타케다 히로시(Takeda Hiroshi)오사카가스 엔지니어링부 에너지솔루션팀

전력과 열을 융통하는 에너지절약 시스템

가스 코제너레이션 시스템(CGS)은 전기와 열을 함께 공급할 수 있어 종합 효율이 높은 시스템이다. 그러나 CGS는 한 수요가의 범위에서만 생각하는 시스템으로, 고객처의 전력 수요 혹은 열수요가 낮은 경우 설비 용량이나 운전 패턴(가동률) 결정에 제약을 가져왔다. 스마트 에너지 네트워크(SEN)는 복수의 수요가를 정보 통신 기술(ICT)로 연결한 커뮤니티 내에서 전력과 열을 융통함으로써 그 제약을 해결했다. 이로써 SEN은 설비 용량이나 가동률의 향상에 따른 한층 더 높은 에너지 절약 및 CO2 저감을 목표로 한다(그림 3).

ICT를 활용한 에너지 최적 매니지먼트

SEN은 ICT를 활용해 한층 더 높은 에너지 절약과 CO2 저감을 실현한다. 실시간으로 공급과 수요의 정보를 취득하면서 최적 제어를 실시하는 것이다. 예를 들면 복수의 수요가정으로 구성하는 커뮤니티 내의 CO2 배출량을 최소화하기 위해, 출력이 변동하는 재생가능 에너지를 우선 이용하면서 고객처의 CGS를 원격 조정해 수급 밸런스를 확보한다. 이때 전력에 한정되었던 시스템에서는 효율적인 에너지 이용을 실시하지 못하는 반면, 열을 포함한 토털 매니지먼트 시스템은 처음으로 에너지 전체의 유효 이용이 가능해진다.

대규모 네트워크와 분산형 시스템의 협조

2008년 7월 일본 정부가 발표한 ‘저탄소 사회 만들기 행동 계획’에 따르면, 2030년까지 일본은 5,300만kW의 태양광발전 장치 도입을 목표로 한다고 전했다. 이는 2005년 대비 40배에 달하는 수치다. 그러나 출력을 조정할 수 없는 태양광발전 장치의 대량 도입은 전력 계통 운용상에 있어 잉여 전력 문제와 주파수 변동 문제 등이 표면화될 수 있다는 지적을 받고 있다.

SEN은 에너지 절약과 CO2 저감을 달성하는 에너지의 토털 매니지먼트를 실현한 다음, CGS와 태양광발전 장치를 협조 제어함으로써 이러한 문제 해결에 공헌할 수 있다(그림 4).

잉여 전력 문제에의 대책

태양광발전 장치를 대량 도입할 경우, 연말연시나 명절연휴, 중간기의 토·일요일, 국경일 등의 때에 발전량이 수요량을 웃돌아 잉여 전력이 발생할 것으로 예상할 수 있다. 그러나 ‘저탄소 전력 공급 시스템에 관한 연구회 보고서(2009년 7월)’를 살펴보면 계통 측에 대량의 축전지를 도입함으로써 잉여 전력 발생 문제에 대해 대응할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 오사카가스는 잉여 전력이 발생하는 며칠간이라도 CGS 출력을 낮춰 축전지 용량을 저감할 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 확인했다(그림 5).

주파수 문제에의 대책

CGS는 출력 조정이 용이하기 때문에 이 능력을 활용해 태양광발전 장치의 출력 변동의 보완을 실시함으로써 주파수 문제를 해결할 수 있다.

실증 시험 실시

교토리서치파크(KRP)는 2009년 4월부터 SEN을 실현하는 요소 기술 중 ‘CGS에 의한 태양광 시스템 출력 변동의 평활화’와 ‘CGS의 원격 조정’에 대해 실증 시험을 실시하고 있다. KRP는 1989년에 설립된 일본 최초의 민간 리서치 파크로, 현재 IT계를 중심으로 약 250사의 기업이 입주하고 있다(그림 6).

코제너레이션에 의한 태양광 시스템 출력 변동의 평활화

이 실증 실험은 KRP 6호관에 신설한 태양광발전 장치의 출력 변동을 컨트롤러로 계측해, 그 변동을 없애도록 2호관의 기설 CGS의 출력을 제어하는 구성으로 실시했다(그림 7, 사진 1, 표 1). 태양광발전 장치 출력의 30분 이동 평균한 것을 평활화 목표로 해, 그 때의 출력과 평활화 목표의 차분을 CGS가 출력하도록 했다(그림 8).

