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도쿄가스는 차세대의 저탄소 사회를 맞이해 전력·가스의 대규모 네트워크와 천연가스 코제너레이션, 재생에너지 등의 분산형 에너지를 조합해 이것을 정보 통신 기술에 의해 최적으로 제어해, 에너지 절약과 CO2 삭감 및 에너지 시큐리티 향상을 실현하는 시스템 ‘스마트 에너지 네트워크’를 제창하고 있다. |
오카모토 카즈히사(Okamoto Kazuhisa) 도쿄가스(주) 솔루션기술기획그룹 매니저 타케우치 유미(Takeuchi Yumi) 도쿄가스(주) 솔루션기술기획그룹 과장 사사키 히로후미(Sasaki Hirofumi) 도쿄가스(주) 솔루션기술기획그룹 계장
도쿄가스가 제안하고 있는 ‘스마트 에너지 네트워크’는 코제너레이션 등의 분산형 에너지 시스템을 온사이트(On-site)에 설치해, 발생하는 열과 전기를 통신기술(ICT)을 활용해 건물간·지역간에서 면적으로 최적 이용함으로써 에너지 절약 및 CO2 삭감을 실현한다. 만일의 정전 시에도 분산형 전원인 코제너레이션이 자립 운전해 네트워크 내의 중요 부하에 전력을 공급해 신뢰도 높은 전력 공급 시스템을 구성할 수 있다. 예를 들면 병원이나 학교 등을 중심으로 도시 안에서의 방재 거점을 확보해, 보다 안심할 수 있는 마을 만들기가 가능하다. 더욱이 향후에는 ICT를 활용해 화력발전소 등의 대규모 집중 전원과 제휴해 코제너레이션의 출력과 에너지 네트워크 내의 전력 수요를 제어함으로써, 계통 전력의 수급 조정 기능의 한 부분을 담당해 계통을 안정화 시켜 불안정한 태양광·풍력발전 등의 재생에너지의 대량 도입에 공헌한다.
이번 기사는 2010년도에 오사카가스와 공동으로 경제 산업성의 ‘분산형 에너지 복합 최적화 실증사업’에 채택되어 2011년도부터 실증시험을 개시한 내용을 다뤘다. 도쿄가스는 그림 1의 시스템 A에 나타나는 것처럼 열수요가 밀집된 특정 구역을 상정해 센쥬테크노스테이션에 있어서 분산형 에너지인 코제너레이션이나 재생에너지를 조합함으로써 발생하는 열이나 전기를 복수의 건물에 공급해, 에너지 수급을 최적화하는 실증시험을 진행시키고 있다. 또 오사카가스는 지리적으로 산재하는 코제너레이션과 태양광발전을 제휴시켜, 기후에 의한 출력 변동을 보완하고, 전력 융통 등에 의해 광역 구역에서의 최적화에 대처하고 있다(시스템 B). 스마트 에너지 네트워크의 콘셉트 ‘스마트한 에너지 이용’의 기본은 에너지의 최고의 결합으로 이루어진 대규모 집중형과 분산형의 협조이다. 다양한 에너지원을 조합해 융합시킴으로써 보다 높은 에너지 절약 및 CO2 삭감과 에너지 시큐리티 향상을 도모하는 이른바 하이브리드 시스템이다. 단독 가스에너지 시스템을 에너지 이용의 출발점이라고 한다면, 환경성·경제성 및 에너지 시큐리티의 관점에서 에너지를 현명하게 사용하는 스마트 에너지의 대처는 그림 2에 나타내는 2축의 대처로 표현할 수 있다. 수평축은 시스템 단독 고효율화를 시작으로 재생에너지와의 융합, 그리고 전기 시스템과 최고조건으로 결합한 하이브리드 시스템으로 고도화를 진행시킨다. 수직축은 단독에서 복수 건물간의 네트워킹, 그리고 ICT를 활용한 광역에 있어서의 면적인 에너지 융통과 수급 제어로 확대·고도화해, 개별 최적으로부터 전체 최적으로 진화시킨다. 이러한 이차원의 대처에 의해서 에너지의 공급·소비에 있어서의 에너지 효율 향상에 의한 에너지 절약 및 CO2 삭감을 도모하는 것과 동시에, 코제너레이션 설치나 에너지원의 다양화로 에너지 시큐리티의 향상을 도모하는 것이 스마트 에너지 네트워크의 콘셉트이며 목표로 하는 것이다. 더욱이 장래적으로는 스마트 에너지 네트워크를 전력 수급 조정에 활용하는 것도 가능하다. 스마트 에너지 네트워크는 코제너레이션에 의해 전기 공급량을 제어할 수 있다. 더욱이 전기 히트펌프와 흡수 냉온수기의 부하 분담에 의해 전기 소비량도 제어 가능한 시스템이다. 생산자(Producer)와 소비자(Consumer) 양면의 얼굴을 가지는 것을 프로슈머(Prosumer)라고 부르는 경우가 있는데, 스마트 에너지 네트워크는 전력의 프로슈머라고 부를 수 있다. 그림 3은 코제너레이션, 전기 히트펌프 그리고 흡수 냉온수기를 가지는 스마트 에너지 네트워크가 태양광발전 등의 재생에너지가 대량 도입되었을 때 어떤 식으로 전력의 수급 조정에 프로슈머로써 공헌할까를 모식적으로 나타낸 것이다.
