에너지수습문제가완화됨으로써, 물 - 에너지갈등관계가표면화되지않았지만, 향후기후변화로인한물-에너지갈등관 계의악화는언제든지발생할수있기때문에, 하수처리시설을포함한수자원시 - 81 -
스템의에너지자립화혹은에너지자립율향상의정책적필요성은상존한다고볼 수있다. 3. 정책의중요성 독일의경우, 도시전체에서필요로하는에너지의 100% 를신재생에너지를통해 공급하는지역이 20 여곳에이르고있다. 이가운데 15개도시가속해있는슐레스 비히홀슈타인주는, 독일최초로 100% 신재생에너지를사용하는주가되었다. 하지 만, 일년내내강풍이부는독일북부지역이라는점에서다른지역이나도시의사 례가되기에는어려웠다. 또한대부분의신재생에너지공급률 100% 의도시는대개 1 만명이하의소규모도시였다. 하지만, 2013년 6월프라운호퍼연구소가보고한 프랑크푸르트시의 기후보호를위한마스터플랜 에따르면프랑크푸르트시는 2050년까지탄소배출량을 1990년대비 95% 이상줄이고, 모든에너지수요를신 재생에너지로공급하기로했다고한다( 신, 2016). 서울시의경우에는이러한기후변화에대비한장기적, 전략적계획이아니라하더 라도, 2011년발생한대규모정전사태와같은비상상황에대처할수있는능력을 갖추기위해, 전기를절약하고, 신재생에너지생산을확대할필요성이시급하게대 두되었다. 따라서, 어떠한상황에서도필수적인도시기반시설을가동할수있도록 전력자립율을높이는것이, 서울시에너지정책의우선순위로부상하게되었다( 유 외, 2015). 시스템의효율성을높이고, 신재생에너지를생산해내기에가장적합한 도시기반시설가운데하나가물재생센터라고할수있다. 물- 에너지연관(Water-Energy NEXUS) 이선순환적으로이루어지도록하기위해서 는, 물관련공정(process) 에서필요한요소는, 시스템의효율성향상과에너지의 생산이라고할수있다. 또한, 하수처리장, 혹은물재생센터로유입되는하수는많 은양의유기물을포함하고있어그자체가에너지원이라고할수있으며, 그런 의미에서, 물재생센터의정체성혹은주요기능을, 하수 처리 에서에너지 생산 으 로전환하는것은의미있는일이라고할수있을것이다. 하수도는자본과에너지가집중적인프로세스로구성되어있다. 따라서, 방류수의 수질기준이강화될경우, 이는처리시스템의건설확대로이어질수밖에없어, 지자체에재정적인부담을가중시키게된다. 시스템효율향상과신재생에너지생 산을포함한, 하수처리시설의에너지자립화는지자체의재정부담을완화시키는 데에도크게기여할수있을것이다. - 82 -
4. 다른정책과의관련 新기후체제에관한 파리협정 채택 지난 2015년 12월프랑스파리에서개최된제21 차기후변화당사국총회(COP21) 에서 는新기후체제에대한 파리협정(Paris Agreement) 가채택되었다. 이협정은 2020 년이후부터교토의정서체제를대체하게되는새로운기후체제에대한것이었는 데, 선진국과개도국구분없이모든국가가전지구적인차원의기후변화대응노력 에참여하도록하였다는데에큰의미가있다( 김, 2016). 파리협정의주요내용은, 전지국적으로산업화이전과비교해서지구평균기온상승 을 2 C 보다 상당히낮은수준 으로유지하고, 온도상승을 1.5 C이하로제한하기 위해공동으로노력한다는것이다. 또한각국가에게 2020년까지장기저탄소개발 전략(long-term low greenhouse gas emission development) 을마련하여제출하 도록요청하였다( 김, 2016). 이에따라우리나라는 2015년 6 월, 2030년배출전망 치(BAU) 대비 37% 감축안을제시한바있다. 협정채택국가들은, 온실가스감축목표의효과적달성을위해, 다양한형태의국제 탄소시장설립에도합의하였다. 