[일본] 수도로부터 만드는 대도시의 전력: 태양광, 소수력, 바이오매스의 비율을 20%로
1,300만 명이 거주하고 있는 도쿄도에서는 생활인프라가 되는 수도설비의 규모가 거대하다. 설비 운용에 막대한 전력을 필요로 하고 있는 반면에 발전에 이용할 수 있는 에너지도 풍부하다. 수도시설의 상부에서 태양광발전을 전개하면서 수로의 낙차를 살린 소수력발전 및 하수 슬러지에 의한 바이오매스발전을 확대한다.
인구가 밀집된 도쿄도에는 자연에너지가 그렇게 풍부하지 않다. 메가솔라 및 풍력발전소를 건설할 수 있는 광대한 빈 부지는 한정되어 있으며, 바이오매스 연료가 되는 간벌재를 공급할 수 있는 산림면적도 좁다. 대신 1,300만 명의 도민을 지원하는 상수도와 하수도 설비에 재생가능 에너지가 대량으로 존재하고 있다.
도쿄도는 수도설비로 이용하는 재생가능 에너지의 비율을 10년간 20%까지 높일 계획으로 착수하였다. 하수도에서는 “스마트플랜 2014”, 상수도에서는 “도쿄 수도 에너지 효율화 10년 플랜“을 2014년부터 개시하여 태양광 및 소수력발전, 바이오매스발전을 확대할 예정이다. 그 중 하수도시설에서 이용할 수 있는 재생가능 에너지는 네 종류이다. 처리장 상부 공간을 이용한 태양광발전을 비롯해 하수를 처리한 후의 수류를 활용한 소수력발전, 그리고 처리 중에 발생하는 가스 및 열도 발전할 수 있다. 이미 일분 처리장에 발전설비를 도입하여 효과를 실증 중이다.
먼저 태양광발전을 실시한 것은 도쿄만에 위치한 “카사이(葛西) 수재생센터”이다. 하수를 처리하기 위해서는 물을 끌어 올리는 펌프장 이외에 침전지 및 탈수설비 등 넓은 공간이 필요하다. 그 시설의 상부는 평탄하여 태양광 패널을 설치하는데 적합하다. 카사이 수재생센터는 침전지 위에 두 종류의 태양광 패널을 설치하였다. 표준적인 받침대에 고정한 패널과 태양광의 방향에 맞춰 움직이는 추적형 패널을 조합시켰다. 패널 각도를 변화시킬 수 있는 추적형은 수직으로 세우는 것도 가능하기 때문에 처리시설을 점검할 때 작업공간을 확보할 수 있는 장점도 있다. 발전능력은 합계 490kW이며, 연간 60만 kWh의 전력을 공급한다.
도쿄도는 2014~2015년 2년간에 새롭게 8개소의 하수처리장에 태양광발전을 도입할 계획이다. 그리고 2024년도까지 도입대상을 확대하여 연간 약 6,000만 kWh의 전력을 공급할 수 있게 된다. 일반가정 1만 6,000세대를 넘는 전력 사용량에 필적하는 규모이다. 이것과 병행하여 상수도의 시설에서도 물을 여과하기 위한 저류조 상부 등에 태양광 패널의 설치를 추진하고 있다. 도쿄도 내에 다양한 크기의 정수장이 각 지역에 있어 각 처리공정별로 넓은 저류조가 있다. 저류조 상부의 공간뿐만 아니라 관리동 등 건물의 옥상도 태양광 패널의 설치 대상이 된다. 이미 12개소의 정수장 및 저수지에 태양광발전을 도입하여 합계 5.6MW의 발전능력으로 확대하였다. 2014~2016년도 3년간에는 6개소에 합계 2.1MW를 설치하는 것으로 결정되었으며, 나머지 19개 시설도 도입을 검토 중이다.
