[신재생에너지 - 수력 ②] 소출력 수력 발전의 기술 동향

지난해 3월 일본 동북부 지역을 덮친 진도 9.0의 지진과 거대 지진해일의 여파로 후쿠시마 원자력발전소가 폭발하는 사고가 있었다. 이 사고로 일본 전체가 전력 부족난에 빠졌다. 도쿄전력 관내에선 석유 파동 이후 37년 만에 전력사용 제한령을 발동했으며, 다른 전력 관내에서도 절전 요청이 내려졌다. 이와 함께 일본 국민의 에너지 관념에도 변화가 감지됐다. 재생 가능 에너지를 개발 · 활용하려는 움직임이 개인에서 지역 수준으로 확대됐으며 국가 수준에서도 개발을 촉진하고 있다. 본고는 재생 가능 에너지 중에서 가장 고전적인 수력 발전, 그중에서도 소출력인 마이크로 수력 발전의 기술 동향을 소개한다.

수력 발전의 역사는 상당히 길며, 일본의 경우 1891년에 발전을 시작한 교토의 케아게[蹴上]발전소가 최초의 사업용 수력발전소다. 이후 일본 각지에서 수력발전소가 들어섰으며, 경제 합리성 원칙에 따라 도심에서 멀리 떨어진 곳에 대규모 형태로 건설됐다. 현재로선 경제성이 높은 개발 가능 지점은 거의 다 개발됐다고 봐도 무방하다. 그러나 이는 어디까지나 '경제성이 높은 지점'에 해당하는 사항이다. 일본 자원에너지청이 2010년 3월 실시한 포장수력包藏水力조사에서 출력 3만㎾ 미만 지점에 1007만㎾의 개발 잠재력이 있었으며, 일본 환경성이 발표한 2010년도 재생가능 에너지 도입 가능성 조사에서도 1400만㎾나 됐다.

물은 하천이나 강, 폭포 등 가까운 곳에 존재하고, 낙차와 유량을 직접 보면서 에너지 존재를 체감할 수 있기 때문인지 일부에선 이처럼 가까운 곳의 에너지를 활용하려는 적극적인 행동이 재해 이후 뚜렷해졌다. 도쿄발전㈜에 문의한 내용을 살펴보면, 개인 · NPO의 경우 "가까이에 큰 폭포가 있다", "뒤쪽에 물이 많이 흐르는 용수用水가 있다"라는 내용이 많은데, 잘 들어 보면 대부분이 가로등 전원에 불과할 뿐 비용상 맞지 않는 것이 많다. 지자체의 경우 환경 대책 또는 환경 교육의 일환으로 채산성과는 다른 가치에 주목하며, 공영 기업이나 민간 기업의 경우 주로 전력 조달 비용 저감을 목적으로 한다.

마이크로 수력 발전의 특징
서두에 경제성을 잠깐 언급했는데, 경제성을 생각하면 대략 <그림 1>과 같은 평가 분석이 가능하다. 수입 면인 '가치'는 얼마나 좋은 지점을 찾아오는지에 달려 있기에 지혜를 짜내거나 노력만으로 해결할 수 있는 문제가 아니다.
그러나 지출 면인 '비용'은 지혜와 노력으로 해결 가능한 요소가 다분히 있다. 일반 전기 사업자, 소위 전력회사는 전기사업법에 따라 공급 책임을 지며 설비 · 기기를 다중화多重化해 만일의 사태에 대비한다. 예를 들어 다중화가 요구되는 부분을 간소화시켜 공급 지장이 생기고 사회적 파장이 커진다면 당연히 다중화에 따른 비용 증가를 감수해야 한다. 한편, 전력회사 이외는 공급 책임을 지지 않기에 발전소의 설비 형태를 다양한 파라미터에 최적으로 조합할 수 있고, 발전소의 가치(수입)에 맞춰 최적의 비용으로 조절할 수 있다. 마이크로 수력 발전은 파라미터를 분석해 다음 항목에 대해 기존 전력 사양에서 벗어난 자유로운 발상과 설계를 한다.
① 이미 설치한 설비의 유용 : 수력 발전에서 큰 비용을 차지하는 토목비 절감이 지점 개발을 좌우한다. 이 때문에 토목 공작물을 얼마나 만들지 않는가가 중요하다.
② 편리 사양의 배제 : 편리하고 끊어지지 않는 전력회사용 고신뢰성 특별 사양은 배제하고 범용 제품을 사용한다.
③ 기기의 범용품화 : ②와 관련이 있으며, 설계를 공통화해 설계 비용도 저감한다. 한 제품 사양으로 수차를 범용화하기 위해 수차 개발을 하고 수차 자체도 범용품화했다. 고가인 단독 운전 검출 장치는 범용품을 바탕으로 제조사와 공동 개발해 저가격화를 이뤘다.
이러한 노력을 통해 저비용화를 추진함으로써 지점 개발 범위를 확대해 가고 있다.

