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얀마에너지시스템㈜, 하수처리장의 마이크로 CGS 도입
2014-10-01

얀마에너지시스템㈜,
하수처리장의 마이크로 CGS 도입


일본 전국에서의 하수처리장은 약 1700여개가 있으며 그 중 약 300개소가 농축 오니(농축 슬러지, 濃縮汚泥)의 경량화를 위해 혐기성 발효조를 채용하고 있다. 혐기성 발효조에서는 혐기성 미생물의 작용에 의해 메탄 발효가 일어나, 투입된 농축 오니의 약 50%가 소화가스로 전환된다. 발생한 소화가스는 소화조 가온용 보일러의 연료 및 소화가스 발전에 일부 이용되고 있지만, 약 50~70%는 이용되지 못한 채 잉여가스 연소장치에서 소각처리되고 있는 실정이다. 본고에서는 미이용 소화가스를 유효하게 활용하기 위한 방법으로, 마이크로 코제너레이션 시스템(이하, 마이크로 CGS)에 의한 하수처리장의 채용 사례를 소개한다.

번역·정리 김대근 기자


소화가스를 연료로 한 코제너레이션(열병합 발전) 시스템(이하, CGS)은 20년 전 이상부터 일부 대규모 하수처리장에서 채용되었으나, 중소 규모의 처리장에서는 널리 도입되지 못한 것이 실정이다. 소화가스 자체가 오니 감량 프로세스에서 발생하는 가스이자, 바이오매스 자원이라는 점을 감안하면, 그 이용은 에너지의 유효활용 및 환경성이라는 점에서 널리 추진해야할 사항이다. 그 도입 저해요인에 대해서 아래 5가지 사항을 중점으로 정리했다.
 
⑴ 중소 규모에 적합한 CGS가 적다,
⑵ 초기도입비용이 고액이다.
⑶ 유지보수 비용이 고액이다.
⑷ 시스템 안정가동의 신뢰성이 낮다
⑸ 가스 발생량 변동에 대한 효율적 운용이 어렵다.
 
당사(얀마에너지시스템㈜)에서는 상기의 문제점들을 25kW 마이크로 CGS에 의해 해결하였으며, 하수처리장에서의 CGS 도입을 추진해오고 있다.

마이크로 CGS의 실적
일반적으로 일본에서는 100kW 미만의 CGS를 마이크로 CGS로 분류하고 있으며, 당사에서는 1998년부터 시장에 투입하여 현재에는 5, 9.9, 25, 35kW의 4개 용량을 판매하고 있다. 연료종류는 도시가스 13A, LPG, 바이오가스이며(바이오가스 사양은 25kW), 5, 9.9kW는 음식점 및 소규모 복지시설 등을 중심으로 단기(單機) 설치가 많았고, 25, 35kW는 호텔 및 온욕시설, 병원, 복지시설 등에 여러 대 설치되는 사례가 많았다. 일본에서의 누계 판매대수는 4700대에 달하며, 소형 민생용 분야에 CGS가 널리 보급되어 있다.

바이오가스 사양 마이크로 CGS 
2006년 7월, 당사는 표준사양(도시가스, LPG사양)을 기반으로 한 바이오가스 사양(소화가스 사양)의 25kW를 개발했다. 대상은 축산분뇨·식품잔사(음식 찌꺼기)·하수오니를 혐기성 발효(소화)시켜 발생한 바이오가스를 상정하였다. 발생가스의 주성분은 메탄(CH₄) 약 60%, 이산화탄소(CO₂) 약 40%이며, 이는 도시가스의 약 절반에 달하는 열량으로, 연료제어계 및 점화계통의 최적화를 실시하고 있다. 또한, 상기의 발생가스에는 황화수소 등의 부식성분이 포함되어 있으므로 설비측에 탈황장치를 설치할 필요가 있다. 특히, 하수오니로부터 생겨난 가스에는 샴푸 및 린스 성분에 기인하는 실록산 화합물이 포함되어 있으므로 엔진에 심각한 피해를 줄 수 있기 때문에 확실한 제거가 필요하다. 당사에서는 실록산 제거 장치를 개발하여 업체의 필수옵션으로서 제품의 품질을 보장하고 있다. ([그림 1] 참조)


마이크로 CGS의 특징
표준화 및 패키지화
25kW 바이오가스 사양 마이크로 CGS는 앞서 설명한 대로 도시가스·LPG사양을 기반으로 하고 있다. 기반 기기는 연간 200대 이상 판매하고 있으며, 양산 기기로서의 생산체제를 갖추고 있다. 또 패키지 내에 엔진, 발전기, 열교환기, 방열용 라디에이터, 계통연계용 인버터, 제어기판을 내장하고 있으며, 개별 설계 대응 제품이 아닌, 범용 양산 제품으로서 자리매김시켜 저코스트화를 실현하고 있다.([그림 2] 참조)


고성능 가스 엔진
엔진은 자사 제품의 범용 디젤 엔진을 가스화 대응시켜 탑재하고 있다. 이것은 연간 7000대를 생산하고 있는 가스 히트펌프 에어컨(GHP)에 탑재된 엔진과 같은 방식이며, 연소방식은 희박연소방식(린번 방식)을 채용하고 있다. 또한 연소 사이클은 [압축비<팽창비]가 되는 밀러 사이클 방식을 도입하여 고효율화를 실현하고 있다.

