이치가와 토오루(Ichigawa Tooru)

도쿄가스 에너지기획부 에너지공공G

쿠즈키 료타(Kuzuki Ryouta)

도쿄가스 에너지기획부 에너지계획G

지난해 9월 일본정부는 2020년의 중기 목표로 1990년 대비 25%의 온실효과가스 삭감목표를 내세웠다. 특히 민생부분은 산업구조의 제3차 산업으로의 전환이나 세대구성 변화 등에 따라 온실효과가스의 배출총량이 여전히 계속해서 증가하는 데에 따라, 종래의 대책을 뛰어넘는 한층 더 높은 에너지절약·CO₂ 저감대책이 매우 중요한 과제가 되었다. 교토의정서 목표달성계획에 언급되어 있듯이 건물 단체(單體)를 넘는 스케일에서의 에너지 면적이용이나 재생가능 에너지 및 이용하지 않는 에너지의 대폭적인 이용확대가 요구되고 있다.

도쿄가스는 이번 민생부분의 보다 좋은 저탄소화 대책으로 쿠마가야시전 및 마로드인 쿠마가야전과 제휴해 태양열 및 ‘태양광발전을 이용한 건물간 융통형 에너지의 면적이용 프로젝트’를 개시했다. 본 기사에서는 이번 프로젝트의 실시에 이르게 된 배경과 시스템의 개요를 소개한다.

프로젝트 실시의 배경

2008년 5월의 에너지 절약법 개정으로 2,000㎡ 이하의 빌딩에서도 규제 범위가 확대됐다. 이로써 일본 내에 방대한 스톡이 존재하는 기존의 중소규모 빌딩에도 구체적인 에너지절약·CO₂ 저감대책이 요구되게 되었다⁽²⁾. 이번 개정에서는 특정사업자, 특정연쇄화 산업자의 지정을 통한 사업자 단위에서의 에너지 관리나, 여러 사업자가 제휴해 자주적으로 실시하는 공동 에너지절약 사업, 즉 ‘에너지의 면적이용’등도 평가 대상이 되었다. 이에 민생부문의 저탄소화 대책은 이후 다양한 변화가 생길 것이라고 예상된다.

한편, 2008년 6월의 온대법(지구온난화 대책의 추진에 관한 법률) 개정에 따라 지방공공단체의 실행계획의 책정이 도도부현 및 특례시 이상의 지방공공단체에 대해 의무화되었다⁽³⁾. 이에 따라 각 지방공공단체에서는 지역의 자연적·사회적 조건에 맞는 시책의 실천이 지금까지보다 이상으로 요구되게 되었다.

이에 도쿄가스는 준공 후 25년을 계기로 자사의 사무소빌딩인 쿠마가야빌딩(총 바닥면적 1,400㎡)에서 실시한 대규모 열원개수에 맞춰 민생부분의 저탄소화를 더욱 적극적으로 실천하기 위해 태양열을 이용한 냉난방 및 급탕시스템을 도입한 바 있다. 이번 프로젝트는 이 도입 이후의 태양열이용 시스템의 가능성을 최대한 살려, 건물 단체에서는 있을 수 없는 에너지절약·CO₂ 저감을 가능하게 하는 건물간 융통형 에너지의 면적이용을 실시하는 것이다.

프로젝트 실시 사이트의 특색

본 프로젝트의 실시사이트인 쿠마가야시는 2007년 8월 16일 일본의 기상청 관측사상 최고기온인 40.9℃를 기록하는 등 뜨거운 날씨로 잘 알려져 있다. 쿠마가야시는 이러한 지역적 특성을 거꾸로 살려 지역의 자원으로 활용하는 대처방법으로써 ‘뜨겁다구! 쿠마가야’등의 활동을 추진하고 있다. 또한 쿠마가야시는 연간 쾌청한 날이 많은 것으로 일본에서 손꼽히는 도시이기도 하다. 때문에 쿠마가야시가 2009년 3월에 책정한 ‘쿠마가야시 지구온난화대책 지역추진계획’⁽⁴⁾에서는 태양에너지의 유효이용을 저탄소화의 중점적인 대처의 하나로 평가하고 있다.

