하수처리장 에너지사용 및 자립시설 설치현황
하수처리장 에너지사용 및 자립시설 설치현황
  • 박준택 한국에너지기술연구원 책임연구원
  • 승인 2008.12.15
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공공 하수도 시설 에너지자립화 ‘절실’

▲ 박준택 한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터 책임연구원
2006년말 현재 하수도 보급률은 85.5%이며 전국에 가동 중인 공공하수처리시설은 344개소, 시설용량은 2,327만3,000톤/일이다.

하수처리시설은 공공환경기초시설 중에서도 에너지 다소비시설의 하나로 하수처리시설에서의 연간 에너지소비량은 하수도 보급률 상승에 따라 에너지소비량도 더욱 증가할 전망이다. 

그동안 우리나라 하수도 사업은 시설확충과 처리효율을 높이기 위한 신기술 도입에 초점이 맞춰져 있어 에너지자립화에 대해서는 미흡했다. 고유가와 기후변화협약에 대응하기 위해서는 공공하수도시설의 에너지자립화가 절실히 요구되고 있다.

하수도시설에서의 사용에너지는 약 99%가 전력이다. 따라서 하수도시설에서의 에너지자립화기술은 전력회사로부터 구입하는 전력을 삭감하기 위한 재생에너지를 이용한 발전기술이 유효하다. 하수처리시설에 적합한 에너지자립화기술은 소화가스를 이용한 가스발전이 옛부터 행해져 왔으며 소화가스를 수소원으로 한 연료전지에 의한 발전도 채용되고 있다.

또 최근에는 태양광발전, 풍력발전 등의 자연에너지기술이나 수력발전 중에서도 특히 저낙차의 조건에서의 발전을 가능하게 하는 소수력발전 적용 등 새로운 시도를 하고 있다.

▲ 기기별전력사용비율

에너지사용실태

공공하수도시설의 에너지 사용실태를 파악하고자 지난 2007년 현재 운영 중에 있는 347개 하수처리장를 대상으로 에너지소비량, 사용에너지, 유지관리비, 기기별 전력사용량 등을 조사했다.

하수처리량당 에너지원단위는 0.063(TOE/천톤)인 것으로 분석됐다. 하수처리량 규모가 작을수록 에너지원단위가 높아짐을 알 수 있다.

하수처리량당 전력원 단위는 0.29kWh/톤인 것으로 분석됐다. 역시 규모가 작을수록 전력원 단위가 높아졌다.

▲ 유지관리비구성

하수처리장의 유지관리비 중 전력비는 약 24%를 차지하는 것으로 조사됐다.

하수처리장의 전력사용량 중 생물반응조의 포기용 송풍기에서 약 40.1%로 가장 많은 전력이 소비되고 그 다음이 유입펌프 순으로 나타났다. 따라서 포기조 송풍기에서의 에너지절약 대책이 요구된다.

미활용·재생에너지 寶庫…자립 가능
태양광·풍력 등 신재생 설치 늘어


자립설비 설치현황

슬러지중의 유기물을 분해해 안정화하기 위해서 소화조를 이용하고 있는 경우에 부산물로서 소화가스가 발생한다. 소화가스는 메탄을 60% 정도 포함하고 있어 발전에 이용할 수가 있다.

소화조가 설치돼 가동 중인 59개소의 처리장에서 발생한 가스량은 41만3,967㎥/일이며 이중 약 6%(2만6,000㎥) 정도가 발전에 사용되고 있다.

소화가스를 발전에 활용하는 처리장은 서울의 난지, 서남, 중량, 탄천하수처리장, 부산의 수영하수처리장, 충북의 제천하수처리장, 강원도의 속초하수처리장, 그리고 제주하수처리장 등 8개 하수처리장이며 전체 발전용량은 1만6,678kW이다.

탄천, 서남 및 난지의 연간 발전량은 각각 2,604, 4,400, 2,306MWh이다. 수영하수처리장은 발전용량 750kW급, 제주하수처리장은 375kW급 1기가 운영 중이다. 연료전지는 탄천물재생센터에 250kW급이 설치돼 지난 2006년 4월부터 전력을 생산하고 있다.


태양광발전은 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환해 발전 시에는 온실가스를 배출하지 않는다. 주차장, 건물, 침전지 등의 상부 공간에 통상적으로 활용하기 어려운 장소에도 태양전지 패널의 설치가 가능해 공간의 유효 이용에 기여한다.

기본적으로 일조가 있는 낮에 발전해 전력 공급을 실시하며 야간이나 우천시에는 상용전원 혹은 전력저장장치와 연계해 전력을 공급한다.

