지하공간에 만들수 있는 시설물은 어떤 것이 있을까. 지하공간이 지상과 차별되는 물리적 특성, 즉 차단성, 기밀성, 불연성, 방진성, 내기후성 등을 적절히 활용한 외국의 경우를 살펴보면서 아직은 낮은 수준에 머물고 있는 우리의 지하 활용을 본격화할 수 있는 방법을 생각해 보자.
1. 농산물저장고천연단열효과 부패걱정끝
미국 중서부에 위치한 캔사스는 철도와 도로 등 교통시설이 집중된 수송거점 도시이자, 반경 8백km 교역 요충지다. 이곳에는 양질의 석회암층(두께 6.7m정도)이 도시 전역에 걸쳐 발달돼 있는데, 이 때문에 오래 전부터 건설자재 채취를 위한 석회석 광산 개발이 활발했다.
한편 이 지역은 미국 전체 농산물의 50%정도를 공급하는 식품집산지로서 많은 저장창고가 필요했다. 특히 50년대 이후 도시가 빠른 속도로 성장하면서 공간에 대한 수요가 늘어났으나 제한된 대지면적과 비싼 땅값 때문에 지상의 저장창고 부지 마련에 어려움이 클 수밖에 없었다.
그러나 1970년대 초반 이 문제는 자연스럽게 해결됐다. 그동안 건설 석재용으로 채석한 뒤 생긴 5백만평의 지하공간중 60만평 이상을 저장창고, 제조공장, 사무실로 개조하고, 버섯, 송어, 가재 양식에까지 지하공간을 활용하기 시작한 것이다. 캔사스시의 총 저장물량 중 약 7분의1 정도를 이 석회석 공동의 지하저장 창고에 저장함으로써 시 재정의 가장 큰 수입원이 됐다.
1989년 현재 임대지로 이용되는 캔사스의 지하공간은 총굴착면적 2.50km2의 10%정도. 이중 80% 이상이 창고 및 식품 저장 창고로 이용되고 있으며, 나머지는 사무실및 제조공장 등으로 이용되고 있다. 캔사스 지하공간에는 현재 8개 회사 16개 시설에 3천여명이 근무하고 있는데, 여기에는 세계적인 측량. 광학기계 제조회사인 앰버 브런슨사, 농기계회사인 앨리스 챌머사, 식품회사인 제너럴 푸드사등의 사무실이 있다. 또한 미국 정부도 대량의 국방장비를 이곳에 비축하고 있는데, 이는 지하공간 입구가 몇군데로 제한되어 있어 보안유지에도 효율적이기 때문이다.
지하공간 개발을 위한 굴착에는 부수적으로 골재나 비싼 광물이 채굴돼 공사비 일부를 보상받는 경우도 있다. 캔사스시는 지상개발에 쓰이는 콘크리트와 아스팔트의 수요증가로 매년 15-20만평의 지하공간을 새로 개발하고 있다. 캔사스시에 널리퍼진 석회암은 농업용, 시멘트원료, 콘크리트나 아스팔트의 골재로 쓰인다.
6m의 정사각형 암주를 중심거리20m간격으로 남기면서 채굴하는 방식을 사용했기 때문에 암주의 배열이 규칙적이어서 결과적으로 전체의 약85%를 활용할 수 있다. 일단 공간이 만들어지면 흙, 셰일, 석회암으로 이루어진 천연 천장이 지상의 기후변하에 대한 단열재로 작용해 지하공간의 온도를 보호한다. 이 지역의 지상기온은 여름에 38C에서 겨울에 영하18c가지 변화하지만 지하는 연중 14C로 일정하다.
지하공간 내에서의 습도는 필요에 따라 지상보다 손쉽고 적은 비용으로 조절될 수 있다. 게다가 시설물이 얼어붙는다든지 홍수나 바람에 의해 피해를 입지도 않는다. 혹 가열이나 냉각이 필요한 시설을 만들어도 14C를 기준으로 온도조절을 하므로 에너지 소비가 적다. 지하공간을 이용한 사무실에서는 냉.난방 시설도 필요없다. 체온, 조명, 기타 장비에서 발생하는 열로 난방이 충분하므로 지상시설과 비교해 80-90%의 에너지를 절약할 수 있다. 이곳을 대상으로 한 연구 결과에 따르면 상업 목적으로 운영할 경우 30cm²당 1시간에 최고 1천원 정도까지 절약되는 것으로 나타났다.
