Introduction to Studies on Small-scale Hydorpower Generation Using Agricultural Water Recourses in Japan

1. 서론

최근 일본에서는 에너지 자급률 향상과 지구온난화 대책 등에 기여할 재생가능 에너지로소수력 에너지의 이용에 대한 기대가 높아지고 있다. 근래에는 각종 에너 지 조성제도에 근거하여 농업수리시설을 소수력 발전시 설로 이용하는 조건정비도 진행되고 있다.

그러나 농업수리시설을 활용한 소수력 에너지 이용 예는 적은 편이다. 이 때문에 본 연구는 이용 가능한 소 수력 에너지의 부존량 추정과 보급시스템을 검토하였으 며, 부존량 추정에 발전원가 추정도 포함하였다.

본 소개는 일본 토목연구소의 2년간“북해도 농업수 리시설 용수자원의 에너지 이용에 관한 연구”결과를 2010년도 토목연구소 성과보고서에 게재한 문헌을 요 약한 것이다.

2. 연구방법

가. 검토 대상 시설 개요

검토 대상 시설은 북해도 내의 농업용 댐 42개소, 논 지대의 수익 면적 약 11,000ha와 12,000ha의 2지구 개 수로형 관개시설, 밭지대의 수익면적 약 12,000ha의 1

농어촌환경기술연구소 상임고문

한 중 희

농어촌환경기술연구소 상임고문

[Introduction to Studies on Small-scale Hydorpower Generation Using Agricultural Water Recourses in Japan]

정 병 호 전농어촌연구원장

지구 관수로형 관개시설이다.

나. 부존량 추정 방법

1) 연간 발전량 산출

연간 발전량은 1일 발전량의 합계이다. 1일 발전량은 발전출력과 1일 발전시간(24시간)을 곱하여 산출한다.

아래에 발전출력 산의 기본식과 계산에 필요한 발전유 량 설정방법, 유효낙차 산정방법에 대하여 기술하였다.

가) 발전출력 계산

발전출력은 다음식으로 계산한다.

P=g×η t×η g×Q×h

여기서, P : 발전 출력(kW), g : 중력가속도(9.8 m/s² ) η t : 수차(水車) 효율, η g : 발전기 효율 Q : 유량(m³ /s), h : 유효낙차(m)

이로부터 발전출력을 산출할 때는 유량, 유효낙차 등 을 정해야 한다.

나) 발전유량 설정

논 지역과 밭지역에서 발전에 이용할 수 있는 유량은, 논 지역에서는 못자리기, 이앙기, 일반관개기, 심수관개

기, 일반관개기 등의 관개기간에 따라 변한다. 이 때문 에 수차(水車)의 능력저하를 고려하여 일반관개기의 유 량을 발전유량으로 한다(그림1 참조). 또, 발전기간은 이 앙 초기부터 관개 종료기까지 이다.

한편 밭 지역에서는 비배(肥培)용수 등 동절기 관개용 수는 하절기 관개유량에 비하여 매우 소량이므로, 동일 발전설비에 의한 연중계속 발전은 곤란하므로 밭 지역 의 발전유량은 하절기 관개유량으로 한다(그림2 참조).

또, 발전기간은 그림2와 같이 하절기 관개기간이 된다.

밭관개용 관수로는 송수관로와 배수관로로 나눌 수 있 지만, 유량변동이 적은 공급주도형 관리를 하는 경우 송 수관로의 유량으로 발전유량을 가정한다.

다) 유효낙차의 결정

①

① 농 농업 업용 용 댐 댐의 의 경 경우 우

농업용 댐에서의 발전방법은 방류시설에 바이패스관 을 설치한 후 발전설비를 설치한다. 이 때 발전에 이용 할 수 있는 최대유효낙차는 평상시 만수위와 최저수위 의 차이가 된다. 또, 최소유효낙차는 수차구동에 필요한 최소낙차인 2m로 한다.

