[이미디어= 문광주 기자] 화석 연료에서 재생 에너지로의 전환은 효과적인 기후 보호와 에너지 전환을 위한 전제 조건이다. 그러나 한 가지 요소는 종종 과소평가된다. 태양, 바이오매스 등으로부터 전기를 생산하는 데도 때로는 엄청난 양의 물이 필요하다. 이것이 수자원에 대해 무엇을 의미할까?

이산화탄소 배출량이 적은 기술은 에너지 전환의 초점이다. 수력, 바이오매스 발전, 풍력, 태양광 및 녹색 수소는 미래의 에너지 공급자로 간주된다. 그러나 전기와 열을 생성하는 시스템또한 해당 위치의 물 균형에 직간접적인 영향을 미친다. 냉각, 세척 또는 화학 공정에는 물이 필요하다. 특히 건조한 지역에서 재생 에너지의 물 발자국은 물 부족을 증가시킬 수 있다. 대규모 프로젝트에서 보쿰(Bochum)에 있는 루르 대학(Ruhr University) 과학자들이 이러한 경우를 조사했다.

물 인자(Factor), 태양광 시설에도 물이 필요한 이유
수력 발전, 바이오매스 발전, 풍력 발전, 수소, 태양광 발전 - 이러한 용어는 미래의 에너지 믹스와 관련하여 빠르게 떠오른다. 에너지 믹스는 이산화탄소 배출을 제한해 기후 변화에 대처해야 한다.

"이것은 너무 일차원적이다"고 Ruhr University Bochum(RUB)의 수문학 및 물 관리 공학 교수인 마티나 플뢰르케(Martina Flörke)가 말했다. 이 연구원은 CO2 배출량을 볼 뿐만 아니라 예를 들어 수자원에 대한 영향등 다른 환경적 영향도 고려하는 것을 지지한다.

잊혀진 자원으로서의 물
Flörke는 다음과 같이 예를 들어 설명했다. "논리적으로 태양광 시스템이나 태양광 발전소는 태양이 많이 비치는 곳에 설치된다. 일반적으로 세계의 건조한 지역에 위치한다"며 “태양광 발전소도 종종 물로 냉각되고 물로 유리에 쌓인 모래를 정기적으로 청소해야 한다.”

바이오매스를 사용해 전기와 열을 생산하는 데에도 상당한 양의 물이 필요하다. 수력 발전소는 강의 자연적인 흐름에 개입하여 하류의 물 가용성을 변경할 수도 있다.

에너지 전환을 계획할 때 물 요구 사항은 종종 해당 위치에 대해서만 고려되지만 다른 물 사용자 및 미래 개발은 고려되지 않는다. 물 공급과 수요의 개발은 에너지 전환에 매우 중요하다. 물은 모든 부문에서 제한 요소가 될 수 있으며 아직 한계 사용 수준에 도달하지 않은 발전소는 미래에 물 부족의 영향을 받을 수 있다.

물 발자국 보기
Martina Flörke가 처음에 Kassel 대학에서 시작해 다음 루르 대학에서 조정한 2020년에 공식적으로 마무리 된 연구 프로젝트 "CHANGE - 지역 및 글로벌 수준의 에너지 전환에서 중요한 요소로서의 수자원"에서 이 주제에 전념했다.

프로젝트 파트너는 다양한 형태의 에너지 생성이 물 가용성에 미치는 영향을 계산했다. 이를 위해 그들은 지역 및 원격 물 요구 사항을 고려했다. 전체 에너지 공급망에 대한 물 발자국 분석을 수행해 다양한 에너지 시스템에서 생성된 에너지 단위당 물 소비량을 비교했다.

에너지 시스템이 서로 다른 3개국에 있는 4개의 기존 발전소 위치가 예였다. Weser의 수냉식 석탄 화력 발전소, 다뉴브강의 6개의 유수 발전소 체인, 영국의 태양열 발전소 모로코와 브라질에서 전기를 생산하기 위해 사탕수수를 사용하는 곳이다.