태양광발전이나 풍력발전과 같이 기후에 의해 출력이 크게 변동하는 불안정 전원의 비율이 높아지면, 잉여 전력의 발생, 주파수 조정력의 부족, 배전계에 있어서의 전압 상승 등의 문제가 생겨 축전지 설치나 출력 조정 기능의 증강 등에 대책이 필요하다. 만약 태양전지의 출력 억제를 실시하지 않았을 경우, 2020년까지 16조엔 규모의 축전지 설치가 필요하다는 시산도 있다. 그렇지만 축전지나 양수 발전에는 에너지 손실이 있다는 점, 축전지의 수명은 짧고 영속적인 비용 부담이 필요하다는 점에 유의할 필요가 있다. 향후 저탄소화를 위해 제로에미션(Zero Emission) 전원 도입을 진행하는데 있어서 주파수 조정용 전원을 일정 비율 확보하는 것은 필수이며, 이 부분은 장래에도 안정적인 공급이 가능하고 부하 응답성이 높은 화석계의 발전 설비에 의지하지 않을 수 없다는 사실을 알게 한다. 이러한 필요 불가결한 화석연료 사용의 장소에 있어서는 화석연료를 낭비 없이 사용한다고 하는 ‘미니멈 카본(Minimum Carbon)’이라고 하는 생각이 중요하지만, 현재 이 역할을 담당하는 화력발전소의 평균 발전효율은 40%(LHV 기준) 정도에 지나지 않는다. 이에 대해서 스마트 에너지 네트워크의 코제너레이션은, 예를 들어 고효율의 가스 엔진이라면 발전효율이 45%를 넘는 것이 있기 때문에, 이것을 대수 제어하면 먼저 기술한 화력발전소 수준의 발전효율로 운용하는 것이 가능하다. 또 열의 네트워크에 의해 폐열 이용이 가능한 코제너레이션은 종합 효율이 높고, 화력발전소보다 에너지 절약으로 미니멈 카본적인 주파수 조정 전원으로 활용할 수 있다. 이와 더불어 스마트 에너지 네트워크에는 전기로 냉열이나 온열을 제조하는 전기 히트펌프와, 코제너레이션 폐열로 구동하는 흡수 냉온수기가 있기 때문에, 태양광에 의한 잉여 전력이 발생했을 때에는 코제너레이션과 흡수 냉온수기의 가동을 떨어뜨리고 전기 히트펌프의 가동을 올려 열의 네트워크에 축열함으로써 전기를 모은다. 반대로 전력이 부족할 때는 전기 히트펌프의 가동을 떨어뜨려 코제너레이션의 가동을 최대한 올리고 전기를 역조 배출하는 프로슈머적인 운용이 가능하다. 스마트 에너지 네트워크는 에너지 절약 및 CO2 삭감 수단으로써 활용할 수 있고, 더 나아가 장래 국가에서 재생에너지의 대량 도입이 실현되었을 때에도 그 운용 방식을 에너지 절약 우선으로부터 프로슈머로 바꿈으로써 충분히 활용 가능하다. 장기적 기간에 걸쳐 활약할 수 있는 투자 효과가 높은 에너지 인프라라고 할 수 있다. 도쿄가스 센쥬테크노스테이션에 있어서의 대처 도쿄가스는 아라카와구에 있는 센쥬테크노스테이션에서 스마트 에너지 네트워크의 실증시험을 개시했다. 고효율 가스 엔진 코제너레이션을 중심으로 태양광발전 및 태양열 집열장치 등의 재생에너지 회수 장치와, 코제너레이션 폐열·태양열 이용의 고효율 흡수 냉온수기(내추럴 칠러)와 전기 히트펌프로 구성되는 하이브리드형 열원 시스템을 도입했다. 더욱이 잉여 코제너레이션 폐열·태양열은 아라카와구도를 횡단·종단해 부설한 열융통 배관을 통해 아라카와구립 특별 양호 노인홈 ‘산하임 아라카와’와 열융통하고 있다. 이에 따라 재생에너지의 우선 이용을 위한 최적 제어, 발생하는 열을 복수 건물 간에 상호 융통하는 효과, 코제너레이션과 전기 히트펌프를 활용한 프로슈머 기능의 검증 등, 에너지 절약 및 CO2 삭감을 달성하는 스마트 에너지 네트워크의 요소 기술에 대해 시험을 실시했다. 