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정수기와 공기청정기가 필요 없는 스마트시티

2018. 10. 23. 09:30

스마트시티는 한글로 풀면 지능형 도시라고 해석할 수 있습니다. 지능형 도시란 무엇이며 지능을 가진 똑똑한 도시는 어떻게 진화하고 있을까요? 이번 편에서는 지능형 도시 구현을 위해서 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능이 적용되고 있는 사례들을 살펴보고 똑똑한 미래 도시의 진화 방향을 살펴보도록 하겠습니다.

 

사람들이 살아가는 데 있어 물과 공기는 없어서는 안 될 가장 중요한 요소입니다. 그러나 도시화가 진행될수록 깨끗한 물과 공기를 안정적으로 보장받기가 점차 힘들어지고 있습니다. 그렇다면 물과 공기를 깨끗하게 공급하기 위해서 최근 스마트시티는 어떠한 시도를 하고 있을까요?

 

 분산형 수처리로 깨끗한 물을 안정적으로 공급한다

 

근대적인 도시들이 탄생하고 성장하는 과정에서 많은 나라에서는 중앙 집중형 인프라를 구축하여 운영해 왔습니다. 대도시 외곽이나 다른 지역에 대규모 발전 시설이나 취수•정수 시설을 만들어서 대도시에 공급하는 형태를 취하여 왔습니다. 인구 1,000만의 서울시만 하더라도 6개 정수 센터에서 상수도를 공급하는 체계입니다.


그러나 이미 많은 도시들이 물 문제로 고민을 하고 있습니다. 영국 BBC에 따르면 세계 500개 도시 중 약 4분 1 가량의 도시가 물 문제로 어려움을 겪고 있다고 합니다.[각주:1] 아울러 2030년까지 물 수요가 공급을 40% 이상 초과할 것으로 예상하고 있습니다. 도쿄, 런던 등이 선진국 도시 중 대표적인 물 부족 도시입니다.

 

l 서울시 6개 정수 센터 위치 (출처: 서울 상수도사업본부 홈페이지)

 

반대로 개발도상국이나 후진국의 대도시에서는 도시 시설이나 설비가 부족한 채로 도시가 저밀도로 무질서하게 교외로 확산하는 어반 스프롤(Urban Sprawl) 현상이 발생하고 있습니다. 애초부터 인프라가 부족했던 탓에 기존 인프라만으로는 광범위하게 확산하는 도시의 물 수요를 감당하기 힘든 상황입니다.

 

실제 인도네시아, 파키스탄 등은 많은 강수량 등으로 물 걱정이 없을 것 같지만, 빈약한 상수도 시설과 무분별한 우물(지하수) 개발에 따른 오염, 하수 처리 시설 미비 등으로 인하여 식수가 부족한 형편입니다.

 

이렇게 도시의 급격한 팽창을 중앙집중형 인프라만으로 대응하기 힘들어 짊에 따라 최근 분산형 환경 구축 사례가 늘어나고 있습니다. 분산형 수처리 환경 구축을 위해서 분산 정수 시설과 블록 시스템 등을 도입하고 있습니다.

 

분산 정수 시설은 도시 내 소비자 가까운 곳에 소규모 수처리 시설을 설치하여 소비자가 원하는 정수, 초순수 등의 물을 공급하는 체계입니다. 그런데 분산형 정수 시설을 짓기 위해서는 땅이 필요한데, 건물이 밀집된 도시에서는 넓은 땅을 확보하기 쉽지 않습니다. 기존의 중앙집중형 대형 정수 시설은 평면형으로 넓은 땅을 필요로 하기 때문에 분산형에는 적합하지 않습니다. 이에 대한 대안으로 나온 것이 빌딩형(수직형) 정수 시설입니다.

