오누마 공장에서의 스마트 그리드 기술 실증 시험

일본의 스마트 그리드 기술 현황을 점검한다!

간다 세이오(Kanda Seio) (주)히타치 엔지니어링 및

서비스/에너지 네트워크본부 본부장

히타치 엔지니어링 및 서비스는 이전부터 가스엔진이나 디젤 엔진 등을 이용한 열병합 시스템(Cogeneration System)을 비롯해, 풍력발전과 태양광발전 등의 재생 가능한 에너지 시스템 및 축전지 시스템을 이용한 전력 안정화 시스템을 사업화해 왔으며, 사업을 전개하기 위해 엔지니어의 운전과 정비 교육용을 주된 목적으로 오누마 공장에 각종 시스템을 설치해 왔다. 이러한 발전 인프라가 갖춰져 있기도 해서 재작년부터 이를 활용해 정보 및 제어 기술을 융합시킴으로써 스마트 그리드 기술의 개발에 착수했다. 더욱이 대지진 이후의 요구 변화도 고려해 기술 향상에 몰두하고 있다.

기술 개발 목적

스마트 그리드 기술 개발에 착수함에 있어 그 개발 목적을 명확히 할 필요가 있는데, 이것은 ‘재생 가능 에너지를 최대로 이용한 그리드에서의 변동 완화 기술 개발’이라고 할 수 있겠다. 스마트 그리드의 요구가 높아지는 계기가 된 하나로 유럽에서 발생한 대정전을 들 수 있다. 이는 바람의 사정이 좋은 유럽에서 풍력발전 설비가 대량 도입됐지만, 그 출력 변동을 전력계통이 쫓아가지 못해 전압·주파수의 변동이 발생했기 때문인 것으로 보인다. 일본에서는 출력 변동을 수반하는 태양광발전 및 풍력발전의 도입량을 2011년 기준 약 500만kW로 예상하고 있다. 2010년 말, 일본의 총 발전용량은 약 1억7,700만kW이며, 가동률을 80%로 1억4,160만kW가 된다. 이 전력계통 내에 500만kW의 태양광·풍력발전 설비가 도입되더라도 전체의 3% 정도며, 이러한 것들이 크게 변동되더라도 안정적으로 전력을 공급할 수 있을 것으로 판단된다.

2008년에 발표된 후쿠다 비전에서의 재생 가능 에너지 도입 확대 목표와 아소 정권에서 재검토된 도입 목표는 2020년에 2,800만kW, 2030년에는 5,300만kW다. 향후 전력 수요가 현재에 비해 대폭적인 증가는 없다고 가정한다면, 재생 가능 에너지가 차지하는 비율은 2020년에는 20%, 2030년에는 37%에 달한다. 출력 변동에 대해 어떤 대책을 마련하지 않는다면 유럽에서 발생한 대정전과 같은 상황이 일어날 가능성이 높다고 말할 수 있다. 현시점에서 개발의 필요성을 생각하면, 앞에서 언급한 바와 같이 현재 전력계통에서 분리된 상태에서도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템이 요구된다 하겠다. 이와 함께, CO2 절감을 위한 재생 가능 에너지의 도입도 진행되고 있다. 전력 안정 공급 시스템은 가스엔진과 디젤 엔진의 열병합 시스템 등이 있지만, 재생 가능 에너지와 병설된 경우 그 도입량에 따라 변동이 자립운전하는 발전 시스템의 제어 속도로는 따라가지 못하는 변동폭이 된다면 자립운전하고 있는 계통이 전체 정전될 가능성도 충분하다. 이러한 상황도 감안해 ‘변동 완화 기술 개발’에 착수하게 된 것이다.