고효율 고주파 발전기
일반적인 중대형 발전설비는 동기 발전기를 사용하고 있으며, 극수가 4극인 경우 50㎐ 지역에서는 1500rpm, 60㎐ 지역에서는 1800rpm으로 엔진을 가동하고 있다. 마이크로 CGS는 극수가 16극인 고주파 발전기(영구자석식 동기 발전기)를 탑재하고 있으며, 콤팩트함과 동시에 계통연계용 인버터(역변환 장치)를 통해 출력하기 때문에 50·60㎐ 모두 가장 좋은 엔진 효율의 회전으로 운전한다.
 
인버터에 의한 계통연계
계통(상용전력)과의 연계는 태양광발전 및 풍력발전과 마찬가지로 인버터(파워 컨디셔너)를 통해 실시하고 있으며, 인버터가 계통전력의 전압·주파수와 동기화하여 연계를 실시한다. 또 인버터에는 계통연계에 필요한 각종 보호계전기(OVR·UVR·OFR·UFR·단독운전검출장치)가 내장되어 있어 계통연계 관련 전기공사의 간소화를 실현하고 있다. ([그림 3] 참조)


복수대의 병렬운전
25kW 마이크로 CGS는 1대의 컨트롤러로 최대 8대까지 복수대 제어 운전이 가능하며, 단기(25kW)에서 200kW급(8대)의 CGS로 수요가의 규모 및 용도, 설비 예산액에 맞춘 설치가 가능하다. 또 전력부하의 추종으로 운전대수를 제어하는 대수제어 기능 및 개별 기기의 운전시간을 평준화하는 로테이션 운전 기능을 탑재하고 있어 유지 보수 시간의 격차를 해소할 수 있다.

롱 메인터넌스 인터벌(Long Maintenance Interval)
유지보수 주기(Maintenance Interval)는 엔진식으로는 최장 8760시간 또는 1회/년을 달성하고 있으며, 정액 보수계약(정기점검+고장수리)과 함께 저렴한 유지보수를 실현함과 동시에 고장 시 돌발적인 지출을 억제할 수 있다.
 

소형기 복수대 설치에 의한 우위성
시설규모에 따른 최적설치 가능
시설규모에 따라 발생되는 소화가스의 양은 크게 달라지는데, 마이크로 CGS에서는 발생량에 따른 대수설치가 가능하기 때문에 유효 이용을 못하고 소각처리했었던 잉여가스를 남김없이 최대한 이용할 수 있다. 또, 계절에 따른 발생량 변동에도 대수제어의 실시를 통해 대응 가능하다.

높은 설비가동률
소용량 설비를 복수 설치함으로써 유지 보수 시 및 고장 시에도 CGS는 1대만 정지시키면 되기 때문에 계속운전이 가능하다. 정지 리스크를 최대한 분산시키면서 동시에 설비의 가동률을 높일 수 있기 때문에 안정된 전력과 지속적인 열공급을 할 수 있다. ([그림 4] 참조)

 
 
원격감시 유지보수 메뉴
당사에서는 원격감시 기능을 표준화한 유지보수 계약으로서 「YES 파트너」라고 하는 메뉴를 준비해놓고 있다. 

개요
■ 24시간 365일 원격감시 대응
■ NTT 도코모의 패킷 통신망을 이용한 무선방식
■ 최장 15년간의 보수계약 기간
■ 정기점검+고장대응(부품비용·공임 포함)의 풀 관리
 
원격감시 내용
발전전력량·수전전력량·가스소비량을 비롯해 각종 운전상태를 감시하고 있으며, 기기에 결함이 발생한 경우는 에러 코드와 함께 기기의 상세 운전 정보가 당사의 원격감시 센터로 송신된다. 당사의 서비스 요원은 그 정보를 바탕으로 출동하기 때문에 신속한 현장 대응이 가능하다.
 
원격감시정보 Web 서비스
계약을 체결한 수요가에게는 사용자 ID와 비밀번호가 부여되고, 인터넷을 경유하여 시스템의 운전상태를 확인할 수 있다. 발전전력량·회수열량·운전시간·발전정지 횟수·수전전력량·가스소화량의 데이터를 일보/월보/연보를 통해 취득 가능하기 때문에 수요가에서 에너지 관리를 할 수 있다. ([그림 5] 참조)

 
 
채용 사례
이와테(岩手)현의 기타카미(北上) 정화 센터(2대), 이이다시(飯田市) 마쓰오(松尾) 정화 센터(1대)의 모니터 설치에서 순조로운 가동 실적 데이터를 얻을 수 있었다. 특히, 사가시(佐賀市)에서는 ①설치 비용 ②가동률(예측발전전력량) ③15년간 유지비의 종합 비교를 통해 마이크로 CGS의 우위성을 인정받아 경쟁하는 타 방식을 제치고 수주에 성공하였다. ([그림 6] 참조)

 
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향후 재생가능에너지의 유효활용을 위해서라도 고효율 소화가스 CGS는 중요한 자리매김을 해나갈 것으로 전망되고 있다. 이 마이크로 CGS를 시장에 널리 제안하고 보급함으로써 조금이나마 지구환경 보전에 일조하기를 바라는 바이다.
 
 

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