New & Renewable Energy 2015. 9 Vol. 11, No. 3 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2015.09.11.3.21 [2015-9-HP-003] 온도차에너지의농어촌활용을위한이용가능량및법제도분석 김진욱 1)* ㆍ류연수 2) ㆍ박미란 3)** Analysis of Available Capacity and Relevant Legal System for the Use of Temperature Difference Energy in a Rural Community Jinwook Kim 1)* ㆍ Yeonsu Ryoo 2) ㆍ Milan Park 3)** Received 29 May 2014 Revised 22 July 2015 Accepted 22 July 2015 ABSTRACT There is an ever-growing interest in alternative energy sources, and more and more technologies are becoming viable options as efforts to reduce greenhouse gas production and fossil fuel consumption increase. Unutilized energy has been attracting particular attention as a community based alternative energy source. Temperature difference energy is ubiquitous in nature, and it may be possible to harvest this energy without any significant influence on the local environment. In this study, we examined reserves and available capacity of temperature difference energy sources(treated sewage, river water, and an agricultural reservoir) for the supply of energy to a rural community. Reserves and available capacity of treated sewage were 6,555 Tcal/yr and, 4,318 Tcal/yr, respectively, while reserves and available capacity of river water were 192,000 Tcal/yr and 1,632 Tcal/yr, respectively. Agricultural reservoirs returned reserve and available capacity figures of 7,994 Tcal/yr and 141 Tcal/yr, respectively. In addition, we presented a review of legal and systematic considerations which might pave the way for larger scale temperature difference projects in the future. We also suggest a direction for future temperature difference energy based on the current Korean legal system. Key words Temperature Difference Energy( 온도차에너지 ), Reserves( 부존량 ), Available Capacity( 이용가능량 ), Legal System ( 법제도 ), Unutilized Energy( 미활용에너지 ) Nomenclature E : energy reserves, Mcal/hr C W : specific gravity, 1.0 Mcal/m 3 1) 한국농어촌공사농어촌연구원 E-mail: jwkim77@ekr.or.kr Tel: +82-31-400-1840 Fax: +82-31-400-1616 2) 한국농어촌공사농어촌연구원 E-mail: rsoftwater@ekr.or.kr Tel: +82-31-400-1714 Fax: +82-31-400-1616 3) 한국농어촌공사농어촌연구원 E-mail: mipark@ekr.or.kr Tel: +82-31-400-1833 Fax: +82-31-400-1616 t : temperature difference, W : flow rate, t/h subscript COP : coefficient of performance 1. 서론현재우리나라는에너지의안정적확보와기후변화적응 Copyright c2015 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