 

l 수직형 정수 시설 개념도 (출처: K-Water 보도자료(2014.1.6)[각주:2])

 

빌딩형 정수 시설은 기존 정수 시설과 달리 도심 공원이나 시설물 지하에 콤팩트한 구조로 설치가 가능해 2차 오염 없이 깨끗하게 정수된 물을 소비자에게 빠른 시간 내 공급할 수 있고 보조 수원 등과의 연계를 통해 단수 없는 용수 공급이 가능합니다.[각주:3]

 

블록시스템은 배•급수관망을 대•중•소 블록으로 구분하여 구역별 수압계, 유량계, 수질 측정기, 전동밸브 등의 계측기기 설치로 블록 최적 운영이 가능하도록 한 시스템입니다. 이를 통해 정수장에서만 관리할 수 있었던 유수 상태를 블록에서도 공급량, 소비량, 누수량 등을 점검할 수 있고, 블록 시스템을 통해 상수관 수돗물의 압력과 사용량 감시를 통한 누수량 저감 및 유수율 제고를 기대할 수 있습니다. [각주:4]

 

이러한 분산 인프라 환경 구축에 관심을 갖는 가장 대표적 나라는 일본입니다. 일본은 1995년 고베 지진, 2011년 동일본 지진 등의 경험을 바탕으로 분산 인프라 환경을 갖춘 스마트시티 구축을 추진하고 있습니다.

 

대지진 당시 용수 공급과 정전 사태가 장기화되는 경험을 통해 집중형 인프라 구조로는 한계가 있다는 생각을 하게 되었습니다. 비상 용수 확보량은 최소 3일을 기준으로 1인당 3L를 확보할 수 있도록 저장소를 확보하도록 하고 있으며, 주택에도 3일간 전기를 쓸 수 있는 에너지 저장 장치를 보급하고 있습니다.


우리나라에서는 대표적으로 현재 기획 중인 부산 ‘스마트 에코델타 시티’에서 정수기가 필요 없는 도시를 만들겠다는 그림 아래, 분산형 스마트 정수장뿐만 아니라 에코 필터링, 스마트 상수 관리 및 저영향개발기법(LID; Low Impact Development) 등의 기술을 도입할 계획입니다. 또한 K-Water는 2017년에 캄보디아와 1일 500㎥ 처리 규모의 신개념 빌딩형 정수장을 구축하기로 협약을 맺고 사업을 진행하고 있습니다. [각주:5]

 

 센서로 감시하고 스마트 벤치로 공기를 깨끗이 한다

 

미세먼지는 최근 우리나라 국민들이 가장 걱정하는 환경 문제입니다. 우리나라뿐만 아니라 중국, 인도 등 많은 나라에서 심각한 공기 오염 문제로 고민을 하고 있고, 런던 등과 같은 선진국 대도시들도 디젤 차량 매연 등으로 인한 공기 문제를 늘 안고 있습니다.

 

근본적으로 도시의 공기 질을 개선하기 위해서는 발생 원인을 제거하는 것입니다. 예를 들어 기존 차량 대신 전기 차량이나 수소 차량의 보급을 확산한다면 그만큼 도시 내에서 발생하는 공기 오염 물질이 줄어들 것입니다.

 

그러나 이러한 노력에도 불구하고 외부 요인 등으로 인한 공기 오염 문제가 발생할 수 있으므로, 공기 질의 상태를 지속적으로 실시간 파악하는 것이 급선무입니다. 이미 많은 도시에서 공기 질을 측정할 수 있는 센서를 통해서 미세먼지, 초미세먼지를 측정해서 정보를 공개하고 있지만, 이보다 한발 더 나아가 도시 내 미세먼지 등이 발생하는 원인처에 대한 직접적인 감시가 필요합니다.

 

l 서초구 공사장 미세먼지 감시 시스템 개념도 및 실제 이용 모습 (출처: 서초구)

 

대표적인 사례가 서초구가 2018년 4월 전국 최초로 도입한 실시간 공사장 미세먼지 감시 시스템입니다. 서초구가 구축한 '미세먼지·소음 감시시스템'은 연면적 1천㎡ 이상 대형 공사장 20곳을 대상으로 하고 있습니다.

 

이 시스템은 공사장 인근에 설치한 측정기가 (초)미세먼지•소음•온도•습도 등 5가지 정보를 측정해 구청 관제센터 모니터에 실시간으로 띄워주는 기능을 갖추고 있으면서, 특히 모니터 화면에 '나쁨'(미세먼지 농도 120㎍/㎥나 소음 60㏈ 이상)에 해당하는 주황색이 표시되면 담당 공무원은 바로 공사장 현장 책임자에게 비산먼지 발생 행위를 멈추고 물청소를 하거나 소음 저감 조치를 하라고 문자 메시지를 보내게 됩니다. [각주:6]

 

l 스마트 클린 버스 정류장 개념도 (출처: LH공사 보도자료(2018.9.9.))

