미국 미시시피(Mississippi), 오하이오(Ohio) 또는 심지어 콜롬비아(Columbia)와 같은 미국의 대형 강에 댐(da)을 설치하지 않고 흐르는 물을 사용하여 전력을 생산하는 기술을 촉진하고 이를 통해 재생에너지를 획득하는 것은 수십년 동안 많은 이들의 입에 오르고 내렸던 생각이다.

하지만, 현재는 이를 현실화시키기 위해 준비된 터빈 기술(turbine technology)이 개발되었다. 알래스카(Alaska)의 Great White North 지역을 위회하는 작은 강뿐만 아니라 거대한 세인트 로렌스 강과 수로 - 이는 뉴욕(New York) 주와 캐나다 온타리오(Ontario)을 구분하는 강이다 - 의 일부를 따라 흐르는 강에 미세하게 조절된 수력발전설비들이 설치되고 있다.

이 생각은 우회하면서 움직이는 강물에서 유체동력학적 에너지를 생산하는 것이다. 이를 위해 물 속에 터빈을 설치하고 강의 환경에 유해한 영향을 주는 것 없이 가동하게 될 것이다.

메인(Maine) 주 포틀랜드(Portland)에 본사를 두고 있는 ORPC(Ocean Renewable Power Company)社 회장이자 최고경영자인 Chris Sauer 회장은 이에 대해 “물을 움직이는 것은 터빈의 포일에 영향을 주게 된다. 그리고 이는 항공기처럼 떠오르게 되고 그로 인해 전기를 발생시키는 것이다. 떠오르는 것, 즉 양력은 터빈과 발전기를 회전시키며, 댐 없이도 수력발전이 가능하게 되는 것”이라고 말했다.

ORPC社는 크비착강(Kvichak River)에 최초의 담수 유체동력 장치를 설치하고 이를 운영할 목적을 가지고 있다. 이 강은 알래스카 앵커리지(Anchorage)에서 남서쪽으로 800마일 떨어진 곳에 위치해 있다.

연중 인구의 불과 수십명 정도가 1kWh 당 80센트의 비용으로 디젤 연료(diesel fuel)를 사용하며, 이는 이 마을의 유일한 연료 원천으로 남게 된다. 25kW의 전기를 발전하게 된다. ORPC社의 프로토타입(prototype) 2터빈 Riv-Gen 발전시스템은 Igiugig 지역 전력망에 직접적으로 연결될 것이다. 이 발전기는 수심 15피트 이상에서 운영될 수 있다.

알래스카 에너지 기구는 Igiugig Riv-Gen 발전시스템 프로젝트에 들어가는 비용 190만 달러 중 80%를 제공하고 있다. 그리고 그 나머지는 ORPC社가 충당하고 있는 중이다.

필요한 최소 흐름은 1초당 2.5에서 3미터 정도의 속력이다; 이는 미시시피 강의 느린 속도가 아니라 스네이크(Snake) 강과 같은 서부의 일부 강 등에서 발견할 수 있는 빠른 흐름보다 약간 느린 속도이다.

이에 대해 Sauer 회장은 “우리는 이번 여름 앵커리지 Cook Inlet에서 이 시스템에 대한 예비 테스트를 실기하게 될 것이다. 지금으로부터 1년 동안 우리는 Igiugig에서 발전기를 선적할 것이며, 이를 설치하고 디젤 마이크로 그리드(micro-grid)에 발전기를 연결할 예정”이라고 말했다.

이론적으로, 조력 및 풍력에너지와 달리 강의 흐름은 예측될 수 있다. 하지만, 알래스카에서 그것은 항상 하나의 성공 사례가 되는 것은 아니다. 겨울 기간 동안, 전체 알래스카 땅이 얼어버리게 된다; 그 결과 강의 흐름은 급속도로 느려지게 된다고 알래스카 에너지 및 전력센터 내 독립에너지 컨설턴트인 Dennis Witmer는 말하였다.

그리고 폭풍이 치는 날씨에는 강의 잔해들이 유체동력 운영을 사정없이 파괴할 수 있다. 사실, 유체동력 장치의 비용 중 60% 정도가 물 속에 고정되고 설치되며 유지보수하고 수리하는데 들어간다.

이에 대해 Witmer는 “조수 유체동력과는 달리 강의 상황 속에서 당신은 느슨할 시간이 없을 것이다. 당신은 항상 흐름에 대해 공부를 하고 있으며, 만일 그 흐름이 전력을 생산할 만큼 강하다고 하면 그 위험 역시 상당히 강할 것”이라고 말했다.

그것은 알래스카 전력 및 전화국이 3년 전 어려운 시기를 통한 학습을 통해 배운 것이다. 3년 전은 Eagle, Yukon River 유체동력 프로젝트의 설치가 있었던 시간이다. 이 시간 동안 학습된 것이 우리를 유체동력기술에 대해 많이 알 수 있게 해줄 것이다.