저탄소경제로의이행과지속가능한발전 파리협정의주요한의미가운데하나는, 이번협정으로인한신기후체제가저탄소 경제로의이행을위한플랫폼이될것이라는것이다. 화석연료에전적으로의존하 고있는우리나라의경우, 저탄소경제로의이행을위해서는, 에너지효율개선사 업과더불어, 신재생에너지의공격적인생산과활용정책이필요하게될것이다. 탄소저감을위한기술적인기반은, 에너지효율개선, CCS 7), 신재생에너지등이주 요감축수단이될것으로보이며, 이와관련해서, 국내에만, 2030년약 47.2조원의 시장형성이전망되고있다( 원, 2016). 2011 년, 서울시의온실가스배출량은 49,008천톤CO2eq로전국배출량의 9.8% 를 차지했는데, 인구와경제규모에비해전체국가발생량에서차지하는비중은낮은 편이었다. 하지만, 배출형태를분석해보면, 직접배출량의감소와간접배출량증가가 두드러지는데이는석유, 석탄등직접배출원에의존하던에너지사용이점차전 기및열에너지로전환된것을의미한다( 유외, 2015). 서울시는, 원전하나줄이기 2 7) CCS: Carbon capture and storage - 83 -
단계 에포함된사업을통해, 2020년까지온실가스 1,000만톤감축하겠다는목표 를설정했다. 이는 2011년대비 20.5% 의온실가스를감축한것과같다. 이러한목 표는, 건물에너지효율개선이가장큰부분으로전체의 28%, 신재생에너지생산, 절약실천, LED 보급을통한부분이각각 21%, 그리고수송부문 6%, 열생산부문 2% 를통해달성될계획이다8) ( 그림 7). 그림 7. 서울시 원전하나줄이기 2 사업을통한온실가스감축목표( 유외, 2015) 특히 2016년 6 월, 제 1회지속가능한개발목표를위한도시정책에대한국제포럼 (International Forum on Urban Policy for the Sustainable Development Goals) 을통해, 지속가능한발전을위한지방정부의주도권 을천명한바있는서울시의 경우, 지속가능한발전을위한목표달성과이를위한주도권을위한기술적기반 의확보는매우중요한일이라고할수있다. 따라서, 국가적인차원에서는물론, 서울시의차원에서도하수도시스템에서의신재생에너지생산은매우큰의미를갖 는다고할수있다. 5. 정책목표 유기물이풍부한하수를에너지와자원으로변환시킬경우, 이론적으로하수처리에 드는비용의약 10 배에해당하는에너지를생산할수있다고한다. 현실적으로는 그보다훨씬적은양의에너지를생산할수있지만, 실제로, 독일이나덴마크의하 수처리시설가운데에너지자급률이 100% 를넘은곳이있다. 8) 건물에너지효율개선 2,861천톤CO2eq, 신재생에너지생산 2,148천톤CO2eq, 절약실천 2,119천톤 CO2eq,LED 보급 2,094천톤CO2eq, 수송 576천톤CO2eq, 열생산 245천톤CO2eq - 84 -
2016년현재서울시하수처리시설의에너지자급률은 51.3% 이다. 서울시는 2020 년까지하수처리시설의에너지자급률을 100% 로향상시킬계획이다( 그림 8). 그림 8. 서울시하수처리시설에너지자립율목표 보다구체적이고장기적인서울시물재생센터에너지종합관리계획수립을위한용 역이시행중( 용역기간 : 2016년 5 월 ~ 2017년 1 월) 이며이를통해, 에너지중심 경영을위한종합계획( 단기, 중, 장기) 안이수립될것이다. 이에너지종합계획에는 1) 물재생센터에너지자립율목표설정, 2) 물재생센터에너지경영기반확립방안, 3) 에너지생산확대및에너지사업활성화방안, 그리고 4) 운영관리측면에서에너지절감, 효율화사업추진에관한사항이정리될것이 다. 6. 주정책내용 환경부, 하수처리시설에너지자립화기본계획 환경부에서는 2010 년하수처리시설에녹색기술을적용, 에너지를절감하고신재생 에너지를생산하기위한 하수처리시설에너지자립화기본계획 을발표했다. 이계 획에따르면, 당시국내하수처리시설에서사용되는전력은연간총전력사용량의 - 85 -
