(1) 세계의 기후위기

지난 5월 18일, BBC는 사상 최초로 기후 재앙의 마지노선인 지구 평균기온 상승폭이 1.5℃를 돌파할 가능성이 크다고 경고하였다(그림 1 참조). 지난 2015년 파리기후협정에 따라 전 세계는 1.5℃ 이내로 제한하는 노력을 다하기로 합의할 만큼 지속적인 대화의 기준이 되어왔지만, 5년 안에 제한 목표가 깨질 확률이 높아졌음을 예고하는 것이기도 하다. 또한, 가장 더운 해로 기록됐던 2016년의 기록이 인간 활동으로 인한 지구 온난화 현상과 엘니뇨 현상 때문에 앞으로 5년 이내 깨질 확률이 98%라고 보고 있어 기후위기가 아닌 인간 삶의 위기라고 보아야 할 정도로 심각한 수준에 이르렀음을 암시하고 있다. 이와 더불어 세계기상기구는 올해 하반기부터는 ‘엘니뇨’1)가 도래해 지구 곳곳에 폭염과 홍수, 가뭄을 일으킬 것으로 최근 예상하였고, 이로 인한 건강, 식량 안보, 물관리 및 환경에 광범위한 영향을 미칠 것임을 경고했다.
참고로, ‘지구온난화 1.5도 특별보고서’에 따르면 지구 평균 온도 상승을 1.5℃로 제한하면 2℃가 상승했을 때보다 일부 지역에서 기후변화 위험을 예방할 수 있으며, 해수면 상승에 있어서도 2℃ 상승할 때보다 1.5℃로 제한될 경우 10cm가 더 낮아진다고 밝히고 있다(그림 2 참조). 또한, 북극해 해빙이 녹아서 사라질 확률은 2℃ 상승에서는 적어도 10년에 한 번 발생하지만 1.5℃에서는 100년에 한 번 발생할 것으로 분석되고 있다.

(2) 우리나라의 기후변화로 인한 최근 피해사례

우리나라도 예외는 아니다. 2022년 8월 8일 서울 강수량은 381.5mm로 서울지역 기상관측 사상 최대치로 이미 배수시설 용량을 초과할 정도의 양이었지만 배수 관리 미비 등이 겹치면서 극심한 호우 피해를 입기도 하였다. 또한, 2020년에는 전국에 일주일 이상 쏟아진 폭우로 전라, 충청, 경상 지역의 피해가 심각했다. 설상가상으로 당시 수자원공사가 댐 방류 조절에 실패하면서 구례군에서만 1,000명이 넘는 이재민이 발생하였다. 이에 대해 기상청은 ‘2020년 기후분석 결과(2021.1.)’를 발표하면서 ‘날씨가 증명한 기후위기’라는 헤드라인을 뽑아 전반적인 기후와 관련한 ‘이상기록’들이 쏟아진 해로 규정하고 있다. 기후변화에 대해 기후 전문가는 ‘비가 많이 내리던 지역에는 비가 더 많이 오고, 가물었던 지역은 가뭄이 더 오래 지속될 것이다’라고 한마디로 정의하였으며 우리나라 같은 경우는 아열대화가 진행되면서 강수량이 늘어날 가능성이 있고, 2020년의 역대 최장 장마는 그 상징적인 사례라고 얘기하고 있다.

(3) 기후변화를 일으키는 원인

기후변화는 태양 복사에너지 변화, 지구공전궤도 변화(밀란코비치 이론), 화산활동 또는 조산활동 등의 자연적 요인과 이산화탄소 등 온실가스 농도 증가와 에어로졸 농도 변화, 산림훼손 및 토지이용도 변화 등 환경 변화 등에 의한 인위적 요인으로 기후가 점차 변화하는 것을 의미한다. 이 중, IPCC 5차 평가보고서에 따르면, 인간은 엄청난 온실가스 배출로 기후 시스템에 명백한 영향을 미치고 있다고 제시하고 있다.
기후변화협약에 따른 온실가스 규제물질은 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O), 과불화탄소(PFCs), 수소불화탄소(HFCs), 육불화황(SF₆)이 있다. 주요 배출원은 화석연료 등의 연소 시 에너지 사용, 산업계에서 비연소에 의한 배출, 농림축산업 부문의 혐기화 및 가축 장내발효, 폐기물 연소 및 매립 시 혐기화, 반도체 등 첨단산업에 사용되는 불소계 물질 등이 있다. 이 중에서 우리나라는 에너지 사용으로 인한 온실가스 배출이 87%(570백만톤CO₂e, ’20년)를 차지할 정도로 가장 많다(표 1 참조). 에너지 사용에는 우리나라 5대 화력발전소에서 전기 생산 시 배출되는 양과 철강 및 시멘트 등 에너지다소비업종에서 배출되는 양이 포함된 것으로 전기 소비량을 줄임으로써 기후변화 대응에 한 발짝 다가설 수 있음을 보여준다.