마이크로 수력 발전의 기술 동향
마이크로 수력 발전 구조의 대표 사례인 수도水道발전 외에도 토목 공사량을 줄이는 사이펀Siphon취수, 응용 전개인 농업용수로와 극소 수차 기술을 소개한다.

수도 발전｜수도 발전은 <그림 2>와 같이 정수장과 배수지 사이 낙차를 활용한 발전이다. 최초 협동사업으로 도쿄발전㈜가 가와사키 시 수도국과 함께 설치한 에가사키발전소가 있다(<그림 3> 참조).

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사이펀 취수 기술｜낙차를 얻기 위해 수차를 방수 위치 부근에 설치하는 것이 일반적이나, 이 경우 기존에 설치한 설비와의 분쟁 문제를 비롯해 설치 공사량이 증대할 가능성이 높다. 이를 해결하는 방법으로 사이펀 취수 기술이 있다. 수차 설치 위치를 상류쪽 수면 위치보다 높게 해 공사비 증가나 설치 장소의 제약을 피하는 것이 가능하다. <그림 4>는 누루카와발전소의 예를 나타낸 것이다.

농업용수 발전｜물의 경로로 하천 외에 상하수도나 공업용수도를 떠올릴 수 있으며, 이와 마찬가지로 전국에 두루존재하는 것이 농업용수다. 낙차와 유량이 적당한 기존 수로가 존재하는 지점이 마이크로 수력 발전의 적지가 된다. 도쿄발전㈜는 발전소의 설계와 건설도 지원하며, 테루이[照井] 토지 개량구(이와테 현 이치노세키 시)에서 의뢰를 받아 설치한 발전소가 <그림 5>와 같다. 농업용수로에 낙차공, 급류공이라고 하는 낙차 변동이 큰 개소가 존재하는데, 거기에 직접 수차 컴포넌트Component를 설치하는 수차도 개발했다. <그림 6>은 농업 수리 시설 이용 소수력 발전 도입 촉진 사업(저비용 발전설비 실증)에 따라 테루이 토지 개량구에 설치한 아카오기발전소다. 이 기술이면 토목 공사를 금방 끝내고 간단하게 설치할 수 있는 이점이 있다.

극소규모 수력 발전｜환경 교육 차원에서의 사업이 아닌, 재난 이후로 비상용 전원으로도 사용할 수 있다는 이점에서, 또는 간단한 전원 장치로 수차 설비를 계획하는 지자체가 최근 늘고 있다. 이때는 수차성능 이상으로 설치와 유지 보수에 수고가 들지 않는 시스템이 중요하며, 대학에 협력을 요청해 제조사와 함께 수차를 개발했다. <그림 7>은 각종 다양한 수차를 나타낸 것이다. 오래 전부터 수차 형상을 띤 하사식下射式수차, 수몰하지 않는 위치에 설치해 보는 즐거움도 선사하는 폭포용 수차(신슈대학 설계), 풍차에도 사용하는 물레바퀴와 같은 다리우스수차(규슈대학 설계) 등이 있다.

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재생 가능 에너지 개발이 점점 중요시되고 있다. 여기에는 먼저 경제성이 담보되고 그 이후에 개발이 이뤄져야 한다. 설치자는 비용 저감을 위해 애쓰는 한편, 지점 개발에 국가를 포함한 관계자 모두의 적극적인 노력이 필요하다.

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정리 전화영 기자