[전기 먹는 건물의 똑똑한 변신 - 그린홈 ⑤] 원격 감시 시스템으로 공장 에너지 관리

2010년　일본에서 있었던 '개정 에너지 절약법'시행, '도쿄도 환경 조례'개정, 총량규제&배출권 거래(캡 앤드 트레이드Cap and Trade), 탄소 발자국(Carbon Footprint) 등의 움직임에서 알 수 있듯이 기업을 향한 CO₂감축의 목소리는 더욱 커지고 있다.
이렇다 보니 기업(공장)의 에너지 절약 활동은 보다 절실해졌다. 기업은 각 공장에서 에너지 절약의 감축 대상을 찾아내고 에너지 절약 대책을 세우는 한편, 각 공장에서 이뤄지는 에너지 절약 활동을 파악해 기업 전체의 CO₂감축 활동 결과를 정리해야 한다.
그러나 점점 엄격해지는 법령을 준수하기 위한 기업(공장)의 공수工겤 부담 증가도 부정할 수 없는 사실이다. 이 공수를 줄이는 일도 큰 과제다.
공장에서 에너지 절약의 감축 대상을 선정하는 유력한 '시각화'수단에는 공장 에너지 관리 시스템(Factory Energy Management System, 이하 FEMS)이 유용하다.

앞으로의 FEMS

지금까지 공장에서 이뤄진 에너지 관리는 에너지공급 측 관리(에너지 수용 설비+원동력 설비 측)가 중심이었으며, 수동적인 데이터 수집이나 간단한 집계 소프트(MS-Excel)를 이용한 관리도 적지 않았다.
또한, 공장은 항상 생산 상태에 있다고 할 수 없다. 생산 제품을 변경하고자 작업 순서를 바꾼다든지 고장 등으로 설비가 짧은 시간 멈추는 일도 많기 때문이다. 이러한 경우를 고려하지 않고 단순히 전체 에너지 사용량을 생산량으로 나눠 생산원 단위로 하면 에너지 절약 활동으로 얻은 성과가 공장 전체로 흩어져, 특별히 에너지 절약을 위해 활동한 부서에서는 불공평함을 느낄 수밖에 없다. 그리고 이는 결국 향후 에너지 절약 활동에도 지장을 초래한다. 따라서 에너지 절약을 실천한 부서가 그 효과를 에너지 절감이라는 눈에 보이는 형태로 확인할 수 있어야 한다.
향후 FEMS는 공급 측 관리뿐만 아니라 수요 측 생산 에너지 관리(생산 설비 측)도 망라해 수요와 공급 양쪽 모두가 최적의 에너지 균형(낮은 수급 균형)을 실현하는 관리 시스템이어야 한다. 다시 말해 공급 측은 수요 측 생산 설비의 에너지 사용 상황과 가동 상황을 확실히 파악해 Just In Time으로 과부족 없는 에너지를 공급하고, 수요 측은 공급 측 상황을 반영해 에너지를 소비하는, 상호 협조 관리 시스템인 것이다(<그림 1> 참조).
이는 '에너지 공급 측은 수요 측이 생산을 안정적으로 하게끔 항상 많이 공급한다'라는 공급 측의 기존 발상을 전환한 것이며, 생산 설비 측의 품질 향상, 생산성 향상, 안정 생산(QCD)으로도 이어진다. 또한, 이는 (향후 탄소 발자국 실행에 대비한) 제품 에너지원 단위의 상세 관리로 연결된다.

요코가와전기의 FEMS

일본 요코가와전기[橫河電機]의 에너지 조업 지원 시스템 EnerizeE3에서는 '에너지의 무리 · 낭비 · 불균형을 먼저 발견하는 일이 에너지 절약 활동의 선결사항이며, PDCA 사이클을 회전시키는 계속적인 에너지 절약 활동이 여기서부터 시작된다'고 여긴다.
구입 에너지를 관리할 뿐만 아니라 공급 측 전력, 증기, 냉수, 온수 등의 에너지 흐름(에너지 플로 Flow)을 세부까지 관리한다. 게다가 수요 측 생산설비와 생산 공정의 어디에서 어떤 에너지를 소비하는지, 어디에서 낭비가 일어나는지를 '시각화'한다.
<그림 2>는 EnerizeE3가 목표로 하는 Energy On Demand 공급과 요코가와전기 제품군 사이의 위치를 나타낸 것이다.
상위 정보계의 생산 정보 시스템과 링크해 공정별 제품 에너지원 단위를 산출하고, 생산 설비 기기의 효율 · 열화 상황을 차례로 파악해 예측 보전에도 일조하는 기능이 있다. EnerizeE3에서 해석한 결과를 하위 계측계 · 감시 제어계 시스템에 반영해 생산 설비의 효율화를 제공하는 시스템을 지향한다.