(4) 에너지 사용의 현주소

에너지는 1차 에너지와 최종 에너지로 구분되고, 최종 에너지는 1차 에너지의 전환(변환)으로 생산되는 에너지로 석유제품(휘발유, 경유, 등유 등), 전력, 지역난방 온수(열에너지)가 이에 해당된다.
최종 에너지 소비량은 2021년에 석유제품이 48%로 가장 많고, 전기가 21%로 많이 사용되고 있다(표2 참조). 참고로, 석유제품은 주로 자동차 및 선박, 비행기 등에서 사용되는 연료이다. 원별 최종 에너지 소비량을 보았을 때, 석유제품과 전기를 우선적으로 줄여야 기후변화 대응에 한 발짝 다가설 수 있다.

이와 더불어, 하수도는 각종 모터와 송풍기를 주요 가동 수단으로 사용하기 때문에 대부분의 최종 에너지는 전기이다. 위 표 2에서는 최종 에너지의 단위가 달라 비교를 쉽게 하기 위해 TOE2)를 사용하였지만, 앞으로 전기의 경우에는 전력단위(Wh)를 사용하도록 하겠다.
2020년 공공하수처리장 연간 총 전력사용량은 3,552GWh로 국내 공급된 총 전력량 509,270GWh(한국전력통계, 2020)의 0.7% 수준에 불과하다. 참고로, 공공하수처리장이 사용한 전력은 인구 37만 명의 세종시민이 1년 동안 사용할 수 있는 전력량(3,393GWh) 수준이다. 그러나 2020년 기준 공공하수처리장의 시설용량(500㎥/일 이상)은 2013년 24.7백만㎥/일에서 2020년 26.2백만㎥/일로 약 6% 정도 증가에 그친 반면, 전력사용량은 고도처리 공법 도입 등으로 같은 기간 2,456GWh에서 3,552GWh로 약 45% 증가하여 전력사용량을 줄이는 방향의 운전으로 전환해야 할 시점이다.

(5) 하수도의 에너지자립화는 필수

하수도에서 기후변화 대응을 위한 방식은 우선 온실가스 감축 전략 수립 및 이행, 집중호우와 극한 가뭄 등을 맞이하는 적응 전략 수립 및 추진 등이 있다. 우선적으로 감축을 하는 방식은 하수도에서 하수처리 중 발생하는 온실가스는 불가피하지만, 사용 에너지를 줄이고 에너지를 자급자족하는 방식 등을 통해 발전소의 화석연료 에너지 사용을 줄여 국가 온실가스를 줄이게 될 것이다. 따라서, 국가가 추진하는 탄소중립은 하수도의 에너지자립화 방향과 같은 얘기라고 할 수 있을 것이다.

(1) 하수도 에너지자립화의 현위치

앞서 언급했듯, 2020년 500㎥/일 이상 공공하수처리장의 전력사용량은 3,552GWh라고 제시하였다. 이는 공공용 전력 사용량 23,623GWh 중 15%를 차지하고 있을 정도로 공공부문에서는 비중이 큰 편이다. 서울시 분석결과에 따르면, 이 전력은 대체로 폭기조 송풍기 52.8%, 유입펌프 21.8%로 약 74%를 차지하고 있다. 참고로, 500㎥/일 하수처리장 698개의 전력사용량은 485개 정수장의 약 3배 수준이고, ㎥당 전력사용량을 비교해도 약 3배 수준이다.

하수처리장은 에너지 다소비 시설이지만 큰 부지면적을 보유하여 다양한 신재생에너지를 활용할 수 있는 잠재적인 재생에너지 생산시설이라는 점에서 강점을 갖기도 한다. 그러나, 신재생에너지를 육성할 수 있는 여건을 충분히 고려하여 다양한 에너지자립정책이 추진되어 왔지만, 에너지자립률은 답보상태이다. 500㎥/일 이상 하수처리장의 에너지 사용량은 93.4만TOE이지만, 생산량은 12.1만TOE로 에너지 생산 및 절약으로 81.3만TOE를 줄여야지만 에너지자립률 100%에 도달할 수가 있다(현재는 13.0% 수준). 에너지 생산량은 바이오가스, 태양광 등을 통해 재생에너지 12.1만TOE를 생산하고, 이 중 바이오가스가 전체 재생에너지 생산량의 78.5%(9.5만TOE)로 가장 높은 비중을 차지하고 있다.

