29 제4차 산업혁명과 도시의 진화 환경기술 혁신이 예견하는 지속가능형 도시정주환경 패러다임 장성주 교수 schang@kaist.ac.kr KAIST 건설 및 환경공학과 01 현대도시의 미래 호주 브리즈번의 크리스털 워터스(Crystal Waters) 생태 공동체는 인간이 문 명공간에서 벗어나 순수한 대자연의 품으로 회귀했을 때 구현 가능한 삶의 양식 을 보여준다. 전체 259헥타르 가운데 주거지 면적 20%를 제외한 모든 대지는 자 연적인 상태 그대로의 공유지로 남겨두고, 이곳에서 공동체 구성원들은 지속가능 한 방식의 농사와 임업생활을 영위하고 있다. 그야말로 맑은 공기와 물 그리고 오 염되지 않은 토양에서 생산된 먹거리를 향유할 수 있는 이상적인 삶의 터전으로, 건강하고 안전한 생활과 활발한 사회적 상호작용 또한 가능하다는 사실을 입증하 고 있다. 그림1 호주의 자연친화형 생태마을 크리스털 워터스 자료 http://www.newfarm.org/international/features/0604/australia/
특집 30 그러나 애석하게도, 대부분의 지구촌 사람들이 도시적 삶을 영위하고 있다는 현실을 고려할 때 이와 같이 자연친화적인 생태환경이란 일종의 실락원 이 아닐 수 없다. 그동안 인공 환경을 구축하는 데 집중해온 인류는 규모와 복합성 측면에 서 자연으로부터 너무 멀리 떠나와 있기 때문이다. 다만 좀 더 나은 삶의 질을 추 구하는 노력들이 끊임없이 이어지고 있다. 예컨대 고도의 기술혁신에 기대어 환경 오염이나 지구 온난화와 같은 문제를 해결하고자 하는 다양한 시도들을 확인할 수 있다. 구체적으로 어떠한 모색들이 수행되고 있는지 이제부터 짚어보고자 한다. 올해 개최된 다보스 포럼의 화두는 21세기의 첨단문명의 새로운 혁신을 예고하 는 제4차 산업혁명(Industry 4.0) 이었다. 이것은 18세기 초 증기기관을 통한 기 계혁명, 20세기 초 전기의 발명에 따른 생산혁명, 20세기 후반 전기 및 정보기술 기반의 자동화 생산체계를 이룬 3차 산업혁명을 거쳐, 소위 사이버-물리 시스템 (Cyber-Physical Systems, CPS) 에 기반한 4차 산업혁명이 도래했음을 상징한 다. 알파고와 같은 인공지능, 자율주행 자동차, 사물인터넷(IoT), 3D프린팅, 바이 오 메디컬 기술 등의 새로운 발전은 이미 4차 산업혁명의 전조라 할 수 있다. 인터 넷에 연결된 스마트 기기들과 사물들은 우리가 일상적으로 사용하는 스마트폰처 럼 스스로 데이터를 축적하고 해석하고 프로그램을 갱신하는 프로세스를 거치는 데, 이로써 인간과 인위적 환경 시스템 간의 운용방식에도 극적인 변화가 나타날 것으로 예상된다. 당연히, 우리의 생활기반인 도시의 물리적 환경을 개선하고 도 시환경 문제를 해결하는 분야에서도 그러한 변화의 기미가 나타나고 있다. 02 지속가능한 도시를 위한 새로운 도약 : 순환형 도시 신진대사 과연 인간은 외부로부터 완전히 차단된 인공환경에서 살아갈 수 있을까? 1989 년 미국 애리조나주에서 이러한 인공 생태계를 실험하기 위한 시설물 바이오스피 어(Biosphere) 2 가 지어진 바 있다. 바이오스피어 2는 인간이 외부와 차단된 상태 에서도 100% 생명활동이 가능한 인공 환경을 구현하고자 하는 세계적 열망을 실제 화한 구조물이다. 약 3.14에이커의 대지에 최고 높이 91피트, 6,500개의 창문과 약 720만 입방피트의 유리표피로 구축된 30만 평방피트 면적에 다양한 내부공간들을 조성하고, 외부와 완전히 차단된 상태에서도 생존에 필요한 물 에너지 식량 산 소 자원 등이 자체적으로 공급되는 첨단기술과 시스템 기반이 마련되었다. 결과
31 제4차 산업혁명과 도시의 진화 그림2 바이오스피어(Biosphere) 2 전경 자료 John de Dios, 2011 적으로 이 실험은 실패로 끝나고 말았지만, 지속가능형 인공 환경에 대한 전 지구 적 열망에 비추어 적지 않은 교훈을 남겨준 선구적 시도로 평가되고 있다. 이러한 지속가능형 정주환경을 가능하게 하는 원리를 순환형 신진대사 (circular metabolism) 라고 한다. 즉 정주환경 내부에서 물과 공기, 에너지와 식 량 등 모든 인간 생존에 필요한 리소스들을 최대한 작동시켜 100%에 가까운 자족 성을 확보하는 것이다. 그리고 이 개념은 현재 우리가 사는 도시에 적용되고 있다. 3L(3 Low, 저비용 저자원 저에너지)을 통해 도시의 탄소 중립과 고도의 지속가 능성을 실현하는, 일명 순환형 도시 신진대사 라 할 수 있다. 03 지속가능한 도시환경을 위한 스마트 통합관리 체계 도시환경의 숙제들 오늘날 전 세계 인구의 반 이상이 도시에 거주하고 있는 상황에서 정주환경의 핵심요소라 할 수 있는 생태적 건강성과 지속가능성이 심각한 도전을 받고 있다. 이에 따라 다양한 대응책들이 탐색되고 있다.