도쿄가스 쿠마가야빌딩은 남쪽 면이 국도에 접하고 종일 다른 건물에 방해 받는 일 없이 옥상에서는 연간 풍부한 일사량을 얻을 수 있다. 이 입지상의 특성을 살려, 태양에너지를 냉난방 및 급탕에서 최대한 유효하게 이용하는 것을 목표로 했다. 실시사이트의 개요를 그림 1에 나타낸다.

그림 1. 실시사이트의 개요. 도쿄가스 쿠마가야빌딩은 남쪽 면이 국도에 접하고 종일 다른 건물에 방해 받는 일 없이 옥상에서는 연간 풍부한 일사량을 얻을 수 있다.

시스템의 구성

아래에서는 올해 3월에 완성된 시스템의 개요를 소개한다. 그림 2에 시스템의 전체구성 이미지를 나타낸다.

그림 2. 시스템의 전체구성 이미지. 이번 프로젝트는 에너지절약·CO2저감을 가능하게 하는 건물간 융통형 에너지의 면적이용을 실시한다.

고효율 집열에 우수한 진공관식 태양열집열기(기설)

태양열집열기는 흡수냉동기의 구동용 열원으로써 80℃ 정도의 고온수를 얻을 필요가 있기 때문에 고온인 동시에 고효율의 집열에 우수한 진공관식 태양열집열기를 채용했다. 또한 집열면적을 최대화할 수 있도록 평평하게 설치했다. 집열효율은 50%, 최고 시점에서 47kW의 집열량을 기대할 수 있다. 이것은 태양광발전의 통상 변환효율 수 십 %와 비교해 훨씬 크고 옥상면적이 정해진 본 빌딩과 같은 경우에서는 특히 유효하다.

공조·급탕시스템(기설)

고온수로 집열된 태양열은 냉방 시는 태양열구동 흡수냉동기로 보내져 냉수로 변환해 이용한다. 난방 시에는 난방용 열교환기에 보내진다. 또한 저탕조를 설치해 급탕용의 급수예열에 이용한다. 도쿄가스 쿠마가야빌딩의 열원개수에서 갱신된 가스흡수냉온수기, 잠열(潛熱)회수형 고효율급탕기 ‘에코죠즈(천연가스를 사용한 잠열회수형 가스 급탕 난방 열원기)’는 모두 태양열 이용 시스템과 제휴해 태양열을 우선적으로 이용하도록 제어를 고안하고 있다.

건물 간 융통형 에너지의 면적이용(신설)

도쿄가스의 쿠마가야빌딩은 사무소 빌딩이기 때문에 급탕용 열 수요가 아주 적다. 또한 봄·가을의 중간기나 출근하는 사람이 적은 휴일은 공조부하도 떨어져 태양열의 잉여가 발생한다. 그래서 국도를 끼고 인접한 호텔 마로드인 쿠마가야전의 중간기나 휴일도 포함해 큰 급탕용의 열수요가 있다고 하는 특성을 활용해 건물간 융통형 에너지의 면적이용에 따라 태양에너지를 최대한 유효하게 활용하기로 했다.

‘건물간 융통형 에너지의 면적이용’은, 건물 소유자간의 합의형식이나 열융통 도관의 국도 아래의 점용허가를 필요로 하는 등의 사정이 있어 지금까지 실시된 예가 적다⁽⁵⁾. 본 프로젝트에서는 ‘지역자원으로써의 태양열의 이용확대에 따른 저탄소사회 만들기’라고 하는 지역의 목표를 쿠마가야시전, 마로드인 쿠마가야전과 공유함에 따라 이 문제를 극복해 합의형식에 이르렀다.

더욱이 본 프로젝트에서는 태양에너지의 대폭적인 이용확대 및 에너지의 면적이용이 보다 다양한 케이스로 응용할 수 있음을 나타내는 모델이 되는 것을 목표로 아래의 대책도 아울러 실시하고 있다. 그림 3에 시스템의 흐름을 나타낸다.

