최근 지구온난화에 대한 관심이 그 어느 때보다 커지고 있다. 지난해 전 세계 각국 정상들이 모여 합의를 도출한 파리협약을 비롯해 박근혜 정부가 새로운 성장동력으로 채택한 에너지신산업의 핵심이 바로 온실가스 감축이다.

특히 우리나라는 2010년 기준 총 에너지 2억6,260만9,000TOE 중에서 국내 생산은 3.5%에 불과, 에너지의 97%를 해외수입에 의존하는 등 자주공급 역량이 매우 취약한 구조일 뿐 아니라 원유수입은 중동지역에 81.8%로 편중돼 안정적인 에너지확보가 요구됐다.

또한 지난해 파리협약 체결 등 급변하는 세계정세와 산업화 확산으로 인한 에너지자원 고갈에 대해 능동적인 대처를 위해서는 지금까지 사용해 온 화석연료사용을 최대한 줄이면서 환경친화적인 에너지이용기술 개발 및 도입이 필수불가결하다.

경제가 성장하고 국민삶의 질이 향상될수록 쾌적한 환경 조성을 위한 건물 냉난방에너지수요 역시 급증하는 추세다. 이러한 열수요는 대부분 100℃ 미만의 비교적 저온이다. 난방 및 급탕용 에너지의 온도는 40~50℃로 비교적 낮아 반드시 기존과 같은 화석연료를 사용한 고온 에너지가 필요하지 않다.

점점 발전하고 있는 히트펌프 기술을 이용해 저온의 미활용에너지로부터 냉난방, 급탕용 열수요에 대응이 가능하고 대도시지역을 중심으로 각종 미활용에너지가 대량으로 부존, 버려지는 양 또한 막대하다.

미활용에너지란 더 이상 사용하지 못하고 최종 배출되는 에너지와 자연에너지 중에서 현재 신재생에너지법에서 제외된 에너지를 통칭하며 일반적으로 냉난방, 급탕열원으로 이용 가능한 온도차에너지 및 도시폐열을 지칭한다. 이에 따라 지구온난화를 억제하면서 환경친화적 경제개발을 이루기 위해서는 이러한 미활용에너지의 적극적인 개발이 필요한 상황이다.

특히 도심지역은 인구 및 산업이 밀집된 곳으로 에너지사용밀도가 매우 높고 환경오염이 심각한 지역으로 미활용에너지를 회수해 인근 지역의 냉난방, 급탕용 열원으로 사용하는 것이 사회적, 환경적, 경제적으로 유용한 것으로 평가된다.

이와 같이 대규모 열수요지 근처의 다양한 미활용에너지가 존재할 경우 이를 이용해 지역열공급사업용으로의 활용이 기대되고 있다.

하수열에너지, 활용가치 높아

도심의 미활용에너지 중 가장 활용가치가 높은 것으로 평가되는 하수열에너지는 가정이나 공장 등에서 쓰고 버리는 오·폐수의 열을 이용한다. 지하에 매설된 하수관으로 흐르고 있으므로 외기온의 영향을 적게 받으며 소규모 단위건물의 냉난방에서부터 대규모 지역냉난방까지 광범위하게 이용할 수 있다.

동절기는 12℃에서 하절기 25℃ 정도의 수온을 보유하며 일교차도 2℃ 정도로 여름은 차갑고 겨울은 따뜻한 온도차에너지의 특성을 가져 수온이 안정돼 있다. 특히 하수를 열원으로 한 히트펌프는 공기열원 히트펌프보다 냉매와의 온도차가 크게 되므로 열교환 효율이 좋다.

부존열량이 많고 열 수요지에 근접해 열수송을 위한 배관비용도 적게 소요돼 경제성 면에서도 유리하다. 하수를 열원으로 이용할 경우 원칙적으로 냉각탑이 불필요해 물을 절약할 수 있으며 열섬화 현상을 피할 수 있는 장점이 있다.

하수열을 이용한 히트펌프는 일본, 유럽 등 해외국가에서는 이미 널리 사용되고 있다. 유럽, 일본 등에서는 하수의 수송거리를 단축하기 위해 미처리수 및 하수 관거 내의 하수열을 이용하는 사례가 많다.

일본의 경우 1986년 동경 오치아이 하수처리장을 시작으로 많은 하수처리장에서 하수열을 이용한 관리동의 냉난방을 해왔으며 1990년 이후부터는 지역냉난방 열원으로도 이용하고 있다. 스웨덴, 노르웨이 등 북유럽은 주로 도시단위의 대규모 하수열이용 지역난방 시스템이 가동되고 있으며 공급열의 형태는 70℃ 이상의 고온수다.