특집 32 그림3 지속가능성 증진을 위한 순환형 도시 메타볼리즘 개념 식량&물 연료& 에너지 공산품 목재 & 펄프 무공해 에너지 기술& 최대효율 공산물 목재펄프 식량생산 선형 대사작용 선형 대사작용에서 순환형 대사작용으로 전환 순환형 대사작용 대규모 식목 (CO 2 흡수) 하수 연소한 가스 가정 & 공장 쓰레기 일회용품 쓰레기 지구 영양분 순환 황화 산소/ 질화산소 제거 재활용 상품 (공해 최소) 선형 대사작용 순환형 대사작용 우수사례 자료 KAIST 건설 및 환경공학과 지능형 토지주택연구원 김정곤 제공 먼저 도시의 물 문제와 관련하여, 물 공급 및 사후처리 인프라는 기본적으로 상 하수처리 시설 기반으로 유지할 수 있으나, 물 부족이나 수질 악화 등의 문제 를 해결하기 위해서는 수자원의 재활용을 통한 중수 및 우수처리 시설이 필수적으 로 자리 잡게 될 것이다. 도시의 폐기능을 좌우하는 대기질 환경 역시 시급한 해결 을 요하는 실정이다. 특히 최근 들어 심각해지고 있는 황사 및 미세먼지 현상은 도 시민들의 일상적인 야외활동을 저해하는 큰 장애요소로 떠오르고 있다. 대기에 퍼 져 있는 미세먼지에는 오존 질산화물 황산화물 같은 유해기체들이 포함되어 있 어 인체 건강을 위협할 뿐만 아니라 경제활동에도 위협을 끼치고 있다. 그런가 하 면 토양의 오염도 무시할 수 없는 수준에 도달했다. 토양의 산성화, 중금속이나 농 약 등의 화학물질에 따른 오염, 오일을 비롯한 각종 독성물질로 인한 지하수 오염 이 심각한 상황에 처해 있다. 토양 및 지하수 오염은 가정의 식탁에 오르는 식량자 원을 해치는 만큼 피해를 경감하기 위한 기술과 대응체계 그리고 철저한 예방책이 절실한 상황이다. 가정이나 사업장 등에서 발생하는 각종 폐기물 관리도 중요하다. 폐기물을 수 거 분류 처리하고, 이 과정에서 유용한 자원이나 에너지를 회수하는 작업은 지 속가능한 도시환경 구축과 운영에 필수적인 분야이기 때문이다. 따라서 도시환경
33 제4차 산업혁명과 도시의 진화 정화 및 자원 순환을 확대하기 위해 하수처리장, 소각장, 매립지, 음식물쓰레기 처 리시설, 건설 폐기물 처리시설 등의 효과적인 설치와 운영이 요구되고 있다. 이에 따라 폐기물을 저비용 친환경적으로 처리하여 유용한 물질과 에너지를 회수하는 다양한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 예컨대 소각장에서 폐열을 회수하여 전력을 생산하거나 난방 및 온수공급에 활용하고, 하수로부터는 메탄과 슬러지를 회수하여 연료나 비료 등을 생산하고, 매립지에서 메탄을 추출하고 음식물 쓰레기 로부터 퇴비 사료 메탄 등을 회수하고, 건설 폐기물 중 폐콘크리트로부터 도로 포장재 노반재 조골재 세골재 등의 재생골재를 생산하는 등 각종 폐기물을 자 원화함으로써 도시의 지속가능성을 제고하는 기술이 속속 개발되고 있다. 쾌적한 도시환경을 만들기 위해서는 당연히 통합적인 관리체계가 정비되어야 한다. 통합적인 관리체계란, 대기 수질 토양 폐기물 녹지 등 단위별 오염물 질에 대한 환경정보를 종합적으로 분석하고, 오염배출 추적과 사전예방 및 대응 복구가 가능한 시스템을 의미한다. 또한 여기에는 위치정보가 결합된 환경측정 관 련 센서정보, 오염원 정보의 수집, 오염정보 알림, 오염상황 대처용 정보제공, 오 염배출 추적 및 예측, 외부 연계 등의 장치가 결합된다. 정보를 제공하는 다양한 과정은 지그비(Zigbee), 무선랜 접속망, 유무선 인터넷, 음성, 문자 메시지 등이 가능하다. 물과 공기 오염에 대항하는 스마트 시스템 지구상의 물은 99%가 바다에 있고 나머지 1%를 약간 상회하는 물에 인류의 문 명과 생존이 걸려 있다. 좀 더 구체적인 수치로 말하자면, 지구상에 존재하는 물의 총량은 약 13억 6,000만km3인데, 그중의 97.2% 이상은 바닷물이며 육지의 담수는 2.8%에 불과하다. 그나마 담수 중의 77%는 어떠한 형태로도 사용이 불가한 극지 방의 빙산과 빙하로 존재하기 때문에 인간은 나머지에 해당하는 지하수와 지표수 에 의지하여 살아가고 있다. 이러한 사실은 지구 생명체에게 물이 얼마나 소중한 자원인가를 새삼 깨닫게 만든다. 더불어 건강한 자연계 순환과 건강한 인류사회를 위해 도시에서 사용하는 물을 친환경적으로 처리하여 자연계에 순환시키거나 재 활용하는 시스템의 중요성도 일깨운다. 이 경우 물 문제에 관한 순환형 신진대사 모델이 개발될 필요가 있다. 최근 IBM은 세계적인 물 문제를 해결하기 위한 수자원 및 수질 통합운영관리 모 델을 제시하고 개발 중에 있다. 스마트 센서 네트워크를 기반으로 한 원격 모니터 링 기술을 적용하는 이 모델은 단순히 오염물질 및 누수 등을 실시간으로 모니터링