0.5% 였으며, 공공하수처리시설의에너지자립율은 0.8% 에불과하다고한다( 환경부, 2010). 환경부의에너지자립화계획은, 3 단계로구분되며, 1단계인 2010~2015 년에는에 너지자립율 18%, 2단계인 2016~2020년은 30%, 그리고마지막 3단계인 2021~2023년은 50% 를목표로삼고있다. 환경부는 1) 에너지절감, 2) 에너지자 립화기반구축, 3) 미활용에너지9) 이용, 4) 자연에너지10) 생산으로과제를세분화 하여사업을추진해나갈계획이다( 환경부, 2010). 서울시에너지정책 최근서울시의주요에너지정책은 원전하나줄이기 로수렴된다고볼수있다. 1단 계사업(2012~2014) 은원전1 기의생산량(200만 TOE) 만큼서울시의에너지사용량 을줄이고신재생에너지를생산한다는것이었고, 2 단계사업은, 에너지자립도시, 서울 을목표로추진하고있다. 1 단계사업의경우, 2014년도상반기신재생에너지 생산과에너지절감량은총 204만 TOE 로목표를초과달성했다. 2단계사업의목 표는 2020년까지서울의에너지전력자립율을 20% 까지올리는것이다( 서울특별 시, 2014). 서울시의에너지생산분야에서는하수열등폐열을회수하여생산된에너지가전 체에너지생산및절감량의 46% 로가장큰비율을차지하고있다( 표 2, 그림 9). 표 2. 서울시에너지생산 생산분야 계 [104TOE] 259,533 발전( 태양광, 연료전지등) 57,403 22.1% 폐열( 하수열, 소각열등), 지열생산회생전력 119,218 45.9 % 환경영향평가 82,912 31.9% 출처: 서울특별시, 2014 9) 소화가스, 소수력, 하수열 10) 태양광발전, 풍력발전 - 86 -
그림 9. 서울시에너지생산분야 출처: 서울특별시, 2014 하수도시스템에서의에너지절감과생산 앞서언급된 물재생센터에너지종합관리계획 의중점추진내용은, 크게 3분야로 정리될수있다. 첫째는 에너지자립화기반구축 으로, 노후시설의개선과슬러지 의자원화사업이포함된다. 둘째는, 에너지절감및신재생에너지생산확대추 진 이다. 이를위한사업으로는, 1) 전력수요관리를통한에너지절감, 2) 소화가 스에너지화확대, 3) 슬러지자체건조처리시설증설, 4) 미활용에너지적극발 굴등이있다. 세번째는, 에너지절감 으로, 하수처리시스템의공정관리강화및최 적관리, 에너지절감형하수처리공정의도입등이있다. 7. 기술적내용 하수처리시스템에서, 지속가능한물-에너지넥서스를구축하기위한접근법은크 게두가지로정리해볼수있다. 하나는시스템효율향상을통한에너지절감이고, 다른하나는하수와하수처리시스템으로부터신재생에너지를생산해내는것이다. 구조적으로볼때, 시스템의효율향상을기대할수있는부분은, 하수차집, 하수 처리, 물재이용, 처리수의방류로구분해볼수있다. 미국의경우, 1 m3의하수차집에사용되는에너지는 568,000 kwh이라고한다 (Klein, 2005). 노후관거를통한하수차집과정에서발생하는 I/I (Inflow and Infiltration) 문제는노후하수관거개선비용과합류식하수관거로유입된불명수로 - 87 -
