최근 지구환경의 개선을 생각하는 자연에너지를 이용한 발전이 보급되고 있는 추세이다. 태양광 발전이나 풍력발전은 우리들에게 친밀한 발전 방식으로 보급이 현저하게 이루어지고 있지만, 수력에 관해서는 수리권水利權의 문제와 대규모 설치 공사에 따른 이니셜 코스트 증가의 문제로 검토는 하되 설치 도입에는 신중을 기하는 케이스가 많다. 하지만 마이크로 수력발전에 관해서는 각지에서 여러 제안들이 시도되고 있으며, 그 보급에 박차가 가해지고 있다. 그 예로 산간부 및 구릉지의 용수湧水이용, 소규모 하천수의 이용 등이 있으며, 자연학습의 교재로도 활용이 되고 있다. 여기서 소개할 ‘히타치 에너지 회수 시스템’은 앞서 말한 자연수 이용의 발전설비에 대해 인공수로의 설비(배관계통)로 발전한다는 독특한 시스템이며, 빌딩 공조 냉각수 배관계통의 설치 등 적은 출력이지만 확실한 발전을 실현하고 있다.
수력발전의 구분에서는 일반적으로 수백~수만㎾의 출력을 중·소수력발전, 100㎾ 이하를 마이크로 수력발전이라 부르고 있다. (특히, 10㎾ 정도의 출력을 ‘피코수력’이라 부르기도 한다) 태양광 발전과 풍력발전에서는 이 ‘마이크로’에 해당하는 부분의 발전이 가장 널리 보급되어 있으며, 기본적으로 100㎾ 이상의 출력이 많은 수력발전과는 대조적이다.
㈜히타치산기시스템에서는 산업기계품의 일환으로 범용 펌프의 제조·판매를 취급하고 있으며, 에너지 절약 및 환경부하의 경감을 도모하기 위해 펌프 자체의 개량은 물론이거니와, 응용제품의 개발도 꾸준히 검토해왔다. 히타치 범용 펌프 중에서 시장에서 좋은 실적을 내고 있는 것으로 ‘빌딩 공조 시스템용 육상 펌프’가 있으며, 마이크로 수력발전인 ‘에너지 회수 시스템’도 빌딩 공조용 냉각수 순환 효율 향상의 검토 과정에서 동력회수설비의 연장으로서 고안된 것이다.
시스템의 주 구성은 크게 수차발전기와 제어시스템으로 나눠볼 수 있다. 수차발전기를 수로배관에 연결하고, 흡입구·토출구 측에 슬루스 밸브와 압력센서 및 압력계의 설치, 그리고 토출측에 전동밸브를 설치한다.(<그림 1> 참조) 또 오버플 로우Overflow(溢水)나 유지보수 관리 등을 고려한 바이패스 배관을 옵션 시공으로 한다. 제어 시스템의 주 구성에 대해서는 수차 속도를 제어하는 컨트롤러와 교류-직류변환기(발전한 에너지를 직류로 변환하여 안정화)가 있다.
에너지 회수 시스템의 특장점
아래에 에너지 회수 시스템의 특장점을 열거한다.
⑴ 에너지 회수율 약 60%의 고효율 유량과 수차의 최적운전제어 가변속 발전 시스템 채용
※ 에너지 회수율은 ⒜식으로 나타낸 종합효율 (η)이다.
η=p/(0.163×Q×H)×100…‥⒜
여기서,
P: 제어반 출력 [㎾]
Q: 유량 [㎥/min]
H: 유효낙차 [m]
H=H1-H2… … … … … … … ⒝
H1: 수차입구압력수두(Pressure head) [m]
H2: 수차출구 압력수두(Pressure head) [m]
η: 종합효율 [%]
η=ηt×ηg×ηc… … … … … … … ⒞
ηt: 수차 효율 [%]
ηg: 발전기 효율 [%]
ηc: 제어반 효율 [%]
⑵ 전기출력을 위한 다양한 부하에 대응 가능
● 인버터 구동을 하고 있는 기기에는 컨트롤러로부터 직접 인버터에 직류 송전(직류출력타입)
● 계통연계장치를 통해 3상 200V의 교류송전 가능(교류출력타입)
⑶ 낙차, 유량에 따라 수차발전기 복수대분의 전력회수도 가능빌딩이나 설비위치의 높이(낙차), 유량에 따라 수차를 병렬·직렬로 연결함으로써 보다 많은 전력을 회수할 수 있다. 고층에서의 낙차가 큰 경우는 수차를 직렬연결하고, 유량이 많을 시에는 병렬 운전시키는 등 규모에 맞는 대응이 가능하다.