캔사스시 지하공간 업계는 1978년 결성한 지하공간개발협회(AUA)를 중심으로 민,관,학계의 협력체제 아래 지하공간 개발 활용에 관한 각종 제도보완 및 기술조사 연구를 계속해 1980년경에는 지하공간 개발에 관한 건축법 및 용도지역제를 제정했다.
2. 유류비축시설. 땅속은 화재안전지대
지하 암반은 열전도율이 낮은 터라 온도가 연중 거의 일정하다. 또한 암반 내에는 크고 작은 공극이 있으며 대개는 일정한 높이의 지하수면이 존재한다. 여기에 물과 기름을 섞으면 물보다 비중이 작은 기름은 물 위로 뜨는 성질을 이용해 지하공간에 최적의 유류비축 시설을 만들 수 있다. 이론적으로 보자면 지하에 유류비축시설을 만드는 방법은 매우 간단하다. 먼저 지하 일정한 깊이 지하수면 아래를 뚫은 다음, 주변 암반중 지하수의 정수압을 저장 유류의 증기압보다 높게 유지함으로써 유류가 공동(空洞)밖으로 새어 나가는 것을 방지하는 대신 지하수가 공동 속으로 스며들게 한다. 또 공동으로 유입된 지하수를 공동내 한 지점으로 모이게 한 다음 수중펌프로 지상으로 끌어올리고 물에 함유된 유분을 분리한 후 물만 배출시킨다. 일반적으로 유류를 지하에 저장할 때 이 원리를 이용한다.
스웨덴은 1940년대에 세계 최초로 기존 폐광을 개조해 지하저장 시설을 건설한 이래 지금까지 2백기 이상의 저장시설을 만들어 1천만m³이상을 저장하고 있다. 1967년에는 -1백C의 액화 에틸렌을 저장하기 위한 지하공동을 완성하였으나 암석이 수축하고 암반내 절리가 벌어져 저장에 실패, 대신 이를 LPG저장시설로 전환한 바 있다.
스웨덴은 또한 1968년 LPG의 압력을 낮추디 않고 저장하는 지하 공동을 피데버그의 정유단지에 처음으로 건설했다. 지하 90m 편마암층에 건설된 이 시설의 저장용량은 2만m3. 86-88년에는 이 곳에서 약 90m떨어진 암반에 8만m3크기의 LPG저장 공동을 추가로 굴착해 현재 가동중이다.
스웨덴뿐 아니라 스칸디나비아반도 국가들은 모두 일찍부터 이 분야에 눈을 돌려 현재 상당한 수준의 시설을 확보하고 있다. 핀란드는 60년대에 라이닝(구조물 보강)을 하지 않은 암반공동을 이용한 저장시설을 처음 건설했다. 그리고 67년에 포르부정유단지에 3기의 원유 지하공동을 굴착하는 등의 노력을 기울여 현재 약1천m3이상의 용량을 갖고 있다. 노르웨이도 석유류 및 가스의 저장으로 위한 약37개 이상의 지하 저장시설을 갖고있다.
한편 우리나라의 지하 원유저장시설로는 울산에 위치한 4천만배럴 용량의 U-1기지와 U-2기지가 있으며, 평택의 L-1기지와 아산만에 위치한 16만t 저장용량 L-2등 LPG저장시설이 있다. 현재 아산만 LPG지하 저장시설에 추가로 해발-1백15m에서 -1백37.5m사이에 위치하는 프로판가스 저장용 공동과 -60m로부터 -82.5m에 위치하는 부탄 저장용 공동을 화강편마암층에 굴착중인데, 이들은 상부 및 좌우에 물로 벽을 만드는 '수벽터널'을 뚫어 저장된 LPG가 새어나가는 것을 막는다.
3. 혐오시설 처리장. '님비현상' 최소화하는 최적의 대안
세계적으로 방사선 폐기물 처분에 관한 연구를 가장 활발하게 수행하고 있는 국가로는 스웨덴, 캐나다, 프랑스 등이 꼽힌다. 우리나라와 지질적 여건이 매우 유사한 스웨덴은 전제 전력의 약 50%를 원자력 발전에 의존하고 있는 터라 폐기물의 양도 만만치 않다. 1972년 상업용 원자력 발전소를 가동하기 시작한 이래 현재 12기가 가동중인데, 여기서 한해 동안 나오는 고준위 방사성 폐기물이 7천8백m³, 중.저위폐기물 23만m³, 그리고 기존 노후화된 원자로의 파괴시 발생되는 폐기물이11만m³에 이른다. 스웨덴은 SKB라 불리는 관리회사를 설립해 모든 방사성 폐기물의 중간 및 최종처분과 운반, 관리를 하고 있다.