이와 관련하여 알래스카 전력 및 전화국 마케팅 담당자인 Mark McReady 이사는 “우리는 이번 프로젝트의 25kW 효율의 강 터빈을 가지고 있으며, 이 강은 Yukon 강에 설치되었다. 그리고 Eagle 타운(town)과 Eagle 마을에 공급하기 위해 17kw의 유체동력 에너지를 생산하고 있다.

하지만, 24시간 이내에 엄청난 비가 하류로 나무를 내보내게 되었으며, 그 결가 대처할 수 없는 어려움을 만들게 되었다”고 말했다. 그로 인해, 이 프로젝트는 포기되었다. Witmer는 물과 혼합된 그러한 작은 조각의 얼음 결정질들이 발전기 앞 구조를 없애버릴 수 있다고 말하였다.

하지만, 비록 크비착강이 얼음이 얼지는 않는다 하더라도 아직은 추운 날 발생하는 결빙현상을 좀 더 이해할 필요가 있다고 알래스카 내 프로젝트 개발 담당자인 Monty Worthington 이사는 말하였다. 하지만, 그는 현재 격류 비율이 겨울 기간을 통해 충분히 높다는 것을 지적하고 있다. 뿐만 아니라, 이 시기 기후가 알래스카 내부처럼 극한의 온도는 아니라는 점을 강조하였다.

반대로 대부분의 알래스카 강들에 Riv-Gen 발전기를 설치하는데 약 130일 정도가 소비될 것이라고 Worthington 이사는 말하였다. 지금까지, 알래스크 북쪽 지역에 강이 어는 문제가 높은 격류를 가진 지역에 발전기를 운영해야 하는데 존재하는 잠재적인 가능성을 강조하고 있다.

끝으로 Brian Polygye - 시애틀(Seattle) 워싱턴 대학교(University of Washington) 기계공학자 - 는 이에 대해 “터빈 설치가 가능한 강의 유수단면은 존재하지 않는다. 특히, 높은 해류가 존재하는 지역에서는 말이다.

이것은 발전기로 하여금 규모의 경제를 달성하는데 어려움을 줄 것이다. 특히, 설비, 터빈 기초, 그리고 조력 또는 해류 환경 속에서 개별 터로터(rotor)를 설치할 수 있는 케이블 모두의 측면에서 말이다”라고 말했다.

그로 인해, 뉴욕에 본사를 두고 있는 Verdant Power社는 담수 유체동력 설비의 첫 번째 잠재적 설치를 위한 용감한 시도를 하게 될 것이다.

 

Reaping renewable energy from un-dammed portions of great American rivers like the Mississippi, Ohio, or even the Columbia is an idea that has been bandied about for decades.

But only now is the turbine technology set to make these possibilities a reality ? it is being fine-tuned for deployment in both small rivers that flank Alaska’s Great White North as well as along a portion of the massive St. Lawrence River and Seaway that separates New York State from the Canadian province of Ontario.

 

The idea is to harness the hydrokinetic energy of a swiftly-moving freshwater river with underwater turbines, all without significantly impacting the riverine environment.

“Moving water impacts the turbine’s foils to give it lift just like an airplane,” said Chris Sauer, CEO and President of ORPC (Ocean Renewable Power Company), headquartered in Portland, Maine.  “This lift rotates the turbine and generator.  It’s like hydro without the dam.”

ORPC is targeting its first freshwater hydrokinetic operation in Igiugig, Alaska on the Kvichak River, some 800 miles southwest of Anchorage.

With a year-round population of only a few dozen people, diesel fuel at 80 cents per kWh or above, remains the village’s sole source of fuel to generate its needed 25 kW of electricity.  ORPC’s prototype two-turbine Riv-Gen power system, which can operate in depths of 15 feet or more, would connect into Igiugig’s grid directly.

The Alaska Energy Authority is providing 80 percent of the $1.9 million in funding for the Igiugig Riv-Gen Power System project, with ORPC providing the remainder.

Necessary minimum flows range about 2.5 to 3 meters of water per second; not exactly the slow pace of the lazy Mississippi, but something less than the fast-paced surface rapids found in some western rivers like the Snake. 

“We’re going to do preliminary testing of that system in Anchorage’s Cook Inlet this summer,” said Sauer.  “A year from now we’ll ship it to Igiugig, install it and interconnect it to their diesel micro-grid.”

Unlike tidal and wind energy, in theory, river flows are not only predictable but available 24/7.  But in Alaska, that’s not always the case. 

During winter, the entire Alaskan land mass freezes; causing river flows to decrease dramatically, says Dennis Witmer, a Spokane, Wa.-based independent energy consultant for the Alaska Center for Energy and Power (ACEP).

