산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2018.4.23 테크노 트렌드 (p70-72)

마이크로 수력발전
수도관과 용수로가 ‘발전소’로 변모

수도관 등 다양한 수로를 흐르는 물을 활용하는 ‘마이크로 수력발전’의 도입이 증가하고 있다. 에어컨이나 베어링으로 축적한 기술을 활용하여 기기의 소형화가 진전되면서 설치 비용이 저렴해졌다. 그 동안 주목하지 않았던 에너지를 낭비 없이 사용하기 위해서는 물 이권 등의 제도도 재고할 필요가 있다.

교토 나가오카쿄시의 펌프장에 있는 ‘수도관’이 2018년 4월에 발전소로 변모하였다. 비밀은 수도관과 수도관을 연결하도록 설치한 다이킨공업의 ‘마이크로 수력발전 시스템’이다. 수도관 속을 흐르는 물의 힘으로 수차를 돌려 연간 18만 4,000kWh의 전력을 생산한다. 이 설비에서만 일반가정 56세대의 전력을 공급할 수 있다는 계산이다.

마이크로 수력발전은 출력 약 200kW 이하의 소규모 발전 시스템을 말한다. 소 수력 발전이라고도 부른다. 수도나 하천 등의 ‘약한 수류’를 효율적으로 전기로 변환할 수 있다는 점이 특징이다. 거대한 댐을 이용한 수력발전소와 비교하여 규모는 작지만 고베시나 도야먀현 등 전국의 지자체에서 도입이 이어지고 있다.

지자체가 도입을 추진하는 배경에는 2개의 요인이 있다. 우선은 국책이다. 16년에 각의(국무회의)에서 결정된 정부의 ‘지구온난화 대책계획’에는 ‘상수도에 소 수력발전 등의 재생가능에너지 발전 설비의 도입을 추진한다’라고 명시되어 있다. FIT(고정가격 매입제도)의 대상으로 함으로써 마이크로 수력발전의 보급을 지원하였다.

이에 다이킨공업이나 NTN, 리코 등이 호응. 발전기의 소형화가 실현되면서 설비 비용이 저렴해지고 적은 발전량으로도 채산을 맞출 수 있게 되었다.

다이킨공업의 경우는 비교적 소형인 22kW의 시스템 설치 비용은 3,000만엔 정도다. 다이킨공업이 마이크로 수력발전 전문 자회사로서 17년에 설립한 DK-Power(오사카)의 마쓰우라(松浦) 사장은 “FIT를 이용하면 5~10년 정도면 설치 비용을 회수할 수 있을 것으로 전망된다”라고 말한다.

리코도 19년 중의 사업화를 목표로 시즈오카현의 하천에서 실증 실험을 반복하고 있다. 도입 비용을 수백만 엔으로 억제하여 “단기간에 회수할 수 있도록 수차를 수지로 만드는 등 비용 절감을 도모하고 있다”라며 에코솔루션즈사업센터의 데구치(出口) 소장은 말한다.

댐 등을 사용하는 예전의 수력발전의 경우는 “대규모 토목공사가 필요하기 때문에 도입 비용은 수억 엔이 소요되는 것이 당연했었다”. 이렇게 말하는 것은 도쿄전력홀딩스(HD) 산하에서 수력발전의 도입과 운용 등을 전개하는 도쿄발전의 하마다(濱田) 씨다.

그러나 마이크로 수력이라면 초기 비용을 억제할 수 있고 또한 전력판매 수입도 전망할 수 있기 때문에 투자를 회수하기 쉽다. 그러한 이유로 재정이 어려운 지자체가 잇달아 도입하고 있는 것이다.

-- 미사용 농업 용수는 40만km --
마이크로 수력발전의 특징은 크게 3개가 있다. 하나는 기존의 수력발전과 비교하여 발전가능 장소가 현격하게 증가하는 점이다. 환경성과 후생노동성이 16년에 정리한 조사에 따르면 전국의 수도 시설 중 소규모 수력발전이 가능한 후보지는 563곳이었다. 도입하면 연간 50억엔 이상의 전력판매 수입을 전망할 수 있다는 시산도 있다.

마이크로 수력발전의 도입 대상은 수도관만이 아니다. 공장의 배수 설비나 공업용수 등 지금까지 버려졌던 수류도 대상이 된다. DK-Power의 마쓰우라 사장은 “농림수산성의 조사에 따르면 농업용수의 길이만해도 40만km로 지구 10바퀴에 해당하는데도 수력 발전에서는 거의 사용되지 않았다. 도입 여지는 크다”라고 설명한다.

당연히 댐 등과 비교하면 흐르는 물의 양과 힘은 떨어지기 때문에 출력은 한정적이다. 예를 들면 도쿄전력HD에는 100만kW가 넘는 수력발전소도 있지만 마이크로 수력발전의 규모는 그 1만분의 1정도에 지나지 않는다. 그러나 규모가 작다는 점은 새로 참여한 기업에게는 좋은 기회가 된다. 발전기의 소형화 등으로 특징을 살릴 수 있기 때문이다.