⑷ 공간 절약 설치
본체는 수차·발전기가 일체식 구조로 되어 있으며, 소형·경량설계이다. 또한 배관작업을 용이하게 한 인라인 개념을 도입했다.
⑸ 바이패스 배관으로 유지 보수 용이
옵션의 바이패스 배관 시공으로 보수 시에도 수류水流를 멈추지 않고 대응이 가능하다.
발전성능곡선과 성능표
<그림 2>에 발전성능곡선을 <표 1>에 사양표를 나타냈다. 가로축에는 수량水量을, 세로축에는 유효낙차를 나타내고 있으며, 예를 들어 유량 1(㎥/min)·유효낙차 30m라는 조건에서 설치할 경우 EBS-F80H를 선정하여 출력 2.5㎾를 예상한다. 수량이 2(㎥/h) 이상이며, EBS-F80 병렬 설치 2대에도 EBS-F125 1대에도 대응이 모두 가능한 경우에는 설치·설비코스트, 설치 공간, 수량 변동 등의 종합적인 판단하에 채용기종을 결정한다.
효과 계산
전기요금의 절약(=에너지 절약)을 생각할 경우, 아래의 계산으로 산출한다.
※ 에너지 절약 효과 금액=에너지 회수 시스템 출력×전기요금 단가×일가동시간×연간가동일수
예] 사무실 빌딩 등의 공조냉각수 순환계통에 설치한경우
조건] 유량 2(㎥/h), 유효낙차 30(m), EBS-F80H 2대 설치, 운전시간 12시간/일, 연간 250일 가동 연간 에너지 절약 효과 금액=출력 5㎾(2대 합산)×15(엔/㎾h)×12(hr)×250(일)=255,000엔이 된다.
(단, 이것은 어디까지나 하나의 예이며, 전력회사와의 계약전력 단가, 유량, 유효낙차, 가동상황에 따라 이 값은 변한다)
도입사례
<사진 1>은 미야자키현미야코노조시(宮崎縣都城市) 시청의 공조 냉각수 순환계통의 수차발전기(왼쪽 상단)와 제어반(정면)의 설치 사례이다. 본 사례에서의 공조시스템은 운전 시에 약 2.2㎾의 발전출력을 얻고 있다. (EBS-F80×1대) <사진 2>는 일본특수도업(日本特殊陶業) 주식회사의 코마키(小牧) 공장에 설치한 9㎾ 기종(EBS-F125)의 사례이다. 본 사례에서는 공조 배관 계통의 설치를 통해 5~7㎾의 출력을 얻고 있다.
미래를 향해
히타치 에너지 회수 시스템의 과거 납입 실적을 토대로 본 이니셜 코스트의 회수년은 설치공사비를 제외하면 최단 6년 정도이며, 평균 10년 전후로 내다보고 있다. 그래도 태양광·풍력발전에 비해 이니셜 코스트의 회수 기간이 짧은 것으로 보고 있다. 빌딩 공조 냉각수의 응용에서 수력 이용이 뛰어난 점은 설치 전 공조기의 운전 정보를 조사하여 발전 전력의 기대치를 정확하게 계산할 수 있다는 점이다. 또한 수차발전기가 소형이기 때문에 유지보수에 있어서도 가벼운 작업으로 끝낼 수 있다는 이점이 있다. 지구환경 개선을 위한 에너지 절약 설비도입이 확대되고 있는 가운데 마이크로 수력 이용의 보급은 그 시작은 늦었지만 효과적인 자연 에너지 이용의 주역으로서 주목을 받을 날도 그리 머지 않았다. ㈜히타치산기시스템은 앞으로 새로운 시장을 주시하며 마이크로 수력 시장의 활성화를 위해 노력해나갈 계획이다.
※ 히타치 에너지 회수 시스템의 수상 내역
● 2008년도 제5회 에코 프로덕츠 대상, 에코 프로덕츠 대상 추진협의회 회장상 수상
● 2008년도 제29회 우수 에너지 절약 기기 표창, ㈔일본기계연합회 회장상 수상
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