 

한편 실제 시민들이 이용하는 공용 공간에 미세먼지 등의 외부 오염원은 차단하고 신선한 공기를 제공할 방안도 검토되고 있습니다. 중앙 차로 버스정류장 같은 공용 장소의 이산화질소 농도는 도시 대기 측정소 농도의 2.5~5.3배 수준으로 대기오염이 심각한 상태입니다.

 

LH공사는 오염물질 유입을 막고 내부 공기는 정화하면서, 대기 질을 실시간 모니터링하는 ‘스마트 클린 버스 쉘터’ 개발에 착수해서 실증 시험을 실시하였으며, 2018년 올해 시범 도입을 할 예정입니다.[각주:7] 이 솔루션은 에어커튼 기술을 통해 차량의 매연과 미세먼지, 도로상 분진을 차단하고 공기 정화 장치를 통해 신선한 공기를 공급하는 구조입니다.

 

l 시티 트리(City Tree) 설치 모습 (출처: Green City Solutions 홈페이지)

 

이러한 감시 활동이나 차단 활동 외에 직접적으로 도시 내 공기 정화를 시도하는 노력도 있습니다. 독일 Green City Solutions 사의 ‘시티 트리(City Tree)’는 나무를 심는 대신에 이끼를 설치한 4m 높이의 벤치 형태의 솔루션입니다. 업체에 따르면 이 솔루션의 이끼가 미세먼지, 이산화질소, 오존 등을 정화하는데, 나무 275그루의 공기 정화 능력이 있다고 합니다. 또한 센서가 설치되어 있어 주변 공기의 질을 감시합니다.


물론 벤치나 공기정화탑 몇 개로 도시의 공기 질을 획기적으로 높일 수는 없습니다. 이 점은 Green City Solutions 사도 잘 알고 있으며, 시티 트리 같은 솔루션이 여러 해결책 중의 하나라고 밝히고 있습니다.[각주:8] 그러나 이러한 노력을 시작으로 해서 관련 솔루션들이 더 개발된다면 도시 내에 보다 나은 공기를 즐길 수 있는 기반을 확보할 수 있을 것입니다.

 

 스마트시티, 제로 폐기물 도시(Zero Waste City)를 구현한다

 

도시는 지구상 가장 거대한 자원의 소비처입니다. 따라서 도시에서 소비되는 자원을 얼마나 최소화하고, 발생된 폐자원을 어떻게 재활용할 수 있느냐에 따라 스마트시티로서의 평가가 달라지고 있습니다.


싱가포르는 취수원이 부족하여 건국 초기부터 수자원을 확보하는 것이 중요한 국가 과제 중 하나였습니다. 그 결과 현재 빗물 집수(20%), 말레이시아로부터 원수 수입(40%), 해수 담수화(10%), 그리고 하수 처리 재이용(30%) 등을 통해 수자원을 확보하고 있습니다.

 

l NEWater Plant의 개념도 (출처: PUB(Singapore’s National Water Agency) 홈페이지)

 

특히 하수 처리 재이용 기술 및 기반시설은 세계적인 수준입니다. ‘뉴워터 플랜(NEWater Plan)’이라고 불리우는 정책을 통해 5곳의 뉴워터 공장에서 싱가포르 현재 물 수요의 최대 40%까지 공급하고 있으며, 2060년까지 싱가포르 미래 물 수요의 55%를 충족할 것으로 기대하고 있습니다. 재활용된 물은 주로 공업용으로 사용되고 있으나, 건기에는 원수와 혼합되도록 저수지에 추가하여 상수도 처리 과정을 거쳐 공급되고 있습니다.


하수를 재처리하는 과정에서 에너지를 얻는 시설을 결합하는 방법도 같이 확산되고 있습니다. 하수 처리 과정에서의 낙차를 이용해서 발전을 한다든지, 하수 처리장 방류수의 열을 히트 펌프를 이용하여 도시 지역 냉난방 등에 활용하는 방식 등이 있습니다.

 

l 스마트 팜 결합 하수 처리장 개념도 및 실제 사례 (출처: ENVIRONMENT COMMERCE CZ 소개 자료)

 

수처리 시설을 스마트 팜(Farm)으로 활용하려는 아이디어도 시도되고 있습니다. 하수 처리장 위에 스마트 팜 시설을 지음으로써, 하수 처리 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 식물 재배에 활용하고, 식물이 광합성 할 때 발생하는 산소(O2)를 하수 처리 과정에 활용하는 시도입니다.


