미활용에너지 어디까지 왔을까? : 담수 기반 수열에너지의 신재생에너지 확대 지정과 미활용에너지의 잠재력

미활용에너지 어디까지 왔을까?

: 담수 기반 수열에너지의 신재생에너지 확대 지정과

미활용에너지의 잠재력을 중심으로

15기 김상재

 

#에너지하베스팅 기술의 발전으로 주목받은 미활용에너지

 에너지하베스팅기술에 대한 주목과 활성화된 연구 덕에 미활용에너지가 다시 한 번 주목받고 있다. 에너지하베스팅은 쓸모없이 버려지는 에너지를 바꿔서 쓸 수 있는 에너지원으로 바꾼다는 단순한 원리를 이용한다.

 즉, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 주변에서 버려지는 미소량의 물리적, 화학적, 전기적 미활용 에너지를 수확하여 이용 가능한 전기 또는 에너지 등으로 수집하여 이용하는 기술이라고 할 수 있다.

 기본적인 에너지 하베스팅 기술 적용을 위한 에너지 원천으로는 빛, 진동, 압력, 온도차, 전자기, 무선 주파수 등이 있다.

[그림 1 : 에너지 하베스팅 기술의 대표적인 에너지 원천들]

출처 : 네이버 블로그, 에너지 재활용 1등공신! 에너지 하베스팅

 빛의 경우 광전지에 의해, 진동과 압력은 압전소자에 의해, 온도차는 열병합 발전기에 의해, 전자기와 무선주파수는 안테나에 의해 수집된다. 이렇게 수집된 에너지는 실제 사용할 수 있는 전기 에너지로 전환되어 수확될 수 있다.

 이처럼 활용되지 않는 에너지를 사용 가능한 에너지로 바꿀 수 있는 에너지하베스팅 기술에 대한 관심이 증가되고 연구가 활성화되면서 미활용에너지에 대한 내용들이 다시 주목받기 시작한 것이다. 

#그래서 미활용에너지가 뭐야?

[그림 2 : 미활용에너지 이용 개념도]

 출처 : 윤형기, 미활용에너지 이용기술

 우리나라는 과거부터 미활용에너지에 대한 개념이 분명하게 정의되지 않고 전문가들에 의해 매번 바뀌는 경향을 보였다. 1990년대 후반에는 미활용에너지가 시장에서 널리 활용되지 않는 잠재에너지원을 통칭하는 용어로 풍력, 태양에너지 등의 재생에너지가 포함된 넓은 범위로 정의가 되었다. 하지만 2000년대가 되면서 발전, 냉난방과 같은 용도로 직접 사용하기에 부족한 온도 범위를 갖는 열원으로 미활용에너지를 규정하는 등 범위가 조금씩 좁아졌다.

 이렇게 넓은 범위에서 시작해서 점점 미활용에너지에 대한 개념이 좁아진 이유는 미활용에너지가 다양한 에너지원으로 구성되어 있기 때문이다. 미활용에너지에 포함된 에너지원 중에서 활용기술이 개발되어 경제적 활용가치가 증대되면 미활용에너지의 범위에서 분리되어 독자적인 에너지원으로 정립된다. 지금 흔히 신재생에너지라고 알고 있는 풍력, 수력, 폐기물 등이 이런 과정을 통해 미활용에너지로부터 분리되어 나왔다고 볼 수 있다. 

[그림 3 : 미활용에너지를 감안한 에너지의 분류]

출처 : 안형준, 미활용에너지의 경제적 효과 및 보급지원방안

 현재 정의되고 있는 미활용에너지의 개념은 일상생활에서 직접 이용할 수 있는 만큼의 경제성을 확보하지 못하여 자연계로 최종 배출되는 에너지원을 말하므로 국가별 기술 수준 및 활용 여건에 따라 미활용에너지의 범위에는 차이가 있다. 

[표 1 : 미활용에너지의 분류]

출처 : 진상현, 도시지역 미활용 에너지의 타당성에 관한 사례 분석

 현재 국내에서는 온실가스 감축을 위한 에너지 정책의 중장기적인 방향으로 기존 신재생에너지의 보급 확대를 추진하고 있으며, 지속적으로 미활용에너지의 유용성 및 잠재성을 평가하고자 하고 있다. 그 유용성 및 잠재성의 평가 결과 "담수 기반 수열에너지도 신재생에너지로 확대 지정하겠다"는 개정안이 입법 예고된 것이다. 

