국내 하천수의 수열에너지 활용 가능성 분석 : (1) 허가 기준유량 산정 및 취수 가능지역 설정

유럽을 비롯한 미국, 일본 등에서는 1960년대부터 건물, 농업, 교육시설 등에 수열에너지를 사용해 왔다. 유럽의 경우 독일의 돌스텐 Lipe강, 영국의 도그랜드 테임즈강 등이 대표적인 하천수 수열에너지의 활용사례이며 이후에도 보급이 활발하게 지속되고 있다. 일본의 경우 대표적인 사업으로 스미다 강물을 활용하여 동경 하코자키 지구의 지역 냉난방에 공급하고 있으며, 나카노지마지구, 도야마역 북부지구, OAP지구 등 하천수 수열에너지를 근방 지역의 냉난방에 활용하고 있다.^[5,10] 그 외 미국 코만치 초등학교와 캐나다 토론토시에서는 상수도를 냉난방에 활용하고 있으며, 미국 코넬대학에서는 수심 76m에서 온도가 4∼7℃되는 호소수를 이용하는 호수냉방시스템을 개발하였다. 또한 캐나다에서는 호수냉방시스템을 활용해 연중 60MW의 냉방에너지를 인근 지역에 공급하고 있다.^[8,14,15]

국내에서는 K-water가 수열에너지 확대보급에 노력하고 있다. 2006년부터 주암댐 발전소 건물을 시작으로 전국 11개 사업장에 원수관로와 댐 호소수를 활용한 냉난방 시스템을 설치, 운영 중이다. 2014년 부터는 수도권광역상수도 원수관로를 이용해 제2롯데월드 냉난방 열원으로 팔당댐의 물을 공급하고 있다. 뿐만 아니라 소양강댐의 물을 이용하여 춘천 네이버 인터넷데이터센터(IDC) 서버에서 발생하는 열을 식히는 사업, 낙동강 하천수를 취수하여 히트펌프의 열원으로 부산 화훼단지의 소규모 비닐하우스에 열을 공급하는 연구 등 꾸준하게 하천수 수열에너지에 대한 연구 및 보급이 지속되고 있다.

1) 하천법

하천수 사용에 관하여 ｢하천법｣ 제49조에 따라 타인의 권리와 공공의 이익을 침해하지 않고, 물 관리에 지장이 없는 범위 안에서 모든 국민이 혜택을 고루 향유할 수 있게 하천수를 배분하도록 정하고 있다. 또한 하천수를 생활･공업･농업･환경개선･주운 등의 용도로 사용하기 위해서는 제50조에 따라 국토부장관의 허가를 받아야 한다. 하천수 사용허가 여부는 허가기준에 따라 결정되며 제32조의 규정에 따라 관계기관과의 협의결과도 이에 반영하도록 한다.

2) 하천수 사용허가 기준

홍수통제소는 하천수의 과부족을 물수지 분석을 통해 검토하게 되는데 분석 결과에 따라 가용유량이 있는 경우 취수지점 및 취수시설을 지정하여 허가하게 된다. 통상적으로 가용유량이 없는 경우, 기득하천사용자의 동의를 얻어 기득하천사용자의 허가량을 조정하게 되며, 가용유량도 없고, 기득하천사용자의 동의도 얻지 못한 경우에는 댐 사용권자와 댐용수 사용계약 체결을 하여야 한다. 이때 홍수통제소는 하천수 사용을 허가하고 댐 사용권자는 신규 수요자로부터 물 값을 지불받는다.

홍수통제소에서 하천수 사용을 허가하는 기준을 10년 주기 가장 가물었을 때 자연상태의 하천에 흐르는 유량인 기준갈수량으로 정하고 있다. 여기서 갈수량은 하천유량의 규모와 유량의 변동특성을 나타내는 기준 용어로 ‘1년 중 355일은 이보다 더 작지 않은 유량’을 뜻하는데 기준갈수량은 갈수량 값 중 10년 빈도에 해당하는 갈수량을 의미한다.^[15]

본 논문에서는 현재 하천수 수열에너지 이용을 위한 취수 기준이 홍수통제소의 하천수 사용허가 기준을 따르고 있기 때문에 홍수통제소에서 제시하고 있는 하천수 사용허가 기준유량을 기준으로 허가 기준유량 확보의 안정성을 검토하였다.^[8]

홍수통제소에서는 하천수 사용과 관리를 위해 ‘하천수 사용 관리시스템’을 통해 하천수 사용 관련정보를 수집하고 관리하고 있다. 본 시스템에서는 표준유역별로 기준갈수량 및 허가 기준유량을 제시하고 있다. 여기서 허가 기준유량은 다음과 같이 계산한다.

