한국수자원공사(K-water) 연구원은 1967년 공사창립과 함께 시험연구소로 발족해 ‘세계 최고의 물종합 플랫폼기업’이 되기 위해 앞장서고 있는 물분야 종합연구기관이다.

물과 관련된 다양한 연구를 진행하는 △연구관리처 △물정책연구소 △유역물관리연구소 △스마트워터연구소 △물인프라에너지연구소 등 1처 4연구소로 구성됐다. 이중 물인프라에너지연구소는 댐이나 수도시설·수변단지를 대상으로 인프라 및 에너지에 관한 전반적인 연구를 진행하고 있다. 전통적으로 연구해온 수력에너지부터 태양광에너지, 수열에너지 등 신재생에너지분야에서도 꾸준한 성과를 내고 있다.

K-water연구원에서 물인프라에너지연구소를 이끌고 있는 김진훈 연구소장을 만나 환경부의 수열에너지R&D에 대해 들었다.

물인프라에너지연구소는 하천수가 신재생에너지로 지정되기 이전부터 지속적인 수열에너지 연구를 진행해왔다. Kwater가 운영하고 있는 관로 내의 수열에너지 활용을 목적으로 10여년 전부터 연구를 수행해왔으며 성남, 청주, 금산, 밀양 등 정수장에서 작은 규모의 실증플랜트를 설치·운영한 바 있다.

차곡차곡 쌓아온 연구경험과 노하우를 바탕으로 환경부가 공고한 ‘수열활용 확대기술 및 환경 적합성 기술개발사업’에서 △수열에너지를 활용한 수처리공정 개선기술개발 △수열원 활용 프리쿨링(free-cooling)형 공기조화시스템 개발과제를 주관하게 됐다.

특히 이번 과제들은 기후변화, 에너지위기에 대응하기 위한 선진국 중심의 수열에너지사업을 국내기업이 세계시장을 선도할 수 있도록 관련기업을 육성할 것으로 기대된다. 또한 전 세계적 경기둔화 우려에 따른 국내 저성장의 심화 속에서 신규 수열시장을 활성화해 경제활력 제고 및 일자리 창출을 도모할 수 있다.

아울러 산·학·연 기술협력을 통해 수열시스템의 설계, 제작, 실증경험 및 노하우를 축적하고 시뮬레이션 및 평가프로그램 등을 활용해 신규시설 수열에너지적용 시간과 비용을 절감할 수 있다.

막여과 수처리공정은 수온이 낮아지는 동절기 물의 점성이 높아짐에 따라 막 공급압력이 상승해 최종적으로 펌프의 에너지소비량이 증가하게 된다.

‘수열에너지를 활용한 수처리공정 개선기술개발’ 과제는 수처리공정의 에너지사용을 개선하기 위해 수열을 적용, 막여과 유입원수의 온도를 증가시켜 펌프의 소비전력 감축 및 막 수명을 연장시킨다.

또한 수처리공정 후 발생하는 농축수처리를 위해 미생물이 서식할 수 있는 환경(15℃ 이상) 조성이 필요하다. 기존에는 LNG를 활용했으나 전력사용량 및 가스요금 증가문제가 있어 방류수폐열을 이용해 농축폐수 승온시스템을 구축할 예정이다.

이번 실증대상이 되는 대산산업용수센터의 2019년 계절별 수온과 이에 따른 전력·가스사용 기록을 보면 수온이 15℃ 이상인 5~10월까지는 가스를 사용하지 않지만 11~4월까지는 승온을 위해 월별로 적게는 월 2,700만원에서 1억1,200만원의 가스사용요금을 지불하고 있다.

수열에너지 적용을 통해 막여과 수처리공정에 사용되는 에너지를 10%, LNG보일러대비 20% 에너지사용량절감을 목표로 하고 있다. 이번 과제는 지난 9월 협약체결 및 연구에 착수해 2023년 12월까지 수행될 예정이다.

실증대상인 대산산업용수센터는 순수급 산업용수 일 11만9,000톤을 생산하며 여기서 발생되는 1만1,000톤의 폐수를 처리한다. 이곳에서 막여과 및 농축폐수 수처리공정에 현장 운영조건을 반영한 파일럿플랜트를 적용, 수열에너지 막여과 수처리 및 농축폐수 처리공정을 실증하고 에너지절감 효과를 분석할 계획이다.