그림 3. 시스템 흐름.  태양에너지의 대폭적인 이용확대 및 보다 다양하게 응용 가능한 에너지의 면적이용을 나타낸다.

태양광발전(신설)

열융통에서 이용되는 열매온수의 반송용 펌프 동력 상당분의 전력에 대해서는 태양광발전 패널을 병설해 그 전력으로 조달한다. 에너지의 면적이용에서 필요한 열매(熱媒) 반송의 에너지소비 및 CO₂를 없애는 것과 동시에 후송하는 코제너레이션 시스템과의 제휴에 따라 보다 높은 에너지 절약·CO₂ 저감을 도모한다(사진 1).

코제너레이션 폐열에 따른 태양열의 출력이나 온도 레벨의 보완(신설)

태양열의 집열량, 온도레벨은 기후에 따라 변동하기 때문에 대량 도입을 도모하면서 안정적으로 공급하기 위해서는 건물 측의 열부하에 맞춰 집열 등을 보완할 필요가 있다. 본 프로젝트에서는 중소규모 업무용 대상으로는 최고 클래스의 발전효율을 가진 천연가스 엔진 코제너레이션 시스템을 도입해, 그 폐열에 의해 태양열의 변동을 보완하기로 했다. 발전효율이 높은 코제너레이션 시스템의 폐열은 환경부하가 낮고 현장에서의 열부하 변동에 대응했던 유연한 출력 조절이 가능하기 때문에 태양열과의 친화성이 높은 시스템을 구축할 수 있다. 또한 발전한 전력은 전부 쿠마가야빌딩 측에서 소비한다(사진 2).

사진 2. 천연가스 엔진 코제너레이션 시스템. 중소규모 업무용으로는 최고 발전효율을 가진 천연가스 엔진 코제너레이션 시스템을 도입했다.

사진 3. 가시화 시스템. 태양열이용·태양광발전·코제너레이션·열원기군의 계측정보를 일원화해 컴퓨터에 표시하는 가시화 시스템을 구축했다.

여기에서는 열부하의 패턴이 다른 호텔과의 열융통을 실시하기 때문에 연간 가스엔진이 정격으로 높은 종합효율을 유지하면서 장시간 운용할 수 있어, 가구 레벨에서의 보다 높은 에너지 절약에 이바지할 것이라고 기대할 수 있다.

운용최적화와 지역에의 CO₂ 저감 추진계발을 지원하는 가시화 시스템

태양열이용·태양광발전·코제너레이션·열원기군의 계측정보를 일원화해 컴퓨터에 표시하는 가시화 시스템을 구축했다. 이로써 사용자가 매일 운용성과를 확인할 수 있도록 했다. 더욱이 고효율적인 운용계획과 시행을 지원함과 동시에 지역 사람들에게도 알기 쉽게 설명할 수 있도록 고안해 저탄소화사회 만들기의 의식계발에 도움이 된다.

국토교통성의 모델사업의 채택

기존 중소규모빌딩의 경우 건물 단독에서의 에너지 절약·CO₂ 저감대책은 선택사항이 한정되어 있는 경우가 많다. 에너지의 면적 이용이 성립됨으로써 본 프로젝트는 위에 나타낸 것처럼 건물 단체를 넘는 레벨에서의 보다 높은 에너지 절약·CO₂ 저감을 도모할 수 있게 되었다.

본 프로젝트는 작년 11월에 국토교통성의 2009년도 제2회 주택·건축물CO₂ 저감 추진사업으로 채택되었다⁽⁶⁾. 본 사업에서는 응모 시에 프로젝트의 모델성·선진성을 나타내도록 요구되었다. 아래에 그 개요를 나타낸다.

① 국도를 끼고 인접한 소유자가 다른 민간건물 사이에서 태양열을 열융통 하는 것은 국내에서 처음인 대처로 선진성이 있다.