이는 기존 방류관의 구경은 계획최대취수량이 흘러내

그림 2. 밭 관개지역의 유량 형태

릴 때의 손실수두가 댐 최저수위와 방류수위의 차이로 결정되었기 때문에 그 사이에 발전에 이용할 수 있는 수 두는 거의 남아 있지 않기 때문이다. (그림3 참조)

②

② 개 개수 수로 로의 의 경 경우 우

개수로의 유효낙차는 발전기의 설치방법에 따라 다르 다. 발전기 설치방법은 낙차공마다 1개 발전기를 설치하 는 단독형과 가까이 있는 여러 개의 낙차공을 바이패스 관으로 연결하여 1개 발전기를 설치하는 통합형(그림4 참조)이 있다.

단독형은 유효낙차에 따라 2개 방식으로 분류된다.

즉, 유효낙차를 2m 이상 확보할 수 있는 낙차공에서는 바이패스관에 발전기를 설치하는 단독형(바이패스방식, 그림5 참조)이며, 유효낙차가 2m 미만의 낙차공에서는 수로내 낙차공 직하류에 발전기를 설치하는 단독형(직 접방식, 그림6 참조)이다.

각 형식의 유효낙차는 다음과 같다. 직접방식의 경우 수로내에 발전기를 설치하기 위하여 수로손실은 고려하 지 않는다.

바이패스방식의 유효낙차 = 상류수로고 - 하류수로고 - 수로손실

직접방식의 유효낙차 = 상류수로고 - 하류수로고

③

③ 관 관수 수로 로의 의 경 경우 우

관수로의 유효 낙차는 다음과 같다.

유효낙차 = 상류측 수위-하류측 수위-수로손실.

또한 관수로의 발전방법은 개수로와 같이 1개소의 조 압(調壓)시설에 1개의 발전기를 설치하는 단독형(그림7

그림 5. 개수로 단독형

그림 6. 개수로 단독형(직접방식)

그림 4. 개수로 통합형

그림 7. 관수로 단독형

참조)과 근접하는 복수의 조압시설을 바이패스관으로 연결하여 1개의 발전기를 설치하는 통합형(그림8 참조) 으로 분류된다.

3) 발전원가 산출

발전원가는 다음 식으로 산정하였다.

발전원가(엔/kWh) = 건설 단가(엔/kWh)×경비율 경비율은“하이드로 발레 계획 가이드 북” 의 표-1, 2 에 따라 설정하였다. 또, 건설단가는 기존의 조사결과에 근거하여 발전출력과의 상관식으로 산정하였다. 단, 이 용되고 있는 조사결과는 그 대부분이 북해도의 사례이 며, 연중(365일) 발전을 가정하고 있다. 그러나 많은 북 해도 내의 농업수리시설을 이용한 발전의 경우 발전기 간이 한정되기 때문에 건설단가는 발전일 수에 따라 조 정(365일/발전 날짜) 하였다.

다. 보급을 위한 시스템 검토방법

농업용 댐, 개수로, 관수로에 대해, 각 시설의 소수력 발전 특성과 동절기간의 과제를 검토 정리하였다. 그리 고 발전전력의 용도와 이용자 목록도 작성하였다.

3. 연구결과

가. 부존량의 검토 결과

1) 연간 발전량

검토 대상 농업용 댐, 개수로, 관수로의 연간 발전량 은 표-1과 같다. 각 시설별 연간 발전량은 일반가정 1세 대당 연간전력 소비량을 5,400 kWh로 하면, 댐 1개소 당 84세대, 개수로 1지구당 23~121세대, 관수로 1지구 당 675세대의 사용량에 해당한다.