이 나라는 88년 4월 스톡홀름 북방 1백60km거리에 있는 포스마크원자력발저소 연안의 바다 밑에 중.저준위 방사선 폐기물을 처분하는 SFR-1처분장을 건설했다. 총 6만m³의 저장용량중 현재는 2천m³의 폐기물이 저장돼 있는 상태.
처분장의 건설과 운영을 담담하는 SKB는 SFR-1처분시설을 바다밑 약50m의 화강암 암반내에 시공했다. 육상으로부터 2개의 터널로 연결된 이 처분시설은 암반을 터널형식으로 굴착한 공동과 콘크리트로 시공한 원주형의 사일로(silo)로 이루어져 있다. 암반에 굴착된 공동에는 주로 저준위 방사성 폐기물이, 사일로에는 중준위 방사성 폐기물이 저장된다. 사일로와 암반 사이는 약 1m 두께의 벤토나이트로 충전돼 있으며, 사일로는 폐기물을 채운후 모르타르로 틈새를 메운다.
한편 사용후 핵연료 중간 처분장으로는 1985년 7월에 오스카르샴 원자력발전소주변인 심페바르프 반도에 CLAB을 설치, 운영하고 있다. CLAB는 지하25-30m의 심도에 설치돼 사용후 핵연료를 40년간 저장하는 임시저장소로, 길이1백20m, 폭21m, 높이27m의 4개 풀(pool)로 이루어져있다. 저장용량은 무게로따져 약 3천t정도. 그러나 1990년도 중반에는 시설용량을 확장해 모든 원자력발전소에서 나오는 7천8백t의 사용후 핵 연료를 전부 이곳에 저장할 계획이다.
스웨덴에서는 또한 핵연료 최종처분장에 관한 국제 공동 연구가 진행되고 있다. 15세기부터 1977년까지 2천만t의 철을 생산해 온 스트리파라는 폐광산에서 벌어지고 있는 이 국제적인 프로젝트에는 스웨덴 외에도 미국, 스위스, 영국, 핀란드, 일본, 캐나다 등이 참여하고 있다. 그야말로 원자력 폐기물을 지하에 처리하기 위한 모든 방법이 이 나라에서 벌어지고 있는 것이다.
방사성 폐기물은 아니지만, 하수처리장 역시 시민들이 내 집 앞에 놓이는 것을 꺼려하는 혐오시설의 하나. 이 문제의 해결을 위해 노르웨이의 수도 오슬로에서 남서쪽으로 30km에 위치한 브레카스에는 40km길이의 하수운송터널을 뚫고 35만m³의 암반을 굴착해 초당 3m³의 처리 능력을 지닌 지하 하수처리장이 건설됐다.
이곳에서는 60만명의 주민들이 쏟아내는 하수와 공장폐수를 처리하고 있다. 이와같이 하수 처리장을 지하에 건설하게 된 이유는 단 하나, 환경문제 때문이다. 이곳은 정화 처리된 하수를 바다로 배수함으로써 지상에 건설되는 하수처리장의 단점을 완전히 극복했다. 노르웨이 최대 지하 처리장인 이곳에는 폭 16m인 11개의 지하공동이 12m간격으로 배열돼 있다. 공동의 단면적은 1백50-1백60m².
지하 하수처리장은 직선으로 굴착했기 때문에 내부에서는 차량의 통행도 가능하다. 지하시설이기 때문에 환기에도 적지 않은 신경을 기울여 난방과 제습장치뿐 아니라 악취를 제거하는 대책도 마련했다. 하수 처리는 일반적인 물리.화학적인 처리과정을 거쳐 60만명의 생활하수와 산업폐수로부터 오슬로 앞바다의 주오염 화학물인 인(P)을 제거하고 있다. 화학처리된 하수는 해면으로부터 수심 14m 하부에서 바다로 배출된다.
4. 압축공기 저장시스템 초전도 전기저장소. '전기통조림' 만들어 필요할때 꺼내쓴다
압축공기저장 시스템(Compressed Air Energy Storage)은 전기에너기를 고압의 공기에너지로 변환해 지하암반 동굴에 저장시켜두었다가 필요하면 다시 전력으로 사용하는 기술이다. 즉 전력분하가 적은 심야에 잉여 전력으로 고압의 압축공기를 생산, 이를 암반내에 저장해두었다가 주간의 최대 전력 부하시 압축공기로 가스터빈을 돌려 발전한다.
