2.1 국내⋅외 하수처리시설의 에너지 사용실태 분석

미국을 중심으로 유럽과 일본의 선진국 하수처리시설에서 추진하고 있는 에너지 개선방안들을 조사하였다. 미국은 신재생에너지의 생산과 보급을 위하여 연방 정부 및 주 정부 차원에서 다양한 신재생에너지 관련 인센티브 제도를 활용하여 시범사업들을 전개하고 있다. 신재생 에너지원으로는 우리나라와 같이 태양에너지와 풍력에너지, 수력 에너지, 바이오매스 등 다양한 신재생 에너지원을 활용하고 있다(^{ME, 2010}).

신재생 에너지원 가운데 미국 공공하수처리시설에서 주요 에너지원으로 전력생산에 크게 기여하고 있는 자원으로는 바이오가스를 들 수 있다. 미국 하수처리시설의 경우 2018년을 기준으로 1,200여 개의 하수처리시설이 슬러지 처리를 통해 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화조를 갖추고 있다. 해당 시설 가운데 절반 이상이 바이오가스를 활용하여 전력과 열을 생산하고 있으며, 바이오가스를 통해 전력을 생산하는 하수처리시설 중 약 10%가 생산된 전력을 판매하고 있다.

미국 EPA는 음식물 쓰레기를 슬러지와 함께 소화함으로써 바이오가스 생산이 증대됨으로 이를 통해 경제적인 이점을 누릴 수 있다는 점을 강조하며 하수처리시설에서의 혐기성 소화조 사용과 음식물 쓰레기의 Co-digestion 확대를 장려하고 있다.

하수처리시설에서의 에너지 절감 정책은 북미 지역보다는 유럽에서 보다 선도적으로 추진해 왔다. 2018년을 기준으로 EU에는 22,000여 개의 하수처리시설이 존재하며 해당 시설들에서 사용되는 에너지는 EU 전체 에너지 소비의 1%를 차지했다.

이에, EU에서는 Horizon 2020의 지원 아래 ENERWATER 프로젝트 등을 추진하여 하수처리시설의 에너지 절감을 위해 노력하고 있다. EU ENERWATER 프로젝트는 EU 회원국들의 하수 처리시설의 에너지 효율성 제고를 목표로, ‘H2020’ 재정지원 아래 2015년 3월부터 3년 동안 추진되는 프로젝트이다. ENERWATER는 연구기관, 수처리 업체, 시의회, 물 관리청, 산업체 등으로 구성된 4개 EU 회원국 소속 협력 기관들의 참여를 통해 에너지 효율성 지표 개발, 에너지 효율 측정 방법 표준화, 벤치마킹 촉진, 에너지 효율성의 주요 영향 인자 분석을 위한 툴 개발 등을 추진하고 있다(^{ME, 2019b}).

유럽의 하수처리시설 중 대표적 에너지 절감 사례 중 오스트리아 Strass 하수처리시설로서 에너지 절감을 위해 실시한 대표적 기술은 열병합발전시설(CHP)의 도입과 반류수(sidestream, 대부분 탈리액으로 구성됨)의 처리를 위해 Anammox 미생물을 활용한 DEMON 공정을 들 수 있다. 무엇보다 바이오가스 생산에 획기적인 기여를 한 방법은 음식물 쓰레기를 혐기성 소화조에 농축 슬러지와 동시 투입하는 co-digestion 방법이다. 이는 음식물 쓰레기의 전처리 여부에 따라 혐기성 소화조에 효과적으로 적용 가능하다는 것을 시사한다.

