일본 기후현 에너지 기술 최적의 조합 5가지 실증 모델 제시

이나바 아키오 기후현청 차세대에너지 산업기술추진실장

최근 에너지를 둘러싼 환경은 크게 변화하고 있다. 아시아 제국을 중심으로 한 신흥국의 경제 발전에 따라 에너지 수요의 대폭적인 증가가 전망되는 가운데, 에너지 자급률이 낮은 일본에서는 중장기적인 에너지의 안정적 공급 확보가 급선무가 되었다. 또한 지구 온난화 방지의 관점에서 이산화탄소 등의 온실효과 가스 배출량의 삭감이 국제적인 책무가 되어 에너지 절약과 비화석 연료 이용의 촉진 등, 저탄소화 사회로의 전환이 필수 과제가 되었다. 이와 같은 과제를 극복해 나가기 위해서는 새로운 에너지 기술과 비즈니스 창출이 불가결하다. 이와 같은 관점에서 에너지·환경 관련 산업은 앞으로 큰 성장을 기대할 수 있어 일본 기후현에서는 ‘차세대 에너지 인프라 구상’의 보급을 촉진하고자, 이들 산업의 진흥과 지구 사회의 저탄소화를 지향하고 있다.

일본 기후현의 차세대 에너지 인프라 구상

에너지 문제 해결책의 하나로서 태양광발전이나 풍력발전 등의 재생가능 에너지의 이용에 큰 관심이 집중되고 있다. 재생가능 에너지에는 이산화탄소를 배출하지 않는다는 큰 장점이 있다. 그러나 공급되는 전력은 날씨 등의 영향을 크게 받고 그 공급량도 불안정하며, 도입 비용도 비교적 비싸다는 단점이 있다. 게다가 이와 같이 불안정한 전력이 대량으로 전력 회사의 전력망 등에 공급되면 그 공급 전력에 큰 영향을 미치는 것도 염려되고 있다.

한편, 이산화탄소 배출의 주된 원인으로 꼽히는 화석 연료에 관해서는 이것을 태우지 않고 효율적으로 에너지를 취출하는 ‘연료전지’ 기술이 개발되어 상용화되고 있다. 이와 같은 상황에 의거해 일본 기후현에서는 복수의 에너지 자원과 최신 에너지 관련 기술을 최적으로 조합함으로써 ‘실제로 지속 가능한 새로운 에너지 수급의 모습’을 실현할 수 있는 ‘기후현 차세대 에너지 인프라 구상’을 주장해 보급 개발에 힘쓰고 있다.

이 차세대 에너지 인프라 구상의 구체적 방안 중 하나는 현재 전기, 가스, 등유, 가솔린으로 에너지를 공급받고 있는 일반 가정이나 소규모 상용 시설에 태양광발전과 연료전지 등을 조합한 반독립형 에너지 시스템을 공급하는 것이다. 이를 통한 배터리의 효율적인 충·방전 제어(IT 제어)로 계통 전력의 부하를 경감시킬 수 있다. 동시에 가정 등에서 소비되는 에너지 전체 비용의 대폭적인 절감을 노리고 있다.

이 차세대 에너지 인프라의 기본 구성은 그림 1에 나타내는 것처럼 에너지 공급 시스템으로는 태양광발전, 연료전지, 배터리(충·방전 제어 시스템을 포함), 부하 쪽으로는 주택(조명, 가전, 급탕 등), 전기 자동차로 구성된다. 여기에 전기 자동차를 포함한 이유는 에너지 공급 시스템에 여유가 있어 이것을 활용함으로써 에너지의 효율적인 이용과 운수 에너지의 에너지 절약화를 도모할 수 있기 때문이다.

가정에서의 에너지 공급 모델을 그림 2에 나타낸다. 이 모델에서 해당 에너지 공급 시스템은 가정에서 소비하는 모든 에너지를 공급할 수 있으며, 날씨가 맑은 날과 같이 좋은 조건이 갖추어지면 계통 전력에 의존하지 않는 독립된 에너지 공급이 가능하다. 또한 해당 시스템에서의 화석연료 등의 1차 에너지에서 2차 에너지로의 변환 효율이 45%에서 72%까지 상향해 에너지 소비 전체 비용의 대폭적인 절감도 기대할 수 있다.