특집 34 하는 수준을 넘어서 수리 수문, 수질, 환경 영향 등에 관한 정보를 실시간으로 교 환하면서 사전 프로그래밍된 의사결정 시스템에 따라 자동 운전제어 기능을 최적화 하는 기술이다. 미국 IBM의 비콘 연구소(Beacon Institute)가 개발한 REON(River and Estuary Observatory Netwok)은 그러한 기술 노력을 보여주는 대표사례라 할 수 있다. 통합 센서 네트워크와 로봇기술, 컴퓨터 해석기술을 통해 뉴욕의 허드 슨 강 315마일을 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템이 구축되었다. 그림4 도시 내 물이용 및 재이용 개념도 수원 상수처리 지표수 재충전, 저수지 보충 도시의 물이용 처리된 폐수는 강, 시냇물, 호수, 바다 등으로 돌아가 다시 수원이 되어 계속 순환된다. 정수 고급처리 하수처리 자료 http://www.portal.environment.arizona.edu/events/1439 그림5 IBM의 수자원 및 수질 통합 운영관리 개념도 ❶ - 상류 처리장부터 정보수집 가능 ❹ - 무선 네트워크가 계량기와 센서를 중앙 콘솔(console)로 연결 ❺ - 날씨, 기후, 수문 모델이 물의 질이나 물가용성에 미치는 영향에 대한 부가적인 통찰력 제공 ❷ - 센서가 모든 물의 유입와 유출구에 배치되어 주요 오염물질 감지 - 배수되는 물도 계량기로 측정 - SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition, 원격감시제어데이터수집) 시스템에서도 데이터를 수집 ❸ - 과거 데이터나 원격 센싱 결과, 지리정보 서베이 결과 등 외부의 데이터 수집 ❻ - 웹 콘솔이 모든 물 관련 데이터의 컨트롤센터 역할을 하며, 물의 가용성, 품질, 에너지 비용 등에 미치는 모든 변수가 드릴다운(drill-down) 가능 - 필요시 알람 기능 가능 - 여러 장소의 정보 롤드 업(rolled-up) 가능 ❼ - 고성능 분석체계가 부가적인 예측 역량을 제공 자료 Pinna Vortman, 2009, Advanced Water Management: Smart Water, IBM
35 제4차 산업혁명과 도시의 진화 현재 물관리 기술에 대한 연구는 미국과 일본이 선진적인 성과를 나타내고 있 다. 주된 분야는 통합 물관리, 하수 재이용, 수질 모니터링, 분리막 분야 등이다. 특히 ICT 기반 수질 모니터링, 수자원 재이용 기술, 실시간 수질관리 및 능동형 수 자원 이용을 통한 수자원 안정성 확보기술 등을 포함하는 수처리 분야와 수자원 감시 분야, 수질 관리, 수자원 재활용 기술 등이 주목받고 있다. 또한 네트워크 기 반의 전력 제어 측정 관리기법 등이 IT기반 수자원 관리 기술에 적용될 예정이 며, 기후 변화 및 에너지 문제 등 새로운 이슈에 대응하기 위한 워터그리드(Water Grid) 지능화 기술연구의 활성화 또한 기대된다. 수질환경 관리를 위한 해외 혁신사례 네덜란드의 가압 부상조 수처리 기계 폐수 및 하수처리 분야에서 혁신적인 기술을 선보인 사례로는, 네덜란드에서 개발한 경 사판 분리 시스템을 활용한 가압 부상조(Dissolved air flotation using tilted plate separation system)를 예로 들 수 있다. 이 수처리 기계는 용존 공기와 결합하여 부상한 슬러지를 스크레이퍼와 경사판 분리 시스템을 활용하여 제거하는 방식으로, 오염물질(유류, 가스, 고체 등)이 입자 크기와 농도 차이에 따라 중력분리된다. 