우리나라는 2010년부터 환경부가 추진 중인 에너지 자립화 기본계획에 따라 전국 하수처리시설에서 에너지 절감을 위한 다양한 방안들이 선진 외국의 우수사례를 벤치마킹하여 현장에 적용되고 있다. 환경부가 추진하고 있는 에너지 자립화 정책에 따라 현장에 적용되고 있는 기술로서 소화조 개선 사업이나 신재생에너지 회수사업 등이 있다. 국내 공공하수처리시설 규모별 전력사용량, 유입하수량 당 전력사용량, 각 오염물질 제거에 소모되는 전력사용량을 분석하였다. 시설 규모가 클수록 유입하수량 당 전력사용량이 적고, 또한 오염물질 1 kg 제거 당 소비되는 단위 전력사용량이 낮은 것으로 나타났다. 유기물질과 T-N, T-P 제거 기준으로 전력사용량을 분석해 보면 500~1,000 m³/일 규모에서 BOD 1 kg 제거 당 전력사용량은 19.2 kWh/kgBOD로 500,000 m³/일 이상 규모의 하수처리시설의 BOD 제거 당 전력사용량에 비해 약 10배 정도 높고, COD, T-N, T-P 또한 적게는 5배에서 10배 차이가 나는 것으로 나타났다.

2.2 국내외 에너지 절감 및 회수기술

에너지 자립률 개선을 위해 환경부는 2005년부터 소화조 효율 개선 사업을 시작으로 2015년 국가 하수도 종합계획까지 최근까지 자원순환, 폐기물, 바이오가스 등 다양한 에너지 관련 제도 정책들을 추진하고 있다. 에너지 절약사업은 하수처리시설 중 에너지 다소비 시설인 생물반응조 운영시스템을 개선할 뿐만 아니라 에너지 자립화율을 향상시키고 기후변화에 적극적으로 대응하기 위한 목적을 갖고 있다.

대구 서부하수처리시설은 에너지 절약사업을 통해 전력 절감량이 27,128 MWh/년, 절감률이 49.0%로 연간 절감액은 2,035 백만 원으로 다른 하수처리시설에 비해 높은 절감률 달성한 바 있으며, 달서천, 신천하수처리시설의 경우 절감량이 각각 9,017 MWh/년(절감률 24.9%), 4,818, MWh/년(절감률 12.3%)절감하였다(^{Daegu Environment Corporation, 2015}). 3개 하수처리시설에서 절감된 금액은 총 3,073 백만원/년 경제적 효과를 얻었다. 서부하수처리시설의 경우 투자비가 총 5,911.2 백만 원을 매년 1,701.7 백만 원 절감하는 효과가 있다고 보았을 때 회수기간은 3.47년이고 에너지 자립화율은 기존 대비 10% 이상 향상시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.

부산 수영하수처리시설은 에너지 다량 소비 장비 중 대용량 펌프를 고효율 펌프로 교체하기 위한 ESCO 사업을 추진하였다. 사업금액은 에너지절약전문기업(ESCO)과 협약을 체결해 사업비 전액을 시공사에서 우선 부담하고 절감된 전력요금으로 매년 분할 상환하는 방식으로 시행되었다(^{Busan Environmental Corporation, 2016}). 기존 입축사류 펌프에서 수중사류 펌프로 교체한 결과 효율이 35.8% 증가하였으며, 그중 전력소비량 감소로 인한 효율은 13.4%, 유량 효율은 22.4%로 나타났다. 전력 절감량은 연간 1,056 MW로 비용으로 볼 때 연간 118.3 백만 원으로 나타났다. 온실가스 감축량의 경우 35.8% 효율로 일일 18시간 운전을 기준으로 연간 492 tCO₂-eq로 나타났다.

광주 제1 하수처리시설은 단위 공정인 생물공정 산기관의 재질 개선을 통한 에너지 절감 사업이 수행되었는데, 기존 EPDM 재질의 산기관이 잦은 파손으로 설비관리 애로 및 운영 효율 저하현상과 산소전달률 저하로 송풍기 추가 가동 및 전력비 낭비의 문제가 발생되고 있어 산기관 재질을 평가하고 내구성을 고려한 실리콘 재질 산기관을 선정하고 운영한 결과(^{Gwangju Environmental Corporation, 2008}) 송풍량 2,000 m³/hr(7.14%)로 기존 송풍기 0.5대 분량의 개선효과를 달성하였다. 생물 반응조 운영 DO 2 mg/L 이상 달성을 기준으로 평가한 송풍량은 각각 개선 전 대비 약 7.14% 에너지 절감 효과를 달성하였다.