(2) 기존 대책의 문제점

지난 2010년에 환경부는 2020년까지 공공하수처리시설 에너지 자립률 50% 달성을 위해 에너지자립화 기본계획을 수립하였다. 1단계(’10～’15년) 18%, 2단계(’16～’20년) 30%, 3단계(’21～’30년) 50%로 목표를 수립하였으나, 2020년 기준으로 확인 결과 12.9%로 저조하였다.

기존 대책의 부진사유는 크게 공정개선 및 소화조 운영 등에 대한 기술부족, 태양광 중심의 재생에너지 확대, 인센티브와 같은 지자체 유인 및 조사·환류체계 부족 등이다.

(3) 에너지자립화 추진방안

공공하수도는 하수를 ‘잘’ 처리해야만 되는 목적을 가지고 있다. 하수도법 제7조에 따른 방류수 수질기준을 지켜야 하고, 하수도법 제19조에 따른 운영·관리도 해야 한다. 이런 여건에서 에너지자립화는 하수도법에서 정하는 의무사항이 아니다. 따라서 에너지자립화를 잘하도록 하기 위해서는 다양한 대책이 필요하다. 여기에는 각종 지원책도 있어야 하고, 하수처리장에 에너지 절약을 위한 방안도 공급해야 한다. 더불어 기존 대책에서도 추진했던 에너지 생산도 해야 한다. 마지막으로는 단기적으로 추진하기보다 장기적 관점에서 에너지자립화를 바라보아야 한다.

① 제도개선 지원
에너지자립화는 앞서 얘기했듯이 하수도법에서 의무적으로 정하는 사항은 아니므로 정부가 자립화 정책을 추진하기 위해서는 각종 지침 및 계획에 자립화 방안을 담아서 수립해야 할 것이다. 예를 들면, 상위계획에 공공하수처리시설의 탄소중립 및 에너지자립화 계획 및 이행에 관한 사항을 수립하도록 의무화하는 사항이 될 것이다. 물론, 이 경우에는 상위계획이 유역하수도정비계획일 경우 하수도법 개정사항이 될 것이다. 또 다른 예는 지자체별 여건을 조사하여 에너지자립 의무율을 부과하는 방안이다. 지자체별로 각기 상황이 다를 것이므로 단위유역별 또는 광역지자체별로 조사하여 의무율을 부여하는 방법도 생각해 볼 사항이라고 할 수 있다.
의무율 부과가 채찍이라면 예산지원과 같은 당근책도 있어야 할 것이다. 하수도분야 보조금 편성 및 집행관리 실무요령을 개정하여 에너지자립화 사업에 관한 예산지원 체계를 마련할 필요가 있다. 예를 들면, 하수처리장 확충 예산 대상사업 중 에너지자립화 관련사업을 우선 지원하거나, 내용연수 미도래 시설도 에너지 저감시설 설치 시 예산지원 대상에 추가하는 방안이 될 것이다. 그리고 타 지자체와 연계처리를 추진하는 지자체는 하수도 예산을 우선지원하거나 기준 보조율을 추가 지원할 수도 있다.
이 외에도 하수도 운영 시 에너지 자립률 제고를 위해 「공공하수도 운영·관리 실태점검」 평가항목 중 에너지자립률 분야를 배점 상향 조정하는 방안과 에너지 진단 의무대상이 현재 2천TOE 이상이지만, 2천TOE 미만의 공공하수처리시설도 추진할 수 있는 법적·제도적 방안을 강구할 필요도 있다.

② 사용에너지 절약방안
사용에너지를 절약하는 방안은 우선 운영효율화를 통한 방안이 있고, 사용 중인 기자재를 고효율기기로 교체하는 방안도 있다. 우선 운영 효율화는 하수처리 전과정에 ICT 기반의 실시간 모니터링 및 원격제어관리, 지능화·운전조건을 최적화하여 사용 에너지를 절감하는 방안으로 지난 2020년부터 스마트하수도 관리체계로 추진되는 사업 중 하나로 전국 17개 공공하수처리시설에 시범사업을 추진 중에 있다(’20년 4개소, ’21년 6개소, ’22년 7개소). 현재 추진 중에 있어 에너지 절감률을 정확히 제시할 수 없지만, 기존 사례에 비춰볼 때 8% 이상의 전력사용량이 절감될 것으로 기대하고 있다.