음식물 쓰레기의 재활용도 스마트시티가 갖는 고민 중 하나입니다. 2018년에 발표된 보스턴컨설팅그룹(BCG)의 보고서에 따르면, 2030년에는 전 세계적으로 지금의 3배인 21억 톤의 음식물 폐기물 배출이 예상된다고 하며, 이는 1초에 66톤이 발생한다는 의미입니다. [각주:9]


음식물 폐기물을 포함한 생활폐기물을 환경자원으로 재이용하는 ‘환경자원 순환기술’의 적용이 스마트시티에 다양하게 시도되고 있습니다. 예를 들어 생활폐기물의 자동 집하 시설이 대표적인 기술이며, 이미 송도, 용인 등에 적용되어 왔습니다.


그러나 음식물 쓰레기의 자원화는 상대적으로 더딘 편입니다. 특히 음식물 쓰레기는 우리의 일상생활에서 늘 접할 수 있음에도 불구하고 수분이 다량으로 포함되어 있어 효율적인 처리 및 에너지화가 쉽지 않은 분야이기 때문입니다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대표적 국내 사례가 한국건설기술연구원이 실증 중인 ‘주거단지 내 발생 음식물 쓰레기의 자원 재활용 기술’ 입니다.

 

l 음식물 쓰레기 재활용을 위한 분산 처리의 핵심 기술 (출처: 한국건설기술연구원 보도자료(2017.5.25.))

 

그동안 우리나라에서는 외국에서는 많이 활용되고 있는 주방용 분쇄기(디스포저)가 단순히 분쇄 후 배출하는 구조여서 환경오염, 하수도 관망에 대한 부담 등의 이유로 금지되어 왔습니다. 반면 현재 연구 중인 기술은 주거 단지 내에서 음식물 쓰레기를 외부로 배출하지 않고, 자원 선순환이 이루어질 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있습니다.[각주:10] 


안전하고 쾌적한 환경에 대한 요구는 사람들이라면 누구나 갖는 욕구이며, 점차 그에 대한 기대 수준이 높아지고 있습니다. 미래의 스마트시티라면 당연히 지금 보다 더 안전하고 쾌적한 환경을 시민들에게 제공하고자 노력을 해야 할 것입니다. 

 


이러한 시도들을 통해 우리의 아이들이 365일 운동장에 나가 뛰어놀면서 수돗물을 맘 편히 마실 수 있도록, 보다 더 깨끗하고 안전한 환경을 즐기면서 살 수 있는 스마트시티가 빨리 오기를 기대합니다.

 

글 l LG CNS 엔트루컨설팅 스마트엔지니어링그룹

 

 

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  1. 출처: BBC News, 2018.2.11. ‘The 11 cities most likely to run out of drinking water - like Cape Town’. [본문으로]
  2. 출처: K-Water 보도자료, 2014.1.6. ‘K-Water, 신개념 수직형 정수처리 시설 준공’. [본문으로]
  3. 출처: K-Water 카드뉴스, 2018.6.7. ‘언제 어디서나 필요한 물을 공급하는 시스템, 분산형 수직 정수처리 용수공급시스템’. [본문으로]
  4. 출처: K-Water, 2017. ‘제4차 산업혁명과 스마트도시’. K-Water, 이슈 리포트, Vol. 2017-24. [본문으로]
  5. 출처: K-Water 보도자료, 2017.8.31. ‘K-water, 캄보디아에 신개념 빌딩형 정수장 구축 나서’. [본문으로]
  6. 출처: 연합뉴스, 2018.4.4. ‘서울 서초구, 사물인터넷으로 공사장 미세먼지 실시간 감시’. [본문으로]
  7. 출처: LH공사 보도자료, 2018.9.9. ‘LH, 미세먼지로부터 안전한 버스정류장 시범도입’. [본문으로]
  8. 출처: CNN, 2017.6.8. ‘This 'tree' has the environmental benefits of a forest’. [본문으로]
  9. 출처: 보스톤컨설팅그룹 홈페이지 (www.bcg.com) [본문으로]
  10. 출처: 한국건설기술연구원 보도자료, 2017.5.25. ‘음식물쓰레기, 주거단지 에너지 자원으로 재활용’. [본문으로]
Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS

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