차세대형 스마트 하우스용 에너지 시스템

설비 투자 최소화하며 분산형 전원 보급 실현

미야모토 히로유키(Miyamoto Hiroyuki) 무라타제작소 기술·사업개발본부 디바이스 개발센터

태양광발전을 비롯한 분산형 전원(전력 인프라)을 기존 전력 인프라에 효과적으로 도입해 최대한 이용하는 것이 재해 등 비상시에 대한 전력망 안전성을 향상시키는 것이기도 하다.

그러나 한편으로 분산형 전원을 보급하기 위해서는 해결해야 할 과제도 많다. 현재 시장에 도입되고 있는 태양광발전이나 축전시스템 대부분은 경직적인 제어밖에 되지 않아, 전력을 현지 생산 및 현지 소비하기 위해서는 계통 증강 등 해결해야 할 과제가 많으므로 보급시 제약이 되고 있다. 예를 들면, 재생 가능 에너지의 보급을 촉진하기 위해 도입된 매전 제도를 이용할 경우 계통 측에서 기둥 모양의 트랜스 증강이 필요한데, 이를 위해서는 막대한 인프라 투자가 발생한다.

그렇다고 주택에서 계통으로 역조류하지 않도록 분산 전원에 접속돼 있는 인버터로 발전을 제한하게 되면 재생 가능 에너지를 최대한으로 이용할 수 없게 된다. 그 때문에 전력계통의 설비 투자를 억제하면서 분산형 전원을 보급하기 위해서는 태양전지나 축전지 등 내부 전원 에너지를 서로 협조시키면서 전력망(외부 전원)과도 연계해 가장 효율적으로 에너지를 사용할 수 있도록 유연하게 운용 제어하는 차세대형 분산형 에너지 시스템이 요구된다.

일본의 dSPACE Japan(주)과 (주)스마트에너지연구소는 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 차세대형 스마트 하우스용 에너지 시스템의 실증 시험기(스마트 에너지 시스템)를 개발하고, 요코하마 스마트 커뮤니티가 tvk 하우징 플라자 요코하마 내에 건설한 ‘스마트 셀’ 건물(전시장)에 설치해 실증 실험을 진행했다(그림 1, 그림 2).

요코하마 스마트 셀

여기에서는 스마트 에너지 시스템의 시험기를 설치하고 있는 ‘스마트 셀’ 프로젝트와 프로젝트 실시 주체자인 요코하마 스마트 커뮤니티, 그리고 요코하마 스마트 커뮤니티 이전에 현지 생산 및 현지 소비형 에너지 시스템의 실증 실험 장소였던 후쿠오카 스마트 하우스 컨소시엄의 활동에 대해서 설명한다.

후쿠오카 스마트 하우스 컨소시엄(FSHC)

전력의 현지 생산 및 현지 소비를 추진하기 위해서는 계통(집중형 전원)이나 태양전지, 축전지(분산형 전원) 등을 포함하는 복수의 전원을 유연하게 운용 제어하는 기술이 필수적이다. 그러나 대부분의 전원을 제어하는 시스템 개발은 기술적인 장벽이 높다. 이를 해결하기 위해 일본의 스마트에너지연구소와 dSPACE Japan, 소조대학(구 구마모토공업대학)은 서로 협력해, 현재 자동차 개발에서 주류가 되고 있는 ‘모델 베이스 개발 방법’인 고도의 시뮬레이션 연동에 의한 개발 방법을 응용해 자율형 디지털 전원을 개발했다. 그 성과를 발표하기 위해 ‘후쿠오카 스마트 하우스 컨소시엄(FSHC)’이 결성됐으며, 이 컨소시엄은 후쿠오카시가 소유하고 있는 실험용 벽돌 주택에 개발한 디지털 전원을 전시 중에 있다.

이번 프로젝트에서 스마트에너지연구소는 에너지 시스템 연구개발 기업으로 시스템 구상을 주도했고, dSPACE Japan은 자동차 및 항공기 등 제어 소프트웨어 개발 툴 제공 기업으로 참여했으며, 소조대학에서는 스위칭 전원 시뮬레이터 연구의 일인자인 나카하라 교수가 참여했다.

요코하마 스마트 커뮤니티(YSC)

FSHC의 활동에 주목한 요코하마시의 후원을 통해, 요코하마를 중심으로 활동하는 프로젝트가 결성됐는데, 이것이 바로 ‘요코하마 스마트 커뮤니티(YSC)’다. YSC는 ‘자연에게 배우고 자연을 활용하면서 생활과 문화를 과학 기술로 지원하는 마을을 만든다’고 하는 이념 아래, ‘환경에 부담을 주지 않는 에너지를 활용하는 생활’을 추구하는 커뮤니티를 목표로 활동하는 단체다. 자연에너지를 효과적으로 이용해 저렴하고 유연한 에너지 시스템을 구축하며, CO2 삭감과 음식 부족 문제 등을 해결하는 활동까지 하고 있다.