김진욱ㆍ류연수ㆍ박미란 이라는두이슈를해결하기위해노력하고있다. 또한에너지소비량은급속한증가를보이고있는데에너지원의사용비중은화석에너지와원자력등에편중되어있다. 농림업부문에있어서도 2010년기준에너지원사용비중이석유류 57.2%, 전력 35% 로그의존도가높은편이다. 1) 그러나이러한에너지원의의존은국제유가에민감하고, 환경오염문제등으로인해그공급을계속적으로증가시키는데에는제약을받고있다. 이에정부또한대체에너지로서의다양한에너지원에대한개발과더불어기존에너지원의효율향상에많은노력을기울이고있다. 최근신재생에너지와더불어지역밀착형대안에너지원으로주목받고있는것이미활용에너지이다. 미활용에너지는도시배열의관점에서이용성을높이기위하여다양한연구와사업이진행되고있지만아직농어업분야에서는그렇지못한것도사실이다. 따라서본연구에서는미활용에너지중농어촌에적용가능한온도차에너지인하수처리수, 하천수, 농업용저수지의농어촌지역부존량과이용가능량을분석하였다. 또한향후사업화를위해서는관련법및제도의분석을통한절차의마련이필요한시점이다. 이를위해온도차에너지열원의취득과이송 저장, 농어촌수요처에대한관련법령등을검토하고제시하고자한다. 2. 연구의방법및절차본연구에서는온도차에너지를정의하고농어촌지역에활용가능한에너지인하수처리장의하수처리수열원, 하천수열원및전국농업용저수지열원의부존량및이용가능량을산정하고향후사업화를위한관련법및제도를검토 정리하는절차로연구를진행하였다. 2.1 온도차에너지부존량및이용가능량분석조건 2.1.1 분석대상분석대상열원은온도차에너지중하수처리수, 하천수및농업용저수지를대상으로하였으며, 지역적으로는 농어업 농어촌및식품산업기본법 에정의된전국읍 면지역을대상으로하였다. 먼저하수처리수는동절기에는수온이약 12 정도로외기보다약 9 정도높으며하수유입량이거의일정하며, 수온또한외기온도에비해변동의폭이적은안정된열원이라할수있다. 본논문에서하수처리수의열원은 2012 년공공하수처리시설운영관리 자료를기준으로전국 528 개하수처리장을대상으로하였으며, 온도차 ( t) 는 5 2) 를적용하여부존량을산출하였다. 또한하수처리수는각처리장별처리방식, 운영패턴, 재이용현황, 기상, 계절등다양한요소에의하여변하며, 처리조의수위와연동하여방류하는데하수처리수이용가능량은지역난방시설의하수처리수이용량의평균비율인 30%( 용인 32%, 탄천 27.5%, 마곡 30%) 를적용하였다. 하천수를열원으로사용하기위해서는계절별하천의수온, 유량등의자료로부존량을산정한다. 윤형기 (2005) 를참고하여하천수부존량산정시유량은신뢰도높은지점을선별하고그지점의유량자료를이용하여다른지점의유량을유추하는비유량법으로산출하였으며, 사용된하천수의수온이환경에미치는영향을최소화하기위하여전체유량의 1% 를이용가능량으로산정하였고이용온도차는 5 3) 를적용하였다. 농업용저수지열원은 2013년농업생산기반정비통계연보 자료를기준으로전국 17,477개소를대상으로하였으며, 동절기최소온도차인 3 를기준으로부존량을산출하였다. 이용가능량은사용된저수지수의수온이환경에미치는영향을최소화하기위하여유효저수량의 1%( 미국코넬대학교내 Cayuga 호수이용냉난방시스템적용시 0.68% 이용을참고 ) 를적용하였다. 2.1.2 산출식부존량은열에너지기본공식인유량, 비열, 출입온도차의곱으로계산하였다. E=W C w t (1) 이용가능량은물리적조건, 기술적조건등의제약을고려하고현시점혹은장래에개발이기대되는에너지량을말한다. 즉, 냉동기또는열펌프를사용하는것을가정하고온도변화에따른성적계수변화를고려하여정의한 22 신재생에너지
온도차에너지의농어촌활용을위한이용가능량및법제도분석 다. 여기서는신 재생에너지설비심사 (GT101) 의물대물열펌프유닛최소성능기준인냉방 COP 4.3, 난방 COP 3.6을적용하여산출하였다. 냉방 : (2) 난방 : (3) 2.2 관련법제도검토방법 온도차에너지의이용을위한열원의취득, 이송 저장설비등의플랜트건설, 열원을사용하는수요처등열원공급단계별로구분하여관련법령을정리하였다. 다만설비플랜트건설은위치, 규모, 시스템구성에따라각기다르게적용되는점을고려하여법명을정리하는수준으로만제시하였다. 3. 