국내 하수슬러지 바이오가스 차량 연료화 관련하여 서남 하수처리시설의 사례가 있다. 바이오가스 시설용량은 2,940 m³/일로 정제기술은 흡수법(Water scrubbing, 스웨덴)을 사용하여, 정제 바이오 메탄을 영업용택시 200대에 사용하고 있으며 100% 바이오 메탄으로 차량 충전에 사용하고 있다(^{NIER, 2017}).

대전 하수처리시설에서는 발생된 소화가스를 가온 에너지원으로 활용하고 있는데, 우선 바이오가스를 대전 열병합 발전소에 공급하고 있으며, 이때 공급되는 열은 0.99 Gcal/hr이고, 발열량은 5,500~6,500 kcal/m³으로 지역난방 공급수 가온에 활용되고 있다(^{Daejeon Metropolitan City Facilities Management Corporation, 2016}).

대구 신천사업소와 북부사업소는 슬러지 소화과정에서 발생하는 메탄가스로 발전 후 폐열을 이용하여 소화조를 가온하는데 사용하고 있었다. 슬러지 처리시설 공사 시 소화조 가온방법 변경으로 열병합 발전이 가능한 수준으로 운영되고 있다. 신천사업소의 경우 750 kW, 600 kW 시설 운영을 통해 2018년 기준 연간 2,851 MWh, 2,549 MWh의 발전량을 생산하였으며, 북부사업소의 경우 260 kW 시설을 통해 2017년 8월 기준 660 MWh의 연간발전량을 생산하였다. 이외에도 연료전지 시스템과 하수열 히트펌프 시설 및 소수력 발전시설들이 국내 하수처리시설에서 신재생에너지 생산 및 회수를 위해 적용되고 있다(Daegu Environment Corporation, 2015).

미국은 EPA에서 에너지 절약 프로젝트(Energy Conservation Measures, ECM)를 통해(U. S. EPA., 2010) 미국 내 9개 하수처리시설에 대한 에너지 절감 방안과 경제성을 분석하였으며, 하수처리시설별 에너지 절감 방안 및 투자비용, 그에 따른 에너지 절감량 및 회수 기간을 분석하였다. Green Bay의 하수처리시설은 폭기 시스템을 개선하였으며, 기존 블로워를 터보 블러워로 교체하였으며 이에 따른 에너지 절감률이 50%로 나타났다.

3.1 분석 대상 선정

하수처리시설 에너지 효율화 사업에 적용되는 에너지 절감 기술의 경제성 분석을 실시하기 위하여 하수처리시설별 에너지 효율화를 위해 도입되는 신재생에너지 사업과 혐기성 소화조 운영 및 소화조 가스 활용사례를 조사하였다. 그 중 태양광 발전, 소수력 발전, 혐기성 소화조 운영에 따른 경제성 분석을 실시하기 위하여 운영 데이터 등을 확보할 수 있는 하수처리시설을 중심으로 대상 시설을 선정하였다. 태양광 발전 대상 하수처리시설은 광주 효천, 대전, 대구 달성, 인천 공촌, 제주 서부하수처리시설이며 운영 자료(태양광 발전 생산 데이터, 태양광 시설 초기 건설비용, 운영비용 등)와 참고문헌(^{Korea Engineering and consulting association, 2020}, ^{Korea Power Exchange, 2020})을 활용하여 분석 진행하였다. 소수력 발전 경제성 분석 대상은 대구 신천, 석수, 천안, 아산 하수처리시설, 풍력 발전의 경우 제천 하수처리시설, 소화가스 발전은 속초하수처리시설 데이터를 통해 분석을 진행하였다.

3.2 경제성 분석 방법

본 LCC 분석을 위한 모델은 NIST Bridge LCC 프로그램 개발을 위한 모델(^{Ehlen and Marshall, 1996})이며, LCC 분석방법은 도로투자기법에 가장 일반적으로 사용하는 현재가치화법을 사용하였다.