출력 변동 발생 상황

그림 2는 히타치 엔지니어링 및 서비스에 설치된 20kW의 태양광발전 상황을 나타낸 것이다. 초 단위로 샘플링한 데이터지만, 다소 구름이 있는 날씨에서는 ‘맑음’상태여도 그림에 나타난 것과 같이 발전 출력은 크게 변화한다. 이러한 변동이 전력계통 내에서 동시에 발생한 경우 계통에 미치는 영향은 매우 클 것으로 판단된다. 실제로 인도네시아의 낙도에서는 이전부터 디젤 엔진으로 전력을 공급하고 있지만, 연료의 수송 비용이 높기 때문에 발전 비용이 높아졌다. 그 대책으로 전력 수요의 절반에 가깝게 태양광발전 설비를 도입했더니 정전이 빈발했다. 그 이유는 태양광발전의 변동을 디젤 엔진의 출력 제어가 쫓아가지 못하기 때문인 것으로 추측할 수 있다.

변동 완화형 스마트 그리드 개발의 콘셉트

기상에 따라 출력이 변동하는 재생 가능 에너지의 발전 출력 변화를 설비 그 자체로 억제하는 것은 어렵다. 이 때문에 하나의 그리드 내에서 변동을 억제하며 연계하고 있는 계통에 대해 변동 완화가 가능한 시스템을 개발했다. 공장이나 상업 시설 등 작은 단위의 그리드를 대상으로 그 안에서의 변동을 억제한다. 이들이 연결돼 있는 전력계통에 대해서는 변동 완화된 상태로 연계하기 때문에 계통에 미치는 영향은 적다. 이러한 변동 완화된 그리드를 여러 개 이어가는 것으로 큰 그리드에서도 변동이 적은 계통을 확립할 수 있다. 또한 이 제한된 그리드 내에서 자립운전을 실시해도 그 그리드 내에서 변동을 억제하고 있기 때문에 안정적인 전력 공급이 가능해진다. 이는 부분 최적을 실현하고 이들을 연결시킴으로써 전체 최적을 확립할 수 있다는 개념에 착안했다.

변동 완화형 스마트 그리드 시스템 개발

본 시스템을 개발하고 적용할 그리드로는 히타치 엔지니어링 및 서비스의 오누마 공장을 대상으로 했다. 오누마 공장은 증기터빈 등의 제조 및 가스엔진의 포장 등을 하는 공장으로 많은 가공 기계와 소둔용(열 처리법의 한 가지로, 금속·유리 등의 내부 변형을 바로잡기 위해 어느 온도까지 가열했다가 서서히 식히는 처리법) 전기로 및 용접기 등이 있으며, 계약 전력은 900kW다. 또한 공장 내에는 앞서 서술한 가스엔진, 태양광발전 설비, 풍력발전 설비, 축전지 시스템이 설치돼 있다. 먼저 공장의 수요, 수전전력, 각 설비의 발전 출력 등을 파악하기 위해 히타치 엔지니어링 및 서비스의 개발 에너지 관리 시스템(EMS)을 설치했다.

다음으로 이러한 EMS에서 채취한 데이터를 변동 완화 제어하는 제어 시스템과 연결해 가스엔진과 축전지 시스템의 출력 제어를 실시하는 시스템을 개발하기로 했다. 새롭게 개발한 시스템을 ‘지능형 그리드 컨트롤 시스템(IGCS)’이라고 부른다.

가스엔진은 제어 속도가 느리기 때문에 긴 주기 변동을 억제하고, 축전지에서 짧은 주기의 변동을 억제하는 조합에 따라 변동을 완화한다. 그림 3은 오누마 공장에 도입한 전체 시스템을 나타낸다. 공장 전력 수요와 재생 가능 에너지의 변동량을 IGCS로 가져와 그리드 전체의 총 변동량을 파악한다. 이 변동량에 대한 정보를 IGCS가 가스엔진 및 축전지 시스템에 변화 완화 제어 신호를 보내 가스엔진의 출력 제어, 축전지의 충·방전 제어를 한다.

