아사히맥주㈜, 맥주 공장에서 열

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아사히맥주㈜, 맥주 공장에서 열 · 전기 에너지 절약

2012년 4월 10일 (화) 09:51:23 | 지면 발행 ( 2012년 3월호 - 전체 보기 )

아사히맥주㈜ 홋카이도 공장은 삿포로 시내에 있는 유일한 대형 맥주 공장이다. 1966년 4월 조업을 시작했으며, 2001년 주요 설비를 리뉴얼했다.
환경 보전 활동으로 1998년 폐기물 재자원화 100%를 달성했으며, 2000년 9월 ISO 14001 인증을 획득했다. 에너지 절약 활동 면에서도 ISO14001 안에서 PDCA 사이클(Plan(계획)→Do(실행)→Check(점검)→Action(행동))을 기반으로 여러 시책을 실시한 결과, 매년 공장에서 사용하는 에너지양을 줄여 나갔다. 최근 5년 동안 열 에너지는 약 10%, 전기 에너지는 약 20% 절감했다. 이처럼 지속적으로 에너지 절약을 추진하고, 에너지 절약 센터가 주최한 '에너지 절약 유수 사업 발표회—홋카이도 지구 대회'에서 2006년부터 3년 연속 발표한 것이 좋은 평가를 얻어 2009년 2월 '2008년 에너지 관리 우량 공장'에 선정돼 일본 경제산업대 신상을 수상했다. 여기에 소개할 사례는 여러 차례 시행한 에너지 절약 시책 중에서도 큰 성과를 올렸던 내용이다.

맥주 생산 공정
맥주는 맥아麥芽, 홉Hop, 물을 원료로 한다. 그 외에 필요에 따라 부원료인 쌀, 옥수수, 녹말 등을 사용한다. 원료에 뜨거운 물을 넣고 담금 공정을 거치면 맥주 제조에 필요한 맥아당과 영양원을 함유한 '맥아즙'이 만들어진다. 공정 순서에 따라 가마를 이동해 가며 맥아즙은 완성된다. 이러한 맥아즙에 맥주 효모를 넣으면 발효가 시작된다. 약 1주일 동안 발효를 마치고 탄생한 맥주를 저온에서 수십일 저장한다. 그 동안 맥주는 숙성을 통해 맛의 조화를 이뤄 나간다. 숙성된 맥주는 '여과기'를 거쳐 임무를 마친 효모 등을 제거해 투명하고 황금색 빛깔을 뽐내는 맥주가 된다. 완성된 맥주는 효소를 축출한 캔과 병, 술통에 담아 꼼꼼한 검사를 거친 후 출하한다(<그림 2> 참조).

에너지 사용 상황
<그림 3, 4>는 2009년 홋카이도 공장의 열 · 전기 에너지 사용 상황이다. 맥주 생산 공정 중 맥아즙을 만드는 공정인 담금 공정에서 맥아즙을 가열하기에, <그림 3>과 같이 담금 공정이 있는 '양조'에서 열 에너지의 대부분을 사용한다. <그림 4>는 전기 에너지의 사용 상황을 나타낸 것인데, 담금 공정 이후로 맥주를 냉각하는 공정이 많아 맥주 냉각용 냉매를 식히는 설비인 '냉동기'에서 약 24%의 전기 에너지를 사용한다. 또한, 생산설비를 운전하는 데 필요한 공기(Air)를 공급하는 공기 압축기 등이 있는 '기타 원동'이 전체 전기 에너지 사용량의 약 16%를 차지한다. 즉, 맥주 생산에 필요한 유틸리티 공급 설비가 공장 내에서 사용하는 전기 에너지의 절반 가량을 쓰는 셈이다. 따라서 열 에너지는 담금 공정이, 전기에너지는 유틸리티 공급 설비를 운전 관리하는 원동 공정이 에너지 절약 활동에 있어 중점 관리공정이 된다.