연구결과 3.1 온도차에너지부존량및이용가능량 3.1.1 하수처리수열원전국 528개하수처리장중도시지역에위치한하수처리장을배제한농어촌지역의부존량은 6,555Tcal/y로산출되었으며, 이용가능열량은 4,318Tcal/y 였다. 3.1.2 하천수열원농어촌지역의하천수부존량 ( 우리나라하천수이용에기준이되는전체수자원총량은남한의연평균강수량 국토면적으로산정 ) 은전체하천수부존량 (192,000Tcal/y) 및냉난방이용가능량 (1,633Tcal/y) 에전국토면적중도시지역을제외한농어촌지역면적의비율인 85.2% 를곱하 Table 1. Treated sewage in a rural community 시 도별 하수처리수연간수량 ( 천톤 /y) 연간부존량 이용가능유량 ( 천톤 /y) 이용가능량 ( 냉방 ) ( 난방 ) 서울특별시 - - - - - 부산광역시 24,455 122 7,337 30 51 대구광역시 8,395 42 2,519 10 17 인천광역시 3,489 17 1,047 4 7 광주광역시 - - - - - 대전광역시 - - - - - 울산광역시 77,380 387 23,214 94 161 세종특별시 8,030 40 2,409 10 17 경기도 294,263 1,471 88,279 358 611 강원도 53,655 268 16,097 65 111 충청북도 151,274 756 45,382 184 314 충청남도 90,538 453 27,161 110 188 전라북도 68,438 342 20,531 83 142 전라남도 89,754 449 26,926 109 186 경상북도 280,959 1,405 84,288 342 584 경상남도 148,628 743 44,588 181 309 제주도 11,680 58 3,504 14 24 합계 1,310,938 6,555 393,281 1,595 2,723 Fig. 1. Reserves & available capacity of treated sewage Table 2. Existing land use 도시지역 도시외지역 구분면적 (m 2 ) 비율 (%) 주거지역 2,209 2.2 상업지역 258 0.3 공업지역 914 0.9 녹지지역 11,370 11.3 소계 14,751 14.7 관리지역 22,844 22.8 농림지역 49,036 48.9 자연환경보호지역 6,571 6.6 용도미지정 129 0.1 기타 6,856 6.8 소계 85,436 85.2 합계 100,187 100 2015. 9 Vol.11, No.3 23
김진욱ㆍ류연수ㆍ박미란 Table 3. Reserves and available capacity of river water 지역 유량 (m 3 /s) 부존량 이용가능량 서울특별시 387.71 60,485 512.8 부산광역시 67.40 10,660 92.5 대구광역시 103.85 16,430 143.2 광주광역시 10.00 1,586 13.0 대전광역시 84.91 12,217 103.4 울산광역시 6.34 1,003 8.7 경기도 178.92 28,318 236.8 강원도 28.53 4,603 37.9 충청북도 31.93 5,042 43.1 충청남도 92.36 14,601 124.2 전라북도 93.36 14,754 125.4 전라남도 36.94 5,852 48.2 경상북도 63.70 10,046 86.9 경상남도 40.98 6,490 56.4 합계 1,226.93 192,087 1,632.5 Table 4. Reserves and available capacity of reservoir in a rural community 시군별 유효저수량 ( 천 m 3 ) 농어촌 부존량 이용가능유량 ( 천 m 3 ) 이용가능량 냉방 난방 부산 1,601 5 16 0.0 0.1 대구 16,023 48 160 0.3 0.5 인천 29,183 88 292 0.6 1.0 광주 - - - - - 대전 - - - - - 울산 15,335 46 153 0.3 0.5 세종 5,202 16 52 0.1 0.2 경기 120,984 363 1,210 2.4 4.0 강원 108,224 325 1,082 2.1 3.6 충북 166,870 501 1,669 3.2 5.5 충남 273,216 820 2,732 5.3 9.1 전북 634,338 1,903 6,343 12.4 21.1 전남 675,008 2,025 6,750 13.1 22.4 경북 368,864 1,107 3,689 7.2 12.3 경남 248,831 746 2,488 4.8 8.3 제주 990 3 10 0.0 0.0 총계 2,664,668 7,994 26,647 52 89 Fig. 2. Reserves & available capacity of river water 여산출하였다. 산출결과, 부존량은 163,776Tcal/y, 이용가능량은냉방으로 1,036Tcal/y, 난방으로 617Tcal/y 이용가능한것으로추정되었다. Fig. 3. Reserves & available capacity of agricultural reservoir 3.1.3 농업용저수지열원농어촌지역에위치한저수지 16,422 개소를대상으로유효저수량은 2,664,668,000m 3 이고, 부존량은 7,994Tcal/y 이다. 그리고이용가능량은냉방 52Tcal/y, 난방 89Tcal/y 로분석되었다. Fig. 4. Available capacity by heat sources 24 신재생에너지