이때 주름진 경사판을 사용 하여 분리면적 및 오염물질 분리효과가 증대되고 장착된 공기 스크레이퍼의 미세기포가 부 유물질과 기름을 상층부로 끌어올리고 형성된 슬러지 층은 슬러지 저장탱크로 분리된다. 10-250M3/h의 처리용량을 지닌 이 시스템은 석유 가스 식품 자동차 등 각종 산업현 장에서 폐수 전처리 기계로 활용 및 건강한 물 환경 조성을 위한 기반시설로서 그 역할이 기대되고 있다. 일본의 자동 온라인 크롬 분석기 일본에서 개발된 자동 온라인 크롬 분석기(automatic online analyzer for total chromium)는 산업 폐액의 전체 크롬에 대한 온라인 비색 분석장치로, 적은 양의 폐액 사 용(1.1L/월)으로 한 달 동안 시약을 교체할 필요가 없으며, 전체 크롬의 농도에 의해 자동 으로 변환되는 두 가지 측정 범위(0.04-2, 0.1-5mg/L)를 가질 뿐 아니라 샘플 필터의 자 동 역세척과 각 사이클의 자동 세정 및 자동 교정이 가능하고, 5.7인치 컬러 LCD 터치패널 을 통해 정보 가시화를 지원함으로써 물 분석(폐수, 음용수, 하천수) 및 수질 관리는 물론 식 품 제약 도금 화학공업 등의 지원이 가능하다고 한다.
특집 36 일본의 고효율 열 가수분해 방식 혐기성 소화조 역시 일본에서 개발된 고효율 열 가수분해 방식 혐기성 소화조(High efficiency anaerobic digester with thermal hydrolysis unit)는 하수 공장에서 널리 사용되는 혐기성 소화조의 열 가수분해 방식으로 슬러지의 체적 감소와 바이오 가스 회수를 가능케 하는 시스템이다. 이 시 스템을 활용하면 슬러지 열 가수 분해장치 사용으로 슬러지 용적의 감소와 바이오 가스 회수 를 향상시키고, 유기물질 분해속도가 10% 증가되고, 고효율 혐기성 소화 기술로 회수되는 바 이오 가스의 양이 30% 증가하며, 약 15일의 소화시간 감소, 5~7%의 슬러지 부피 감소, 소화 슬러지의 탈수속도 증가 효과를 볼 수 있으며, 탈수된 슬러지의 용적 또한 이전 시스템에 비 해 50%를 감소시킬 수 있다. 또한 간단한 열가수분해장치로 구성되어 있어, 전체 시스템의 비용 절감과 기존 공장 혹은 새로운 공장에 모두 적용이 가능하며, 실행 및 유지보수가 용이 하다는 장점을 지녀 하수공장 등 폐수 처리가 필요한 공업 분야에 보급될 예정이다. 미국의 저영향개발(LID) 기법 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법은 주지하다시피 1990년대 미국에서 제안된 우수의 토양침투 저류 여과 순환을 목표로 하는 친환경적 물관리 체계로, 그동 안 미국 영국 호주 독일 등의 주택단지 개발에 광범위하게 적용되어 왔다. 이러한 LID 개념은 지표수와 지하수의 보전을 도모하고 다양한 설계기법을 통해 하천과 자연생태계 및 생물자원을 보존해주는 전략으로 알려져 있다. 그림6 저영향개발(LID) 원칙을 적용한 최적관리기법(Best Management Practice, BMPs) 침투 기법 집수와 재이용 기법 생물학적 침투 기법 우수의 토양침투를 유도 사업지구의 현재 토양상태와 주변환경에 따라 적용기법이 상이 우수의 집수와 저장, 재이용을 통해 우수 유출의 양적 완화를 도모 위치와 강우량에 따라 적용방 안 상이 토양침투와 집수방안으로 효율 적인 우수저감에는 한계 발생 주로 염못, 습지, 식생대 등 경 관시설로 조성 생물학적 침투는 기존의 최적 관리기법(BMP)와 비교하였을 때 규모가 큼 유역 침투 (Infiltration Basins) 물탱크 (Cistern) 식생체류지 (Bioretention) 갱도 침투 (Infiltration Galleries) 생물학적 침투 (Biofiltration) 투과성 도로 포장 (Permeable Pavements) 녹지와 풀이 무성한 습지대 (Vegetated swales) 자료 최희선, 2015