② 스톡이 큰 기존 중소규모업무용 빌딩에 적용할 수 있는 형태로, 건물간 융통형 에너지의 면적이용을 실시해 건물 단체를 넘는 CO₂ 저감을 목표로 하는 점은 모델성이 있다.

③ 에너지의 면적이용에 필요한 열매의 반송동력을 태양광발전의 전력에서 조달하는 시스템 구성에 모델성이 있다.

④ 태양열의 출력이나 온도 레벨이 기후에 따라 변동하는 것에 대해 환경부하가 낮은 천연가스 코제너레이션의 폐열로 보완하는 시스템 구성에 선진성이 있다.

⑤ 재생가능 에너지의 이용확대를 동기로 했으며, 지방공공단체, 건물소유자간의 협력관계의 성립과정 자체에 모델성이 있다.

채택발표 시의 개평(槪評)에서는 ‘지역특성을 살려 중소 오피스빌딩의 태양열을 인접 호텔에 융통해 그 유효이용을 도모하고, CO₂ 저감에 연결되는 기술의 검증 프로젝트로 재생가능 에너지의 이용확대에의 시도로써 평가할 수 있다. 지역에의 가시화를 통해 CO₂ 저감 의식을 계발하는 시도도 실시되도록 하고 있어 자치단체와의 제휴에 의해 유사 프로젝트의 출현으로 이어질 것을 기대한다’고 평가되었다.

기대되는 에너지 절약·CO₂ 저감 효과

기존의 중소규모 빌딩의 경우 건물 단독에서의 에너지 절약·CO₂ 저감 대책은 선택사항이 한정되어 있는 경우가 많다. 열원개수기회를 계기로 에너지의 면적이용이 성립됨으로써, 본 프로젝트에서는 건물 단체를 넘는 레벨의 에너지 절약·CO₂ 저감을 기대할 수 있다. 양 건물 합계로 연간 약 233GJ의 에너지 절약효과(일차에너지 소비량) 및 연간 약 11t의 CO₂ 저감 효과가 기대된다. 이 효과는 그림 4에 나타내듯이 본 빌딩에서의 열원개수 전후 비교에서는 개수대상 범위를 기본으로 하면 약 78%의 에너지 절약에 해당한다.

그림 4. 기대되는 에너지절약·CO₂ 저감효과. 이번 프로젝트를 통해 연간 약 233GJ의 에너지 절약효과 및 약 11t의 CO₂ 저감 효과가 기대된다.

본 프로젝트는 올해 3월에 준공해 2010~2011년까지 2년간의 운용을 통해 기술검증을 실시함과 동시에 지역 사람들을 비롯해 널리 정보를 전달해 저탄소화 대책의 계발이나 지역 활동에의 공헌을 목표로 해 나갈 예정이다.

스마트에너지 네트워크의 형성을 향해

도쿄가스 그룹이 현재 지향하고 있는 것은 ‘스마트에너지 네크워크’의 콘셉트다. 미국의 오바마정권의 공적을 통해 널리 알려지게 된 스마트 그리드는 전력계통을 대상으로 정보통신기술(ICT)을 구사하고 전력 수요측과의 제휴에 의해 전력계통을 고도로 운용하는 콘셉트지만, ‘스마트 에너지 네트워크’는 전력뿐만 아니라 가스나 증기, 냉수, 온수 등을 포함한 진화된 개념이다. 이미지를 그림 5에 나타낸다.

그림 5. 스마트 에너지 네트워크의 이미지. 현재 도쿄가스가 지향하고 있는 ‘스마트 에너지 네트워크’는 전력뿐 아니라 가스, 증기, 냉수, 온수 등을 포함한 진화된 개념이다.

향후의 저탄소사회를 만들기 위해 에너지의 면적이용이 짊어져야 하는 역할은 기본적으로 다음의 3가지로 집약된다.

첫째, 열원·전원의 고효율화가 일부분의 건물이나 지점에서 실시되는 경우, 에너지의 면적 이용 지구(地區) 전체에서 효과를 누릴 수 있을 것.