온도차에너지의농어촌활용을위한이용가능량및법제도분석 Table 5. Relevant legal system 열 원 3.2 관련법제도검토 하수처리수, 하천수및농업용저수지열원활용을위한관련법령을열원의취득, 플랜트건설, 열원을사용하는수요처로구분하여정리하면아래 Table 5와같다. 3.2.1 열원취득관련법령 (1) 하수처리수 물의재이용촉진및지원에관한법률 에서하수처리수재이용의경우사업시행자가공공하수도관리청 1) 과공공하수관리청외의자로나누어지며, 공공하수관리청이하수처리수를재이용하거나이를필요로하는자에게공급하기위하여재이용시설을설치하려면환경부장관의설치승인을받아야한다. 하 폐수처리수재이용시설을설치승인하는경우에는국토교통부장관과미리협의하여야한다. 하 폐수처리수재이용사업자는하 폐수처리수재이용시설 구분관련법령소관부처 하수처리수 물의재이용촉진및지원에관한법률 환경부 하천수 하천법 / 지하수법 환경부 저수지 플랜트건설 열원사용수요처 농어촌정비법, 자원의절약과재활용촉진에관한법률 국토의계획및이용에관한법률건축법소방기본법산업안전보건법고압가스안전관리법전기사업법에너지이용합리화법대기환경보전법소음 진동관리법수질및수생태계보전에관한법률 농어업농어촌및식품산업기본법신에너지및재생에너지개발이용보급촉진법률집단에너지사업법 농식품부 국토부 국토부소방방재청고용노동부산업자원부산업자원부산업자원부환경부 환경부 환경부 농식품부 산업자원부 산업자원부 1) 하수도법제 18 조에의한공공하수도관리청은관할지방자치단체의장을말한다. 이완공된후하 폐수재처리수의수질검사를하고그결과를환경부장관에게보고하여야한다. 하 폐수재처리수를공급하는공공하수도관리청및하 폐수처리수재이용사업자는하 폐수재처리수를공급받는자에게환경부령으로정하는바에따라요금을받을수있다. (2) 하천수 하천법 에서하천수는타인의권리와공공의이익을침해하지아니하고물관리에지장이없는범위안에서사용되어야하며, 모든국민이그혜택을고류향유할수있도록배분되어야한다. 생활 공업 농업 환경개선 발전 주운 ( 舟運 ) 등의용도로하천수를사용하려는자는국토교통부장관의허가를받아야한다. 국토교통부장관은허가를한때에는관할시 도지사에게통보하여야한다. 하천의인근에서지하수를채취할경우 지하수법 제7 조에따른지하수영향조사결과하천의수량에영향을미치는것으로인정되는때에는하천관리청은그지하수를채취하는자로부터하천수사용료를징수할수있다. (3) 농업용저수지 농어촌정비법 에서농어촌용수는농어촌지역에필요한생활용수, 농업용수, 공업용수, 수산용수와환경오염을방지하기위한용수를말한다. 용수의성격을광의의농업용수로해석하여두가지방법으로검토하였다. 첫번째는농업생산기반정비사업중농어촌용수개발사업, 또는그밖의농지를개발하거나이용하는데에필요한사업으로시행가능하다. 그러나농업생산기반정비사업이주로농지의규모화, 저수지, 양배수장, 방조제등시설물및농수산물의생산 가공 저장 유통시설등영농시설의기반시설정비에포커스를맞춘사업으로저수지용수이용에관한사업으로시행하기에는성격이상이하다. 둘째로농어촌용수이용합리화계획으로농어촌정비법제15조에의거농림축산식품부장관은농어촌용수의효율적인개발 이용및보전등을위하여농어촌용수이용합리화계획을세우고추진하여야한다. 이부분에서는농어촌용수이용합리화계획은있으나사업의절차가명시되어있지않다. 향후저수지용수를이용한에너지공급사업을하기위해서는농어촌정비법의일부개정이필요할것이다. 2015. 9 Vol.11, No.3 25
김진욱ㆍ류연수ㆍ박미란 3.2.2 열원사용수요처관련법령 (1) 집단에너지사업법집단에너지란많은수의사용자를대상으로공급되는열또는열과전기를말하며, 집단에너지사업이란난방용, 급탕용, 냉방용의열또는열과전기를공급하는사업을말한다. 집단에너지사업을하려는자는공급구역별로사업계획서, 신청인이력서, 구비서류등을제출하여산업통상자원부장관의허가를받아야한다. 허가를득한후사업자는산업통상자원부장관이정하는기간내에공급시설을설치하고사업을개시하여야한다. 또한사업자는사용시설이기술기준에맞는지산업통상자원부령이정하는바에따라점검하여야하며, 사업자와사용자는집단에너지시설을기술기준에맞도록유지하여야하며, 안전관리규정을정하여사업을개시하기전에산업통상자원부장관에게신고하여야한다. (2) 신에너지및재생에너지개발이용보급촉진법률 2014년 7월 21일신재생에너지공급의무화제도 (RPS) 의이행여건개선및 FTA 체결에따른농가지원대책의일환으로화력발전소에서발생하는온배수를신재생에너지로지정할예정으로관련설비의지원근거마련을위해온배수활용설비를신재생에너지설비로지정하였다. 