지속 가능한 해외 디지털 물 관리 기술 사례

지속 가능한 해외 디지털 물 관리 기술 사례: 사용하기 쉽고 포괄적인 데이터베이스, 디지털화 - 센서 기반 공정 제어; 문광주 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2023-03-19 11:48:51

해외의 지속 가능한 디지털 물 관리 기술 사례

유네스코가 사용 가능한 담수 자원에 대해 말하는 물가용성 이라는 용어는 연간 사람이 사용할 수 있는 담수의 양을 의미한다. 이 양의 크기에 따라 하위 용어인 물 부족, 물 비상사태( 물 위기 포함)가 정의된다. 물관리는 가용화, 후속 저장 및 분배를 말한다. 전 세계적으로 약 40억 명, 즉 세계 인구의 절반이 1년 중 최소 한 달 동안 충분한 물에 접근할 수 없어 심각한 물 스트레스를 받고 있다. 18억~29억 명이 1년에 4~6개월, 1년 내내 약 5억 명이 심각한 물 부족에 시달린다.

전 세계적 담수 자원 양

지구상에서 발견되는 약 16억㎦(입방 킬로미터)의 물 중 3천5백만㎦(2.5%)가 담수다. 약 21만3천㎦만이 주로 호수, 강 그리고 전 세계적으로 약 4만5천 개의 대형 댐에서 인간이 비교적 쉽게 접근할 수 있다. 나머지는 빙하, 눈, 얼음, 지하수, 땅얼음, 영구동토층, 토양수분, 늪수 등의 형태로 존재한다. 이전에는 쉽게 접근할 수 없었다. 물 가용성을 계산하기 위해 UNESCO는 접근성에 관계없이 담수의 총량을 사용한다.

물 가용성은 시간과 지역에 따라 고르지 않게 떨어지는 비, 기타 유형의 강수량과 환경 영향에 의해 크게 부정적인 영향을 받을 수 있는 수질과 같은 다른 요인에 따라 달라진다. 예를 들어 스위스 ETH 연방 물연구기관은 1990년에 이를 바탕으로 스위스에서 1인당 연간 6520m³의 물 가용성을 계산하고, 알제리에서 770m³, 사우디아라비아 160m³ 의 담수를 계산했다. 1700m³ 미만은 물 부족, 1000m³ 미만은 물 위기, 500m³ 미만은 물 비상사태이다. 1930년에서 2002년 사이에 세계 인구가 3배 증가하고 동시에 1인당 평균 물 소비량이 2배로, 전체 물 소비량이 6배 증가했다. UNESCO는 2025년 이후까지 물 가용성이 급격히 감소할 것으로 예측했다.

이러한 예측은 세계 경제 성장과 소위 제3국의 소비 집약적인 라이프스타일 확산으로 인해 지속적으로 증가하는 물 소비량을 기반으로 한다. 담수원에서 회수가 증가하면 필연적으로 하수 배출이 증가하기 때문이다. 유네스코의 추산에 따르면 2050년에는 전 세계 폐수 생산량이 약 1,500㎦이고 관련 폐수 부하가 전 세계적으로 최대 1만2천㎦이다. 폐수 1리터가 담수 8리터를 오염시킨다고 가정하기 때문이다.

물관리를 위한 해외 혁신 사례

(1) 스페인: 사물 인터넷(IoT)에 연결된 지능형 측정 장치
스페인의 농부들은 일반적으로 7월이나 8월에 강수를 더 기대할 수 없다. 그런데도 이 나라는 유럽에서 가장 중요한 과일 및 채소 공급국 중 하나다. 사용 가능한 물을 최적으로 사용하고 예를 들어 농업을 수익성 있게 운영할 수 있도록 히드로콘타(Hidroconta)와 같은 회사는 이 귀중한 자원의 효율적인 관리를 전문으로 한다. 1983년에 출발한 이 회사는 현재 25개국 이상에서 활동하고 있으며 정기적으로 관개 및 물 제어 시스템 분야의 혁신을 시장에 선보이고 있다. 이는 회사가 Telekom과 함께 개발한 농업과 건물 관리용 디지털 수량계에도 적용된다.