△1차년도(2020년 9월~12월) 막여과플랜트 기초자료 조사 및 운영분석 △2차년도(2021년 1월~12월) 20RT급 수열에너지시스템 적용 파일럿플랜트 2기 설계·구축 △3차년도(2022년 1월~12월) 실증운전을 통한 에너지절감 효과분석 △4차년도(2023년 1월~12월) 수처리공정 효과 분석 및 최적제어 방안도출 등으로 구성됐다.

4차 산업혁명으로 인해 데이터생산량이 급증하고 IT설비가 고밀도화되며 데이터센터의 냉방부하가 급격히 증가하고 있다. 국내 데이터센터의 PUE(Power Usage Effectiveness:전력효율지수)는 2015년 기준 평균 2.66으로 해외평균인 1.75보다 높은 수준이다. 이에 따라 국내 데이터센터 효율향상 대책에 대한 요구가 증가하고 있다.

‘수열원 활용 프리쿨링형 공기조화 시스템’ 과제는 증가하는 데이터센터의 에너지사용량과 운영비용을 절감하기 위해 댐심층수의 수열에너지를 활용한 프리쿨링 공기조화시스템을 개발한다.

연중 저온의 열원안정성을 가진 댐심층수를 활용해 증기압축식 냉방모드와 심층수 활용 프리쿨링모드를 조합한 데이터센터용 고효율 공조시스템이다. 댐심층수 취수와 안정적 열원제공 방법 및 공조시스템 구조와 최적운전제어에 관한 기술로 기존의 공기 등 일반적인 열원을 활용한 시스템대비 성능과 경제성이 높다.

이번 과제는 수열원 활용 프리쿨링형 공기조화시스템 개발을 통해 연중 PUE 1.2 달성 및 기존 공기열원시스템대비 연중 전력사용량 30% 이상 절감을 목표로 한다. 소양강댐 심층수를 활용한 프리쿨링 공기조화시스템 100RT급 파일럿플랜트 구축 및 취수시스템 연구로 향후 강원도에서 추진될 춘천 수열에너지 융복합클러스터 구축의 기술적 기반을 마련한다.

이번 과제는 2020년 9월부터 2023년 12월까지 진행된다. △1차년도(2020년9월~12월) 프리쿨링형 공조시스템의 실증지 기본설계, 시스템·데이터 통합모듈에 대한 기본설계 △2차년도(2021년 1월~12월) 파일럿플랜트에 대한 상세설계 및 제작 △3차년도(2022년 1월~12월) 실증운전을 통한 최적 제어로직 개발 및 데이터 통합모듈기술을 개발 △4차년도(2023년 1월~12월) 시스템 성능평가 및 분석, 최적제어 성능검증 및 고도화가 진행된다. K-water가 운영하고 있는 소양강댐의 심층수를 사용해 소양강댐 내 부지를 활용, 실증에 필요한 전원공급시스템 구축과 기존 공기열원시스템과 비교를 위한 실증시스템을 구축할 예정이다.

과거에는 하천수와 같은 수열에너지를 열원으로 이용하지 못하고 강이나 하천으로 흘러보냈다. K-water연구원은 이러한 미활용에너지를 이용해 적은 양의 에너지도 유용하게 사용할 수 있는 물 에너지 특화기술을 개발하는 데 역량을 집중할 계획이다.

특히 K-water가 유지관리 하고 있는 물인프라의 본래목적을 달성함과 동시에 수열에너지의 경제성과 효율적인 사용방안을 발굴하고 국내 우수한 공조업체들과의 협업을 통해 기후변화 위기를 극복하는 데 주축이 돼 최선의 노력을 경주할 예정이다.

또한 지금까지 K-water연구원이 수행한 연구와 실증을 통한 경험을 집대성해 물에너지 플랫폼을 구축하고 이를 통해 국내 수열산업을 육성, 일자리 창출과 경제효과 제고는 물론 민간 기업과 함께 해외로 동반진출할 수 있는 여건을 조성하겠다.