(+) : 하천수 사용 가능, (-) : 하천수 사용 불가능

여기서 허가 기준유량이 양의 값을 갖는 경우 양적으로는 사용허가가 가능하며, 기준갈수량 값이 하천유지유량보다 작아서 허가 기준유량이 0보다 작은 경우 새로운 하천수 사용허가는 불가능하다.

한강수계 표준유역별 허가 기준유량을 검토한 결과, 남한강의 경우 상류구간은 허가 기준유량이 (-)값을 가지므로 현재 사용이 불가한 상황이고 양평 수위관측지점 하류부터 팔당댐까지 구간에서 0.10-0.25m³/s의 허가 기준유량이 남아있다. 북한강의 경우 청평 수위관측지점에서 팔당댐까지 구간에서 허가 기준유량이 3.61-7.02m³/s이다. 한강 국가하천 구간의 경우 5.48-30.35m³/s 이나, 하류부의 경우 일반적으로 취수시설을 설치하기 어렵고 수요처가 없어 취수하기에 적절하지 않은 편이다(Fig. 1, Table 1).

Fig. 1.

The permissible standard flow (Han River Basin) [Unit: m3/s]

Table 1.

The permissible standard flow (Han river basin)

낙동강수계의 표준유역별 허가 기준유량을 검토한 결과, 창녕합천보 유역과 신천합류후 - 밀양강합류 유역, 낙동강 하구언을 제외하고 허가 기준유량이 (-)값으로 나왔다. 가뭄이 지속되고 기허가량이 많기 때문에 현재 기준갈수량이 하천유지유량보다 상당량 적은 상황으로 허가 기준유량이 남은 구간에서도 추가적인 하천수 사용허가는 쉽지 않은 상황이다. 또한 필요한 생･공･농업용수의 사용이 어려운 상황에서 냉난방 에너지 사용을 위한 하천수의 취수는 불가능할 것으로 판단된다(Fig. 2, Table 2).

Fig. 2.

The permissible standard flow (Nakdong River Basin) [Unit: m3/s]

Table 2.

The permissible standard flow (Nakdong river basin)

금강수계의 표준유역별 허가 기준유량을 검토한 결과, 갑천을 제외하고 허가 기준유량이 남아 있는 것으로 확인되었다. 특히 금강공주 중권역부터 금강하구언까지 유량이 많아 하천유지유량을 제외한 허가 기준유량이 7.73-12.53m³/s까지 분포하고 있어 기허가량을 제외한 유량 범위 내에서 사용이 가능할 것으로 보인다(Fig. 3, Table 3).

Fig. 3.

The permissible standard flow (Geum River Basin) [Unit: m3/s]

Table 3.

The permissible standard flow (Geum river basin)

영산강수계의 표준유역별 허가 기준유량을 검토한 결과, 장성댐 유역을 제외하고 허가 기준유량이 남아 있는 것으로 확인되었다. 하지만 하천 유량자체가 상대적으로 적어 허가 기준유량의 경우 수계 전체에서 0.17-4.01m³/s 사이로 분포하고 있다. 기허가량도 제외하여야하므로 실제적으로 하천수 사용이 가능한 구간은 영산포-사포 유역 구간으로 판단된다(Fig. 4, Table 4).

Fig. 4.

The permissible standard flow (Yeongsan River Basin) [Unit: m3/s]

Table 4.

The permissible standard flow (Yeongsan river basin)

섬진강수계의 표준유역별 허가 기준유량을 검토한 결과, 본류에서 허가 기준유량이 2.82-10.17m³/s, 요천 및 보성강에서 각각 1.29m³/s, 2.13m³/s이다. 허가 기준유량에서 실제 하천수 사용허가를 위해서는 기허가량의 검토가 필요한데, 섬진강유역의 경우 농업용수로 70% 이상이 사용되고 있기 때문에 이에 대한 기허가량을 검토해볼 필요가 있다. 또한 농업지역이므로 적절한 수요처가 있는지 확인이 필요하다(Fig. 5, Table 5).

Fig. 5.