밤낮간이나 기후에 의한 발전량 변동이 크기 때문에 기존 전원설비와 계통연계해 증가감하는 전력량을 매전에 의해 보충하는 방법을 채택하는 경우가 많다. 태양전지는 비결정계에 비해 면적당의 발전량이 우수한 실리콘결품계가 주로 채용되고 있다.

하수처리장의 침전지 등 상부를 태양광발전 패널을 설치해 발전하게 되면 발전된 전력을 처리장내 소비하는 전력의 일부로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 조류발생 및 적조발생도 방지할 수 있다. 

우리나라에서 현재 태양광발전설비를 도입한 처리장은 대구의 신천하수처리장, 강원 춘천하수처리장, 경기 벽제하수처리장, 부곡하수처리장, 울산시 온산하수처리장, 경남 진해하수처리장, 충북 제천하수처리장 등 7개 하수처리장이며 전체 발전용량은 1,526kW이다.

풍력발전은 바람의 운동에너지를 풍차에 의해 회전에너지로 변환하는 것에 의해 전력을 얻는 발전방식이다. 발전시에 온실가스의 발생이 없고 고갈할 염려가 없는 재생가능에너지로서 인식되고 있다.

풍황에 의해 발전량이 좌우되는 결점은 있지만 다른 자연에너지를 이용하는 재생에너지 기술과 비교해 일반적으로 대용량의 발전이 가능한 이점이 있어 중소 규모의 하수처리시설에 도입했을 경우에는 수요량을 넘는 발전전력을 전력저장장치에 저축해 풍황이 나쁜 시간대의 전력수요를 조달해 완전한 에너지 자립을 달성하는 것이 가능한 경우도 있다.

풍력발전설비는 연간 안정된 강한 바람을 확보할 수 있는 장소에 설치할 필요가 있다. 이 때문에 일반적으로는 연안부, 해상, 구릉, 산악과 같은 장소에 설치하는 것이 많다.

이중 연안부 해상은 구릉, 산악의 육상풍과 달리 바람의 혼란이 비교적 적고 안정돼 있으며 설치공간을 잡기 쉽다는 특징이 있다.

하수처리시설은 하천이나 바다에 접해 설치되는 것이 많기 때문에 상기 연안부에 해당하는 경우가 많아 풍력발전설비의 입지로 적절하다.

풍력에너지는 큰 풍속을 안정적으로 얻을 수 있는 지역에서의 도입이 기대되고 있다. 현재 국내에는 진해하수처리장 1곳에 풍력발전시설이 설치돼 있으며 일본의 경우 현재 2개소의 하수처리장에서 풍력발전이 도입돼 있다.


소수력(SHP: Small Hydropower)발전은 일반의 수력발전과 같이 유수가 가지는 위치에너지, 운동에너지, 압력에너지를 수차에 의해 회전의 운동에너지로 변환해 발전기를 회전시켜 전력을 얻는 것이다.

일반의 수력발전과 달리 대규모 토목시설을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하고 있다. 운용시에는 온실가스의 배출은 없다.

특히 수량이 안정된 하수처리시설을 대상으로 했을 경우 밤낮을 불문하고 안정된 전력을 얻을 수 있다. 다만 소수력발전설비의 출력은 낙차 및 유량에 의존하기 때문에 설치장소의 조건에 의해 거의 결정돼 임의의 출력으로 계획하는 일은 불가한 것에 유의해야 한다.

소수력발전은 이름 그대로 소규모의 수력발전을 의미한다. 이의 적용을 위해서는 적용가능한 수량의 낙차가 대체로 2m 이상이며 유량은 0.2 m3/s 이상이어야 한다.

우리나라에서 현재 소수력발전설비를 설치한 처리장은 대구의 신천하수처리장, 충남의 천안, 아산하수처리장, 경남 진해하수처리장, 경기도 안양의 석수하수처지장 등 5개 하수처리장이며 전체 발전 시설용량은 620kW이다.

하수처리장에서 소비되는 전력량은 국내 전체 전력소비량의 약 0.49%를 차지하고 탄소가 다량 배출되고 있다.

하수처리장은 부지면적이 넓어 태양열, 태양광 등 태양에너지를 이용하기 좋은 여건을 가지고 있으며 하수처리장이 해안에 입지해 사시사철을 통해 바람이 강한 경우에는 풍력발전시설의 도입도 가능하다.


이 외에도 하수가 가지고 있는 열에너지, 방류수 낙차를 이용한 소수력발전, 슬러지소화가스에 의한 발전 등 하수처리장은 미활용·재생에너지의 보고(寶庫)라고 말할 수 있다.

따라서 대부분의 하수처리장에서 미활용·재생에너지를 이용하면 사용에너지의 대부분을 외부에 의존하지 않고 자립 가능하다. 


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