 #2019년 시행령 개정으로 미활용에너지에서 신재생에너지로 지정된 수열에너지

 위의 내용처럼 국내에서는 신재생에너지의 보급 확대를 추진하고 있으며 이에 맞게 산업통상자원부는 2019년 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행령’ 일부 개정령(안)을 입법 예고하였다. 이 안은 2019년 10월 1일부터 시행되는 '신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급 촉진법'에 따른 후속조치로 수열에너지의 보급 확대를 위해 해수 표층 열로 제한된 수열에너지의 범위를 확장하기 위한 것이라고 할 수 있다. 

 현행법에서는 재생에너지를 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 정의하고 있다. 그런데 시행령에서는 수열에너지를 재생에너지에 포함시키면서 그 범위를 ‘해수의 표층의 열을 변환시켜 얻어지는 에너지’로 한정하였으나 산업부의 입법예고된 개정령(안)에서는 수열에너지 중 재생에너지에 포함되는 사항을 ‘해수의 표층’을 ‘해수의 표층 및 하천수’로 한다고 명시하였다.

 즉, 개정안에서는 수열에너지의 개념을 재생에너지에 명확하게 포함시키면서 그 범위를 해수뿐 아니라 하천수를 포함하는 것으로 확장하려는 것이다. 담수까지 포함한 모든 수열에너지가 신재생에너지원으로 지정되는 개정안으로 인해 수열에너지의 활용성에 대해서도 관심이 증대되고 있다.

 현재 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출 전망치 대비 37% 감축을 목표로 신재생에너지 비율을 20%까지 높이고자 하고 있다. 이에 기존 화석연료 및 원전을 축소하고 국가 전력 및 에너지 수급 공백을 채우기 위한 지열･태양열･수열 등의 에너지 활용이 필요하기 때문에 새롭게 신재생에너지원으로 확대 지정된 수열에너지에 주목할 수밖에 없는 상황이다. 

[표 2 : 서울특별시 2009 서울시의 신재생에너지 공급계획]

출처 : 진상현, 도시지역 미활용 에너지의 타당성에 관한 사례 분석

*TOE(Ton of Oil Equivalent)는 원유 1톤에 해당하는 열량으로 약 107Kcal를 말함. 즉, 발열량을 1kg = 10,000kcal로 환산한 값임

  특히 서울시는 2007년 4월 2일 친환경에너지선언을 통해서 2020년까지 신재생에너지 이용률을 10%로 확대하겠다는 목표를 설정한 바 있다. 또한 2009년에는 정부의 ｢제3차 신‧재생에너지 기술개발 및 이용‧보급 기본계획｣에 맞춰 2030년까지 최종 에너지 소비량의 20%를 신재생에너지로 공급하겠다고 목표를 확장해놓은 상태이다. 특히 2030년을 기준으로 전체 신재생에너지 공급량의 54%를 하천수‧하수‧지열로 공급하겠다는 서울시는 미활용에너지 의 보급에 가장 적극적인 지자체라고 할 수 있다.

 이처럼 이번 개정안이 통과되며 수열에너지 중 신재생에너지로 지정되는 것이 해수 기반을 비롯하여 호소수 뿐만 아니라 하천수 등 담수 기반으로 확대될 경우 도시기반 시설로 설치되어 있는 원수관로를 활용하여 경제성 있게 대규모 개발이 가능하고, 국가적 에너지 절감, 온실가스 감축, 도심 열섬현상 예방에도 기여할 것으로 기대된다. 이처럼 수열에너지의 신재생에너지 확대 지정이 통과된다면 앞으로 신재생에너지 사업에서 큰 발전을 이룰 수 있을 것으로 예상하고 있다. 

  #개정안 통과로 탄력을 받게 될 미활용에너지 관련 기술들

 우리나라도 개정안이 통과된다면 해수 뿐 아니라 담수까지 포함한 수열에너지가 신재생에너지원으로 인정받게 된다. 따라서 자연스럽게 관련 기술들도 다시 주목받게 될 것이며 다른 미활용에너지들도 신재생에너지로의 잠재력을 보여준다면 정부의 목표 달성을 위해 더 확대 지정될 가능성이 열리게 되는 것이다. 

 1. 태양열-해양온도차 복합 시스템과 나노유체를 통한 열전달 향상

 해양에너지를 이용하는 방법 중의 하나인 해양온도차발전(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)은 태양으로부터 지구의 바다로 흡수되는 에너지를 이용하는 시스템으로 해수면의 온수와 심해저 냉수의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템이다. 특히, 해양온도차 발전은 해양에너지 중에서도 에너지 규모, 복합이용, 안정성 등에서 가장 유효한 에너지원으로 기대되고 있다.

