<사진. 하이브리드 Sankey diagram에서, 에너지 및 물 흐름의 크기를 보여주고 있다. 열전발전은 냉각을 위해 다량의 물을 사용하고 있고 열에너지를 전기로 전환하는 과정의 비효율성으로 인해 엄청난 양의 에너지를 소비하고 있음을 보여주고 있다. 물 및 에너지 사용의 정도는 발전 및 냉각 기술에 따라 차이가 크다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

물-에너지 넥서스에 대한 DOE 보고서 발간

미국 에너지부(Department of Energy; DOE)는 물-에너지 넥서스(water-energy nexus)를 위한 통합된 기회와 도전에 대한 새로운 보고서를 발간하였으며, 향후 관련분야를 위한 기초가 될 것으로 보인다.

오늘날 물과 에너지 시스템은 긴밀하게 연결되어 있다. 물은 모든 형태의 에너지 및 전기 생산에 사용되고 있다. 에너지는 추출, 운송 및 다양한 목적에 알맞은 품질로 공급하기 위해 사용된다.

2012년 미국의 1/3 이상이 심각한 가뭄에 직면했을 때, 이용할 수 있는 물의 제한으로 일부 발전소 및 다른 에너지 생산 설비의 가동이 원활하지 못했다. 미국 내 비전형적인 오일 및 가스 개발에 대한 최근 유행은 에너지와 수자원(water resources)의 관계에 대한 복잡성을 증가시키고 있다.

물-에너지 넥서스(water-energy nexus)는 DOE의 두 가지 우선정책을 통합한 것으로, 기후변화 및 에너지 안보가 그것이다. DOE는 수 년 동안 물-에너지 넥서스를 발표해왔다. 하지만, 이 작업은 역사적으로 개별 프로그램을 기반으로 한 것이고 물은 다른 많은 요소들 중 하나로 간주되었다.

2012년 가을, DOE는 여러 부서를 포괄하는 WETT(Water-Energy Tech Team)를 구성해 DOE 프로그램과 물 및 에너지 분야의 외부 핵심 관계 기관 등과의 유대관계를 증가시키고자 하였다. WETT는 `물-에너지 넥서스: 도전과 기회(Water-Energy Nexus: Challenges and Opportunities)`를 개발하여 이런 목표를 달성하고 다음 단계를 위한 방향을 제시하기 위한 분석 기반을 제공하고자 하였다.

물 가용성(water availability)은 물-에너지 넥서스의 미래에 영향을 미친다. 그 영향의 정도는 상당히 불확실하지만, 물 가용성 및 예측성은 온도, 강우패턴의 변화, 다양성의 증가 등에 의해 영향을 받게 된다. 강수 및 온도 경향의 변화는 수력발전, 바이오에너지 원료생산 및 다른 에너지 수요 분야에 더 국지적인 변동성을 일으킬 것이다. 온도 증가는 냉방을 위한 전기 수요를 증가시키며 열전발전의 효율과 용량을 저하시킨다. 이런 문제와 다양성은 에너지 기반구조의 유연성을 위협한다.

인구성장 및 이동 경향도 물 및 에너지 수요뿐만 아니라 연료 사용과 이용되는 에너지 기술에도 영향을 미친다. EIA(Energy Information Administration) 자료에 의하면, 발전소 및 냉각 시스템의 예견된 폐쇄와 신규 건설로 물 사용이 증가하고 사용되는 수자원도 다양화될 것으로 나타나 있다.

물-에너지 넥서스 보고서는 국지적, 지역적 및 국가적 차원에서의 기술 및 해결과제에 대해 소개하고 있다. 본 보고서는 물 희소화, 변동성 및 불확실성이 더욱 두드러지고, 미국 에너지 시스템의 취약성을 증가시킬 것으로 예견하고 있다. 본 보고서는 연구개발을 위한 여섯 가지 전략을 규정하고 있다.

(1) 에너지 생산, 전기 생산 및 최종 사용 시스템의 담수 이용 효율의 최적화
(2) 물 관리, 처리, 분배 및 최종 사용 시스템의 에너지 이용 최적화
(3) 에너지 및 물 시스템의 신뢰성 및 탄력성 향상
(4) 비전통적인 수자원의 안정적이고 생산적인 사용 향상
(5) 물 품질, 생태계 및 지진 영향에 따른 책임 있는 에너지 운용의 촉진
(6) 물과 에너지 시스템간의 생산적인 시너지 추구

본 보고서는 기술 연구, 개발, 시연 및 정착을 위한 다양한 기회들을 규정하고 있다.

(1) 버려지는 에너지의 회수
(2) 냉각 시스템 개선
(3) 탈염(desalination) 및 비전통적 수자원
(4) 폐수 무방출 시스템
(5) 장비 및 기기의 효율화

예를 들어 물 사용과 관련하여 열전기(thermoelectirc) 및 다른 냉각 요구의 감소를 위한 한 가지 방법은, 더 효율적인 전력 사이클(예, 밀폐형 재압축 Brayton cycle)을 통한 폐열 생성의 감소이다. 다른 방법으로는 열전물질의 사용, 열교환기술의 개선과 같은 폐열 이용의 향상과 저온 지열발전과 같은 것이다. 또한 전반적인 에너지 시스템에서 물 사용의 최적화 기회가 존재한다. 수압파쇄(hydraulic fracturing), 지열발전 등에서 가공 및 담수 대신에 대체 유체를 사용할 수도 있다. 탄소 포획, 바이오에너지 생산원료 공급 및 산업공정에서의 담수 이용 공정도 향상될 수 있다.

또한 냉각 시스템에서 공기 흐름 설계, 물 회수 시스템, 하이브리드 혹은 건조 냉각 및 블로우 다운(blowdown)에서 발생하는 물의 처리와 같은 기술의 개량을 통해서도 물 사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.

다음 단계를 위해 DOE는 연방정부, 주정부, 지방정부, 외국, 민간기업, 학교 연구소, 비정부기구 및 시민들과의 협력을 지속할 것이다. 통합과 협력을 통해 더 효과적인 연구, 개발, 핵심 기술의 적용, 정책의 조화 등이 가능해질 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr