집합주택의 ‘창 에너지화(Energy Creation) 리노베이션’ 실증시험

기존 주택을 에너지 절감 주택으로 바꾼다

나고야 아키라(Nagoya Akira)

JX닛코 일본석유에너지(주) 신에너지시스템 사업본부 에너지시스템 개발부 부장

국가와 지방자치단체의 보조금 정책과 재생 에너지 전력 매입 제도 실시에 따라 신축주택을 중심으로 태양광발전, 연료전지, 축전지 등을 도입하는 ‘창 에너지화’ 보급이 빠르게 진행되고 있다. 또 주택 자체의 노력으로 환경 부하를 저감하는 에코하우스의 보급도 시작되고 있다.

하지만 기축주택, 특히 집합주택은 신축주택 만큼 ‘창 에너지화’ 도입이 이뤄지지 않고 있다. 이것은 거주자의 동의를 얻는 절차에 시간이 걸리고, 거주자가 살고 있는 상태에서 큰 공사를 할 수 없는 등의 장애가 존재하기 때문이다.

JX닛코 일본석유에너지는 기축집합주택 시장에 ‘창 에너지화’를 보급시키기 위한 방법으로 기축집합주택의 ‘리노베이션’과 ‘창 에너지화’ 보급을 동시에 실시하는 ‘창 에너지 리노베이션’을 제안하고 있다. 리노베이션은 구조체를 남긴 채, 내장재 및 주택 설비를 새롭게 해 주택 가치를 높이는 대규모 개수 공사다. 전체 스크랩&빌드에 비해 CO₂ 절감, 건축 자재 비용 절감, 공사 기간 단축을 도모하는 등의 이점이 있다. 리노베이션을 진행하면서 태양광발전이나 연료전지 등의 에너지 시스템을 같은 시기에 도입하면 위의 장애물을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, ‘창 에너지화’의 이점, 이를테면 환경부하저감, 에너지비용감소, 에너지의 지방소비에 의한 송전 손실 저감을 도모할 수 있을 것이다.

JX닛코 일본석유에너지는 현재 ‘창 에너지 리노베이션’의 가능성을 입증하기 위해 보유하고 있는 사택을 이용한 실증시험을 실시하고 있다. 이번에는 JX닛코 일본석유에너지 사택에 도입된 에너지 시스템을 중점적으로 소개하려 한다. 본 실증시험은 경제 산업성과 요코하마시가 주도하는 ‘요코하마 스마트시티 프로젝트’ 사업의 일환으로 실시되고 있다.

실증시험의 개요

본 실증시험은 요코하마 이소고구에 있는 JX닛코 일본석유에너지 사택 시오미다이 아파트에서 실시됐다. 시오미다이 아파트는 건축한 지 45년이 경과해 노후화가 진행되고 있었다. 이 중 한 동(16세대)에 리노베이션을 실시했다. 벽·바닥에 단열재 시공 및 일반 알루미늄 새시에서 Low-E 이중유리로 변경하는 과정을 통해 리노베이션 공사 전에 비해 냉난방 부담을 73% 줄일 수 있다고 추산했다. 또한 창문의 구조도 양문형 창(윈드캐쳐)으로 하는 것으로 쾌적성을 유지하면서 공기조절 에너지 소비 절감을 도모했다. 사진 1은 리노베이션 후 사택의 전체 사진을 나타낸 것이다.

에너지 시스템의 특징

리노베이션과 동시에 가정용 연료전지 ‘에너지 팜(고체 산화물형·0.7kW×6대)’, 태양광발전 시스템 (20kW), 리튬 이온 축전지 시스템(25kW, 30kWh) 및 히트펌프식 급탕기(4.5kW×2대)에서 완성된 복합형 에너지 시스템(이하 창 에너지 시스템)을 도입했다. 그림 1은 ‘창 에너지 시스템’의 구성을 나타낸 것이다. 사진 2는 설치 후의 외관 사진이다.

‘창 에너지 시스템’의 특징은 두 가지로 자립 분산형 에너지 시스템과 전력·열 일괄 공급이다. 창조에너지 시스템은 발전한 전력과 열을 최대한 사택 내에서 자기소비하는 ‘에너지 지방소비’에 중점을 두고 설계되어 있다. ‘창 에너지화’ 시스템 운용의 이미지를 그림 2에 나타냈다.

가장 큰 특징 중 하나는 연료전지의 사용방법이다. 일반적으로 연료전지는 한 개의 연립주택당 1대가 설치돼 전력 부하에 따른 양의 전력을 공급한다. 반면 ‘창 에너지 시스템’은 6개의 모든 연료전지가 항상 정격운전(0.7kW)해 총 4.2kW의 전력을 사택 1동에 공급한다. 이것은 사택에 입주해 있는 16세대의 기반 전력(냉장고 및 대기전력 등 하루 종일 발생하는 전력 부하)에 대략 해당한다. 또한 연료전지는 정격 운전에 가까울수록 발전 효율도 높아지기 때문에 CO₂ 절감과 발전 비용 절감 효과도 더욱 더 향상될 것으로 생각된다.