The permissible standard flow (Sumjin River Basin) [Unit: m3/s]

Table 5.

The permissible standard flow (Sumjin river basin)

하천수 사용허가 허가 기준유량을 검토한 결과 낙동강 수계 및 타수계의 일부구간을 제외하고 허가 기준유량이 남아 있는 것으로 확인되었다. 하지만 여기서 실제 하천수 사용허가를 위해서는 사용허가가 가능한 유량이 있더라도 사용 목적이 다른 법률에 위배되지 않아야하며, 기존에 하천수 사용허가를 받고 있는 기득하천 사용자에 미치는 영향도 없어야 함을 유의해야한다. 본 검토결과는 현재 남아있는 허가 기준유량의 유무를 판단한 것으로 실제 사용허가의 유무는 홍수통제소에서 하천수 사용허가 매뉴얼을 통해 검토하고 판단하게 된다. 또한 히트펌프 열원으로서 하천수를 이용하는 경우 열 이용 이후 배출되는 수량의 변화는 없더라도 배출수에 의한 표층수 수질인자 변동에 따른 환경문제를 검토하기 위해 관계기관과의 협의가 필요하다.

하천수를 히트펌프 열원으로서 사용하는 경우 발전용수나 환경개선용수와 같이 회귀율이 100%에 가깝고 손실이 거의 발생하지 않는다. 하지만 하천수 사용허가를 얻기 위해서는 현재 별도의 기준이 제시된 바 없기 때문에 동일한 기준이 적용되고 있다.^[16] 또한 현재 전국적으로 가뭄 발생이 잦아지고 심화되고 있어 하천수의 사용허가를 위한 가용 유량이 전반적으로 부족한 상황이라 현실적으로 하천수 사용허가가 어려운 실정이다. 따라서 하천수를 히트펌프 열원으로 사용하기 위해서는 회귀율을 고려한 새로운 하천수 허가기준이 제안되어야 할 것으로 보인다.

하천수 열원 히트펌프 시스템에 대한 국내와 해외의 설치 환경은 크게 다르다. 국내에서는 하천의 수량이 연중 크게 변동하며, 이용 시설이 하천에서 거리가 멀리 위치한다. 반면에 해외에서는 하천의 수위가 연중 변동이 적고, 이용 시설이 하천에 인접하여 위치한 사례가 많으며, 하천수 열원 히트펌프는 이러한 환경에서 많이 보급되고 있다.

해외에서는 하천수를 간편하게 이용할 수 있는 여건을 갖춘 지역을 중심으로 하천수 히트펌프가 보급되었으며, 여건이 좋은 지역에서는 가정용과 같은 소규모 하천수 히트펌프가 보급되었다. 국내는 하천의 유량 변동이 심하여 열사용처가 하천에 인접하여 위치하지 않고 있다. 히트펌프를 이용하여 냉방과 난방을 수행할 수 있는 건물이 하천에서 멀리 떨어져 있는 국내 여건에서, 호수변 또는 하천변에 위치한 극히 일부 건물을 제외하면 하천수를 용이하게 이용할 수 있는 여건을 갖추고 있다고 보기 어렵다.

국내의 경우 하천의 유량변동이 크기 때문에 하천수 수열원 히트펌프를 이용하는 온도차 냉난방 수요처가 주로 하천에서 멀리 떨어져 위치하고 있다. 따라서 하천 유량의 이용가능량이 충분하더라도 수요처와의 거리 및 규모에 따라 기술적인 문제와 경제성 문제로 수열원 사용이 불가능한 경우가 있다. 그러므로 하천수 사용을 위해서는 먼저 하천수 유량이 적정한 구간을 대상으로 수열에너지 취수 가능 여부의 검토가 필요하다.

건물규모와 관로이격거리는 경제성평가에서 중요한 요소이므로 적절한 관로이격거리 내에 적정 규모의 수요처가 존재하는지를 검토해야 한다. 일반적으로 하천수를 이송하는 배관의 공사비용은 도시지역 기준으로 100m 당 약 1억원으로 산정되고 있다. 이를 고려하여 기존의 한국수자원공사(2010)의 ‘온도차에너지 활용 냉난방사업 신규적지조사’ 연구에서는 최대 1km 이내에 수요처가 있을 때에 경제성이 있다고 보고 하천 1km 이내 건물을 주요 대상으로 적지를 분석한 사례가 있다.^[18] 본 분석에서도 관로이격거리에 따른 경제성 문제를 고려하여 하천변에서 1km 이내의 건물 시설을 가능한 수요 대상지로 분석하였다.