2) 발전원가

댐, 개수로, 관수로의 유효낙차와 발전원가의 관계는

표 1. 경비율표(經費率表)

자본비 보조율(%) 내용년수(년) 경비율(%)

전망 없음 - 22 1.091

40 1.244

전망됨

30 22 5.472

40 4.661

50 22 4.688

40 3.962

70 22 3.627

40 3.262

표 2. 연간 발전 전력량 구 분 검토

대상

설치가능 개소수

최대출력의 평균치(kW)

연간발전 전력량(MWh) 합 계 평 균 댐 42개소 23개소 325 110,486 456

개수로 A지구

단독형 4개소 11 114 28 단독형 2개소

통합형 1개소 15 122 41

B지구

단독형 14개소 14 532 38 단독형 8개소

통합형 2개소 22 654 59

관수로 C지구

단독형 14개소 69 2,831 202 단독형 4개소

통합형 6개소 123 3,643 364

그림9~그림11과 같다. 3종류 시설의 발전원가는 유효 낙차에 따라 차이가 나지만 어느 정도 크기의 낙차가 있 으면, 발전원가의 차이는 줄어든다. 그림9~그림11은 댐, 개수로, 관수로의 발전원가가 약 30엔, 60엔, 20엔 으로 추정될 수 있음을 보여준다. 관수로의 경우 비교적 발전원가가 낮고 그 다음으로 댐, 개수로 순이다.

그림 11은 이미 개발된 소수력 발전소의 발전원가 보 다 이번에 검토한 시설의 발전원가가 높은 것을 보여준 다. 이 차이는 북해도 내의 농업용수로에서 소수력 발전 에 이용할 수 있는 용수가 5월부터 8월까지의 하절기로 한정된다는 것이 가장 큰 이유로 생각된다. 또 댐과 관

수로의 발전원가 추정치 중 일부는 정부에서 현재 검토 되고 있는 재생가능 에너지 전량매입 제도의 예상 매입 단가보다 낮다.

나. 보급을 위한 시스템 검토

1) 계획유량, 계획낙차 및 발전기 설치위치 농업용 댐의 구조는 필댐 형식이 많으며, 이 형식 댐 의 수리방류는 주로 가배수터널을 이용한다. 이 경우 수 리방류 형식은 터널내 방류와 터널외 방류형이 있다. 전 자의 경우는 발전설비의 설치가 곤란하나 후자의 경우 는 발전설비의 제약이 적고 비교적 다양한 방법으로 설

그림 10. 개수로의 발전원가와 유효낙차

그림 11. 관수로의 발전원가와 유효낙차

그림 12. 기개발 농업수리시설의 소수력발전원가

치가 가능하다.

2) 발전소와 전력부하 설비의 제휴

댐은 산간지, 용수로는 농업 지대에 산재하므로 발전 적지는 수요지로부터 먼 경우가 많아 발전지점으로부터 수요지까지 전기를 전용송전로로 송전하기 어려운 경우 가 많다.

이 때문에 댐 등 발전장소와 소비장소가 가까운 경우 를 제외하면 소수력 발전으로 발생한 전력은 전량을 전 력회사에 팔고 다른 농업용수시설 또는 공공시설에 필 요한 전력은 별도로 전력회사로부터 구입하는 방식이 타당하다.

3) 동절기 발전에 대한 과제

동절기 발전시의 과제는 북해도 내에서는 동절기에는 수리권이 없거나 하절기에 비해 아주 적은 경우가 많다.

이 때문에 하절기 수리권을 기준으로 설치한 발전기를 동절기에 가동하기 어렵다.

4) 이용자 목록

소수력 발전전력의 이용자와 용도를 정리하면 표-3 과 같다.

4. 결 론

에너지 부존량을 수리시설별로 추정할 수 있었으며, 또한 시설마다 발전원가를 정리하여 소수력 발전 도입 에 비교우위를 가지는 시설을 개략적으로 분석할 수 있 었다. 더욱이 보급을 위한 시스템 검토에서 시설별 발전 원가를 확인할 수 있었으며 이 결과를 다른 용도와 연계 한 연구는 다음 과제로 미루고자한다.

참고문헌

기획: 홍성구 [email protected] 표 3. 소수로 발전전력의 용도

구 분 용 도

수리시설관리 관리소내 조명, 냉난방, 펌프동력, 간이제어설비, 게이트동력, 외등 영 농 조명, 외등, 건조설비 등 일반공용 조명, 냉난방, 외등 등