And during stormy weather, river debris can wreak havoc on any hydrokinetic operation.  In fact, as much as 60 percent of a hydrokinetic operation’s costs are wrapped up in anchoring, deployment, maintenance and repair.

“Unlike tidal hydrokinetics, in a river situation you have no slack time,” said Witmer.  “You’re always working in a current and if the current is strong enough to generate power, it’s strong enough to be dangerous.”

That’s a lesson that Alaska Power and Telephone (AP&T) learned the hard way three years ago, during deployment of its Eagle, Yukon River Hydrokinetic Project.

“We got the project’s 25-kW-rated river turbine unit established in the Yukon River and generating 17-kw of hydrokinetic energy feeding the towns of Eagle and Eagle Village,” said Mark McReady, director of marketing at Alaska Power and Telephone.  “But within 24 hours, a significant rain event upstream sent whole trees downriver, creating insurmountable difficulties.”  Thus, the project was abandoned.

Witmer says such slushy curtains of ice crystals mixed with water can wipe out any structure in front of it.

However, even though the Kvichak River at Igiugig does not freeze over, Monty Worthington, ORPC's director of project development in Alaska, says it will still be necessary to understand such frazil ice phenomena on colder days. But he notes current flow rates are high enough to be viable throughout the winter period, and the climate is not as extreme as in Alaska’s interior.

In contrast, most Alaskan rivers have around 130 days of viable Riv-Gen deployment, says Worthington.

Even so, the issue of frozen rivers in the far North only highlights the potentially tenuous nature of operating in high-flow areas.

“There's not that much cross-sectional area available in rivers for turbine rotors, particularly in the areas of high flow,” said Brian Polagye, a mechanical engineer at the University of Washington in Seattle. 

“This makes it difficult to get the same economies of scale in devices, turbine foundations, and cabling that you can for individual rotors in a tidal or ocean current environment.”

Thus, New York-headquartered Verdant Power is taking a slightly more ambitious approach in its first potential foray into fresh-water hydrokinetics.

However, since 2009, Verdant Power Canada has been conducting a resource assessment of the St. Lawrence River, adjacent to the St. Lawrence Seaway at Cornwall, Ontario and downstream from Ontario’s Saunders power station.

The aim is to determine whether to proceed with its proposed CORE (Cornwall Ontario River Energy) project, which could potentially generate as much as 5 MW of hydrokinetic energy for the Province of Ontario’s grid system.  

If the $15 million project sees fruition, it would involve deploying some 60 turbines in a 50/50 funding partnership with the Ontario Ministry of Research and Innovation.

“We’re in the St. Lawrence River where there’s no commercial vessels,” said Trey Taylor, President, Verdant Power Canada.  “The tip of the turbine rotor would be about ten feet down from the surface, although the system itself will be anchored to the bottom [or] about 40 feet down.”

Taylor says that although a decision about proceeding with the CORE project will be made within the next six months, he says it would then take another two years until it began full operation.

The key to maximizing hydrokinetic electricity, says Taylor, is to make sure that the turbines are placed within the river’s core current, which typically lies a few feet below the surface and sometimes moves as much as 1.5 times faster than surface currents.

As for ORPC’s riverine future outside Alaska?

The goal is to prove the Riv-Gen technology in Alaska and Canada, says Sauer, before taking it to developing nations in South America and Asia, where some areas still have no power whatsoever.

“In five to ten years our costs are going to come down dramatically,” said Sauer.  “But we see our initial market as the high-cost areas.” 

Although, currently the generation of hydroelectric power from dams is more efficient than hydrokinetics, these underwater turbines could also offer environmentalists and renewable energy advocates a point of compromise here at home - one that could stave off future dam projects while still offering new renewable sources of electricity.

“New dam construction is now constrained,” said Paul Jacobson, a senior project manager for the EPRI (Electric Power Research Institute).  “So if there’s a resource that can be exploited without adverse impacts, conventional electric utilities will eventually be interested in this.”

As for concern about aquatic life and fish populations, Sauer is quick to point out that thus far, environmental studies for riverine hydrokinetics look promising.

“But we’re not starting with the Columbia River because you’d be picking a fight,” said Sauer, in reference to Oregon’s active environmental lobby.  “Part of the site selection criteria is picking sites that are less sensitive.”

However, aside from environmental issues, riverine hydrokinetics is still not competitive with conventional hydropower generation in the continental U.S.

Although that could change within a few short years, Sauer says in the interim the whole idea is to make the technology efficient enough to be practical for slower-flow rivers, like the Mississippi and Ohio.

If that happens, he says riverine hydrokinetics could ultimately make up as much as ten percent of the U.S.’ current electricity budget.   “That’s not an insignificant piece of the puzzle,” said Sauer.

Lead image: River in Alaska via Shutterstock