또한 기후현에는 500곳 이상의 재해 시 고립 예상 집락이 존재해 해당 인프라의 반독립적인 에너지 공급 능력을 활용함으로써 재해시의 일시적인 에너지 인프라로서의 활용도 기대되고 있다.

기후현이 진행하는 5가지 프로젝트

차세대 에너지 인프라 구상의 기본은 각각의 에너지 자원의 특성을 충분히 고려하면서 가정이나 시설, 지역과 같은 에너지를 이용하는 쪽의 특성에 맞추어 에너지와 기술을 최적으로 조합시키는 것에 있다. 때문에 대표적인 5가지의 모델을 대상으로 차세대 에너지 인프라의 실증 프로젝트를 진행하고 있다(그림 3).

공공시설 모델

첫째로 공공시설 모델이 있다. 이는 기후현에서 운영하는 도시공원 ‘꽃 축제 기념 공원(Flower Festival Commemorative Park)’에 설치된다. 이 공원은 차세대 에너지 공원으로 기후현 카니시 세타에 위치하고 있다. 1995년 개최한 ‘꽃 축제 95 기후’의 회장이기도 했던 이 공원의 부지 면적은 80.7ha이다. 7,000품종에 달하는 세계 모든 장미가 식재된 정원 외에, 기획 전시와 연수를 할 수 있는 ‘꽃 박물관’, 1년 내내 계절의 꽃나무를 즐길 수 있는 대온실 ‘꽃의 지구관’, 높이 지상 45m인 ‘꽃 타워’, 옥외 이벤트 홀 ‘프린세스 홀 미야비’ 등, 특징 있는 시설이 정비되어 있다.

‘꽃 축제 기념 공원’에 설치되는 에너지 시스템은 공원 내의 특정 영역을 설정해 그 곳에서 에너지를 지역 생산·지역 소비하는 효율적인 에너지 수급 시스템의 구축을 지향했다. 구체적으로는 테마 파빌리온 꽃 박물관과 그 주변에 신설한 족탕을 대상 영역으로 해 그림 4에 나타내는 것과 같은 에너지 시스템을 설치했다. 이 시스템에서는 부지 면적이 넓고 에너지 수요가 일조 시간대에 집중되는 것을 고려해 비교적 대규모의 태양광발전과 복수의 연료전지를 도입했다.

상업 시설 모델

대표적 모델 중 두 번째는 상업 시설 모델로, 민간 상업 시설 ‘쿳쿠라 히루가노(Kukkula Hirugano)’에 에너지 시스템을 설치했다. ‘쿳쿠라 히루가노’ 역시 차세대 에너지 공원으로 기후현 군죠시 타카스마치 스미에 위치하고 있다. 토카이 호쿠리쿠 도로 ‘히루가노 고원 서비스 구역’에 인접한 복합 상업 시설인 이곳은 13개의 점포와 소형 호텔로 구성되어 있다.

‘쿳쿠라 히루가노’에 설치된 에너지 시스템의 각 시설은 각각 따로 계통에 접속되어 있기 때문에, 시설의 상징인 타워 홀과 그 옆에 신설된 족탕을 대상 영역으로 시스템을 구축했다. 전기적인 부하의 특징으로는 LED 조명, 공기조절 팬, 전기 자동차 충전기 외에 24시간 가동하는 히루가노 고원 아이스크림의 냉장 케이스와 전동 어시스트 자동차 등이 있다.

가정 모델

셋째는 가정 모델이다. 이를 위해 기후시 아카나베노세에 차세대 신에너지·에너지절약 모델하우스를 마련했다. 기후현과 현 내 기업 이비켄이 협력해 설치한 최첨단 신에너지·에너지 절약 모델하우스다. 이 곳에서는 일반 공모에 의한 주거 실험도 해 그 효과를 공개한다. 이 모델하우스는 ‘GREENY 기후’라는 애칭을 갖고 있는데, 이는 에너지(Energy)를 바꾸어 배열하면 ‘녹지가 없었다’는 의미의 GREENY가 된다는 사실에서 붙여졌다. 에너지의 사용 방법을 재정리해 녹지를 증가시킨다는 생각이 담겨 있다.