37 제4차 산업혁명과 도시의 진화 미국 오리건주 포틀랜드의 태너 스프링 공원(Tanner Spring Park)에서는 이러한 LID 개 념 적용의 일환으로, 도로변 및 주변 건축물에서 유입되는 빗물을 끌어들여 연못의 수원( 水 原 )으로 활용하고 있다. 이는 공원 내 다양한 녹지공간과 수공간을 제공하여 시민들에게 활 력을 선사하고 도시환경의 미관을 도운 사례다. 그림7 미국 오리건주 포틀랜드 태너 스프링 공원의 LID 적용 우수활용 연못 사례 자료 최희선, 2015 물 관리만큼이나 대기오염 관리도 많은 연구가 집중되고 있다. 먼저 환경부에 서 공개한 미세먼지의 국내 배출현황을 살펴보자. 초미세먼지(PM2.5)의 직접배 출(1차 생성물)과 간접배출(2차 생성물)-NOx, SOx 등이 대기 중에서 수증기, 암 모니아 등과 반응하여 2차 생성된 미세먼지-은 약 1대 2의 비율을 나타내고 있다. 지역별로는 수도권에서 경유차(29%), 건설기계 등(22%), 냉난방(12%) 순으로 배 출이 많고, 전국적으로는 사업장(41%), 건설기계 등(17%), 발전소(14%) 순으로 조 사되었다. 이에 우리 삶의 질을 심각하게 저해하는 미세먼지를 감소시킬 다양한 방안들이 제시되고 있다. 경유차의 미세먼지 배출기준 강화, C경유버스의 CNG 버스로의 대체, 전기차 등의 친환경차 확대, 노후 경유차 수도권 운행 제한, 건설 기계 등 비도로 이동오염원 배출 저감, 석탄발전소의 점진적 폐지, 공장 등 사업장 미세먼지 배출 규제, 도로먼지 청소차 보급, 폐기물 불법 소각 제한과 같은 국내 배출원 저감 정책과 지속가능한 친환경 도시 및 제로 에너지 빌딩 확산, 신재생 에 너지, 전기차, 전기 저장장치와 같은 에너지 신산업 육성책이 있다. 또한 한국의 상황에 적합한 미세먼지 예보모델 개발, 황사-미세먼지 통합 협 업시스템 강화, 미세먼지 발생원별 발생량과 구성성분 및 장 단거리 이동 및 유 입 확산 기제의 근본적 규명, 버스 선박 드론 등에 장착할 수 있는 이동형 초
특집 38 소형 IoT 기반 미세먼지 측정기술 개발을 포함하는 다각적인 대책이 거론되고 있 다. 이러한 맥락에서 볼 때 센서 네트워크 기반의 대기오염 관리기술은 황사나 미 세먼지를 포함하여 대기 중의 오염물질과 악취물질 및 오존에 대한 모니터링, 관 리를 통한 대기오염 감축에 대한 효용성을 기대할 수 있다. 그뿐만 아니라 오염지 수에 따른 대민경보 및 신속한 대처방안을 수립할 수 있는 기반을 제공하는데, 공 용시설에 유해가스 측정센서를 부착하여 유사시 운영센터로 자동 전송되는 방식 은 사고 예방에 크게 기여할 것으로 전망되고 있다. 그림8 산업체 유발 대기오염원 예시(좌)와 미국의 대기질 표준체계표(우) 자료 www.shutterstock.com(좌) www.epa.gov/criteria-air-pollutants/naaqs-table(우) 대기환경 관리를 위한 해외 혁신사례 독일의 축열식 연소산화기술 현재 도시의 공기와 물을 깨끗하게 유지하고 순환시키기 위한 다양한 기술과 전략들이 전 세계적으로 개발되거나 이미 적용되고 있다. 먼저 배출가스 처리 및 미세먼지 저감과 관련한 해외사례로는 독일에서 개발된 축열식 연소산화기술(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)이 손꼽힌다. 이 기술은 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compound, VOC) 을 산화시켜 청정공기를 만드는 시스템으로, VOC 입자의 고유 열량을 사용하여 1차 에너 지원과 보조연료 소비량을 최소화한다. 낮거나 중간 농도의 VOC 제거에 적합하고, 시설 유 지비용이 낮으며, 벌집모양 세라믹 구조의 열교환기는 많은 양의 열을 흡수 저장 이동할