NIST 모델(Ehlen and Marshall, 1996)은 PVLCC = IC + PVOMR + PVD 여기서, PVLCC = 현재가치의 총기대비용, IC = 초기비용, PVOMR = 유지보수비용의 현재가치, PVD = 철거 및 폐기비용의 현재가치를 의미한다.

여기서, PV = 미래에 발생하는 현재가치, Cn = n년 후에 발생하는 비용, I = 할인율, k = Life Cycle 고려시 설계수명이다.

LCC 분석결과는 할인율의 변화함에 따라 큰 영향을 미친다. 할인율은 보통 명목할인율(Nominal Discount Rate)와 실질할인율(Real Discount Rate)로 구별된다. 명목할인율과 실질할인율의 상관관계는 식은 아래와 같다.

(여기서, : Ir 실질할인율, In : 명목할인율, F : 물가상승율)

편익/비용 비율(B/C Ratio)은 총 편익과 총 비용의 할인된 금액의 비율, 즉, 장래에 발생될 비용과 편익을 현재가치로 환산하여 편익의 현재가치를 비용의 현재가치로 나눈 것이며, 일반적으로 편익/비용 비율 ≥ 1.0 이면 경제성이 있다고 판단한다.

여기서, : t 시점의 편익, : t 시점의 비용, r : 할인율, n : 분석기간

<Table 2>에서는 경제성 분석방법 중 비용편익분석(B/C 분석), 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR)에 대해 장⋅단점을 제시하였다. 편익/비용 비율은 특정 항목을 편익 혹은 비용으로 처리하는가에 따라 값이 달라지는 단점이 있으나, 일반적으로 투자심사기준으로 사용되고 있다. 순현재가치는 순편익(net benefit)의 흐름을 사업 개시연도의 가치로 평가한 것으로서 가장 직관적으로 널리 쓰이는 방법이나 사업규모에 대하여 표준화(normalize)되어 있지 않은 이유로 사업간 비교에는 적당하지 않다는 단점이 있다. 따라서 성격은 동일하지만 규모가 상이한 두 사업의 NPV만으로 두 사업의 ‘수익성’을 비교하는 것은 바람직하지 않다. 내부수익률은 내부수익률은 기회비용의 측면에서 평가한 사업의 수익성 지표로서, 사업의 규모에 의존하지 않는다는 장점이 있으나, 수익성이 극히 낮거나 높은 경우 계산되지 않을 수 있다.

4.1 하수처리시설 신재생에너지 도입에 따른 비용편익 분석결과

<Table 3>에서는 비용편익 분석을 위한 항목 산출기준을 제시하였다. 비용 항목에는 시설의 초기 투자비용, 유지관리비 등이고, 사회적 할인율 4.5%를 적용하였다. 편익은 태양광 발전으로 인해 얻어지는 전력은 판매 또는 자체 활용할 수 있기 때문에 전량 전력판매 수익으로 산출하였고, 신재생에너지 생산으로 인해 저감되는 CO₂를 할당배출권을 환산하여 환경적 효과 편익으로 계산하였다.

4.1.1 태양광 발전의 경제성 분석

태양광 발전 경제성 분석 대상은 광주 효천, 대전, 대구 달성, 인천 공촌, 제주 서부하수처리시설의 데이터를 바탕으로 분석을 실시하였다. 경제성 분석은 시스템에 소요되는 비용과 수익을 계산하여 비교할 수 있는 B/C 분석을 활용하였다. 태양광 발전 초기 사업비와 유지관리비(시설비의 1%)로 산정하였으며, 2019년 태양광으로 생산된 발전량을 이용하여 편익을 산출하여 향후 20년 동안 운영하였을 때 경제성을 비교⋅분석하였다. 분석결과 제주 서부가 B/C 0.685, 회수기간 16.34년으로 가장 경제성이 높은 것으로 나타났으며 대구 달성, 인천 공촌, 광주 효천, 대전 하수처리시설 순으로 나타났다.

Fig. 1. B/C ratio of solar photovoltaic system operation.