이곳에 설치되는 에너지 시스템은 일반 주택의 에너지 절약 대책을 철저히 검토한 후 기후현이 주장하는 차세대 에너지 인프라를 도입한 궁극적인 시스템이다. 모델하우스는 건축한지 약 10년인 기존 주택을 개수한 것이다. 이 개수에 있어서는 그림 6에 나타낸 것처럼 진공유리 등의 단열 대책과 에너지 절약 대책을 시도했다. 이로써 주택의 열 손실 계수는 2.0W/m2K에서 1.4W/m2K가 되어 그 단열 성능은 대폭적으로 향상되었다(1).

그림 8에 주택 모델의 시스템 구성도를 나타낸다. 에너지원으로서는 태양광발전, 연료전지 외에 풍력발전도 설치되어 있다. 직류·교류의 변환 손실을 없애기 위해 직류에서의 전송도 하고 있다. 또한 HEMS(Home Energy Management System)을 도입해 에너지를 가시화했다. 이를 통해 에너지 절약 의식의 향상을 도모함으로써 15~30%의 에너지 소비 삭감 효과도 기대하고 있다.

모델하우스의 에너지 수지, CO2 삭감 효과, 운전경비(Running Cost)에 관해 시뮬레이션을 한 결과를 그림 9~11에 나타낸다. 이 결과에서 최종 에너지가 일반 표준 주택의 약 0.4채분이 플러스가 되어 에너지를 창조하는 주택(에너지 창조 하우스)이 되어 있음을 알 수 있다.

중산간 지역 모델

차세대 에너지 인프라의 실증 프로젝트를 위한 5가지 대표 모델 대상 중 네 번째는 중산간 지역 모델이다. 이를 위해 기후현 군조시 메이호 지역 내 오래된 민가를 선정했다. 이곳은 민간단체가 도시와 농촌의 교류를 중심으로 한 집락 활성화 사업을 하고 있는 거점이다.

건축한지 100여년이 넘는 오래된 민가에는 소수력 발전과 목질 스토브를 부가한 차세대 에너지 인프라를 설치한다. 이는 포장 수력(발전 수력 자원의 양) 전국 1위, 삼림 축적(삼림에 축적된 나무의 부피) 전국 5위라는 기후현의 강점을 살렸다.

도시 모델

마지막으로 도시 모델이 있다. 이를 위해 JR(Japan Railway, 일본 철도) 기후역 내에 대형 상업문화 시설 ‘액티브 G’를 선정했다. ‘액티브 G’는 기후현이 보유하고 민간회사에 관리 운영을 위탁하고 있는 시설로, 대규모이기 때문에 에너지 절약 기기의 도입을 중심으로 한 에너지 인프라의 구축에 매진하고 있다.

이곳 ‘액티브 G’에는 발전 기능이 딸린 가스식 공조기 등을 대규모로 도입함과 동시에, 태양광발전과 축전 설비를 정비했다. 장래 구상으로서 연료전지의 도입도 시야에 넣고 있다. 또한 역 북쪽 출입구의 보행자 덱에는 태양광발전을 이용한 미스트가, 역 동쪽의 주차장에는 전기 자동차용 충전 설비가 정비되었다. 또한 역 서쪽의 문화 시설 ‘쥬로쿠 프라자’에는 태양광발전과 더불어 벽면 녹화 설치가 계획되어 있다. 현으로서는 현청 소재지의 도시 앞 현관이라 할 수 있는 JR 기후역 주변이 환경·에너지의 첨단 기술의 집적 영역이 되도록 앞으로도 산·학·관의 제휴 하에 대처를 확대해 나갈 방침이다.