에너지 절약 추진 체제
<그림 5>는 홋카이도 공장의 에너지 절약 추진 체제를 도식으로 나타낸 것이다. 에너지 절약 시책을 각 부서의 에너지 절약 분과회에서 추출 · 수집하고, 이를 에너지 절약 위원회에서 정리한다. 에너지 절약 위원회에서 실시하기로 결정한 에너지 절약시책은 그 설비 분야를 잘 아는 사람이나 관련 업무를 하는 사람 등 부서에 얽매이지 않고 인원을 선출해 프로젝트를 발족하고, 에너지 절약 시책을 수행하는 형태다.

에너지 절약 사례
<그림 6>은 2001년부터 2008년까지 홋카이도 공장에서 원유로 환산한 연간 에너지 사용량의 추이를 나타낸 것이다. 에너지 절약 추진 체제를 토대로 중점 개선 공정에서 공장 사원 모두의 노력 덕분에 <그림 6>과 같이 해마다 에너지 사용량을 줄여 왔다. 특히 성과가 컸던 에너지 절약 시책 세 가지를 소개한다.

담금 공정에서 열 이용 방법 변경 | <그림 7>은 담금 공정을 나타낸 것이다. 맥아즙 여과를 거쳐 나온 맥아즙은 담금 고온수와 열 교환을 통해 온도가 상승하며, 열탕 가마로 이동한다. 열탕 가마에서 정해진 시간 동안 펄펄 끓인 맥아즙은 침전조(Whirlpool)를 지나고 원료수와 냉수 열 교환을 통해 냉각시킨 다음 발효 탱크로 보내진다. 이러한 일련의 공정에서 담금 고온수는 열탕 가마에서 나오는 증기를 이용해 만들어지며, 맥아즙과 열 교환 후 저온수가 된다. 이 저온수를 필요한 온도까지 증기로 높여 원동탕 탱크로 회수, 이후 각 근무처 살균수로 주로 사용한다. 한편, 맥아즙 냉각에 쓰이는 원료수는 열교환을 통해 온도가 올라가면 원료탕 탱크로 회수해 담금 공정에 사용한다. 이처럼 담금 공정에는 가열과 냉각 공정이 있으며, 열 에너지를 어떻게 효율적으로 활용할지가 가장 중요한 과제다. 따라서 이 담금 맥아즙 예열 · 냉각 공정에서 열을 최대한 높은 효율로 활용하는 시스템을 검토해 에너지 사용량을 절감키로 했다.
① 문제점
· 맥아즙 냉각 공정에서 맥아즙 열을 원료수가 완전히 회수할 수 없기에 냉동 부하가 크다.
· 맥아즙 냉각과 원료탕 사용 타이밍에 따라 원료탕 탱크가 넘칠 수도 있다.
· 원료탕 탱크로 회수한 물을 사용처에서 필요한 온도로 맞춰 다시 높여야 한다.
· 저온수를 증기로 다시 데워 사용한다.
② 대책과 그 결과 · 맥아즙 냉각기의 전열 면적 증가

맥아즙 냉각 플레이트Plate의 원료수 쪽 장수를 늘려 열 회수 효율을 높이고, 맥아즙 냉각의 다음 단계인 냉수 냉동 부하를 저감시켰다. 이로써 원료수 쪽 출구의 맥아즙 온도가 3℃ 떨어져 냉동 부하가 경감됐으며, 냉동기 전력량 절감으로 이어졌다. 아울러 원료탕 회수 온도도 4℃가 올라 원료탕 탱크의 온도를 높일 때 쓰는 증기량을 줄이는 데도 기여했다.
· 열 회수 재이용 시스템 변경
위 개선 사항으로 온도가 상승한 원료탕을 맥아즙 여과를 거쳐 나온 맥아즙 예열에 이용함으로써 저온수 재가열에 사용하는 증기량을 줄일 수 있을 것으로 판단하고, <그림 8>과 같이 물탱크 흐름도를 개조했다. 이로써 원료탕 탱크와 저온수의 온도를 높이는 데 각각 쓰이는 증기량을 줄였다.
③ 대책 실시 후 효과
이번 에너지 절약 시책을 실시한 효과는 연료(도시가스 13A) 13만 5천㎥/년, 전력 7만 5천㎾h/년이었다. 또한, 이 시책으로 원료탕이 넘치는 것을 막고 온도 조절용 물 사용을 줄임으로써 용수 1만 3천㎥/년이라는 상승 효과도 함께 얻었다.