공공·민간·에너지사업자간 협력모델 정립

서울시는 시가 운영하고 있는 탄천, 서남, 난지, 중랑 물재생센터의 대규모 하수자원을 활용해 지역냉난방에 활용하는 계획을 세웠다.

서울시에서 운영 중인 4개 물재생센터는 일일 평균 방류량이 439만톤으로 방류수는 동절기에도 10℃ 내외의 잠재열을 보유하고 있다.

하수열 활용시스템은 스웨덴, 노르웨이와 같은 북유럽국가들과 일본 등에서는 2000년 전후로 널리 쓰이고 있지만 아직까지 국내에서는 일반인들에게 생소한 에너지수단이다.

서울시는 막대한 공공예산에 대한 부담을 해결하기 위해 서울시·민간사업자·지역에너지사업자 등 3자간 협력모델을 정립해 전국 최대 규모의 지역난방 공급사업을 추진했다.

서울시는 방류수 및 열생산시설 설치부지를 제공하고 사업 추진에 필요한 인허가 등 행정절차를 지원한다. 민간사업자는 설계시공 및 운영관리 등 사업전반에 대한 사업비를 전액 투자하고 히트펌프를 설치, 사업완료 후 열 판매로 수익을 낸다.

또한 한국지역난방공사 등 지역에너지사업자는 고가의 LNG를 사용해 공급하던 지역난방을 저가의 하수열로 공급함으로써 난방 공급단가를 낮춰 새로운 열수요에 대처하고 예비열원을 확보, 공공·민간·에너지사업자가 서로 보완·협력하는 ‘신성장 녹색산업 모델’을 만들 수 있었다.

서울지역난방 22% 하수열공급 계획지난 2011년 탄천 물재생센터를 필두로 하수열 활용사업을 단계별로 추진해왔다. 현재 1단계인 탄천 물재생센터의 하수열을 이용해 강남지역 2만가구에 난방열을 공급하고 있으며 2단계인 서남 물재생센터의 공사가 진행 중이다.

향후 나머지 중랑·난지 등 2개 물재생센터의 하수열 이용사업이 예정돼 있으며 모든 하수열이용 사업이 완료된다면 서울지역 지역난방 이용 48만7,000가구의 22%인 11만가구에서 사용 가능한 냉난방을 하수열로 공급할 수 있게 된다.

1단계로 완성된 탄천 물재생센터는 서울시와 포스코E&E, 한국지역난방공사가 협업체계를 이뤄 2014년 말 준공, 같은 해 12월24일 본격 상업운전에 돌입했다. 이는 372억7,200만원이 투입된 대규모 사업으로 포스코E&E는 지역난방공사에 연 22만4,900Gcal의 열을 공급하고 있다.

강남구, 서초구, 송파구 등 세 구역의 아파트 2만여세대에서 사용되는 난방열을 공급하는 신재생에너지 전진기지로 탈바꿈한 것이다.

또한 포스코E&E는 전력을 기반으로 한 특성을 살려 화력발전소 온배수열을 활용해 RPS제도로의 편입을 계획하고 있다. 연구결과를 토대로 제도개선이 이뤄지고 나면 같은 온도차에너지임을 감안해 하수열에너지도 이와 같은 방식이 적용될 수 있는 시스템을 개발, 수익성을 확대한다는 방침이다.

탄천 물재생센터에 설치돼 있는 하수열 히트펌프 설비는 존슨컨트롤즈의 제품으로 9Gcal/h 설비 총 7대가 가동되고 있다.

탄천 물재생센터에 이어 2단계로 서울시가 추진 중인 서남 물재생센터는 2017년 10월 준공 예정으로 마곡지구 집단에너지공급시설 전체 열생산의 13%인 연간 약 15만Gcal를 생산, 인근 아파트 1만5,000세대에 난방을 공급할 계획이다.

사용되는 설비로는 하수열 히트펌프 8Gcal/h급 4대가 도입될 예정이다. 또한 서울시는 2단계 사업이 완공되는 대로 향후 난지, 중랑 등 물재생센터에도 하수열에너지를 이용한 지역난방을 추진할 계획이다.

현재 난지 물재생센터에는 하수열을 이용한 히트펌프를 설치, 관리동의 냉난방에 이용하고 있다. 설비는 방주에너지의 제품으로 온수생산과 냉난방이 동시에 가능한 80HP 히트펌프로 냉난방면적 3,600m²를 커버하고 있다. 하수열원의 특성 상 냉각탑이 필요 없어 일반 히트펌프보다 효율이 높은 것이 특징이다.