시바야마 신지(Shibayama Shinji) (주)큐빅에스 컨설팅사업개발부 사업개발담당 과장

일본 경제산업성·토호쿠경제산업국에서 실시한 ‘2009년도 저탄소사회를 위한 기술 발굴·사회시스템 실증모델 사업’은 ‘직류 기술에 의한 저탄소 사회시스템으로서의 신·지산지소 에너지 인프라의 구축’을 테마로, 2009년 10월부터 2010년 7월까지 약 10개월간 일본 아키타현 오가타마을에서 실시되었다. 이후 2010년 8월부터는 아키타현 사업으로써 연구를 계속하고 있다. 이번 프로젝트는 아키타현 도쿄 사무소에서의 행정과 민간기업이 임의로 만든 스터디 모임이 계기가 되어 아키타현, 아키타 대학, 오가타마을과의 협력 아래 현지 기업을 포함한 컨소시엄을 편성해 실현됐다.

실증 시스템 ‘지역 직류 그리드’는 태양광이나 풍력 등 지역이 가지는 자연에너지를 효율적으로 조합해 자립운전을 도모하는 시스템으로, 신재생에너지의 이용 효율의 향상과 에너지 변환 손실의 삭감에 의한 온실효과 가스의 삭감을 목표로 하고 있다. 더욱이 실증 실험을 통해서 사회시스템화를 검증하고 저탄소 사회의 새로운 지산지소 에너지 인프라로서의 확립과 보급을 목적으로 하고 있다.

실증모델 사업의 개요

실시 장소

아키타현 오가타마을은 볏짚을 이용한 바이오 에탄올이나 BDF·풍력발전·태양광발전 등에 따른 자연에너지의 생산 기지를 목표로 하는 등, 환경을 배려한 재생에너지 보급에 적극적인 지역이다. 실증모델 사업은 오가타마을의 종합 중심지에 있는 ‘미찌노에키 오가타’(사진 1)의 시설 내에 구축했다.

실증 항목

실증 실험은 오가타마을의 지역 특성에 최적화한 ‘지역 직류 그리드’의 구축을 목표로 하고, 표 1에 나타내는 자립형 직류 그리드의 기초 기술과 사회시스템화 기술을 검증했다.

실시 체제

본 사업은 아키타현 오가타마을의 협력 아래, 지역사회를 지탱하는 현지 대학, 현지 기업 등에 의한 산·관·학 제휴의 컨소시엄에 의해 추진되었다(그림 1). 또한 본 사업의 기본방침, 지역 자립형저탄소 사회시스템 본연의 자세, 환경 부하 검증의 개념, 실증 데이터 평가 방법의 개념, 더욱이 지역사회 시스템으로서의 구상 제안, 실현을 향한 과제, 시책 등에 관계하여 심의하는 것을 목적으로 해 ‘평가 위원회’를 설치했다.

실증 계획 일정

경제 산업성·토호쿠 경제 산업국에 의한 모델 사업의 실증 기간은 2009년 10월부터 2010년 7월까지이고, 그 후 2010년 8월부터 아키타현 사업으로서 계속해서 연구 중이다(그림 2).

실증 시스템의 개요

실증 시스템의 ‘지역 직류 그리드’는 상용 계통에 의존하지 않고 자립한 소규모 지역 인프라이며, 신재생에너지 이용 효율의 최대화와 대규모 도시지역에 한정되지 않는 전국 지역에의 보급도 상정하고 있다.

‘지역 직류 그리드’의 개념도를 그림 3에 나타낸다. 풍력발전, 태양광발전 그리고 안정적 전원으로써의 연료 전지를 조합, 직류로 끌어낸 전력을 그대로 직류로 수요 부하까지 공급하는 시스템이다. 게다가 이 직류 계통에 축전지를 접속시켜 남은 전력을 충전하고, 부족할 때에 전력을 공급하는 등 계통 전체의 안정화를 도모하는 구조이다.

주요 시스템의 개요

‘지역 직류 그리드’를 구성하는 주요 시스템의 개요를 다음에 나타낸다.

풍력발전

오가타마을에서 이미 가동하고 있는 맥너스 풍차를 이용해 이번 사업에 있어서 직류 출력 파워컨디셔너를 제작·접속해 직류 그리드에 전력을 공급하고 있다(사진 2). 정격 출력은 12kW이다.

태양광발전

단독 운전 가능한 시스템 구성으로, 직류 출력 파워컨디셔너를 제작·접속해 직류 그리드에 전력을 공급하고 있다(사진 3). 정격 출력은 4.5kW이다.