39 제4차 산업혁명과 도시의 진화 수 있고, 저에너지로 95%의 열을 회수하는 고성능으로써 공정 온도 800 이상에 도달할 수 있다. 그뿐 아니라 연소과정에서 생성되는 부가적 열을 사용하여 전체 시스템이 단순히 에너지 소비원이 아닌, 에너지 발생원으로 작동 가능하다. 휘발성 유기화합 물질(VOC)이 많 이 발생하는 공장의 배기가스 정화 설비, 타이어 공장, LCD 공장, 디스플레이 공장 등에 활 용이 기대된다. 모잠비크 남부 마톨라(Matola)시 시멘트 공장 먼지오염 저감 필터 모잠비크 남부 마톨라(Matola)시 시멘트 공장에서는 먼지오염을 저감하는 필터를 사용하 기 시작했다. 이전까지는 전기필터만을 사용해 시멘트 1m3를 생산할 때마다 규제 수치의 2 배 이상인 먼지 100mg을 배출해왔으나 모잠비크 환경부의 가이드에 따라 먼지 배출량을 100mg에서 20mg로 감축하는 최신 슬리브 필터를 설치하여 효과를 거두고 있다. 해당 필터 의 가격은 약 1,000만 달러로 알려져 있으나 생산 효율을 높여 경제적 손실을 만회할 것으 로 보인다. 디젤자동차 매연저감장치(DPF)와 선택적 촉매환원장치(SCR) 최근 폭스바겐이 배출가스 조작 사태가 큰 이슈를 불러일으켰는데, 유럽에서 2015년 초부 터 디젤엔진 자동차에 대한 배기가스 규제 기준을 유로 6으로 적용한 사실을 지적하지 않 을 수 없다. 이는 파워와 연비가 좋지만 유해 배기가스를 배출하는 양면성을 지닌 디젤엔진 차량에 대해 배기가스 규제를 대폭 강화한 것으로, 유럽연합은 1991년부터 디젤엔진 차량 의 배기가스를 감축하기 위해 질소산화물(NOx)과 입자상물질(Particulate Matter, PM) 의 배출량을 제한해왔다. 당초 유로1 기준에 비교할 때 유로6 기준은 거의 혁명에 가까운 수치라고 할 수 있다. 표1 디젤엔진 차량의 유로기준(1-6 규제단계) (단위 : g/kwh) 구분 발효년도(국내적용) 일산화탄소(CO) 탄화수소(HC) 질소산화물(NOx) 입자상물질(PM) 유로1 1991(1992) 4.5 1.1 8 0.36 유로2 1998 4 1.1 7 0.15 유로3 2000 2.1 0.66 5 0.1 유로4 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 유로5 2008(2009. 9) 1.5 0.46 2 0.02 유로6 2013. 12(2015) 1.5 0.13 0.4 0.01 자료 다이어트 엑스 (http://dietx.tistory.com/368)
특집 40 이러한 높은 배기가스 규제 요구를 충족하기 위해 추가로 장착하는 것이 공해 저감장치다. 여 기에는 매연 저감장치(DPF)와 선택적 촉매환원장치(SCR) 두 가지가 있다. 전자는 CO, 미세먼 지 등을 포집하여 배기가스에서 나오는 열로 태워 없애는 방식이며, 후자는 스크러빙 시스템 에서 요소 30%에 물 70%를 혼합한 요소수를 배기구로 분사시켜 질소산화물(Nox)과의 화학 반응을 이용하여 인체에 무해한 질소산화물, 물, CO 2 로 분해하는 방식이다. 문제는 이러한 장 치들을 차량에 장착할 경우 설계 변경 및 추가부품 설치에 따르는 비용 상승으로 아예 설치 자 체를 피하거나, 실제 설치하는 경우에도 공해저감 장치 적용 시 연비 저하 등의 문제가 뒤따르 기 때문에 장치의 일부 혹은 전체를 장착해놓고도 이를 바이패스하는 방식으로 배기가스 배출 량을 눈속임하는 사태가 나타난 것으로 보인다. 그림9 디젤엔진 차량의 매연 및 질소산화물 처리장치 구성 예시 자료 다이어트 엑스 (http://dietx.tistory.com/368) 폐기물의 친환경 처리와 자원순환 기술 폐기물 관리 분야는 지속 가능한 도시환경의 한 축을 구성하는데, 이 분야에서 도 새로운 혁신의 바람이 일고 있다. 기존의 폐기물 처리방식에서 탈피하여 센서 네트워크와 인공지능 기법을 결합할 때 새로운 도시 폐기물 처리 및 자원순환 시 스템을 구축하는 데 큰 성과를 올릴 수 있을 것으로 진단된다. 이러한 시스템은 우리가 사는 도시환경을 깨끗하게 유지하고 자원을 회수하여 재활용하는 지속가 능한 도시 라이프스타일 창출에 크게 기여할 전망이다. 생활쓰레기 관리의 경우, RFID와 센서 네트워크를 기반으로 쓰레기 자동분리 및 실시간 모니터링이 가능하 다. 일단 쓰레기 수거박스에 RFID 태그를 부착함으로써 쓰레기 관련 정보를 인식 하는데, 이는 쓰레기를 자동분리하거나 청소 차량 운행일정 및 코스를 배정하거나 폐기물을 수거하는 방식까지도 변화시킬 수 있다. 물론 생활 쓰레기로부터 유용한 물질과 에너지를 회수하는 다양한 기술들 또한 개발되고 있다.