제2조 11 항에발전소온배수를이용한에너지설비를추가하였다. 이후 2015년 3월 30일시행령을개정하였는데해수가가진열에너지를활용하여농가의난방열원등으로재활용하는에너지순환형모델보급활성화를위해수열에너지의기준및범위를설정하여신재생에너지로지정하였다. 하천수등담수를활용한온도차에너지는해당되지않았지만 Table 6. Type of community energy supply system 구분사업내용비고 지역냉난방사업 산업단지집단에너지사업 일정지역내에있는주택, 상가등각종건물을대상으로난방용, 급탕용, 냉방용열또는전기를공급하는사업 산업단지입주업체를대상으로공정용열또는열과전기를공급하는사업 5 Gcal/h 10 Gcal/h 행후온도차에너지이용확대에초석이될것으로보인다. 4. 결론 4.1 농어촌지역온도차에너지부존량 농어촌지역하수처리수, 하천수, 농업용저수지등온도차에너지의부존량은총 178,325Tcal/y로서부존량이가장많은것은하천수로 163,776Tcal/y, 다음으로농업용저수지수 7,994Tcal/y, 하수처리수 6,555Tcal/y 순으로나타났다. 농어촌지역은자연환경을배경으로하는하천수, 저수지수등의수열원이풍부하며, 도시와관련된하수처리수의열량은상대적으로적었다. 4.2 농어촌지역온도차에너지이용가능량 농어촌지역온도차에너지의이용가능량은전체 6,112Tcal/y 이며, 하수처리수 4,318Tcal/y, 하천수 1,653Tcal/y, 저수지수 141Tcal/y 순으로나타났다. 농어촌에서가장이용가능량이많은것은하수처리수였으며, 부존량은적으나, 양질의열원으로이용가능량측면에서효과적인것으로분석되었다. 4.3 관련법검토결론 해외선진국에서의온도차에너지의신재생에너지인정 Table 7. Reserves of temperature difference energy in a rural community 구분 단위 농어촌부존량 비율 하수처리수 Tcal/yr 6,555 3.7% 하천수 Tcal/yr 163,776 91.8% 농업용저수지 Tcal/yr 7,994 4.5% 합계 178,325 Table 8. Available capacity of temperature difference energy in a rural community 구분 단위 냉방 난방 합계 하수처리수 Tcal/yr 1,595 2,723 4,318 하천수 Tcal/yr 1,036 617 1,653 농업용저수지 Tcal/yr 52 89 141 합계 2,683 3,429 6,112 26 신재생에너지
온도차에너지의농어촌활용을위한이용가능량및법제도분석 범위는우리와비슷한일본의경우신재생에너지로분류되고있다. 유럽연합에속한국가의경우열펌프의성적계수를기준으로적용여부를판별하고있으며, 독일, 핀란드, 네덜란드등에서는온도차에너지를이용한열펌프가신재생에너지설비로지정되어있다. 이밖에도독일의재생에너지법및보조금제도, 영국의신재생열에너지보조금제도등재생열에너지확대를위한제도적인강화를모색하고있다. 우리나라는신재생에너지법에근거하여보조금지원정책및 RPS제도로신에너지및재생에너지관련사업과산업활성화를유도하고있다. 본연구에서다루고있는온도차에너지는아직신재생에너지로지정되어있지않아지원대상에서제외되어있다. 특히온도차에너지중현재지역난방에너지원으로사용되고있는하수처리수의하수열이용시신재생에너지법의체계를따르지못하고있는것도현실이다. 그러나최근발전소온배수활용설비의신재생에너지설비지정에따라온도차에너지이용에관한관심은고조될것으로판단된다. 또한물의재이용법, 하천법에하수처리수, 하천수를이용하기위하여취수하는용도에열에너지생산에관련한목적이명기되어있지않다. 이는향후관련사업을시행하기위해서는해당법률소관부처의해석을받은후사업이가능할것이다. 저수지의용수를열에너지원으로사용하기위한제도적절차가마련되어있지않아이의보완이이루어져야할것 이다. 이렇듯향후사업화를위해서는철저한경제성분석과더불어근거규정마련및효율성측면에서집단화된에너지공급방안등이다각적으로검토되어야할것이다. 후기본연구는 2015년도한국농어촌공사농어촌연구원의연구비지원으로수행되었음. References [1] 김연중외, 2013, 농업용에너지생산 이용실태, 한국농촌경제연구원, pp. 18. [2] 윤형기, 2005, 미활용에너지네트워크실증사업최적화연구, 과학기술부, pp. 141. [3] 윤형기, 2005, 미활용에너지네트워크실증사업최적화연구, 과학기술부, pp. 109. [4] 부경진외, 2005, 신 재생에너지발전의무비율할당제 (RPS) 도입국제비교연구, 한국신재생에너지학회, 신재생에너지 1(3), 14-23. [5] 안형준외, 2008, 미활용에너지의경제적효과및보급지원방안연구, 한국신재생에너지학회학술대회논문집 7, 95-98. 2015. 9 Vol.11, No.3 27