둘째, 지산지소형의 에너지원의 이용확대를 도모할 수 있을 것. 그것을 위해서는 출력이나 온도의 변동 등을 현장에서의 열원, 전원 시스템 등으로 보완할 수 있을 것.

셋째, 에너지의 면적이용이 보다 광역적으로 제휴해 전력, 가스, 증기, 냉열, 온열 등의 다양한 에너지 형태가 적재적소에 편성되어, 전체 최적을 도모하는 ‘스마트 에너지 네트워크’로 진화할 것.

위의 세 항목은 발전단계를 나타내고 있다. 이 이미지를 그림 6에 나타낸다. 도시의 ‘콤팩트 시티’화를 목표로 하고 있는 지금, 이러한 모든 단계를 내려다 본 전체 최적의 시점에서 중장기적으로는 스마트 에너지 네트워크의 형성을 염두에 둔 도시 계획이 중요하다.

그림 6. 에너지의 면적이용으로부터 스마트에너지 네트워크에의 발전 이미지. 다양한 에너지 형태가 적재적소에 편성되어 전체 최적을 도모하고 있다.

재생가능 에너지를 편성한 국도 아래에 열융통 도관을 부설하는 건물간 융통형의 에너지의 면적이용은 본 프로젝트가 국내 최초의 대처가 되었지만, 이미 유럽연합(EU)에서는 훨씬 큰 스케일로 지역을 향상시킨 대처로 태양열·태양광을 지역의 열·전력의 네트워크로 융통해 천연가스 바이오매스 코제너레이션이 제휴한 프로젝트가 수많이 실시되고 있다. 유럽위원회가 지속가능한 동시에 에너지 효율이 높은 커뮤니티의 실현을 위한 의사와 행동계획을 가진 지역·커뮤니티를 지원하는 프로젝트 CONCERTO가 그 대표다⁽⁷⁾.

그림 7. EU CONCERTO 프로그램의 예(슈투트가르트시의 폴리시티 프로젝트).  CONCERTO 프로젝트는 에너지 효율이 높은 커뮤니티 실현을 위한 행동계획의 대표적인 예로 유럽위원회가 지원한다.

또한 유럽 지역내의 에너지 네트워크의 효율성, 유연성, 안전성, 신뢰성 및 품질의 향상을 목적으로, 지역내의 가스·전력의 네트워크가 있어야 하는 모습의 구축을 목표로 하는 스마트 에너지 네트워크(Smart Energy Network) 프로그램도 진행 중이다⁽⁸⁾. 일본에서도 본 프로젝트의 첫걸음이 되는, 보다 광역적인 스마트 에너지 네트워크의 형성으로 이어지기를 기대한다.

참고문헌

(1) 교토의정서 목표달성계획, 2005년 4월

(2) 개정에너지절약법에 의한 기업의 에너지 절약 추진에 대해서, 경제산업성 자원에너지청 에너지 절약·신에너지부 에너지절약 대책과, 월간 ‘에너지 절약’ Vol.61, No.5(2009)

(3) 지구온난화대책 지방공공단체 실행계획(구역 시책편), 책정 매뉴얼(제1판), 환경성(2009년 6월)

(4) 쿠마가야시 지구온난화 대책 지역추진계획, 쿠마가야시(2009년 3월)

(5) 에너지의 면적이용의 촉진에 대해서, 우치마관방(官房) 도시재생 본도 사업국, 국토교통성, 자원에너지청(2005년 6월)

(6) 국토교통성 보도발표 ‘2009년도(제2회) 주택·건축물 CO2저감추진 모델사업의 선택 프로젝트의 결정에 대해서’, 국토교통성(2009년 11월 5일)

(7) CONCERTP Cities Demonstrate Energy and Climate Change Policy(2008년 9월)

(8) Area Energy 7 Smart Energy Network, 유럽위원회 교통·에너지총국(2007년 2월)

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.

[SolarToday ()]

[저작권자 © 솔라투데이, 무단 전재 및 재배포 금지]