인한처리효율저하이다. 다행히서울시의경우, 중력을이용해서하수차집이이 루어지기때문에이송에필요한에너지는사용되지않지만, 관거의노후화로인한 처리비용증가는가능성이있는시나리오이다. 하수처리과정에서의시스템효율향상은, 하수처리수에대한수질기준의경직성과 하수관련재정운영및지원의구조로인해, 한계가있을수밖에없다. 미국의경 우, 2000년부터 2019년까지 20년동안하수처리시스템개선을위해투자되어야 할예산규모가 130~209 억달러이다(CBO, 2002). 미국의경우, 하수처리공정가운데가장많은에너지를사용하는공정은포기조로, 전체에너지사용량의 54.1% 를사용하고있다. 하수펌핑에사용된에너지는 14.3%, 혐기소화에사용된에너지는 14.2% 를차지하고있다. 서울시의경우에는하 수처리자체공정에사용된에너지는전체의 64%, 슬러지처리에 15%, 공통설비에 21% 가사용되고있다( 최, 2015). 물재이용 11) 은, 하수처리시시스템의에너지절감보다는, 사용처에서물순환이이루 어짐으로해서, 정수처리를위한원수의이동과처리, 그리고배급수과정에필요한 에너지를줄일수있다는이점이있다. 하지만, 서울시하수처리수방류도역시중 력에기반하고있으므로, 이공정에서의에너지효율향상은전체시스템의에너지 절감에큰기여를하기어렵다고볼수있다. 따라서, 본보고서는, 서울시하수도 시스템의에너지절감및생산을위한물- 에너지넥서스의범위를, 생산이라는부분에한정해서다루었다. 신재생에너지 서울은일평균약 407만 m3 의생활하수가발생하고있으며(2014 년기준), 이를처 리하는과정에서발생하는바이오가스중일부는소각해왔다. 서울시의 4개물재 생센터중서북부지역에서발생하는하수를처리하는난지물재생센터는 월부터전국최초로바이오가스를이용한 2013년 3 3.1 MW급열병합발전소를설치하여운 영하고있다. 또한하수처리과정에서발생하는바이오가스 26,000 m3/ 일을한국 지역난방공사에공급하고, 한국지역난방공사는이를연료로이용해매년 20,000 MWh의전기와 24,000 Gcal의열을생산해 8,000 세대에공급하고있다. 또한서울 동북부지역의하수처리를담당하고있는중랑물재생센터는연간 598만m3의소화 가스를생산하여도시가스로판매하고있으며, 이를위한가스정제시설등사업비 78 억원은전액민간자본을유치하여설치하였다. 2016년현재서울시하수처리시설에서사용되는에너지는총 64,944 TOE 이며( 표 11) 미국의하수처리방류수의 7~8% 가재이용되고(EPA, 2012), 서울시의경우 2010년현재약 3% 만이재이용되고있다. 서울시는물재이용율을 2020까지 14.4% 까지끌어올릴계획이다. - 88 -
3), 이가운데전력사용량이 78%(50,781 TOE) 를차지한다. 표 3. 서울시하수처리시설에너지원별사용량 에너지원전력열회수유류 LNG 소화가스계사용량 50,781 5,391 41 22 8,709 64,944 [TOE, %] 78.2% 8.3% 0.1% 0.03% 13.4% 이전력에너지의가장큰소비공정은송풍기로전체전력사용량가운데 49%(24,811 TOE) 를사용하고있다( 그림 10). 따라서, 서울시물재생센터의신재생에너지전략은, 전력사용량의절감, 소화가스의 활용, 열회수의순서로우선순위가정해지게되었다. 그림 10. 서울시물재생센터전력소비 ( 이, 2016) 앞서논의된현실을반영한서울시 물재생센터에너지종합관리계획 의중점추진 내용은, 크게 1) 에너지자립화기반구축, 2) 에너지절감및신재생에너지생산확 대, 3) 에너지절감의 3 분야로정리될수있다. 에너지자립화기반구축 2020년서울시전력자립률 20% 를달성하기위한방안의하나로, 하수도시스템의 에너지자립화기반구축사업이진행되고있다. 앞서논의된바와같이하수처리시 설에서사용되는전체전력에너지가운데송풍기가차지하는비중은 50% 내외로평 가되고있다. 따라서, 노후화된송풍기를효율적인시스템으로교체하고, 역시전력 - 89 -