▲ 무르시아(Murcia) 지방은 스페인에서 가장 큰 유기농 생산 지역이다.

Hidroconta의 본사가 위치한 무르시아(Murcia) 지방은 스페인에서 가장 큰 유기농 생산 지역이다. 매우 건조한 여름 동안 Hidroconta는 시장에 수압 관개를 위한 세척 솔루션을 출시해 왔지만, 그 작동은 어떤 측면에서 회사에 더 복잡한 것으로 판명되었다. 고객의 직원이 건ㅁㄹ관리와 농업 현장에서 직접 읽어야 했다. 따라서 농장은 물 공급 및 소비와 같은 측면에 대해 완전한 투명성을 갖지 못했다. 효율적이고 지속 가능한 물 사용은 거의 불가능했다. 고객 측에서는 더 많은 효율성이 필요했다. 이를 개선하기 위해 Hidroconta는 사물 인터넷(IoT)에 연결된 지능형 측정 장치를 개발했다. 모바일 무선 표준은 전송을 처리하고, NarrowBand IoT (NB-IoT), Telekom은 연결을 위한 기술 기반을 제공했다.

사용하기 쉽고 포괄적인 데이터베이스

임베디드 연결 원칙에 따라 Hidroconta는 Telekom의 소형 MFF2 SIM을 생산 중에 스마트 미터링 장치에 설치한다. 무엇보다도 이것은 물류에 긍정적인 영향을 미친다. 회사는 SIM 카드와 측정 장치를 별도로 보낼 필요가 없으며 고객은 SIM을 직접 사용할 필요가 없다. 카드는 운송 중에 미끄러지거나 떨어지지 않도록 했다. 작동 중에 수도 계량기는 계량기 판독값과 같은 암호화된 정보를 Hidroconta 클라우드로 전송하여 고객이 데이터를 원격으로 편리하게 볼 수 있도록 했다. 지능형 기술은 훨씬 더 많은 가능성을 제공한다. 농업 회사는 개별적으로 물을 주는 시간을 설정하고 멀리서 물 공급을 조절할 수 있다. 이것은 시간과 노동력을 절약한다. 예를 들어 NarrowBand IoT를 통해 수집된 관개 데이터를 분석하여 물을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 디지털 물 관리가 쉬워진 것이다.

▲ 스페인 무르시아(Murcia) 지역

미래의 스마트 전원 공급 장치 : 기술을 통해 지속 가능한 비즈니스 수행

Hidroconta와 Telekom이 공동으로 개발한 솔루션은 기술이 더 큰 지속 가능성을 달성하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여주는 예다. 물 공급을 조절하고 요구 사항을 충족하도록 정확하게 최적화할 수 있으므로 기업은 자원을 보다 경제적으로 사용하여 환경을 보호할 수 있다. 이러한 방식으로 현장에서만 물을 절약할 수 있는 것은 아니다. 수도인 마드리드에서는 네트워크로 연결된 장치를 사용하여 650만 명이 넘는 주민들의 식수 공급을 모니터링하고 있다.

2) 독일 프라운호퍼 연구소의 최적화된 물 사용 및 재사용을 위한 프로세스

Fraunhofer IGB는 폐수 흐름의 분산 또는 반중앙 집중 처리를 통해 도시 및 농촌 구조에서 비용 효율적인 물 관리 솔루션을 가능케 하는 기술을 개발했다. IGB 접근 방식은 효율성과 비용 효율성이 특징이며 정착 지역에서 발생하는 다양한 물 흐름을 경제적으로 생성하고 사용할 수 있다. 응용 분야는 농촌 지역, 새로운 개발 지역 및 재활이 필요한 지역뿐만 아니라 레저 리조트, 관광 센터 및 호텔 단지에서 지속 가능한 도시 물 관리를 위한 시스템 솔루션을 제공한다. 이 시스템은 하수 시스템과 중앙 하수 처리장을 갖춘 물 기반 시설이 없는 곳이면 어디에서나 작동한다.