또, 요코하마시는 일본 경제산업성이 주도한 ‘차세대 에너지·사회 시스템 실증 지역’ 공모를 통해 지난 2010년 4월에 선정된 전국 4개의 실증 실험 도시 중 하나로, 현재 도쿄공업대학 및 에너지 관련 업계, 발전사업자 등의 대기업을 중심 멤버로 하는 요코하마 스마트 시티 프로젝트(YSCP)를 진행 중이다. YSC는 YSCP와 성장 배경은 다르지만, 현재 요코하마시에 의해 YSCP의 복수 프로젝트 중 하나로 자리매김하고 있다.

요코하마 ‘스마트 셀’ 프로젝트

YSC에 가담한 기업 및 단체가 각각 건축자재, 기기 등을 모아 미래를 연결하는 모델 하우스를 건설한 것이 ‘스마트 셀’이다. 2012년 4월 26일에 개장한 이후 실증 시험을 하는 장소 또는 관련 연구 콘셉트 및 그 성과를 국내외에 공개하는 장소로 활용되고 있다.

스마트 셀에는 친환경으로 쾌적한 주거공간을 만들기 위한 기술이 여러 곳에 도입돼 있다. 패시브 기술로는 단열성이 높은 주택을 실현하기 위한 고성능 유리 및 벽 재료와 목제 도어, 태양광 조명 시스템 등이, 그리고 액티브 기술로는 바람을 발생시키지 않는 빛 냉난방 시스템, 스마트 분전반, 그리고 일본 무라타제작소의 스마트 에너지 시스템 등이 도입돼 있다. 또, 스마트 에너지 시스템의 개발에 있어서는 dSPACE사의 모델 베이스 개발 방법과 기기를 이용해 품질 향상과 개발기간의 단축을 실현했다(그림 3).

요코하마 스마트 셀에 도입한 에너지 시스템의 개요와 특징

스마트 에너지 시스템의 개요

요코하마 스마트 셀에서는 ‘만든다’, ‘축적한다’, ‘현명하게 사용한다’를 하나의 에너지 단위로 운영하는 식물세포에서 착안해 자연에너지(태양전지), 축전지, 계통전력에 3가지 전력원을 혼합해 사용하는 하이브리드형 에너지 시스템을 설치하고, 계통 어시스트를 목적으로 집 전체의 에너지를 관리하고 있다.

이것은 FSHC에서 스마트에너지연구소에 의해 제창된 콘셉트를 보급시키기 위한 실증 실험이라고도 할 수 있다. FSHC/YSC에서는 현지 생산 및 현지 소비형 스마트 커뮤니티의 근본적인 구성 요소에 적합한 주택의 모습 즉, 에너지를 소비할 뿐만 아니라 스스로 창조하고 사회에 관여·공헌하면서도 자립된 유닛으로서 기능하는 주택과 거기에 어울리는 라이프스타일을 연구 제안하고 있다. 이 스마트 에너지 시스템은 분산형 전원으로, 코제너레이션 시스템으로부터의 전력 공급도 가능(멀티 입력 대응)하다(그림 4).

스마트 셀의 전체 시스템은 일본 무라타제작소가 시험 제작한 스마트 에너지 시스템과 태양광발전기, 축전지, 스마트 분전반으로 구성된다. 계통으로부터의 전력은 스마트 분전반을 통해 가정 내 전자제품으로 공급되고, 또 스마트 에너지 시스템과 서로 주고받는다.

스마트 에너지 시스템은 쌍방향 DC-DC 컨버터와 쌍방향 DC-AC 인버터를 조합하고, 이것들을 제어하는 시스템 매니저라고 불리는 두뇌를 가진 고기능 전원(전력 변환 장치)이다. 태양광발전기, 축전지, 계통전력(스마트 분전반)은 각각 스마트 에너지 시스템 내 쌍방향 DC-DC 컨버터, 쌍방향 DC-AC 인버터 등과 같은 전력 변환 장치를 이용해서 고전압 직류(HVDC) 버스를 매개로 접속돼 있다. 각 컨버터/인버터는 자율성이 높은 모듈이며, 최소한의 정보를 주고받음으로써 결과적으로는 전체가 협조적으로 전력을 빌려주고 받는 시스템이다. 이것들을 통합 관리하는 시스템 매니저의 역할은 전력 변환 장치 및 축전지, 태양전지 등 접속돼 있는 기기의 상태 감시와 클라우드 등에서 오는 외부 정보와의 인터페이스다. 또, 이것들을 바탕으로 후술하는 시스템의 제어 방법을 결정한다.