앞서 유량 분석 결과를 바탕으로 하천의 이용가능량이 충분한 구간을 대상으로 GIS 상에 하천변 1km 이내 위치한 건물들을 도시하였다. 권역별로 건물 시설이 주위에 많이 분포하는 지역의 건물 용도 분석을 통해 예상 수요지를 조사하였다. 이때 일정 규모의 밀집된 상업 및 주택지구를 수요 대상지로 판단하였다. 하천의 허가가능유량을 토대로 하천수 취수가 가능한 구간을 검토하였고, 가능한 하천 구간의 하천변 1km 이내의 건물 시설 중 가능 수요처를 검토하여 실제 하천수 열원의 사용을 위한 취수 가능 지역을 분석하였다.

한강권역에서는 북한강의 청평댐 하류부부터 한강하류까지 허가 기준유량이 3.6m³/s-10m³/s 이상까지 하류부로 갈수록 허가 기준유량이 증가하였다. 해당 구간의 건물 수요를 확인한 결과, 양평과 서울 부근의 하천 인근에 주거 및 상업지역이 입지하여 집단냉난방 수요처에 대한 하천수 열원의 취수가 가능할 것으로 판단된다(Figs. 6, 7, 8).

Fig. 6.

River water hydrothermal energy demand (Han river - Yangpyeong)

Fig. 7.

River water hydrothermal energy demand (Han river - Jungrangcheon junction)

Fig. 8.

River water hydrothermal energy demand (Han river downstream)

금강권역에서는 갑천을 제외하고는 허가 기준유량이 2.1m³/s이상으로 유량측면에서는 취수가 가능하다. 하지만 하천 인근의 수요처는 공주시와 대청댐 하류의 대덕구에만 조밀하게 분포하고 있어서 취수는 수요처가 있는 구간에서만 가능하다(Figs. 9. 10).

Fig. 9.

River water hydrothermal energy demand (Geum river - Gongju)

Fig. 10.

River water hydrothermal energy demand (Geum river – Daecheong dam downstream)

영산강권역에서는 장성댐유역을 제외하고 허가 기준유량이 0.2m³/s-4.0m³/s 정도 분포하고 있다. 하지만 하천 인근에 건물이 밀집된 곳이 많지 않고, 주거지역은 단독주택이 주로 분포하고 있어서 수열에너지 냉난방 수요처로 적절하지 않다(Fig. 11).

Fig. 11.

River water hydrothermal energy demand (Yeongsan river – Juksan weir)

섬진강권역에서는 하천 인근에 주로 농림 및 생산관리지역이 분포하고 있어 1km 근방에 수요처가 많지 않아 먼 곳의 수요처까지 하천수 수열에너지를 이동하는 데에는 기술적, 경제적인 제약이 따르기 때문에 추가적인 검토가 필요하다(Fig. 12).

Fig. 12.

River water hydrothermal energy demand (Sumjin river downstream)

낙동강권역에서는 수요처와는 무관하게 낙동강하구언 중권역을 제외하고는 허가 기준유량이 남아있지 않으므로 현재 하천수 사용을 위한 취수가 어려운 실정이다. 섬진강권역은 하류구간으로 갈수록 하천기준유량이 많아지나 인근에 수요처가 많지 않아 활용하기 어려울 것으로 판단된다.

이와 같이 각 권역별로 하천수 유량을 활용할 수 있다고 판단되는 구간을 대상으로 하천변 예상 수요지를 조사한 결과, 주거 및 상업지역이 입지하고 있는 한강권역의 양평과 서울 부근 및 금강권역의 일부 구간이 취수가 가능할 것이라 판단된다. 하지만 이는 입지한 위치 상 가능 수요지를 고려한 것으로 실제 수요지와는 차이가 있을 수 있으며, 추후 가능 수요지를 대상으로 현장 조사를 통한 실수요지 조사가 필요하다. 또한 국내 하천의 경우 유량변동이 크고 동절기에 동결 발생 가능성이 높으며 이용시설과 하천의 높이차가 크다. 따라서 실제 하천수 수열에너지 활용을 위한 취수를 위해서는 이러한 요소를 반영한 기술적, 경제적인 분석도 추가적으로 필요하다.