연료전지의 전력 공급량 이상의 전력소비에 대해서는 태양광발전 시스템으로 발전한 전력, 축전지 시스템에서 방전되는 전력, 전력계통으로 조달한다. 태양광발전에 의해 잉여 전력이 발생한 경우, 축전지 시스템에 충전된다. 축전지 시스템이 가득 충전된 경우, 히트펌프식 급탕기에 의해 열(온수)로서 축열된다. 충전된 전력 및 축열된 물은 저녁부터 야간에 걸쳐 전력 수요와 급탕 수요가 클 때에 각각 소비된다.

전력·열 일괄 공급

사택으로의 전력계통 공급은 전력 회사에서 고압(6.6kV)에서 수전하고, 당사가 설치한 수변전 설비로 저압(200V)으로 떨어뜨려 각 세대에 공급하는 이른바 ‘일괄 고압수전’ 공식을 채용하고 있다.

급탕에 있어서 연료전지와 히트펌프 급탕기로 만들어진 물은 먼저 3,000리터의 온수저장탱크에 모아져 거기에서 급탕 펌프에 의해 각 세대에 공급되는 ‘중앙 집중 방식’이다. 창 에너지 시스템을 위의 방법으로 운용함으로써 전력계통에서 전력을 구입해, 종래 가스 온수기에서 급탕한 경우에 비해 CO₂ 배출량을 약 50% 줄일 수 있을 것으로 전망하고 있다(그림 3). 전력 자급률도 80%에 달한다는 계산 결과가 나왔다.

에너지 관리 시스템

본 실증시험에서는 전력 및 열 등의 에너지에 대한 정보를 표시하거나 전력 부하 등을 제어하기 위해 사택에 에너지관리시스템(EMS)을 도입했다. 그림 4는 EMS의 전체 구성도를 나타낸 것이다. EMS는 크게 도시 지역전체의 에너지를 컨트롤하는 ‘CEMS’, 사택 전체 에너지 정보 표시와 제어하는 ‘MEMS’ 그리고 각 세대의 에너지 정보 표시 및 제어하는 ‘HEMS’, 이 세 개로 구성된다. 이 중 CEMS는 본 실증시험뿐만 아니라, 요코하마 스마트 시티 프로젝트 전체를 총괄하는 것이며, 2012년 중에 운용을 시작할 예정이다. 당사가 이 실증시험에서 사택에 설치한 것은 MEMS와 HEMS이다.

MEMS와 HEMS는 CEMS의 지배하에 들어가 있어 CEMS에서의 수요반응 지령에 대응하도록 되어있다. 예를 들어 CEMS에서 소비 전력 억제를 요청하면 MEMS는 EV충전기, 공용부 에어컨, 공용부 조명 등 우선순위가 낮은 설비의 전력 부하를 강제로 OFF하거나, 또는 부하를 떨어뜨리도록 제어한다. 또한 HEMS에서는 단말화면에 마을이 전력 부족이라는 것을 표시해, 각 세대 주민의 자발적인 에너지 절약 행동을 권장한다.

거주 실증시험

2012~2014년 3년간 JX닛코 일본석유에너지 직원 가족 15세대(16세대 중 1세대는 관리실로 사용)가 이 사택에 입주해 거주 실증시험을 실시하게 된다. 거주 실증시험의 목적은 이번에 도입한 ‘창 에너지화’ 시스템을 실제로 운영해, 예상대로의 CO₂ 배출량과 에너지 비용 절감, 또는 전력 자급률 향상이 달성되고 있는가를 확인하기 위한 것이다. 또 이를 통해 시스템과 운영방법의 개선을 도모할 것이다. CEMS의 운용이 시작되면 수요 반응에 의한 전력 절감의 효과에 대해 검토를 시작하게 된다. 각 세대의 에너지 절약 행동을 촉진하기 위해 어떤 인센티브가 유효한지에 대해서도 검토할 예정이다.

향후의 전개

JX닛코 일본석유에너지는 본 실증시험을 통해 ‘창 에너지 리노베이션’의 지식을 축적한 후 기축집합주택 시장에 진출하는 것을 계획하고 있다. 본 실증시험에서 배양된 기술은 집합주택뿐만 아니라, 도시 구획의 ‘창 에너지화’에도 응용할 수 있다. 주택 하나하나를 도시의 발전소 ‘창 에너지 하우스’로 진화시키는 것과 동시에 당사의 서비스 스테이션을 주택 간 에너지 융통을 지원하는 ‘지역 에너지 거점(창 에너지 스테이션)’으로서 활용하는 것도 좋은 방법으로 생각된다. ‘창 에너지화 하우스+창 에너지화 스테이션’ 구상은 에너지 자급률이 높은 스마트 커뮤니티 ‘창 에너지화 타운’의 실현을 위해 앞으로 검토돼야 할 것이다.

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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