지금까지의 진행 상황

앞서 설명한 5가지 프로젝트 중, 공공시설 모델 ‘꽃 축제 기념 공원’에 대해서는 2010년 5월부터, 상업 시설 모델 ‘쿳쿠라 히루가노’에 대해서는 6월부터 설비를 가동시켜 실증 시험을 실시함과 동시에 일반에게 공개하고 있다. 이 두 프로젝트에 대해서는 연간 각각 약 50만명, 약 30만명의 사람들이 이곳을 찾을 정도로 관심을 모으고 있다. 이는 차세대 에너지에 대한 국민의 보급 개발에 기여하는 것으로 2009년 8월에 경제 산업성에서 ‘차세대 에너지 공원’으로 인정을 받았다.

가정 모델 ‘차세대 신에너지·에너지 절약 모델하우스 : GREENY 기후’에 대해서는 2010년 11월부터 일반 공개를 개시해 현재 거주 실증 시험 등을 하고 있다.

중산간 지역 모델 ‘오래된 민가’, 도시 모델 JR 기후역 ‘액티브 G’에 관해서는 2011년 1월부터 실증 운전을 개시해 3월부터는 일반에도 공개하고 있다.

시행 후 1년 실증 결과

현재 이들 프로젝트는 실증 시험 중이지만, 이번 기사에서는 프로젝트 시행 후 약 1년이 경과한 공공시설 모델 ‘꽃 축제 기념 공원’의 실증 결과를 소개한다. 그 밖의 모델에 대해서는 앞으로 결과를 정리해 현의 홈페이지를 통해 순차적으로 보고할 예정이다.

공공시설 모델 ‘꽃 축제 기념 공원’에서는 계절마다 날씨나 입장객의 동향을 고려해 운전 스케줄을 책정하고 약 1년간의 실증 시험을 진행했다. 그 결과 연속해 1주간 이상의 기간에서 상용 전력에 의존하지 않고 에너지의 자급자족이 성립된다는 것을 확인했다(그림 13). 또한 CO2 삭감 효과에 대해서는 날씨가 맑을 때와 같이 양호한 조건에서는 최대 80% 정도에 달하는 것을 확인할 수 있었다. 비가 올 때처럼 조건이 좋지 않을 때는 효율이 떨어지지만, 연간 누적으로는 약 12톤의 CO2가 삭감되어, 약 50%의 절감 효과가 전망된다. 또한 가동비용에서도 약 30%의 절감 효과가 전망되고 있다. 이 시스템이 에너지의 지역 생산 지역 소비화를 달성해 비용·환경면에서도 성립될 수 있는 모델임을 실증할 수 있었다.

차세대 에너지 인프라 보급 개발 확대할 것

이번 기사에서는 에너지 자원의 특성을 충분하게 고려하면서 가정이나 시설, 지역과 같은 에너지를 이용하는 쪽의 특성에 따라 에너지와 기술을 최적으로 조합시키는 ‘기후현 차세대 에너지 인프라 구상’과, 이를 위한 5가지의 프로젝트의 개요, 공공시설 모델의 실증 결과를 소개했다.

또한 기후현이 주장하는 ‘차세대 에너지 인프라’는 반독립적인 에너지 공급 시스템이기 때문에 재해 시에 에너지 인프라가 차단된 경우라 하더라도 얼마간의 에너지 공급이 가능하고 피난 장소 등으로서 활용도 기대되고 있다. 때문에 해당 인프라의 보급은 방재 대책의 관점에서도 큰 의미를 가진다.

이번 프로젝트의 공공시설 모델에 관해서는 경제 산업성의 ‘저탄소 사회를 위한 기술 발굴·사회 시스템 실증 모델 사업’의 위탁을 받아 정비했다. 중산간 지역 모델, 도시 모델에 관해서는 환경성의 ‘도전 25지역 만들기 사업’의 위탁을 받아 정비했다. 또한 5가지의 프로젝트에 관해서는 기후 대학, 이비켄, NTT FACILITIES, JX 닛코닛세키 에너지, 모리 빌딩 도시 기획을 비롯한 많은 기업 및 기관의 협력을 받았다.

앞으로도 각 프로젝트의 실증 시험에 대처해 얻어진 실증 결과의 축적, 공개 등을 통해 차세대 에너지 인프라의 보급 개발과 지역의 환경·에너지 관련 산업의 진흥에 공헌해 나감과 동시에, 재해에 강한 지역 만들기에도 기여했으면 한다.

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