두 번째로 노후 및 효율저하 설비에 고효율·저에너지 기자재를 도입하여 에너지사용량을 저감하는 방안이다. 에너지 사용량이 많은 송풍기 및 유입펌프, 탈수설비 등을 고효율 기기로 전환하여 전력사용량을 절감하는 방안으로, 관련 연구 결과에 따르면 전력사용량을 18.6% 절감할 수 있는 것으로 제시되고 있다. 일례로, 부산광역시는 2019년도에 강변하수처리장과 서부하수처리에 고효율 전동기 24대를 교체하여 152MWh를 절감한 사례가 있고, 2013년부터 2017년까지 남부하수처리장과 수영하수처리장 등 유입·방류펌프 6대 및 5,243개 조명 개선 등을 통해 4,800MWh를 절감하기도 하였다. 또한, 파주시는 통일동산 하수처리시설 간헐폭기기의 에너지저감형 송풍기를 교체하여 에너지를 절약한 사례도 있다.

③ 재생에너지 생산량 증대
재생에너지 생산을 확대하는 방안은 하수처리장에서 가장 많이 생산되는 통합바이오가스를 최대 생산해서 활용하거나, 하수열 및 태양광을 확대하는 방안 등이 있다.
우선 통합바이오가스 확대는 광역단위의 유기성폐기물을 통합 처리하여 활용하는 시설을 확대하는 방안이다. 하수찌꺼기 뿐만 아니라 주변의 가축분뇨 및 음식물 쓰레기 등을 단일시설로 통합 처리하여 바이오가스를 생산하는 방식이고, 이를 시설운영의 효율성과 규모의 경제 실현을 위해 지자체 간 연계, 통합바이오가스 최적화 광역화 시설을 확대하도록 한다.

두 번째로, 수열처럼 하수열을 회수해 소화조 가온 및 처리장 내외 인근 건물에 냉난방 열원으로 이용하는 방안이다. 과거 하수의 잠재에너지를 활용한 방안을 검토하여 시범사업을 하였으나 경제성 미흡 등으로 활성화 하지 못하였다. 그러나, 최근 히트펌프 기술의 진보와 4차산업의 발달로 데이터센터 등의 냉각수로도 이용이 가능함을 고려할 때, 하수열의 수요처는 무궁무진할 것으로 기대된다.

세 번째로, 가장 전통적인 재생에너지 생산 방식으로 태양광 발전이다. 전국하수처리장 700여개 중 219개소에만 태양광이 설치되어 운영 중에 있다. 아직도 하수처리시설 상부공간 및 유휴부지 등에 태양광 발전설비를 보급 확대할 수 있고, 최근 많이 보급 중인 건물일체형 태양광(BIPV) 발전설비 또한 보급할 수도 있다.

이외에도 소수력, 염분차 등을 활용한 기술들도 포함하여 에너지자립화에 활용할 필요가 있다. 다만, 하수도의 목적은 법에서 정하길 ‘하수도의 계획, 설치, 운영 및 관리 등에 관한 사항을 정함으로써 하수와 분뇨를 적정하게 처리하여, 하수의 범람으로 인한 침수 피해를 예방하고 지역사회의 지속가능한 발전과 공중위생의 향상에 기여하며 공공수역의 물환경을 보전함을 목적으로 한다’라고 하였다. 하수도는 오염물질 제거와 도시침수 피해를 예방하는 큰 두 가지 목적이 있으며, 본 목적을 뒷전으로 하고 오직 에너지자립화에 몰두해서는 안 될 것이다.

지금까지 하수도의 에너지자립화는 결국 우리 강산을 지키고, 지구를 지키는 수단의 하나임을 얘기하였다. 에너지를 줄이는 것이 결국 탄소중립으로 가는 길이고, 현재 우리나라가 아열대 기후의 전 단계에 돌입하였음을 고려한다면, 하수도는 오염물질 제거 및 도시침수 피해예방 이외에 또하나의 목적이 생긴 것이라고 할 수 있겠다.
다만, 저자는 하수도가 기후변화 적응을 위한 유일한 SOC임을 고려한다면, 하수도의 가장 큰 전략은 적응에 초점이 맞춰져서 하수도의 계획이 곧 기후변화 적응계획으로 채택될 수 있도록 만반의 준비를 하여야 할 것이라고 생각된다.