[그림 4 : 태양열 이용 해양온도차 발전(SH-OTEC) 개략도]

  출처 : 이근식, 태양열 이용 해양온도차발전시스템의 성능 예측 

 하지만 OTEC시스템의 최대 단점인 높은 초기투자비용과 낮은 효율로 인하여 아직까지 시스템의 상업화가 이루어지지 못하고 있다. 게다가 해양온도차 발전의 경우 적도 및 아열대 해역에서는 1년 내내 효율이 유지가 되지만, 고위도에서는 하절기와 달리 동절기에는 표층수의 온도가 떨어져 심층수와의 적정 온도차를 만족하지 못해 효율이 하락하는 등의 문제점이 발생하기 때문에 동절기에 해양온도차발전 운전 시 해양 표층수를 대체할 온열원의 공급이 필요하다.

[그림 5 : 태양열집열에 나노유체를 적용한 개략도]

  출처 : 손지훈, 나노유체를 적용한 태양열집열시스템 열전달 성능 향상 연구

 동절기에 같은 전력으로도 좀 더 높은 온도의 온열원 공급을 위해 태양열 집열시스템을 제작하고 같은 전력으로 더 높은 온도의 온열원 확보를 위해 산화알루미늄 나노유체를 적용하는 등 열전달 성능이 향상하기 위해 노력하고 있다. 이처럼 최근에는 태양열 또는 폐열을 이용하여 OTEC시스템의 효율을 증가시키고자 하는 연구가 수행되고 있다. 

 2. 식물-미생물 전기화학 기반 에너지 회수 (P-MFC : Plant-Microbial Fuel Cell)

 식물의 광합성으로 발생하는 유기물이 전기 생산에 이용된다는 사실 확인 이후 식물-미생물 연료전지라는 이름으로 연구가 빠르게 진행중인 분야이다. 

 식물-미생물연료전지는 산화전극부와 환원전극부로 구성되어 있으며, 분리막으로 구분되어 있다. 산화전극부에서는 미생물에 의하여 유기물의 산화반응이 일어나고, 전자와 수소이온이 발생한다. 전자와 수소이온은 각각 외부도선과 분리막을 통해서 환원전극부로 이동하게 된다. 환원전극부로 이동한 전자와 수소이온은 산소 등과 같은 전자수용체와 최종환원반응을 수행하게 된다. 이러한 일련의 연속반응을 통해서, 전기 또는 유용물질을 회수할 수 있다.

[그림 6 : 식물-미생물 연료전지 개념도]

  출처 : Manohar Kudke, Green Electricity Production from Living Plant and Microbial Fuel Cell

 비록 식물-미생물연료전지에서 발생하는 전력 발생량은 기존의 풍력이나 태양광보다 상대적으로 낮은 수준이지만, 에너지 생산시 소음이 발생하지 않고, 기상조건에 큰 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 또한, 식물 성장에도 전혀 영향이 없기 때문에 기존의 신재생에너지원이 가지고 있는 문제점을 극복할 수 있는 새로운 에너지원이 될 수 있다는 점은 주목할 만하다. 또한, 이론상 식물이 있는 곳이라면 어디든 설치가 가능하기 때문에, 4차 산업혁명을 책임지고 있는 센서의 전력원으로도 충분히 활용이 가능할 것으로 예상하고 있다. 

 국내의 경우, 국립농업과학원에서 국내 최초로 벼를 이용한 식물-미생물연료전지 연구에 대한 내용은 보고되어 있지만 그 이후 관련 연구가 활발히 진행되지 않고 있다.

[그림 7 : 식물-미생물 연료전지 연구 모식도]

  출처 : 유재철, 식물-미생물전기화학 기반의 미활용 에너지 회수 기초 연구

 일단 에너지 밀도가 낮은 점이 가장 큰 문제점으로 지적되었고 상용화를 위해서 안정적인 전기에너지 회수 가능성이 확보되어야 하며, 전극의 안정성과 내구성이 장기간 유지될 수 있는 재료의 개발이 필요성도 있기 때문에 유망한 기술임에는 틀림없지만 상당히 많은 후속 연구가 진행되어야 할 것으로 전망하고 있다. 

 3. 저온 구동 흡수식 냉동

 현재 산업분야(공장·발전소 등)를 중심으로 저온 배열을 유효하게 이용하지 못하고 대기 중으로 배출하고 있다. 에너지 절약을 위해 미활용에너지인 이들의 열에너지를 회수, 유효하게 이용하는 것이 과제인 상황이다. 

[그림 8 : 저온 구동 흡수식 냉동기 개발 유인]

출처 : 박준택, 일본의 미활용 에너지 이용 기술 개발 최근 동향

  최근 저온배열에너지의 이용을 위해 도입되고 있는 것이 저온 구동 기술의 기본인 "Double Lift Cycle"을 더욱 다양한 온도대에 대응시키는 것이다. 