연료 전지

오가타마을의 지역 특성을 고려해 한랭지 사양의 연료 전지를 채용해, 단독 운전을 가능하게 하기 위해 직류 그리드 측에 모의 상용되는 인버터를 설치하고 있다. 또한 직류 그리드 내의 안정적 전원을 위해 일정 전력 발전의 상시 운전으로 하고, 컨버터에 의해 직류 출력으로 변환해 직류 그리드에 전력을 공급하고 있다(사진 4). 정격 출력은 700W이다.

축전지 설비

축전·방전에 의해 직류 그리드에의 안정 전원 공급을 도모하는 축전 장치이며, 리튬 이온 전지를 채용하고 있다.

파워 매니지먼트 시스템

풍력, 태양광, 연료 전지의 발전 상황과 부하 수요에 맞는 축전지의 축전·방전 제어 및 부하선택 제어 등을 실시해 최대 효율 운전 제어를 목표로 하고 있다.

LED 조명·LED 투광기

직류 그리드에 접속하여 직류 입력으로 동작 가능한 LED 가로등(사진 5), LED 옥내 조명, LED 투광기(사진 6)를 제작·설치하고 있다.

DC센터(실험동)

일반 가정에서의 모의 시설로서 직류 급전에 의해 운용하는 ‘DC센터(사진 7)’라고 칭하는 실험동을 지었다. 이 센터 내에는 직류 입력 사양의 에어컨, 냉장고, 대형 디스플레이(사진 8), LED 조명, 관리용 PC 외에 앞서 기술한 축전지 설비를 수용하고 있다.

실증 시스템의 구축과 기술적 개발 항목

시스템을 구축하면서 직류 그리드의 간선은 지중 매설 부설에 의해 안전성을 확보하고 공사를 완료해 시험·조정을 거쳐 운전을 개시했다. 현지에 실제 기기를 설치해 가동함으로써 많은 지견과 귀중한 실증 데이터를 얻을 수 있었다. 실증 시스템의 전체 시스템 표시 화면(예)을 그림 4에 나타낸다. 이 실증 실험을 통해서 밝혀진 주된 기술적 개발 항목은 다음과 같다.

저탄소 안정 전원의 유용성

실증 시스템에서는 실증지의 지리적 조건을 고려해 안정적 전원에 연료 전지를 채용했다. 그 외 자립안정적 계통에는 출력 변동이 비교적 적은 소수력 발전이나 바이오매스 발전 등의 저탄소 안정 전원을 사용하는 것이 유효하다.

축전지 제어 기술의 향상

실증 시스템과 같은 소규모 직류 그리드는 수급 밸런스의 변동에 대해서 민감하며, 축전지의 물리적 특성에서는 응답에 한계가 있다. 축전지의 응답 특성을 보완하는 시스템으로서 커패시터 등에 의해 계통의 안정성 향상을 도모하는 것이 유효하다.

파워 매니지먼트 시스템 정밀도 향상

실증 시스템을 사회시스템으로써 전개해 안정적으로 가동시키기 위해서는 파워 매니지먼트 시스템의 수급 조정 기능의 고속화·고정밀화가 필요하다. BEMS(빌딩 에너지 매니지먼트 시스템)나 HEMS(홈 에너지 매니지먼트 시스템) 등과의 연동을 고려한 시스템 구축 또한 중요하다.

이번에 소개한 실증모델은 일정 규모의 지역 내에서 자립한 새로운 에너지 서비스의 본연의 자세를 구체화한 것이다. 실증모델의 특징을 살림으로써 자연에너지의 이용 확대뿐만 아니라 정전시의 독립 운전에 의한 재해 대책이나 지역의 활성화 등에도 연결될 것이라고 기대할 수 있다. 그리고 장래의 저탄소 사회의 실현을 위한 ‘지산지소 에너지 인프라’의 사업화에 하나의 이치를 나타낸 것이라고 생각하고 있다.

2010년 8월부터는 아키타현의 지원을 받아, 실용화를 위한 기술적 개발 항목의 노력과 상품화를 위한 마케팅, 도입 가능성 평가, 보다 많은 보급을 위한 정책면에의 기대 사항 등을 계속해서 검토하고 있다. 향후에는 지역 특성에 맞는 최적 규모의 검토와 복수 그리드의 전체 최적을 도모하는 멀티 그리드화 검토 등을 통해 사회시스템으로서의 보급을 목표로 하고자 한다. 보급 대상 범위 또한 무전화 지역뿐만이 아니라 상용 전력 계통이 취약한 지역으로 확대해 저탄소 사회의 실현에 기여해 나갈 것이다. 

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