최근 가스와 증기의 복합발전방식이 개발되면서 세계의 상당수 LNG발전소가 가스터빈 방식을 채택하고 있다. 그러나 일반적인 가스터빈 발전은 발전기와 공기 압축기를 동시에 가동해 고압 공기를 발생시키면서 발전하기 때문에 터빈 발생동력의 60-70%가 공기 압축기의 가동에 소비되고 있다. 이에 따라 발전기 동력에 이용되는 동력은 불과 30-40%에 지나지 않는다.
이에 배해 CAES-GT(Compressed Air Energy Storage-Gas Turbine)는 이미 지하암반 내에 저장해 두었던 압축공기의 에너지를 사용하는 것이므로 터빈 출력의 모든 동력을 발전기에 전달할 수 있어 출력의 증대를 기할수 있다. 압축기에 필요한 만큼의 동력이 고스란히 절약됨으로써 발전능력이 2-3배 증가하는 것이다.
압축공기 저장 시설로는 천연가스나 석유를 채취한 후의 배사구조 대수층을 이용하는 방법과 암염층이나 암반중에 인공적으로 공동을 건설하는 방법, 폐광이나 천연 공동을 이용하는 방법 등이 있으며 최근에는 해저에 인공탱크를 건설하는 방법도 제안돼 있다.
CAES시스템을 세계 최초로 실용화한 독일은 브레멘 근교 훈토로프의 암염층을 이용해 부피 15만m³인 두개의 동굴에 압축 공기를 75기압으로 저장, 1978년부터 최대 출력29만kW의 전력을 생산하고 있다. 이외에도 미국의 매킨토시 발전소는 91년부터 53만m3의 용량을 가진 암반동굴을 굴착해 총출력 11만kW 규모의 발전설비를 운영 중이며 이탈리아, 일본, 프랑스 등이 건설계획을 추진하고 있다.
한편 아직 현실화되지 않았지만, 지하에 초전도 현상을 이용한 전기 저장장치를 건설하려는 연구도 진행중이다. 초전도 토일에 전류가 흐르면 그 흐름은 반영구적으로 지속되는 성질을 가지고 있다. 이러한 원리를 이용해 전기에너지를 초전도 자기에너지 형태로 변환해 저장하는 것을 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)라 한다.
SMES는 전기를 직접적인 형태로 저장하게 됨에 따라 90%이상의 높은 효율을 가지며 부하변동에 신속하게 대응할 수 있는 장점이 있다. SMES는 1980년대부터 미국과 일본에서 활발하게 연구가 진행되고 있는데. 최근에는 초전도현상을 일으키는 온도를 절대온도 4K로부터 77K로 향상시킬 정도로 기술이 발전하고 있다.
초전도 코일은 극저온을 유지해야 하며, 수평 방향으로 강한 전자력이 발생하므로 지상에 코일용기를 건설하는 것 보다는 지하공간을 이용하는 것이 훨씬 유리하다. 즉, 암반은 단열성이 크고 자기를 차단하며 전자력에 의해 발생하는 큰 하중을 지지할 수 있는 강도를 가지므로, 특히 대형 SMES라면 암반공동을 활용하는 것이 경제적이다.
현재의 기술 수준으로 보자면 5천MW규모의 SMES발전소라면 반경 2백50m, 높이 20m 이상의 솔레노이드 코일이 필요하며, 이를 지하암반 내에 설치하기 위해서는 대규모 도넛형 터널이 여러층으로 굴착 돼야 한다.
SMES공동의 경우, 암반과 암반 보강재에 매우 큰 전자력이 작용하며 주변 암반을 저온 상태로 만든다. 따라서 암반은 반복되는 전자력을 장기간 지지할 수 있을 만큼의 강도를 가져야하며, 내부의 정밀한 시설을 고려할 때 암반의 변형이 매우 작고 균질해야 한다. SMES는 향후 에너지 절약에 크게 기여할 수 있는 기술로서, 현재 일본에서는 2020년까지 이를 실용화한다는 목표아래 연구가 진행중이다.