4.1.3 풍력 발전의 경제성 분석

제천하수처리시설 운영자료(풍력 발전 생산 데이터, 풍력 발전시설 초기 건설비용, 운영비용 등) 일체를 수집하여 분석한 결과 제천하수처리시설에서 20년 동안 풍력 발전 시설을 운영할 때 소요되는 총 비용은 351.0백만 원으로 나타났으며, 총 편익은 52.5백만 원으로 분석되어 0.150의 B/C Ratio가 산출되었다.

Table 5. Summary of economic analysis of solar photovoltaic system operation (Jo, 2016andMin et al., 2014) Operating period : 20 years, Discount rate : 4.5%

Item	Gwangju Hyocheon	Daegu Dalsung	Daejeon	Incheon Gongchon	West Jeju
Current price of total cost (Million KRW)	238	650	1,387	280	99
Current price of total benefit (Million KRW)	151	430	270	151	68
B/C RATIO	0.352	0.661	0.195	0.539	0.685
Investment recovery period(yr)	34.68	16.91	57.31	20.74	16.34

Table 6. Summary of economic analysis of small hydropower plant operation (Water Journal, 2011) Operating period : 45 years, Discount rate : 4.5%

Item	Daegu Shincheon	Seoksu	Chunan	Asan
Current price of total cost (Million KRW)	686	1,208	292	193
Current price of total benefit (Million KRW)	512	1,430	323	80
B/C RATIO	0.746	1.184	1.105	0.413
Investment recovery period(yr)	10.8	6.8	7.3	19.5

Fig. 2. B/C ratio of small hydropower plant operation

Table 7. Economic analysis of wind power operation in Jecheon sewage treatment facility

Item	Jecheon
Operating period(yr), Discount rate(%)	20 years, 4.50%
Current price of total cost(KRW)	350,986,471
Current price of total benefit(KRW)	52,487,258
NPV(KRW)	-307,588,992
B/C RATIO	0.150
Investment recovery period(yr)	46.3

Table 8. Economic analysis of digestion gas power operation in Sokcho sewage treatment facility

Item	Sokcho
Operating period(yr), Discount rate(%)	20 years, 4.50%
Current price of total cost(KRW)	1,975,537,975
Current price of total benefit(KRW)	4,949,999,731
NPV(KRW)	5,116,022,386
B/C RATIO	2.506
Investment recovery period(yr)	3.3

4.2 하수처리시설 소화가스 발전의 경제성 분석

속초하수처리시설의 경우 2020년 1월 소화가스(바이오가스)를 850 kW 규모로 실시하기 위한 협약을 체결하여 6월까지 완공 후 운영계획으로 총 사업비는 1,800 백만 원으로 해당 비용을 사업비로 산정하였다. 운영비용은 운영유지관리비로 산정되는데 본 연구에서는 KDI 예비타당성조사(^{Korea Development Institute, 2008}) 근거로 시설비의 3%로 보수적인 운영비용으로 산출하였다. 내구연한의 경우 20년으로 하였으며, 할인율 4.5%를 적용하였다.

속초하수처리시설에서 20년 동안 소화가스 발전 시설을 운영할 때 소요되는 총 비용은 1,976백만 원으로 나타났으며, 총 편익은 4,950백만 원으로 분석되어 2.506의 B/C Ratio가 산출되었다.

4.3 고효율 기기 설비 교체에 따른 에너지 절감

하수처리시설에서 기기 설비 교체에 따른 에너지 절감 효과와 경제성을 분석하였다. 천안 하수처리시설에서는 생물반응조 내 블로어 교체를 통해 전력절감에 따른 전기요금 절약, 온실가스 감축에 따른 배출권 비용 등을 바탕으로 분석한 결과 연간 3,072,658 kW의 전력 절감 효과가 나타났으며, 온실가스 감축량은 1,520.97 tCO₂-eq/년 이며, 배출권 비용으로 환산하면 60,915 천원으로 산정되었으며, 회수기간은 1.9년으로 나타났다.

중랑물재생센터에서는 펌프 인버터 교체를 통해 연간 1,344,660 kW 전력 절감을 하였고, 온실가스 감축량은 665.607 tCO₂-eq/년이며, 할당배출권으로 환산하면 26,658 천원(투자회수기간 1.5년)을 확보하였다.