에너지 대 물? “갈등의 지속 가능성 목표”
재생 에너지를 사용해 전기를 생산할 때 물 발자국 분석은 딜레마를 드러낸다. 저렴하고 깨끗한 에너지의 추구와 양질의 물의 충분한 가용성(둘 다 지속 가능한 개발을 위한 UN의 17개 목표 중 하나임)은 모순된다. 2015년에 유엔은 빈곤과 기아의 종식에서부터 기후 보호, 제도의 평등 및 투명성에 이르기까지 17가지 긴급 조치 분야에 합의했다.

지속 가능한 개발을 위한 의제는 2030년까지의 로드맵으로, 전 세계 정부뿐만 아니라 시민 사회, 민간 부문 및 과학도 목표로 하고 있다. 모두가 목표에 따라 행동을 조정해야 한다. 비전은 전 세계 사람들이 번영과 평화 속에서 살 수 있도록 하고 추가 피해로부터 지구를 보호하는 것이다. Martina Flörke는 "지속 가능한 개발 목표는 원래 개별적으로 공식화됐지만 목표를 개별적으로 생각하면 문제가 된다"고 말했다.

5Liter/KWh(킬로와트시당 5리터)의 물
물과 에너지에 대한 지속 가능성 목표가 서로 충돌하는 경우, 예를 들어 Flörke와 그녀의 팀이 WANDEL 프로젝트에서 조사한 모로코의 태양광 발전소에서 드러났다. 햇볕이 잘 드는 위치에 있으며 연간 약 3억 7천만 킬로와트 시간의 전기를 생산할 수 있다. 그러나 부분적으로 물로 냉각되고 거울도 정기적으로 청소해야 하기 때문에 생산된 전기 킬로와트시당 5리터의 물을 소비한다.

Flörke는 “처음에는 그렇게 많지 않다고 들렸다”고 말했다. 그러나 농업이 많이 이루어지고 사람들이 일상생활을 물에 의존하는 건조한 지역 발전소에는 연간 200만 입방미터의 물이 필요하다. 기후 변화의 결과로 미래의 물 공급은 더욱 감소할 수 있다. Martina Flörke는 "사람들이 식수로 필요한 경우 발전소의 모듈을 청소하는 데 이 물을 사용해서는 안 된다. 내 생각에 물을 자원으로 사용하기 위한 경쟁은 미래에 불가피할 것이다"라고 덧붙였다.

"2040년 에너지 생산에 필요한 물의 양은?"
WANDEL 프로젝트에서 RUB 연구원 Martina Flörke와 그녀의 동료들은 전 세계의 물 가용성과 수요를 계산하는 모델을 사용했다. "WaterGAP3"라고 불리는 이 모델은 지구의 육지를 220만 그리드 셀로 나누므로 5분각의 지리적 해상도를 갖는다. 적도에서 이것은 9x9 평방 킬로미터의 셀 크기에 해당한다.

산업화 이전부터 2300년까지
각 육지 세포에 대해 연구원들은 토지 덮개, 토양 조건, 일일 강우량, 온도 및 태양 복사와 같은 물리 및 기상 데이터를 모델에 입력했다. 이를 기반으로 알고리즘은 육지의 물 순환을 시뮬레이션했다. 각 셀의 강수량이 땅으로 얼마나 스며들고 증발하며 유출 형성에 기여하고 강과 대수층에서 직접 및 지하수 유출로 사용할 수 있다.

시뮬레이션은 산업화 이전 시대를 되돌아보고 2300년까지 예측을 제공할 수 있다. 이 그룹은 재생 가능한 수자원(화석, 깊은 지하수 자원 없음)만을 고려하여 전 세계적으로 물의 가용성을 계산했다. 그런 다음 계획된 물 회수로 물 가용성에 대응했다. 이를 위해 4만8000개의 에너지 발전소 위치와 물 소비량도 포함했다.