5. 지하도시땅속에 비행기가 날아다닌다
요즘 일본에서는 지하굴착기술의 개발과 관련된 구체적인 개발지침을 정비하고 지오프론트(geo front)란 지하공간 개발계획을 추진중이다. 이 계획중 특히 눈길을 끄는 것은 도시지오그리드(urban geo-grid)계획과 앨리스시티(Alice City)계획. 도시 지오그리트계획은 일본의 민간 건설업체인 시미즈 전설이 도쿄 지하 40m에 지하도시를 건설하기 위한 구상으로서 현재 경제성을 검토하고 있다.
지하에 격자형 도시를 건설한다는 의미에서 이름 붙여진 이 계획은 총공사비 10조엔을 투입해 일본왕국을 중심으로 반경 20km 지역에 10여개의 대형 지하공간을 건설하고, 이들 지하도시의 거점을 지하철 등 교통수단을 위한 터널과 연결하는 것이 목표다.
이 구상은 기존의 도시기능과 공존하는 지하공간을 개발해 지진이나 재해 등 비상시 50만명이 일시에 대피할 수 있는 피난소로 지하공간을 활용하는 한편, 물류, 통신 등 다목적인 도시 기반시설과 연계함으로써 도시기능을 확대, 발전시킨다는 것이다.
격자점(grid point), 격자역(grid station)과 이들을 연결하는 지하연결망(undergroundnetwork)으로 구성된 이 구상의 기본은 지하에 격자형으로 배치된 격자점이 있고, 격자점의 요소요소에 격자점군을 총괄하는 격자역을 설치하는 것. 이들은 신교통시스템이나 통신네트워크 등과 같은 지하네트워크로 연결된다.
1995년초 고베에서 일어난 지진처럼 직하형의 대지진이 도쿄에 발생하면 1백만명을 일시에 수용할 수 있는 피난소가 필요하다. 이때 격자점은 지구방재센터, 격자역은 지역방재센터로서 정보발신, 전달, 피난유도 등을 돕는다. 지하네트워크는 피난로뿐 아니라 이와 같은 정보의 네트워크, 물자수송에 중요한 역할이 기대된다.
새로운 교통시스템의 주요 역이자, 재난 대피시설의 중심적 기능을 지닐 격자역은 한 그룹의 격자점을 총괄하는 기능을 가지고 있다. 지상시설과의 조화를 위해 중요 교차점에 건설되는 격자역은 대규모 도시공원이나 공장으로 사용되던 지역 등 재개발 지역 하부 지하에 건설될 예정이다.
한편 앨리스시티 계획은 대도시의공간 부족 문제를 해결하고, 에너지 절약형의 21세기 도시건설을 위해 다이세이 건설이 발표한 계획
△도심제개발과 뉴타운 개발을 통한 도시기능의 다핵(multi core)배분 △신교통시스템 등의 도입으로 효율적인 공간배분 유도 △기반시설 및 수자원의 시스템화(Alice Infra System, Aquo-eco System) 등을 개념으로 제시하고 있다. 이 계획은 20만명을 수용할 수 있는 1백ha의 토지에 터미널, 오피스, 인프라, 타운을 건설한다.
자원과 폐기물을 원거리 수송에 의해 공급처리하는 방식을 사용하는 종래의 도시와 달리 앨리스시는 분산형의 인프라 정비를 통해 각 도시에서 필요한 시설(상·하수도, 쓰레기, 에너지, 정보, 교통 등 도시기반시설)을 복합 일체화해 지하 심층부에 설치한다. 앨리스 인프라 공간에는 폐열을 이용한 지역온냉방시설, 폐기물 및 하수처리 재자원화시설, 발전시설 등을 설치해 환경 우선형 도시를 건설한다는 것이다.
지상의 여유공간에는 환경섬을 만들어 물이 자연정화를 통해 혹서와 혹한에 대한 체감온도를 경감시킬 수 있도록 한다. 또한 건물의 지하층과 지하도로를 일체화시켜 시민이 모여 즐길 수 있는 개방된 공간으로 산책과 쇼핑을 즐길 수 있는 도로, 운동장과 극장이 있는 광장 등을 배치한다.
뿐만 아니라 지하50m에 지름 50m의 원형터널을 뚫은 뒤 상·하행선으로 각각 비행기를 운항하는 지오에어플레인 구상도 있다. 이 구상에 따르면 길이60m, 폭25m, 높이 12m에 1만4천 마력의 제트엔진을 갖춘 4백인승 비행기가 지하항공면에서 5m 떠올라 시속 6백km로 달리게 된다. 지하항공로를 이용하면 기상조건에 영향을 받지 않으며 소음, 진동이 없고 도시 한복판까지 바로 연결될 수 있을 것으로 예상하고 있다.