  즉, 흡수 냉동기에 의한 구동원 온도의 저온화를 통해 온수 등의 배열원으로부터의 열회수량 증대, 방출 온도 저감 및 발생 온도의 저온화를 유도하면 미활용에너지를 이용한 냉동·냉장으로 용도의 확대가 가능한 것이다.

[그림 9 : 흡수냉동기의 구동 온도]

출처 : 박준택, 일본의 미활용 에너지 이용 기술 개발 최근 동향

 구동원 온도의 저온화를 통해 열회수 온도차는 약 2배로 증가(95-75℃ → 95-55℃)되어 단위 온수 유량당 냉방능력이 배로 증가할 수 있게 된다. 더하여 에너지 절약 효과는 2023년 시점에서는 연간 1.3만 kl, 2030년 시점에서는 연간 5.1만 kl로 보고되고 있으며, 지역난방 네트워크와 조합시키는 방향이 유망할 것으로 예측하고 있다. 

*킬로리터 (kl, kiloliter) - 부피를 재는 단위로 리터 의 1,000배

[그림 10 : 저온 구동 흡수식 냉동기의 유망 응용 분야]

출처 : 박준택, 일본의 미활용 에너지 이용 기술 개발 최근 동향

 #미활용에너지가 가진 잠재력과 수열에너지에 대한 기대감

 우리나라는 에너지 수입의존도가 약 95%로 매우 높아 국내 에너지 자급률을 높이는 방안 마련에 대한 목소리는 꾸준히 제기되고 있다. 게다가 세계적으로 지구온난화 및 화석연료 고갈에 따른 에너지 부족에 대한 위기에 직면하고 있으며, 많은 국가에서는 에너지 대책 마련에 주력하고 있다.

 국내에서도 기후변화 적응 및 에너지 자립전략을 위해 온실가스 감축, 탈석유에너지 자립 강화와 기후변화 적응 전략 강화의 정책방향을 수립하여 수행해 오고 있다. 하지만 기존 태양, 풍력, 지열 등 신재생에너지원으로는 정부가 추진 중인 ‘재생에너지 3020’ 달성을 낙관하기는 힘든 상황이다.

 이러한 상황에서 해수 표층수 기반을 넘어 담수 기반의 수열에너지가 신재생에너지로 확대 지정되면 정부 정책에 새로운 성장 동력으로 활용될 수 있게 되는 것이다. 또한 이번 확대 지정을 계기로 다른 미활용에너지들도 다양한 연구와 개발을 통해 신재생에너지로써 잠재력을 보여준다면 정부의 목표 달성을 위해 다른 미활용에너지들도 신재생에너지로 인정받을 수 있는 가능성이 열리게 될 것이라고 할 수 있다. 

 이처럼 계속되는 연구와 개발, 정책적 도움이 더해진다면 추후 새로운 고효율 신재생에너지의 탄생을 기대해도 좋을 것이다.

<참고문헌>

1. 2019.05.21, 투데이에너지, 홍시현, [기획] 강력한 드라이브 걸린 '수열에너지'  

http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=213830

2. 2019.05.31, 냉동공조저널, 성백진, 수열에너지 범위 하천수까지 확대 

http://www.hvacrj.co.kr/news/articleView.html?idxno=10364

3. 2019.03.10, 냉난방공조 신재생 녹색건축 전문저널 'Kharn 칸', 최인식, 잠재력 큰 '물' 재생에너지 판도 바꾼다

http://www.kharn.kr/news/article.html?no=9163

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5. 정재원, 남지수, 김진상, 정성은, 김형수 (2019). 국내 하천수의 수열에너지 활용 가능성 분석. 신재생에너지, 15(1), 9-17

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13. 박준택 (2018). 일본의 미활용 에너지 이용 기술 개발 최근 동향. 설비저널, 47(9), 66-70

14. 윤형기, 장기창 (2005). [테마기획3_CO규제와 에너지 산업]미활용에너지 이용기술. 기계저널, 45(4), 44-47

15. Manohar Kudke, Shinde A.A, Supriya Saptarshi (2017). Green Electricity Production from Living Plant and Microbial Fuel Cell. International Journal of Advance Research in Science and Engineering, Vol. #6, Issue #09 

16. Ahn, J. H., Jeong, W. S., Choi, M. Y., Kim, B. Y., Song, J.,Weon, H. Y. (2014). Phylogenetic diversity of dominant bacterial and archaeal communities in plant-microbial fuel cells using rice plants. Journal of Microbiology and Biotechnology, 24(12), 1707-1718.