사용량비중이큰노후펌프를포함한제반설비를교체개선하는사업이진행되고 있다. 또한, 하수슬러지자원화를위한건조시설건설사업12) 이추진되고있는데이 로인한, 건조에너지생산량은 392 TOE 에이를전망이다. 에너지절감및신재생에너지생산확대추진 전력사용량절감을위한전력수요관리사업도추진되는데, 앞서논의된, 노후송풍 기를포함한대형기전설비를고효율, 절전형설비로단계적으로교체해나가고, 전 력성수기에는전력사용량관리를강화해나가는것이이사업의기본목표라고 할수있다. 신재생에너지가운데현재가장현실적으로활용되고있는소화가스는, 탈황설비정비로생산된가스의품질을향상시키고, 증산제를투입하여생산량을 증대시키는방향으로사업이진행될예정이다. 또한 2019년까지슬러지건조처리 시설을증설(1,175 톤) 하고, 슬러지건조처리잔재물을발전소연료로판매하는사업 을적극적으로추진해나갈계획이다. 아직적극적으로활용되고있지못한미활용 에너지의발굴도추진될예정인데, 특히, 방류수의낙차를활용한소수력발전사업 의확대 13) 와하수열을이용한지역난방공급사업도확대 14) 될예정이다. 에너지절감사업 신재생에너지생산이물재생센터에너지자립화사업의주요한축이라면, 에너지절 감은또다른주요한축이라고할수있다. 에너지절감을위한사업으로는하수처 리시스템의공정관리와최적운영사업이있다. 모니터링시스템을고도화하여운 전최적화를위한기반시스템을구축하는것과, 센터별, 공정별에너지원단위관 리를통해하수처리시스템의공정을효율적으로관리할수있도록하고, 유입폄 프운전최적화와, 부하변동에대응한송풍기의효율적인운전시스템도입으로공 정운전을최적화하는것이주요한사업내용이라고할수있을것이다. 또한, 탈수기 나농축기를위한고효율유압모터를도입하는등, 공정을도입하는사업도추진되고있다. 에너지소비절감형하수처리 기기나설비, 공정의개선과교체를통한효율제고는물론이고, 이러한내용을체계 화한운전매뉴얼을작성하고, 도준비중이다. 에너지절감을위한동기부여를위한인센티브도입 12) 하수슬러지자원화건조시설건설사업: 건조에너지생산량 392TOE, 추진기간 : 2016. 1. ~ 2019. 12.( 현재기본및실시설계용역중), 건설용량 : 1,175 톤/ 일 ( 중랑 350, 난지 130, 탄천 140, 서남 555 톤) 기존건조시설 : 950 톤/ 일 ( 이, 2016) 13) 방류수소수력발전사업확대: 중랑 60kW, 탄천 60kW 14) 하수열이용지역난방공급확대( 서남): 마곡지구에연간 15만 Gcal 공급(2017년 10 월준공예정) - 90 -
신재생에너지추진사업 서울시가추진중인 에너지살림도시, 서울 사업계획에서는 2020년까지전력자 립률목표를 20% 로설정했다. 이를위해 2015년까지추진되었던사업은다음과같 다( 그림 11). 그림 11. 서울시물재생센터신재생에너지시설 [ 시계방향으로, 열병합발전시설( 서남), 하수열지역난방공급시설( 탄천), 태양광발전( 서남), 소 수력발전( 서남), 소화가스발전시설( 서남), 지하공동구자연채광시설( 중랑)] 소화가스연료화사업은하수처리과정중발생하는소화가스를도시가스연료로공 급하는사업으로, 물재생센터내슬러지처리시설, 음식물처리시설로, 4개물재생센 터에설치운영중이며, 연간약 25,000TOE 의에너지절감효과를거두고있는것 으로분석되었다. 태양광발전사업은, 상대적으로넓은물재생센터의부지를활용하여태양광발전사 업실시하는것으로서울시의투자뿐만아니라, 민간자본사업도포함된사업이다. 4개물재생센터에총 5,545 kw 규모의태양광발전시설을설치운영하는것이다. 이사업을통해연간약 타났다. 1,586 TOE의에너지절감효과를거둘수있는것으로나 바이오가스연료열병합발전은, 소화가스를이용하여열병합발전을함으로써, 열과 전기를동시생산, 공급하는사업이다. 소화가스연소로인한열은소화조가온에 우선적으로공급되고, 잔여열은지역난방공사에활용하며, 생산된전기는전력거래 소에판매하는것이열병합발전사업의수익모델이라고할수있다. 이사업은 민간투자사업으로수행되고있으며, 현재난지물재생센터에 3.06 MW, 서남물재 - 91 -