41 제4차 산업혁명과 도시의 진화 그림10 도시 메타볼리즘 도식화(좌) 및 유기폐기물 재활용 기술관련 개념도(우) 자료 http://www.biopolus.org/challenge/(좌) http://www.sswm.info/print/1229?tid=783(우) 기본적으로는 음식물 쓰레기 수거박스에 부착된 RFID 태그를 통해 수집된 정 보를 토대로 쓰레기를 사료화하거나 에너지화하는 재활용 방안이 확대될 것이다. 또한 유해성 폐기물에 RFID를 적용하면 처리과정을 실시간으로 모니터링하거나 경로추적이 가능할 뿐만 아니라 자원순환성의 극대화를 위한 재활용품 배출, 수거 및 재활용에 대한 종합관리 기술과 체계도 수립할 수 있다. 한편 필자가 몸담고 있 는 KAIST의 지능형 지속가능환경 연구실에서는 국토교통부에서 발주한 자원순 환형 도시계획 지원 시스템 개발 과제에 수년간 참여함으로써 CURE(Circulative Urban Resources Environment)이라는 지속가능형 폐기물 처리시설(소각, 매립, 하수 및 우수처리, 음식물 처리, 폐콘크리트 처리 등)과 폐에너지 회수시설(소수력 발전)의 도시 내 구축 및 운영 대안들에 대한 비용 탄소배출 자원순환성능 평가 지원용 소프트웨어를 개발하고 있다. 그림11 KAIST 지능형 지속가능 환경 연구실에서 개발 중인 CURE 1.0 시스템 도시계획 요건 입력 자원순환시설 유형선택 자원순환 성능평가 및 결과분석 선택 시설의 입지조건 검토 자료 KAIST 건설 및 환경공학과 지능형 지속가능환경 연구실 제공
특집 42 환경 에너지 자원 연계를 위한 국내의 혁신기술 최근 국내에서도 4차 산업혁명을 예견하는 혁신적인 환경 에너지 자원 연계 기술들이 등 장하고 있다. 한 예로, KAIST 건설 및 환경공학과의 환경 바이오 기술 및 바이오 에너지 연구 실(한종인 교수)에서는 버려진 짚단, 폐목재, 혹은 농업 폐기물로부터 미생물을 이용하여 바이 오 에탄올을 추출하는 기술을 개발 중이다. 이러한 기술이 성공하게 되면 수입원유를 대체하 고 농촌경제 진흥에 기여하는 효과를 거두며, 화석연료 에너지 발전에 따르는 환경부담을 감 소시키는 효과를 기대할 수 있다. 이 기술은 원재료가 되는 바이오매스를 전처리하여 섬유질 인 셀룰로즈로부터 당질(글루코스)을 추출하고 다시 클루코스로부터 에탄올을 발생시키는 발 효과정을 거친다. 흥미롭게도 이 연구의 핵심작업은 식물을 먹는 곤충이나 동물의 장에서 효 능이 탁월한 미생물을 추출해내는 과정이다. 이 연구실에서 진행 중인 또 다른 기술개발은, 오일을 함유한 미생물체를 배양하여 바이오 디 젤을 얻어내는 것으로, 현재 콩 옥수수 팜과 같은 식량용 작물로부터 바이오디젤을 추출하 는 방식에 대한 윤리적인 저항을 해결할 획기적인 연구다. 이러한 기술은 면적 대비 높은 생 산율과 생산규모 확대가 가능하고, 기후변화에 영향을 주지 않는 클린 에너지 기술이기도 하 다. 유기물질을 먹고 사는 특수 미생물을 이용하는 기술인만큼 현재 저가의 유기질 미생물 먹 이를 개발하는 데 초점을 두고 있는 것으로 알려져 있다. 그림12 미생물을 이용한 바이오에탄올 생산기제(좌)과 바이오디젤 생산기제(우) 자료 KAIST 환경 바이오 기술 및 바이오 에너지 연구실 또한 KAIST 환경 바이오 기술 및 바이오 에너지 연구실에서는 발전소나 자동차로부터 배기 되는 가스로 인한 산성비 현상이나 기후변화 현상을 해결하기 위하여 배기가스로부터 NOx, Sox, CO 2 와 같은 유해물질이 대기 중에 방출되기 전에 전기화학적 반응을 작동시켜 질산이 나 유황과 같은 유용한 물질 및 전기 에너지로 전환하는 신기술을 개발하고 있다.