▲ Fraunhofer IGB 연구소

또는 오래된 인프라가 기후 변화나 인구 이동으로 인해 발생하는 새로운 문제에 더 적응할 수 없는 곳이다. 지속 가능한 폐기물 관리 개념, 재생 가능한 자원의 에너지 공급 및 미래 지향적인 건축 기술과 결합된 물 관리 개념은 중앙 공급 및 처리 네트워크와 독립적으로 작동하는 전체적이고 자급자족적인 공급 인프라를 제공한다. 기술 핵심은 혐기성 폐수 처리다. 유기 탄소 화합물을 이산화탄소와 메탄의 혼합물인 바이오가스로 변환하는 혐기성 생명공학은 특히 분산형 또는 반중앙집중식 물 인프라 시스템을 위한 오늘날의 호기성 폐수 처리에 매력적인 대안을 제공한다.

기존의 호기성 활성 슬러지 공정과 달리 폐쇄된 생물 반응기에서의 혐기성 폐수 처리는 처리된 물과 나머지 고형물에 질소 및 인 화합물을 남긴다. 미생물은 미세 여과로 제거된다. 이 처리는 위생적으로 안전하고 농경지 관개에 적합한 물을 제공하고 깨끗한 물뿐만 아니라 비료도 절약한다. 또는 정제수에서 영양분을 비료로 회수하는 것도 가능하다.

▲ 다양한 제어 시스템을 위한 제어 캐비닛 © Fraunhofer IGB

이 경우 물은 수역으로 직접 배출되거나 재사용될 수 있다. 예를 들어 IGB에서 개발된 고부하 소화를 통한 혐기성 수처리는 "자원으로서의 폐수" 원칙에 따라 다양한 방식으로 사용할 수 있는 귀중한 물질 분획을 공급한다. 기후 변화로 인한 가뭄은 특히 농업에 큰 문제가 된다. 따라서 세계 인구에게 충분한 식량을 공급할 수 있으려면 대체 수원을 사용하는 솔루션이 필요하다. BMBF가 자금을 지원하는 Hypowave 프로젝트에서 프라운호퍼 IGB연구소는 토양 없이 물을 절약하는 재배 방식인 수경 재배에 적합한 방식으로 폐수를 처리할 수 있는지 조사했다. 후속 프로젝트 Hypowave+에서는 시스템이 처음으로 대규모로 구현된다. 새로운 회복력 있는 물 관리 개념의 목표는 폐수를 자원으로 간주하고 포함된 영양소를 현명하고 효율적으로 사용하는 물 순환 경제다.

디지털화 - 센서 기반 공정 제어

센서, 모델 및 인공 지능은 수질을 모니터링하거나 기술 시스템을 최적화하는 데 도움이 된다. IGB의 주요 초점은 효율적인 데이터 및 통신 인프라를 구축하여 센서 기반 시스템 구성 요소의 통신을 스마트 프로세스 제어의 기반으로 하는 것이다. 기후 변화로 인해 때때로 엄청난 홍수와 가뭄 기간을 동반한 폭우 사건의 빈도가 최근 수십 년 동안 증가했다. 그린 기반 시설, 즉 연못이나 녹색 지붕은 폭우로 인한 비를 저장해 하수 시스템에 범람하지 않도록 한다. Fraunhofer IGB는 그린 기술을 똑같이 강력하고 효율적인 방식으로 제어할 수 있는 방법을 조사하고 있다.

▲ 물의 처리는 채소 재배의 필요에 따라 이루어진다. 영양분은 보존되어야 하고 오염 물질은 제거되어야 한다. © Thomas Dockhorn, TU Braunschweig