생센터에 5.8 MW 규모의발전시설이설치운영될것이다. 지하공동구자연채광사업은, 지하공동구조명에태양광을직접사용하는것으로, 쾌적성및살균효과등으로지하공동구환경을개선할수있는사업이다. 물론에 너지생산이라는측면에서큰규모는아니지만, 연간약 20 TOE의에너지절감효 과가있는것으로분석되고있다. 현재, 중랑과서남물재생센터의포기조지하공 동구총 245 개소에설치, 운영중이다. 방류수열회수사업은, 방류수에잠재하는 열을열펌프로회수하여, 관리동을비롯한물재생센터내건물의냉난방에활용하 는사업이다. 현재난지와서남물재생센터관리동의냉난방에활동되고있으며, 연 간약 12 TOE 의에너지를절감할수있는것으로분석되었다. 가장현실적인사업가운데하나인, 소화가스의도시가스공급사업은, 민간투자사업 으로이루어지고있는데, 버려지던소화가스를정제하여, 도시가스로일반가정에공 급하는사업으로, 중랑물재생센터에서생산된소화가스를매일약 26,000 m3규모 로공급하고있다. 이사업을통해, 매년도시가스 5,280,000 m3을약 7,000세대 가정에공급하고있다. 실질적인효과가있는또다른사업은, 하수열을활용한지역난방공급사업으로, 이 사업역시민간투자사업으로진행되고있으며, 하수처리수의열을지역난방공급을 위한열원으로활용하는것이다. 현재탄천물재생센터에서는연간 20만Gcal 이상 의열을생산하여, 아파트 2 만세대난방을공급하고있다. 2016년들어새로이추 진되고있는신재생에너지사업은소수력발전과하수열활용지역난방공급사업 의확대이다. 앞서탄천물재생센터에서공급되던연간 20만 Gcal의하수열지역난 방사업에더해, 서남물재생센터의하수열을, 인근에조성중인마곡지구지역난방 에활용하는사업이민간투자사업으로추진되고있다. 이사업을통해, 마곡지구에 연간 15만 Gcal 의지역난방이공급될예정이다( 그림 12). 그림 12. 서울시하수열이용지역난방공급도 - 92 -
방류수를활용한소수력발전사업은, 물재생센터의방류수 ( 낙차) 를이용한소수력 발전사업으로, 서남물재생센터에서는 2015년 4 월부터상업발전(100 kw) 이시작 되었으며, 중랑센터는 2015 년 11 월, 60 kw 의발전시설의건설이착공되었다. 이사 업을통해, 물재생센터처리방류수의버려지는위치에너지를활용함으로써, 신재 생에너지확대보급에기여할수있을것으로보인다. 그림 13. 서울시물재생센터신재생에너지생산비율 8. 정책효과 물재생센터기능변화와에너지자립률제고 서울시물재생센터는, 생활속하수를처리하는하수처리기능만이강조되어왔다. 하지만, 현대의물재생센터는, 버려지는하폐수를원료로새로운수자원을생산하는 것뿐만아니라, 하폐수내에존재하는자원을활용하여신재생에너지를생산하는 에너지생산기지로그기능과의미가바뀌고있다( 그림 14). 즉, 물재생센터의주요 기능이하수처리에서신재생에너지생산과자원회수로바뀌고있다는뜻이다. 이를통해서울시는, 에너지소비도시에서에너지생산도시로변모하겠다는 원전하 나줄이기 2 단계 사업은물론, UN의지속가능한발전목표달성과파리협약을통해 전세계가동참하고있는저탄소경제로의이행목표를달성할수있는정책적, 기 술적기반을마련했다고할수있을것이다. - 93 -