센쥬 SEN 시스템의 도입 그림 4에 센쥬 스마트 에너지 네트워크(SEN) 전체의 배치도를, 그림 5에 시스템 흐름도를 나타낸다. 에너지 시스템으로써 발전효율 40%를 넘는 고효율 가스 엔진 코제너레이션 370kW와 700kW, 태양광발전 107kW(패널 면적 766m2), 태양열 집열장치 130kW(패널 면적 246m2)를 도입하고, 전력에 대해서는 코제너레이션 및 태양광발전으로부터 각 건물에 공급한다. 한편, 열에 대해서는 코제너레이션 폐열 및 태양열을 조합해 활용한다. 에너지 센터에는 다양한 에너지원을 활용할 수 있는 ‘하이브리드 열원 시스템’을 구축했다. 재생에너지, 코제너레이션 폐열, 코제너레이션 발전 전력, 도시가스를 효율적으로 이용할 수 있는 열원기로써 증기분 흡수 히트펌프, 증기분 솔라 제너링크, 가스분 솔라 제너링크, 인버터 터보 냉동기, 삼중효용 내추럴 칠러를 도입해, 이것들을 통합 제어하는 열원 통합 제어반에 의해 에너지 절약·CO2 삭감을 최대화했다. 태양열 집열장치는 지상부의 130kW와는 별도로 B관 옥상에도 36kW(패널 면적 68m2)를 설치했다. 이것은 열의 융통처인 특별 양호 노인홈이 우선 이용할 수 있도록 열도관 도중에 배관 접속되어 있다.
센쥬 SEN 실증시험 에너지 절약 및 CO2 삭감을 실현하는 열원 통합 제어의 검증 에너지 절약을 비롯해 CO2 삭감을 최대화하기 위해, 에너지 이용과 열원기 기동의 우선순위를 설정해 각 기기의 기동 정지를 최적으로 판단하는 열원 통합 제어를 실시한다. 그림 6에 나타나 있듯이 냉방 폐열 등 이용하지 못한 에너지 및 재생에너지인 태양열을 최우선으로 활용하고, 다음으로 코제너레이션 폐열, 계속해서 코제너레이션 발전 전력을 활용한다. 더욱이 피크부하 시에는 도시가스를 활용한다. 그 결과, 열원기 기동 우선순위는 ①증기분 흡수 히트펌프(냉방 폐열, 태양열, 코제너레이션 증기 이용)→②증기분 솔라 제너링크(태양열 및 코제너레이션 증기 이용)→③가스분 솔라 제너링크(태양열 이용·코제너레이션 온수 이용)→④고효율 인버터 터보 냉동기(코제너레이션 발전 전력 이용)→⑤삼중효용 내추럴 칠러(도시가스 이용)→⑥가스분 솔라 제너링크(도시가스 이용)의 순서로 운용한다. 통합 제어가 연간 실제 수요에 맞춰 적절히 운용되는지 검증해 나간다. 쌍방향 열융통의 효과 검증 B관 옥상에 설치한 36kW의 태양열 집열장치는 열의 쌍방향 융통의 효과를 검증하기 위한 것으로, 열융통처인 특별 양호 노인홈에 공급하는 열도관 도중에 배관 접속되어 있다. 이에 따라 회수된 태양열은 특별 양호 노인홈에서 우선적으로 이용되고, 열수요가 적어 잉여분이 발생했을 때에 에너지 센터 측에서 회수해, 센쥬 A·B관의 냉난방에 활용할 수 있도록 했다. 즉, 열의 상호 융통이 없으면 보통 버려지는 재생에너지를 공공도로에 부설된 열융통 배관을 활용해 상호 융통함으로써 구역 전체에 유효 이용하는 열의 상호 융통 시스템의 실증을 실시한다. 전력 설비 및 태양광 출력 변동 보완 제어 태양광발전은 다섯 회사, 다섯 종류(다결정 Si, CIS, CIGS, 단결정 Si, 단결정 Si+아몰퍼스 Si)의 제품으로 정격 출력 합계 107kW를 설치하고 있다. 향후 다양한 태양전지가 대량 도입되는 경우를 상정해, 기상 조건에 의한 출력 변동을 가스 엔진 코제너레이션이나 인버터 터보 냉동기를 활용해 보완하는 실증시험을 실시한다. 코제너레이션은 전력을 만들어 내는 프로듀서이며, 그 출력 제어로 발전량을 자유자재로 변화시키게 된다. 