전력 수요 저감 | 홋카이도 공장은 제조량 증산과 설비 갱신을 위해 2000년 대규모 리뉴얼 공사를 했다. 리뉴얼 이전엔 6600V 고압 수전이었으나 제조량 증산에 따라 6만 6000V 특별 고압 수전이 필요해졌으며, 과거 전력 사용량을 토대로 계약 전력을 4000㎾로 설정했다. 그때부터 지금에 이르기까지 에너지 절약 활동 추진과 아울러, 제조량에 걸맞은 적정 계약 전력을 설정하기 위해 에너지 절약 위원회 활동을 중심으로 공장 내 전력 사용 현황 파악에서부터 전력 절감 시책을 추출하고 실시해 계약 전력 저감에도 힘쓰고 있다.
<표 1>은 전력 절감 실시 사항을 표로 정리한 것이다. 2003년 이후부터 전력 사용량 절감 시책을 실시했으며, <그림 9>에서 보듯이 연간 전력 수요 최대 일의 최대 전력이 매년 떨어졌다. 그 결과 <그림 10>과 같은 계약 전력 추이가 됐다.

압축 공기 재검토로 전력량 절감 | 오랜 세월 공장 조업으로 설비가 노후화됨에 따라 에어 컴프레서를 갱신하기로 계획했으나, 에어 컴프레서 갱신뿐 아니라 전력 사용량 절감을 위해 공장 전체의 에어 설비를 고효율화하기로 했다. 그리하여 쓸데없는 공기분사(Air Blow)를 없애고 비효율적인 운전을 해소하는 설계도 추가해 에어 컴프레서 갱신과 에어 설비 재검토를 함께 실시했다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

① 현재 상태 파악과 문제점
<그림 11>은 공장 전체의 공기 흐름도를 나타낸것이다. 먼저 현황을 파악하고 그것을 토대로 에너지 절약 관점에서 다음과 같은 문제점을 추출했다.
· 원동 구역에 있는 컴프레서 1~3호는 1990년대 전반에 제조한 기종이어서 현재 능력이 정격보다 떨어졌고, 같은 용량의 최신 기기와 비교해도 능력이 뒤쳐졌다.
· 홋카이도 공장에 설치한 에어 드라이어는 제습성능이 우수해 모두 흡착식 에어 드라이어를 사용하기에 재생 시 건조 에어 퍼지Air Purge로 말미암은 손실이 20%나 됐다.
· 공기 사용처에서 필요한 압력을 확보하기 위해 배기 손실이 발생하는 증압 밸브를 사용한다.
· 양조 부문에 설치한 탱크 배압용 에어 컴프레서는 운전 제어가 없어서 무부하 운전 시간이 상당히 많아 비효율적인 운전을 한다.

② 대책
· 원동 구역에 있는 에어 컴프레서 3대를 낮은 부하에서도 높은 효율로 대응하는 인버터 부착 에어 컴프레서 2대로 갱신했다.
· <그림 12>와 같이 흡착식 에어드라이어를 에어퍼지가 필요없는 폐열에어드라이어로 갱신했다.
· 필요 공기 압력과 양에 적합한 계통으로 배관흐름도를 바꾸고 증압 밸브를 철거했다.
· 탱크 배압용 공기는 고효율 에어 컴프레서를 새로 도입한 원동 구역에서 공급하는 것으로 하고, 기존 배압용 에어 컴프레서는 평상시 정지상태로 둔다.