스마트 에너지 시스템 동작 예

스마트 에너지 시스템을 사용한 사례를 살펴보면 다음과 같다.

계통전력 일정 운전

태양전지 발전량이나 주택 내 소비전력은 환경에 따라 수시로 변동하지만, 항상 계통으로부터 구입하는 전력량을 일정하게 제어한다. 이때 태양광발전량이 크면 축전지에 충전하고, 적으면 축전지에서 방전시켜 어시스트한다.

계통 어시스트 운전

변동하는 주택 내 전력 소비량에 대해 임의로 설정한 일정 비율을 태양전지 또는 축전지에서 공급하게 하는 동작으로, 이는 계통 전력수급이 부족할 때 매전 비율을 낮춰 계통을 어시스트할 수 있다.

여름 한낮 등 전력 수요가 피크일 때에는 전력회사의 발전 설비에 여력이 없어 피크에 맞춰 발전 능력을 내려면 막대한 비용이 든다. 그러나 스마트 셀형 에너지 시스템이 보급되면 계통 어시스트 효과에 의해 발전소의 피크 능력을 낮추는 것이 가능하다. 선진적 전력수급 밸런스 방법으로, 기타큐슈시 등에서 실증 실험이 진행되고 있는 전력의 실시간 프라이싱(간접 요구 반응)과 같이 수요가 측의 전력 사용량을 억제하는 구조 및 서비스와의 협조도 가능하다.

그 외에도 태양광으로 발전한 전력을 가전제품에 공급하면서 축전지에 충전하거나 한꺼번에 전자제품을 과도하게 사용한 경우 브레이크가 내려가지 않도록 축전지로부터 전기를 공급하는 것, 그리고 계통전력과 축전지로부터의 전력을 조합시켜 전기자동차에 충전을 할 수 있도록 하는 등의 사용법이 예상된다. 이를 위해서는 응답성이 높은 디지털 전원제어를 하면서 종합적으로 기기를 매니지먼트하는 기능을 부여하고 있다(그림 5).

요코하마 스마트 셀에서 스마트 에너지 시스템의 운용

스마트 셀에서는 정격 출력 2kW의 태양광 패널, 2kWh의 축전지를 이용해 10시부터 17시 사이에 시스템을 가동시켜 실험하고 있다(그 이외의 기간은 일반적인 주택과 같이 계통에서만 전력이 공급되며 태양광 패널로부터는 전력이 공급되지 않는다. 축전지도 비가동).

태양광 패널은 재이용품을 사용하고 있기 때문에 정격에 대해 실제 발전량은 낮아 맑은 날에 약 1kW 수준이다. 스마트 셀 내 전력 소비는 낮 동안 약 500W∼1kW 수준이다. 주된 부하는 공조(빛 냉난방 시스템), 조명, 액정 TV, PC이며, 일반 가정에 있는 전자제품 중에서 비교적 부하가 큰 냉장고, 전자레인지, 세탁 건조기 등은 두지 않았다. 이 조건하에서 시작해 이후 2개월간의 데이터에서는 태양광에 의한 발전량으로 50% 정도의 전력을 조달함을 확인할 수 있었다(표 1).

또, 요코하마 스마트 셀에서는 전시장 내에 배선된 그린 콘센트에 의해 정전시에도 배선을 바꿀 필요 없이 전기를 사용할 수 있다. 그린 콘센트는 보통 운전시에는 상용계통으로부터의 전력과 스마트 에너지 시스템으로부터의 전력을 합성해 일반적인 콘센트와 완전히 동일하게 사용할 수 있지만, 정전시에는 상용계통으로부터 해열돼 에너지 시스템으로부터의 전기 공급이 가능해지도록 배선돼 있다(그림 6).

머지않아 재생 가능 에너지나 EV/FCV에 의해 우리들이 소비하는 에너지(전력)를 상용계통에만 의지하지 않고 집이나 지역에서 만들어 내고 공유하는 사회가 도래할 것으로 전망된다.

빈곤 및 격차, 싸움의 원인이 되는 에너지 부족과 편재 해소에도 공헌하고, 화석연료에 의지하지 않는 사회 모델을 만들어 냄으로써 우수한 비전 및 기술을 가진 파트너 기업과 함께 새로운 신재생에너지 마을을 조성할 수 있는 분산형 에너지 인프라를 구축해 나가고자 한다. 이를 위해 요코하마에서의 실증 실험을 통해, 에너지 시스템의 신뢰성 평가나 고객 요구를 파악하고 이 시스템이나 기기 내 모듈·전자부품에 요구되는 성능 및 신뢰성 조사, 미래 에너지 시장에 필요한 기술 및 신제품 개발에 주력해 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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