한편, 터보 냉동기는 전력을 소비하는 컨슈머이며, 그 출력 제어로 전력 소비량을 컨트롤 할 수 있다. 이 프로듀서와 컨슈머를 잘 조합시킴으로써 프로슈머로써 계통의 안정화에 공헌하는 것을 목표로 하고 있다. 가스 엔진 코제너레이션에 의한 태양광 출력 변동 보완 제어 발전 출력 370kW의 가스 엔진 코제너레이션을 사용해, 기상 조건에 의한 불안정한 태양광발전 시스템 출력에 대해 가스 엔진의 출력 제어를 실시해 보완한다. 본 시험을 통해서 가스 엔진의 부하 응답 속도 및 효율에의 영향 등을 검증해, 장래적으로는 코제너레이션이 LFC 조정 전원의 한 부분을 담당할 수 있다는 것을 실증해 나간다. 인버터 터보 냉동기에 의한 태양광 출력 변동 보완 제어 인버터 터보 냉동기를 이용해 코제너레이션과 같이, 태양광발전 시스템 출력에 대해 출력 변동을 보완하는 제어를 시험한다. 터보 냉동기의 응답, 열 측의 제약 등을 실험에 의해 확인하고, 출력 변동 보완 제어의 가능성을 검증한다. 더욱이 코제너레이션과 조합한 제어에 대해서도 검토해 나간다. 에너지 절약 및 CO2 삭감 효과 기대 이번에 도입한 SEN 실증 설비에 의해 기대되는 에너지 절약 및 CO2 삭감 효과는 다음과 같다. 실증사업 대상 건물의 모든 에너지 수요에 대한 시산 결과(‘건물 수요 베이스’의 시산 결과)는, 에너지 절약률 5.5%, CO2 삭감률 17.2%이다(표 1). 실증사업에서 활용하는 코제너레이션, 태양광발전 장치, 태양열 집열장치 및 공조 열원이 공급하는 에너지에 대한 수요만을 대상으로 한 시산 결과(‘설비 수요 베이스’의 시산 결과)에서는 12.1%의 에너지를 절약하고, 33.9%의 CO2를 삭감할 수 있었다(표 2). 계산 조건은 표 3과 같다. · 기준 시스템 냉방 연간 평균 COP=1.0 난방 연간 평균 COP=0.8 온수 보일러 연간 평균 효율=80%. · 1차 에너지 환산 계수 계통 전력 9.68GJ/MWh 도시가스 45.0MJ/m3N 재생에너지 0 · CO2 배출 계수 계통 전력 0.69kg-CO2/kWh 도시가스 50.6kg-CO2/GJ 재생에너지 0 미래를 책임질 에너지 시스템 스마트 에너지 네트워크는 에너지 절약과 CO2 삭감을 실현할 뿐만 아니라, 장래의 재생에너지 대량 도입 시대에는 프로슈머로써 불안정한 재생에너지의 변동을 흡수해 저탄소 사회에 있어서 일정한 역할을 완수하는 에너지 시스템이다. 또한 에너지 시큐리티의 관점에서도 대규모 집중 전력뿐만 아니라 코제너레이션과 같은 분산형 전원을 지역에 신속하게 보급 확대시키는 것의 필요성이 재인식 되고 있다. 스마트 에너지 네트워크를 수요자 측면에서의 에너지 절약 및 CO2 삭감과 전원 시큐리티 향상을 실현하는 수단으로 신속하게 보급 추진함으로써, 미래의 저탄소 사회를 책임질 에너지 인프라가 될 것이라고 생각한다. 참고 문헌 1) <스마트 에너지 네트워크란>, 히시누마 외, 일본 가스 터빈 학회잡지 Vol.39 No.3, 2011.5 2) <‘스마트 에너지 네트워크’ 실현을 위한 대처>, 도시 환경 에너지 97, 2010 가을호 본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다. SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com |
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