이 제어 이미지를 그림 4에 나타냈다. 600kW의 공장 전력 수요에서 운용하고 있는 상태에서 순간적으로 200kW의 변동이 발생했다고 한다. 이 변동을 가스엔진만으로 추종시키려고 하면 약 60초가 필요하고, 순간 변동량 200kW는 그대로 계통에 영향을 준다(그림 4C). 이번에 개발한 IGCS에 의해 축전지에서 방전시켜 변동분을 커버한다(그림 4F). 이로 인해 계통의 변동량은 0이 된다(그림 4G).

오누마 공장에서의 실증 시험 결과

히타치 엔지니어링 및 서비스는 앞서 서술한 시스템의 개발과 각 발전 설비에 접속해 실증 시험을 시작했다. 그 와중에 일본 대지진으로 인해 2개월 이상 시험이 중단된 적도 있었지만, 2011년 6월에는 기능 확인을 완료할 수 있었다. 7월부터 도쿄전력 관내에서 15%의 전력 제한이 실시되는 가운데 실증 시험을 겸해 운용했다. 그림 5는 2011년 7월 4일의 전력 제한시 실제 데이터다. 그림 5에서 선 ①은 공장의 전력 수요, 선 ②가 수전전력, 선 ③이 가스엔진 발전 출력, 선 ④는 축전지의 충·방전을 나타낸다. 13시 이전은 점심시간인 데다 공장의 전력 수요가 낮아 구매한 전력만으로 운용했다. 공장이 가동을 재개하는 13시에 가스엔진을 기동해 몇 분 후 IGCS를 자동 모드로 했다. 그 결과, 가스엔진과 축전지가 공장의 전력 수요에 맞춰 발전하고 있음을 확인했다.

다음으로 가스엔진이 없어도 전력 제한시에 수요 초과를 피하는 시험을 실시했다. 가스엔진을 멈추면 IGCS는 축전지에서 동력 조절기를 통해 방전할 수 있는 최대 전력을 공장 계통에 방출, 공장 수요에 대해 수전 전력을 낮춰 운용했다. 다시 가스엔진을 가동시켜 운전을 계속했으며, 가스엔진 출력에 대해 공장 수요가 낮은 경우 그 차분은 축전지에 충전시키고, 공장 수요가 높은 경우에는 축전지에서 방전하는 운용을 행했다. 9월 말까지의 전력 제한 기간 중에는 본 시스템을 이용함으로써 수전전력 ‘0kW’를 실현했다.

또한 피크컷을 실증하기 위해 IGCS와 축전지 시스템을 조합해 시험을 실시했다. 그림 6은 그 결과를 나타낸 것이다. IGCS에서 전력 수요의 상한치를 설정해 공장 전력에는 제한을 두지 않고 운영했다. 상한치보다 공장 수요가 커진 경우는 축전지에서 방전하는 것으로 상한치를 넘지 않도록 제어했다. 축전지에는 야간에 풍력발전으로 발전한 전력을 충전함으로써 낮 동안 피크컷을 하는 것이다.

새로운 전개

일본 대지진 이후 도쿄 전력 관내에서는 계획 정전이 실시됐다. 이러한 상황에서는 BCP 관점에서 상용 계통에서 분리돼도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템이 요구되고 있다. 이에 대응하기 위해 개발한 IGCS도 그림 7과 같이 4개의 모드로 운용할 수 있는 시스템으로 했다. 스마트 그리드 기술 개발 과정 시 일본 대지진이 발생해 에너지의 공급 측면은 물론 수급 측면에도 큰 영향을 끼쳤다. 이로써 재생 가능 에너지를 유용하게 활용하고 또한 전력을 안정 공급할 수 있는 시스템의 요구는 더욱 더 확대됐다. 히타치 엔지니어링 및 서비스는 본 시험을 한층 더 업그레이드함으로써 재해에도 강한 스마트 공장 만들기에 더욱 노력해 나갈 계획이다.

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.

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