일본, 하수처리장 메탄가스 이용

전기 생산 기술 적용 확대


사가·마츠모토시, 하수슬러지 분해 기술·쓰레기 소각열 이용 전력 생산
소화가스로 수소도 생산…배출되는 CO2 분리·회수하여 채소 재배에 이용


일본에서는 하수정화센터 하수슬러지나, 쓰레기 소각발전에서 나오는 바이오매스(biomass)를 활용한 순환형 에너지 공급 시스템이 확대되고 있다. 폐기물 처리 공장에서는 쓰레기 소각열을 이용하여 발전하고, 배출되는 이산화탄소(CO2)를 분리·회수하여 채소 재배에 이용한다. 하수처리장에서는 소화가스를 사용하여 전력과 열을 자급 자족하며, 가스로 수소를 제조하여 연료전지 자동차에 공급하는 체제를 만들었다.

▲ 쓰레기 소각열을 이용하여 발전하고, 배출되는 이산화탄소를 분리·회수하여 채소재배에 이용한다.

사가시, 하수처리에 필요한 전력 42% 자급

사가(佐賀)시는 지난해 ‘바이오가스 산업도시’로 선정된 전국 6개 지역 중 하나이다. 지역의 바이오매스를 활용한 도시 조성을 정부가 지원하는 제도로 바이오가스의 활용 프로젝트에 대해 국가에서 보조금을 받을 수 있다. 사가시의 바이오매스 도시 구상에서는 쓰레기 및 하수와 같은 일상생활에서 배출되는 폐기물을 에너지로 전환하는 점이 특징이다.

▲ 사가시 하수정화센터에 설치된 수화가스를 이용한 발전 설비.


대표적인 프로젝트가 2군데에서 추진되고 있다. 첫째는 ‘사가시 폐기물처리 공장’의 쓰레기를 이용한 발전 설비이다. 이 폐기물 처리 공장은 2003년에 발전하고 남는 열을 이용할 수 있는 순환형 소각로를 도입해 에너지의 자급자족을 추진하고 있다. 발전 능력은 4.5㎿이며, 공장 내에서 소비한 후 잉여전력이 연간 약 845만㎾h이다. 이는 일반가정 2천350세대 분에 해당한다.

종래에는 큐슈전력에 판매했지만, 2014년 6월부터 판매처를 신전력(특정 규모 전기사업자)으로 전환했다. 동시에 신전력을 통해 시내의 초등·중학교에 전력을 공급하는 방법으로 전환함으로써 판매수입의 증가와 함께 시의 재정부담이 연간 7천만 엔 경감될 것으로 예상했다.

폐기물의 재이용은 그것만으로 끝나지 않는다. 쓰레기 소각 시에 발생하는 이산화탄소를 분리·회수하여 채소의 재배에 이용하는 실증실험을 2014년 10월에 개시했다. 폐기물처리 공장에 설치한 이산화탄소 분리·회수장치 옆에 면적이 작은 소규모 채소 재배 하우스를 설치해 양배추를 재배한다. 바이오매스 발전으로 발생한 이산화탄소를 재이용해 순환형 에너지 공급 체계를 진화시키는 시도이다.

특히, 사가시의 바이오매스 산업도시 구상 중에서 또 하나의 대표적인 프로젝트는 ‘사가시 하수정화센터’의 소화가스 발전이다. 하수를 처리하는 공정에서 슬러지가 대량으로 발생하기 때문에 이를 발효시켜 소화가스로 전환하며, 전환된 소화가스를 연료로 사용해 발전하는 방법이다.

1대로 25㎾의 발전 능력이 있는 소형 가스코제너레이션시스템을 2011년에 16대 도입했다. 총 400㎾의 발전 능력이 있으며, 연간 340만㎾h의 전력을 공급할 수 있다. 하수의 처리에 필요한 전력의 42%를 자급할 수 있으며, 연간 전기요금이 3천만 엔 이상 저감했다.

소화가스의 발생량을 증가시키기 위해 지역의 제재소가 폐기하는 나무껍질 외에 식품의 폐기물 등도 추가로 발효처리에 이용한다. 소화가스를 생성시킨 후 남은 찌꺼기는 탈수하여 비료로 전환해 시내의 농가에 제공하고 있으며, 발전하고 남은 소화가스에서 수소를 제조하여 인근 도스(鳥栖)시에 있는 수소 스테이션에 공급할 예정이다.

사가현의 재생가능 에너지는 태양광과 바이오매스 2종류를 중심으로 도입량이 확대되고 있다. 단, 메가솔라 건설 프로젝트는 큐슈전력에 의한 접속 보류의 영향 때문에 중단된 경우도 있다. 앞으로는 태양광 보다 바이오매스가 유망하여 바이오매스 발전소의 건설계획이 추진되고 있다.