태양광발전과 동시에 소수력발전도 전개해 나간다. 도내 전역에 위치한 수도설비에는 발전에 사용할 수 있는 수력에너지가 존재하고 있다. 상류 저수지에서 정수장까지 수로의 낙차로 발생하는 에너지와 말단 급수장에서 물을 보내기 위해 필요한 수압에 의한 에너지 등 2종류가 있다. 낙차에 의한 수력발전은 1개소에서 이미 실시하고 있으며, 수압을 이용하는 발전설비는 4개소에서 도입하였다.
그 중에서 최신 도입사례를 보면, 2013년 10월에 운전을 개시한 “카사이 급수장”이다. 5km 정도의 장소에 정수장에서 물을 공급받으며, 15km 떨어진 급수장까지 물을 보내는 역할을 하고 있다. 이때 발생하는 잉여 수압으로 발전하는 것이다. 발전능력은 340kW이며, 연간 140만 kWh의 전력을 만들 수 있다. 일반가정 약 400세대분의 사용량에 해당한다. 설비이용률(발전능력에 대한 실제 발전량)은 47%로 표준적인 소수력발전의 60%와 비교하면 낮지만, 그래도 태양광발전의 4배에 해당하는 효율이다.
두 종류의 수력에너지를 이용하여 앞으로도 5개소의 정수장 및 급수장에 소수력발전 설비를 도입할 계획이다. 그 중에서도 도쿄도 거의 중앙에 위치하는 무사시노시(武蔵野市) 정수장의 발전규모가 상당히 크다. 2기의 수차발전기를 사용하여 2개소의 저수지로부터 공급 받는 수류로 발전한다. 그 사이에 존재하는 약 20m의 낙차에 의해 2기 합계 900kW 정도의 발전이 가능하다. 이 정수장은 90년 전인 1924년에 건조된 역사 깊은 수도설비이지만, 처리능력을 증강하기 위해 2021년까지 재구축할 예정이다. 재구축에 맞춰 소수력발전과 태양광발전을 도입할 계획이다.
(그림 1) 하수도설비의 재생가능 에너지 도입 사례
(그림 2) “카사이” 재생센터“에 설치한 추적형 태양광 패널
(그림 3) 정수장에 설치한 태양광 발전 설비
[원문보기]
水道から作る大都会の電力、太陽光・小水力・バイオマスの比率を20％に
1300万人が暮らす東京都では生活インフラになる水道設備の規模は巨大だ。設備の運営に膨大な電力を必要とする半面、発電に利用できるエネルギーも豊富にある。水道施設の上部で太陽光発電を展開しながら、水路の落差を生かした小水力発電や下水の汚泥によるバイオマス発電を拡大する。
人口が密集する東京都には、自然エネルギーはさほど多くない。メガソーラーや風力発電所を建設できるような広い空地は限られていて、バイオマスの燃料になる間伐材を供給できる森林の面積も狭い。代わりに1300万人の都民を支える上水道と下水道の設備に、再生可能なエネルギーが大量に流れている。
東京都は水道設備で利用する再生可能エネルギーの比率を10年間で20％まで高める計画に着手した。下水道では「スマートプラン2014」、上水道では「東京水道エネルギー効率化10 年プラン」を2014年に入ってから開始して、太陽光や小水力発電、バイオマス発電を拡大していく。
このうち下水道設備で利用できる再生可能エネルギーは4種類ある。処理場の上部の空間を利用した太陽光発電をはじめ、下水を処理した後の水流を生かした小水力発電、さらには処理中に発生するガスや熱でも発電することができる（図1）。すでに一部の処理場に発電設備を導入して効果を実証中だ。
図1 下水道設備の再生可能エネルギー導入例（2012年度に実施）。出典：東京都下水道局
先行して太陽光発電を実施したのは、東京湾岸に立地する「葛西（かさい）水再生センター」である。下水を処理するためには、水をくみ上げるポンプ場のほか、沈殿池や脱水設備など、広いスペースを必要とする施設が欠かせない。その施設の上部は平坦で、太陽光パネルを設置するのに適している。