PPP(Public-Private Partnership) 사업모델의효과적활용 에너지관련시설을포함한도시기반시설의건설과운영에는막대한예산이필요하 게된다. 특히, 서울시의시설은그규모면에서대한민국최대라고할수있으며, 이는공공부문의능력만으로시행하기에는실제적인어려움이많은사업이라는것 을의미한다. 하지만, 서울시는공공예산투자에대한막대한부담을해결하기위해 서울시, 민간사업자, 지역에너지사업자가공동으로투자, 건설, 운영하는다자간협 력모델을도입하여, 물재생센터신재생에너지생산및공급사업을추진하고있다. 특히하수열을이용한지역난방공급사업은, 전국최대규모로민관이공동으로 협력하는 PPP 사업모델이성공적으로적용된것이라측면에서정책적의미가크다 고할수있을것이다. 방류수의낙차를이용한소수력발전시설건설및운영사 업에도유사한사업모델이적용되었다. 즉, 물재생센터신재생에너지사업과관련되 어적용된사업모델은, 서울시가방류수및열생산시설에필요한부지를제공하 고, 사업과관련된행정절차를지원하고, 민간부문은설계, 시공, 운영관리를포함 한프로젝트에필요한사업비를투자, 시설을설치하고, 사업완료후에이시설에서 생산된에너지판매로수익을내는구조로이루어져있다. 특히, 서울시물재생센터의하수열지역난방공급사업은, 지역에너지사업자는고가 의 LNG를사용해공급하던지역난방을저가의하수열로공급함으로써난방공급단 가를낮춰새로운열수요에대처하고예비열원을확보, 공공, 민간, 에너지사업자가 서로보완, 협력하는 신성장녹색산업모델 로평가되고있다( 최, 2016). 기술적어려움의극복과신기술의확대 물재생센터방류수의낙차를활용한소수력발전사업의경우, 설치되는발전기는, 낙차가 2 m이상되어야발전이가능한기존발전조건의한계성을뛰어넘어, 2 m 이하의저낙차에서도, 유속과유량을이용, 발전효율을극대화할수있는저낙차 흐름식발전기라는데의미가있다( 백, 2014). 저낙차조건에서도유량과유속을이 용하여발전이가능하도록함으로써, 국내외유사입지조건을갖춘물재생센터에도 적용이가능한사례가될수있을것으로보인다. 또한, 보급단계인저낙차흐름식 발전기가성공적으로운영될경우, 새로운성장동력사업으로, 기술개발보급확대 에따른일자리창출에도기여할것으로판단된다. 온실가스저감과저탄소경제로의이행 - 94 -
그림 14. 서울시물재생센터신재생에너지생산개념도 출처 : https://goo.gl/v5bxpe 서울시는 2015년물재생센터에너지자립률 51.6% 를달성하여, 환경부가 하수처리 시설에너지자립화기본계획 을통해제시한목표를 15 년앞당겨달성했다. 서울시 4개물재생센터에서하수처리를위해연간필요한에너지는하남시 7만가구가사용 하는에너지와비슷하다고한다. 서울시는 2015년하수처리공정에서발생하는미 활용에너지활용과에너지절감을통해속초시 3만7천가구가사용할수있는정 도의에너지를생산, 절감했다. 비용으로는약 354억원상당의비용절감효과를 거두었으며온실가스 3.5만톤분량의 CO2 배출량을감소시킬수있었다. 9. 주요장애요소/ 장애극복방법 앞서도논의된바와같이, 주요장애는, 신재생에너지를생산하기위한재정적, 기 술적어려움이다. 다른도시기반시설도마찬가지이지만, 에너지의생산과자원회수 를위한시설의건설과운영에는엄청난규모의재정적투자와운영상의기술적어 려움이존재한다. 이러한장애를극복할수있는방법은, PPP(Public-Private Partnership) 사업모델 을통한민간투자및기술의도입이라고할수있다. 예를들면, 서울시는사업부 지를임대해주고, 민간사업자는발전시설을설치, 운영하고, 생산된전기를판매하 도록하는것이다. - 95 -
현재까지성공적으로운영되고있는서울시물재생센터신재생에너지생산및자원 회수시설의설치와운영은, 향후민간과공공의협력사업모델의좋은사례가될 수있을것으로판단된다. 금을포기하는생산자가많아재활용품수급에크게도움 이되질않았다. - 96 -
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