4가지 시나리오의 에너지 생산
연구원들은 2040년에 대한 예측을 하기 위해 그린피스와 국제 에너지 기구가 작성한 4가지 미래 시나리오에 의존했다. 2014/15년에 제시된 이러한 시나리오는 에너지 믹스가 미래에 어떻게 발전할 수 있는지를 설명한다. 한 시나리오는 예를 들어 지구 온난화를 섭씨 2도로 제한하는 것이 가능하고 광전지, 태양열 발전소, 바이오매스 전기, 풍력 및 수력에 크게 의존하는 에너지 형태를 설명한다.

연구원들은 그들의 모델에서 4가지 시나리오의 이러한 에너지 혼합을 재현했다. 그렇게 함으로써, 예를 들어 이미 태양전지를 사용해 에너지를 생산하고 있는 위치에서 이 프로세스를 사용하여 미래에 더 많은 전기가 생성될 것이라고 가정했다. "물론 우리는 미래에 추가 태양광 시스템이 어느 위치에 건설될지 알 수 없으므로 우리 모델에서는 현재 존재하는 위치에서만 작업할 수 있다. 미래에 다른 위치에 있을 것이다"고 Martina Flörke는 설명했다.

불가피한 적자, 2040년 에너지 생산에 필요한 물의 양은?
재생 에너지를 사용하여 전기를 생산하는 위치에 필요한 물은 어느 정도일까? RUB 연구원 Martina Flörke와 그녀의 동료들은 2040년 WaterGAP3 모델을 사용하여 이 질문을 조사했다.

미래에는 사용 가능한 것보다 더 많은 물이 필요할 것이기 때문에 전 세계적으로 최대 42%의 지역에서 적자가 발생할 것으로 예상된다. "그리고 이 지역의 물 수요가 다른 이유로 인해 증가할 수 있다는 점은 아직 고려되지 않았다. 예를 들어 기후 변화의 영향으로 인해 밭에 더 많은 관개 시설이 필요하기 때문이다"고 과학자는 덧붙였다.

물이 특히 부족한 곳은 어디?
물 부족은 무엇보다도 아메리카 서부, 아프리카 중동과 북부, 유럽 남부, 중국과 인도 남부와 동부의 개별 지역에서 예상된다. Flörke는 "특히 지중해 지역에서는 극심한 가뭄이 더 흔해질 가능성이 매우 높다"고 말했다. 따라서 근본적으로 의문을 제기해야 하는 에너지를 생성하는 데 현재 사용되고 있는 일부 위치가 있다.

Bochum 연구원은 "모델 분석은 현재 위치에서 에너지 생산을 확장하는 것이 확실히 도움이 되지 않는다는 것을 분명히 보여준다"고 말했다. 또한 보다 효율적인 기술, 물 및 에너지 저장 옵션, 처리된 폐수와 같은 담수 사용에 대한 대안이 필요하다. Flörke는 "개인적으로 이것으로도 충분하지 않을 것이라고 생각한다"며 "에너지 소비도 줄여야 한다"고 덧붙였다.

수소가 해결책인가?
Martina Flörke가 그녀의 연구에서 다음으로 집중하고 싶은 것은 소위 녹색 수소, 즉 재생 에너지를 사용하여 전기 분해를 통해 얻은 수소다. 독일 연방 정부는 앞으로 이 기술에 점점 더 의존할 계획이다. 그러나 그것 또한 수소를 얻는 원료이기 때문에 많은 물이 필요하다.

Martina Flörke는 독일에만 집중하고 싶어하지 않는다. “지속 가능성을 달성하려면 세계적으로 생각해야 한다는 의미다. 독일에서 하는 일이 세계의 완전히 다른 지역에도 영향을 미치기 때문이다. 시스템의 경계를 넘어서 생각하고 학제간 협력을 해야 이러한 글로벌 지속 가능성을 달성할 수 있다”고 플뢰르케 교수는 말했다.

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