葛西水再生センターでは沈殿池の上に2種類の太陽光パネルを設置した。標準的な架台に固定するパネルに加えて、太陽光の向きに合わせて動く追尾型のパネルを組み合わせた（図2）。パネルの角度を変えられる追尾型は垂直に立てることも可能なため、処理施設を点検する時に作業スペースを確保できるメリットもある。発電能力は合計で490kWになり、年間で60万kWhの電力を供給する。
図2 「葛西水再生センター」に設置した追尾型の太陽光パネル。出典：東京都下水道局
東京都は2014～2015年度の2年間で、新たに8カ所の下水処理場に太陽光発電を導入する計画だ。さらに2024年度までに導入対象を広げて、年間に約6000万kWhの電力を供給できるようにする。一般家庭で1万6000世帯を超える電力使用量に匹敵する規模になる。
これと並行して上水道の施設でも、水をろ過するための池の上部などに太陽光パネルの設置を進めている（図3）。東京都内には大小さまざまな浄水場が各地域にあって、それぞれ処理工程ごとに広い池がある。池の上部の空間だけではなく、管理棟など建物の屋上も太陽光パネルの設置対象に加える。
図3 浄水場に設置する太陽光発電設備。出典：東京都水道局
すでに12カ所の浄水場や貯水池に太陽光発電を導入して、合計で5.6MW（メガワット）の発電能力に拡大した。2014～2016年度の3年間では6カ所に合計2.1MWを設置することが決まっているほか、残る19施設にも導入を検討中だ。
太陽光発電と同時に小水力発電も展開していく。都内全域に広がる水道設備には発電に使える水力エネルギーが点在している。上流の貯水池から浄水場までの水路の落差で生まれるエネルギーと、末端の給水所まで水を送るために必要な水圧によるエネルギーの2種類がある。落差による小水力発電は1カ所で実施済みで、一方の水圧を利用する発電設備は4カ所に導入した。
その中で最新の導入事例が、2013年10月に運転を開始した「葛西給水所」である（図4）。5キロメートルほどの場所にある浄水場から水を受ける一方、15キロメートルも離れた別の給水所まで水を送り出す役割がある。この時に生じる余剰の水圧で発電する仕組みだ。
図4 「葛西給水所」の全景と所在地（上）、小水力発電の仕組み（中）と発電設備（下）。出典：東京都水道局
発電能力は340kWにもなり、年間に140万kWhの電力を作ることができる。一般家庭で約400世帯分の使用量に相当する。設備利用率（発電能力に対する実際の発電量）は47％で、標準的な小水力発電の60％と比べると低めだが、それでも太陽光発電の4倍の効率である。
2種類の水力エネルギーを利用して、今後さらに5カ所の浄水場や給水所に小水力発電設備を導入する計画だ。中でも東京都のほぼ中央に位置する武蔵野市の「境浄水場」の発電規模がひときわ大きい。2基の水車発電機を使って、2カ所の貯水池から送られてくる水流で発電する（図5）。その間に生じる約20メートルの落差により、2基の合計で900kW程度の発電が可能になる。
図5 貯水池からの落差を利用する「境浄水場」の小水力発電。出典：東京都水道局
境浄水場は90年前の1924年に造られた歴史のある水道設備だが、処理能力を増強するために2021年度までに再構築する予定だ。その再構築に合わせて小水力発電と太陽光発電の両方を導入する計画である。
東京都では現在のところ、固定価格買取制度の認定を受けた発電設備はバイオマスが目立つ（図6）。いずれも廃棄物を利用したものである。今後は水道設備をはじめとする大都市ならではの利用形態で太陽光と小水力を拡大しながら、バイオマスと合わせて再生可能エネルギーの比率を大きく引き上げていく。
図6 固定価格買取制度の認定設備（2013年12月末時点）
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