AI 최적화 프로세스 제어를 위한 시스템 아키텍처

연방 교육 연구부(BMBF)가 자금을 지원하는 "Hypowave+" 프로젝트에서 IGB연구소는 수경 재배 온실에서 안전한 물 재사용에 대해 농업 및 물 관리 분야의 연구 및 실습 파트너와 협력하고 있다. IGB로서 우리는 수많은 프로세스, 시스템 및 센서 데이터를 최적으로 연결하는 것을 목표로 디지털화 주제에 대한 작업을 조정한다. 작업을 통해 환경 시스템 간의 효과적인 통신을 가능하게 하고 전체 시스템에 대한 포괄적인 제어 시스템을 개발하고 있다. 그런 다음 이 통신을 통해 파트너는 인공 신경망(ANN)을 사용하여 분석을 수행할 수 있으며, 그 결과는 전체 제어 및 프로세스 체인을 따라 모든 시스템 구성 요소를 자동으로 최적화하는 데 사용된다. 이러한 방식으로 폐수 처리 시 영양분 제거 및 농작물 생산 시 영양분 공급과 같은 때때로 상충되는 목표를 위해 최적화된 솔루션이 식별된다. 더 긴 환기 시간과 같은 도출된 조치는 관련 구성 요소로 다시 전달되고 필요한 경우 촉발된다. 또한 물 재사용에서 위생 위험 관리를 위한 디지털화 가능성이 예를 들어 세균 오염 또는 병원성 세균 유입과 관련하여 어떻게 사용될 수 있는지, 그리고 실험실에서 미생물 테스트 결과가 어떻게 사용될 수 있는지 조사하고 있다.

블루-그린 인프라의 데이터 지원 제어

물 관리 시스템의 통신 및 데이터 지원 최적화는 BMBF 프로젝트 »Leipziger BlauGrün« 활동의 주제이기도 하다. 라이프치히에 있는 헬름홀츠 환경 연구 센터 캠퍼스에서는 녹색 지붕에서 빗물 유출을 위한 자동 제어 시스템을 연구하고 있다. 파일럿 그린 루프는 캠퍼스의 간이 차고에 설치되어 빗물 수집 및 보유에 사용된다.

▲ Helmholtz 환경 연구 센터 캠퍼스의 블루-그린 인프라

이 녹색 지붕 내의 기판은 수분, 전도성 및 온도에 대한 센서로 모니터링된다. 또한 고정 지붕의 채움 수준이 지속적으로 측정된다. 더 높은 수준의 데이터 수집에는 기상 관측소에 대한 인터페이스도 있다. 폭우가 예상되는 경우 통제된 방식으로 녹색 지붕과 수조를 비워 통제된 유출수를 생성하고 빗물 보유 공간을 만들 수 있다. IGB에서는 데이터 수집 및 통신을 위한 인프라 개발을 다룬다. 여기서 주요 과제는 서로 다른 통신 형식의 조화와 전체 시스템 내에서 기존 시스템을 새로운 시스템과 통합하는 것이다. 여기에서 프로세스 자동화 및 측정 데이터 처리에 대한 IGB의 전문성을 도시 수준으로 이전할 수 있다.

대체 수자원 활용 모델링

그린 인프라 외에도 도로와 같은 회색 인프라 요소는 여전히 도시 공간의 많은 부분을 구성한다. BMBF 프로젝트 "Street of the Future"에서 우리는 거리 공간에서 더 많은 자원 효율성을 위한 지속 가능한 개념을 조사하고 있다. 거리의 빗물 유출이 관개 목적에 적합한지 여부와 어떤 상황에서 조사하기 위해 공기 품질 센서를 사용하고 거리 도랑의 수질 매개변수와의 가능한 상관관계를 분석한다. 프로젝트의 일환으로 여러 학교 건물 바로 근처에 있는 Ludwigsburg의 Dragonergässle에 50㎥(입방미터) 용량의 빗물 저수조가 설치되었다. 수조는 채움 수준을 디지털 방식으로 지속적으로 모니터링한다. 현재 지붕에서 모인 빗물과 여과된 도로 배수관은 여전히 주로 하수관을 세척하는 데 사용된다. 빗물과 거리 폐수 품질에 대한 실험실 테스트와 공기 품질 센서를 통해 표면 유출의 수질에 대한 예측이 가능한 범위를 과학적으로 조사하고 있다. 그런 다음 녹지 관개와 같이 수집된 빗물을 더 광범위하게 사용하는 데 사용할 수 있으므로 거리 공간과 지역에서 더 많은 자원 효율성에 기여할 수 있다.