시험 결과 태양광발전 장치의 출력 감소(또는 증가) 시에 CGS가 출력을 증가(또는 감소)시켜, 시스템 출력의 변동을 보완하고 있다는 것을 확인했다(그림 9).

CGS 원격 조정

오사카가스는 지금까지 ‘에코 라인 시스템’이라고 불리는 CGS의 원격 감시 시스템을 개발, 운용하고 있다. 에코 라인 시스템은 CGS의 가동 상황을 수시로 수집해, 이상 감시나 설비의 예방 보전에 활용하는 시스템이다. 그러나 고객의 CGS를 원격으로 제어하는 데에는 ‘제어 통신이 중단되었을 때의 안전성 확보’나 ‘고객의 운용 계획에의 영향 회피’와 같은 과제를 해결할 필요가 있어 지금까지 실시되고 있지 않았다.

보통 CGS를 설치한 고객은 그 날의 열 및 전력의 수요에 근거해 운전하지만, 이번에 오사카가스는 고객의 운용(예를 들면 매전 일정 제어)을 기준으로써 제어 편차만을 지령하기로 했다. 이렇게 함으로써 혹여 통신이 끊어졌을 경우에도 고객에게 불편함을 끼치는 일 없이 운용을 계속할 수 있다(그림 10). 또한 고객의 사정에 따라 미리 제어 가능한 범위를 설정해 두면(예를 들면 정격 출력 ±5% 등) 조업에의 영향을 한정하면서 원격으로의 출력 제어가 가능해진다.

스마트 에너지 네트워크 센터로부터의 원격 조정 지령은 인터넷 VPN 회선 및 고객에게 설치된 로컬 단말을 통해 제어 편차로써 CGS에 주어진다. CGS는 외부로부터의 제어 편차 지령을 수신할 수 있도록 개조했으므로, 종래의 운용 출력과 제어 편차 지령의 합계치에 근거해 제어를 실시한다(그림 11).

스마트 에너지 네트워크 실증 사업

현재 KRP의 실증 시험 결과를 활용해 오사카가스 공급 구역 대(大) 에너지 커뮤니티를 구축해 SEN 실증 사업을 진행하고 있다. 실증 사업은 광역 구역과 특정 구역으로 나눠서 진행하고 있으며, 광역 역은 오사카가스가, 특정 구역은 도쿄가스가 담당한다.

먼저 광역 구역의 경우 기존 지역인 오사카부 오사카시의 냉난방 시설 ‘이와사키 에너지 센터’와, 효고현 가코가와시, 시가현 고난시 등 5곳에 설치한 태양광발전 장치, 교토리서치파크를 포함한 7건 고객의 코제너레이션을 제휴한다.

이를 통해 ‘지리적으로 떨어진 복수의 전원·수요를 통합 제어함으로써 각 사이트에서 열의 최적이용을 고려하면서 커뮤니티 전체에서 전력 융통하는 효과’, ‘일반 통신회선을 활용한 에너지 공급 설비의 원격 조정’, ‘태양광발전 장치의 출력 상황에 따른 CGS의 협조 제어에 의한 태양광 시스템 대량 도입 시의 잉여 전력 및 출력 변동 대책’에 대해 실증하고 있다.

실제로 CGS를 운용하고 있는 고객의 협력을 얻어 실증을 진행함으로써 실제 운용상의 과제가 명확해졌다. 따라서 조기의 비즈니스화나 대규모 지역 실증에의 순조로운 제휴를 기대할 수 있다(그림 12).

도쿄가스는 특정 구역 내(도쿄 가스 센쥬 테크노스테이션＋아라카와구립 특별 양호)에 있어서 전력과 열의 융통 등을 실시하고, 커뮤니티 내의 최적화를 도모한다(그림 13).

한편 도쿄가스와 오사카가스는 경제 산업성의 ‘분산형 에너지 복합 최적화 실증 사업’에 채택되어 공동으로 실증 사업을 실시하고 있다.

KRP 실증 시험에 의해 SEN을 구성하는 요소 기술을 개발하고, 경제 산업성의 실증 사업으로 연결시킬 수 있었다. 이번 공동 실증을 통해 과제를 밝혀내고, SEN의 실현을 위해서 필요한 각종 대처에 대해서 그 성과를 기본으로 관계자와의 제휴를 진행시켜 나갈 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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