마이크로 수력발전의 구조는 풍차나 화력발전소용 터빈과 거의 동일하다. 하천이나 수도관 등을 흐르는 물을 수차의 날개로 받아 회전 에너지로 변환한다. 이 힘으로 발전기 내부의 코일을 회전시키면 ‘전자유도’의 원리로 전기가 발생한다. 중요한 것은 마찰이나 저항 등의 손실을 억제하여 효율적으로 에너지를 추출하는 일이다.

여기에 주목한 기업은 자동차 베어링 생산기업인 NTN이다. NTN은 작년 9월에 도쿄전력HD와 제휴. 이바라키현의 용수로에 실증용 소형 수차를 설치하였다.

NTN의 강점은 같은 수로에 여러 대의 수차를 직렬로 설치할 수 있다는 점이다. 수차에 물이 닿으면 소용돌이가 발생하면서 흐름이 흐트러지기 때문에 뒤의 수차는 제대로 힘을 받기 어렵다. NTN은 유체역학을 이용하여 날개의 모양을 연구. 끝 부분을 접거나 일부 날개의 두께를 두껍게 하거나 해서 독자적인 모양을 만들어 뒤쪽에서 수류가 흐트러지지 않도록 하였다.

수차 1대가 만들어내는 출력은 1kW로 작지만 ‘티끌 모아 태산’이라는 속담처럼 낮은 출력을 수량으로 커버하는 전략이다. “설치가격은 150만엔으로 저렴하기 때문에 6~8년 정도면 회수 가능하다”라고 NTN의 이시카와(石川) 운영책임자는 설명한다.

두 번째 특징은 벽지 등에서도 사용하기 쉽다는 점이다. 교량의 열화를 감지하는 센서나 야생동물 대책용 덫을 설치하는 경우 지금까지는 전원 확보가 과제였었다. 마이크로 수력발전이라면 “전선을 끌어오는 것이 곤란한 깊은 산속에서도 독립적인 전원으로서 설치 가능하며 전등이나 스마트폰 충전 등에 사용할 수 있다”라고 리코의 창(倉)에너지 사업추진실의 사이토(齊藤) 그룹 리더는 설명한다.

태양광발전은 비 오는 날이나 해가 없는 야간에는 발전할 수 없다. 풍력의 경우도 바람 강도나 방향은 전혀 예측할 수 없다. 그러나 강이나 수도관은 낮에도 야간에도 일정량이 흐르고 있기 때문에 마이크로 수력발전은 가동률이 높아진다. 이것이 세 번째 이점이다. 예를 들면, 앞에서 말한 교토 나가오카쿄시에서는 시스템 가동률이 85%를 넘었다. 13% 정도인 태양광발전보다도 가동률은 높다.

이러한 특징 때문에 비즈니스로서도 전망이 있다고 보고 있다. DK-Power는 20년에 일반가정 2만 3,300세대에 상당하는 연간 8,400만kWh의 전기를 마이크로 수력으로 얻으려는 계획을 세우고 있다. 기기의 보수 서비스 등을 포함하여 50억엔의 매출을 전망하고 있다.

-- 보급의 벽은 ‘쓰레기’와 ‘물 이권’ --
한편으로 과제도 많다. 하천 등 옥외를 흐르는 수류를 이용하면 해조류나 유목(流木), 쓰레기 등이 수차에 걸리는 경우가 있다. 그렇게 되면 수차의 회전이 어려워지거나 최악의 경우는 멈춰버린다. 작은 일처럼 보이지만 영향은 크다. 발전을 못할 뿐 아니라 사람의 손으로 제거하는 것도 일손이 필요하다.

이 문제를 해결하기 위해 아이디어를 낸 기업은 리코다. 쓰레기가 쉽게 걸리지 않도록 하기 위해 수차의 중심에 구멍을 뚫었다. 그러나 그 구멍으로 쓰레기만이 아니라 물도 통과하기 때문에 유수를 통해 충분한 회전력을 얻지 못한다. 그래서 수차의 전방에 정류(整流) 용 ‘Guide vane’이라는 부품을 설치하여 효율적으로 날개에 물이 닿도록 하였다.

법 제도도 정비해야 할 점이 있다. 관개 등의 목적으로 유수를 배타적∙계속적으로 사용하는 권리를 의미하는 ‘물 이권’이다. 현재는 민간기업이 마음대로 수차를 설치하여 발전 사업을 하기는 어렵다. 물 이권을 보유한 지자체 등에 이용 신청을 하려 해도 “절차가 복잡하고 시간이 걸린다. 허가가 나오지 않는 경우도 있다”(리코의 사이토 씨).

이 때문에 각 기업들은 하천이 아니라 수도국 안이나 공장 내의 배수관 등 물 이권의 제약을 받지 않는 부분부터 판매를 하고 있다. 재생에너지의 보급을 추진하기 위해서는 기술혁신과 병행하여 오랫동안 이어져 온 규제를 재고하는 것도 중요하다.

  -- 끝 --