43 제4차 산업혁명과 도시의 진화 그림13 전기화학적 반응 기반 공장 및 자동차 배출 가스 자원화 및 에너지화 기술 개념도 유용한 물질 NOx SOx 전기화학적 방법을 이용한 연료화 (Electrochemical Fuelization) 질산 (Nitric Acid) 원소황 (Elemental Sulfur) H 2 S 나이론 모노머 (Nylon monomer) 암모니아 (Ammonia) 자료 KAIST 환경 바이오 기술 및 바이오 에너지 연구실 최근 건국대학교에서는 빛을 이용한 미세조류 증대로 폐수처리 성능을 향상시킨 폐수처리 장치를 개발한 것으로 알려져 있다. 일정한 광원 및 섬광을 이용해 미세조류의 생산을 증대시 키고, 이를 기반으로 폐수 내의 질소와 인을 제거하는 방식으로 작동한다. 이 새로운 폐수처 리 장치는 미세조류가 생장하는 데 필요한 빛을 주기적이고 간헐적으로 공급해 미세조류에 광 스트레스를 유도하는 방식으로, 발광다이오드를 배양용기 주변에 둘러싸 광 스트레스를 통해 미세조류의 생장을 촉진시킬 수 있으며 조류의 활발한 증식을 유도하여 폐수처리 능력 을 높이는데, 미세조류뿐 아니라 식물에도 활용이 가능하다고 한다. 04 나아갈 지표 도시 공해의 주범 가운데 하나였던 자동차는 이제 저공해 친환경 자동차나 하 이브리드 자동차 단계를 지나 전기자동차로 진화 중이다. 전 세계 에너지와 탄소 배출의 1/3 이상을 차지하는 건물 또한 넷 에너지 제로 빌딩(Net Energy Zero) 개념에 의거하여 70% 이상의 자체 에너지 소비 저감기술과 태양광 태양열 지 열 풍력 연료전지 소형 열병합발전 등을 통해 30% 에너지 자체생산 능력을 갖추고 있고, 향후 에너지를 100% 자족한다는 목표를 향해 나아가고 있다. 이처럼 4차 산업혁명의 시대를 맞아 ICT 기반의 스마트 센싱 기술과 바이오 기술이 나노 기술들의 융합을 통해 지속 가능하고 스마트한 도시환경의 구축과 운영을 지원하
특집 44 그림14 전기트램(좌), 그린월 시스템(중) 및 KAIST SSEL의 지능형 창호 시스템(우) 자료 www.shutterstock.com(좌, 중) KAIST 지능형 지속가능환경 연구실(우) 는 다양한 기술과 방법들이 진행되고 있다. 인구 1000만에 가까운 메트로폴리탄급 도시인 서울시는 고도로 지속가능한 도 시 생태계를 위한 순환형 도시 메타볼리즘(Circulative Urban Metabolism) 원칙 에 기반하여 새롭게 전개되는 혁신적 기술들과 개념들을 적극 수용하고 있다. 이 에 따라 대기 물 토양 폐기물을 아우르는 도시환경 분야의 물질과 에너지 흐 름을 친환경적이고 효율적으로 순환시키기 위한 전략과 구체적 실천방법들을 발 굴하고 실천하는 데 박차를 가해야 한다. 이러한 시도에 관한 한 가지 효과적인 출발점은 서울시 전체가 커다란 투명 돔 으로 완전히 밀폐되었다는 가정을 해보는 것이다. 돔 내부에서 시민들이 건강하게 숨쉬고, 물과 음식을 섭취하고, 일상생활을 지속적으로 유지할 수 있게 하려면 도 시 생태계가 어떻게 재구축되어야 할지 깊이 있게 고민해보는 것이다. 이러한 생 각은 미국 애리조나주의 바이오스피어 2의 출발점이기도 한데, 조만간 지구상의 모든 도시들이 이러한 도전에 당면할 수 있다는 점을 명심해야 한다. 외부와 격리 된 인공 생태계에서 어떻게 하면 물질과 에너지가 선순환할 수 있을까 고민할 때 우리는 도시환경의 문제를 해결할 실마리를 얻을 수도 있다. 이는 대한민국의 수도인 서울특별시뿐만 아니라 전 세계의 메트로폴리탄 도시 들에게도 마찬가지다. 끊임없이 쏟아져 나오는 새롭고 혁신적인 환경 관련 기술과 전략들을 정밀하게 분석하고 시도함으로써 물질 및 에너지 순환형 도시 메타볼리 즘 이라는 거시적이고 근본적인 원칙에 대한 깊은 이해와 통찰을 획득하는 것, 여 기에 바로 도시민들이 생명 충만한 삶을 영위할 수 있는 클린하고 영속적인 도시 내 인공 정주환경 시스템 구축의 핵심이 있다고 필자는 확신한다.
45 제4차 산업혁명과 도시의 진화 참고문헌 - 이병철 이용주, 2007, u-city 사업모델과 u-서비스, TTA 저널(112) - 최희선, 2015, LID 확대적용을 위한 해외사례와 도시계획적 접근방향, 한국환경정책-평가 연구원 - 한국정보통신기술협회, 2006, u시티 전략과 표준화, u시티 구축활성화 기본 계획 - 경향비즈, 2016, 다보스포럼, 제4차 산업혁명을 논하다, http://biz.khan.co.kr/khan_art_view.html?a rtid=201601200957091&code=920100&med=khan - 퓨처에코, 2015, 대학별로 선보인 참신한 국내 첨단 환경 신기술, 2015년 환경분야 NTB기술이전 설명회 (http://www.ecofuturenetwork.co.kr/news/articleview.html?idxno=12328) - 환경부, 미세먼지관리특별대책 정책정보, http://www.me.go.kr/issue/finedust2/ - 한국환경산업기술원 글로벌 해외수출 도우미 통합지원 포털 (www.eishub.or.kr) - KAIST 건설 및 환경공학과 웹사이트(http://civill.kaist.ac.kr)