마츠모토시, 2개 하수처리장에 발전시설 설치

일본 나가오(長野)현 마츠모토(松本)시도 하수정화센터(하수처리장)에 출력 315㎾의 연료전지 시스템을 도입했다. 쓸모 없었던 소화가스(메탄가스)를 이용해 발전하고, 지난 2월부터 신전력을 프리미엄 가격으로 판매하고 있다.

▲ 마츠모토시 료시마 하수정화센터에 설치된 소화가스 발전 설비.


하수처리 시 발생하는 소화가스를 이용한 발전 설비를 메타워터사가 마츠모토시로부터 설계, 조달, 건설을 수주하여 료시마 정화센터에 연료전지 시스템을 포함한 소화가스 발전 설비를 설치했다. 연간 발전량은 약 168만㎾h로 예상되고 있다. 발전한 전력은 신전력인 에나리스에 판매된다. 고정가격매입제도(FIT)의 판매가격보다 높은 프리미엄 가격으로 20년간 판매하는 형태이다. 마츠모토시가 투자한 사업비 4억4천만 엔은 전력 판매로 회수한다.

사업을 기획한 발단은 하수처리 시 남는 슬러지에 있다. 세균의 활동을 빌려 슬러지를 분해하면 메탄가스와 이산화탄소를 주성분으로 하는 소화가스가 연간 약 110만㎥ 발생하는데, 이것이 가연성가스이다. 세균의 활동을 활발하게 하기 위해서는 슬러지를 분해하는 슬러지 소화조를 일정 온도로 유지할 필요가 있다.
발생한 소화가스의 30∼40%를 가온에 이용했으며 나머지는 소각 처분하고 있다. 따라서 출력 105㎾의 연료전지 시스템을 3기 도입하여 소화가스를 연료로 한 발전을 시작했다. 연료전지 시스템을 도입한 이유는 △효율이 높다는 것 △유지관리가 용이하다는 것 △소음 및 진동을 발생시키지 않는다는 것 △배기가스를 발생시키지 않는다는 것 등 4가지다. 도입한 연료전지는 후지전기의 인산형 연료전지(PAFC)로 발전효율이 약 40%로 높다.

연료전지는 효율이 높지만, 원래 소화가스가 가지고 있던 화학에너지 중 60% 정도를 전력이 아니라 열로 변환시킨다. 하지만 이 열도 버리지 않고, 고온수의 형태로 설비에서 열을 이용하는 설계를 채용했다.
열교환기 및 소화가스를 이용한 온수히터에 고온수를 통과시켜 더욱 온도를 높여 슬러지 소화조의 가온에 이용한다. 태양광 발전의 보급에는 고정가격매입제도(FIT)가 큰 영향을 미쳤다. 마츠모토시의 정화센터 계획을 보면 소화가스의 이용에서도 강한 영향이 있다는 것을 알 수 있다.

마츠모토시에는 료시마 하수정화센터와 미야부치 하수정화센터 등이 있다. 이들은 슬러지 소화조를 갖추고 있는 정화센터이며, 소화가스의 이용은 미야부치 정화센터가 선행적으로 실시하고 있다. 2012년에 마이크로 가스터빈(출력 95㎾ 2기)을 설치한 소화가스 발전 설비의 설계가 시작되었고 2013년에 가동했다. 미야부치에서는 전력 판매를 하고 있지 않으며, 센터 내에서 모두 전력을 소비하고 있다. 센터의 연간 소비전력량 630만㎾h 중 23.8%에 해당하는 150만㎾h가 발전 가능하다.

그 후 2012년에 고정가격매입제도가 시작되어 현재와 동일한 39엔(세금별도)이라는 판매가격도 결정되었다. 료시마 정화센터의 사례에서는 민간업자의 기술 및 노하우를 살리기 위해 설계시공을 한꺼번에 발주하는 제안방식을 채용했으며, 2013년 9월에는 메타워터가 설비 건설공사를 4억1천790만 엔에 수주했다.

사업비 4억4천만 엔에서 차액이 발생한 이유는 경제산업성의 정책 때문이다. 마츠모토시가 사업계획을 추진하는 중 경제산업성이 제도를 변경하여 설비의 일반적인 인증 범위를 변경했다. 그 결과 소화조를 움직이는 전력을 소화가스 발전으로 담당하는 것이 필요해져 소화조의 전기배선 및 제어반 등의 공사비용이 추가되었다.

 

[『워터저널』 2015년 3월호에 게재]

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