시스템 개요｜에너지 관리 대상은 <그림 3>의 일부인 '에너지 데이터'+ '에너지 관리 정보'처럼 여러 갈래에 걸친 상당히 방대한 데이터다.
매년 변경되는 CO₂환산 값과 요금 체계, 설비 · 조직 변경에서 바뀌는 기술 계산 값과 비용 집계 관리는 수동적인 데이터 수집이나 간단한 집계(표 계산 소프트)로는 이미 불가능하다.
EnerizeE3에서는 '에너지 관리 정보'를 체계화하고 비주얼로 입력함으로써, 지금까지 혼잡했던 부서별, 공정별, 장치별 CO₂ · 비용 관리의 연산을 계산식을 입력하지 않고도 자동 연산이 가능하다. 또한, 수용에서 개별 기기 · 소비 말단까지의 에너지 플로를 빌더Builder로 기술함으로써 1차 에너지(전력, 도시가스, 중유 등)의 CO₂ · 비용 정보를 자동으로 말단의 CO₂ · 비용 정보로 연결한다. 거기다 에너지 플로를 따라 CO₂ · 비용 관리에서 이끌어낸 원 단위와 공정 · 장치의 손실, 기기의 COP 효율 등을 이미 준비한 각종 그래프로 해석해 공정 · 장치의 개별 에너지와 효율을 관리하며, 드릴 다운Drill Down(거시 관리부터 개별기기까지의 해석)이 가능하다(<그림 3> 참조).
시스템 구성｜에너지 관리는 공장, 사무동 건물, 플랜트, 유틸리티 설비 등 모든 설비에 적용이 가능해야 한다.
이 때문에 신호 전송에는 OPC(OLE for Process Control) 등 범용 신호 전송 기술을 채용했다. OPC 등의 인터페이스가 없는 기존 시스템에서는 CSV 형식으로 변환해 파일에서 데이터 변환이 가능하다. 또한, 인터넷이나 광역 에어리어Area 네트워크 등을 사이에 두고 물리적으로 떨어진 각 공장, 공업단지나 콤비나트Kombinat, 지역단위의 광역 에너지 관리에까지 감시, 원격 모니터링을 할 수 있으며, 보안까지 고려했다. 시스템 구성은 <그림 4>와 같다.

비주얼 빌더 흐름｜<그림 5>는 비주얼 빌더로 구축한 시스템의 개략적인 흐름을 나타낸 것이다.
이 방법을 통해 조직별, 또는 공정별 CO₂ · 비용 · 열량 환산 값을 복잡한 수식 없이 자동 산출하며, 생산 공정 · 설비의 변경에 수시로 유연하게 대응한다.
① 수집한 에너지 데이터에 계수(요금표와 CO₂환산표, 열량 환산표를 따름)를 곱하고 수계산手計算한다.
② 에너지 플로의 기술記述로 에너지 플로에 맞춘 CO₂ · 비용 · 열량 환산 값을 자동으로 소비 측에 분배 산출하고 장치의 COP, 손실도 자동산출한다.
③ ②에서 산출한 데이터를 비례 배분표에 따라 분배한다.
④ 비례 배분한 데이터를 조직도(구조도)에 따라 재집계한다.

변동 계수의 설정 · 관리｜매년 변경되는 CO₂환산값이나 요금 체계를 <그림 6>과 같은 양식에 기입하며, 에너지 데이터를 연결하는 것만으로 자동 계산이 이뤄진다. 또한 요금 적용 기간을 설정해 계수의 기간 관리가 가능하며, 환산 계수의 기간 누락이나 중복 체크도 가능하다.

에너지 플로｜에너지 플로에서는 수용 에너지인 전력, 가스, 중유 등을 소비 측에 사용 에너지로 공급하기까지의 흐름을 <그림 7>과 같이 비주얼로 기술한다.
이를 통해 수용 에너지의 비용이나 CO₂를 말단의 소비 기기에 분배 연산한다. 말단의 소비 기기가 여러 경로의 에너지를 이용하는 경우나, 열병합발전(열 · 전 병합) 시스템을 이용하는 경우라 할지라도 자동으로 연산 결과를 끌어내는 것이 가능하다.
또한, 에너지 플로는 설비 정보와 에너지 흐름을 직감적인 확인할 수 있으며, 설계나 증개조 대응도 간단하다. 사칙연산, 논리연산 등 기본적인 연산 조합도 비주얼로 기술하는 것이 가능하며, 사용자가 지정하는 계산을 비주얼로 할 수도 있다.

비례 배분 · 구조 집계 계산｜예산의 많은 부문에 걸리는 공조 설비나 조명, 전원 등의 에너지양을 상세하게 계측하는 일에는 상당한 비용과 시간이 필요하며, 사실 불가능에 가깝다. 또한, 이를 예산 부서나 관리 구분마다 재집계하고 관리하기란 어려운 일이었다.
비례 배분 · 구조 집계 계산은 에너지 계산으로 세분화된 공급 측의 비용 · CO₂, 환산 열량 등을 수용측에서 얼마만큼 사용하는가를 다시금 분류(비례배분)해 재집계하는 기능이다.
비례 배분비는 면적비, 인원 수 비 등 관리하기 쉬운 수치로 기입한다.
구조 집계에서는 조직 체계와 예산 체계를 입력하고 자동으로 이 체계에 맞춘 집계를 한다. 이로써 조직이나 예산 체계가 바뀔 때마다 수정한 집계 계산을 손쉽게 변경할 수 있다.

데이터 해석 기능｜비주얼 빌더를 통해 다양한 계측 포인트인 에너지, CO₂, 비용, 효율, 손실 정보를 자동으로 데이터베이스에 축적한다.

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데이터 해석 기능에서는 이들 에너지 연산 결과를 툴로 표시하고 자유롭게 각종 그래프에 할당, 해석한다. <그림 8>과 같이 각종 그래프 표시에서 상위 데이터에서 하위 데이터로 간단히 전개함으로써 데이터 해석, 이상 개소 탐색을 원활하게 할 수 있다. 또한 <그림 9>의 왼쪽 하단과 같이 분석 내용을 보존하는 것도 가능하다. 내용, 그래프, 데이터를 하나로 정리해 표 계산 소프트에 보존함으로써 관리 경험의 축적, 계승이 가능하다.
Web 기능에서는 이들 화면을 임의로 Web화하고, 관계 각 소로 데이터 열람이 가능하다. 에너지 데이터 열람에 한해서만 각 부서가 보이지 않는 경우도 있으나, EnerizeE3의 연산 기능을 통해 각 부서의 에너지 비용을 매겨 정기적으로 보냄으로써 각 부서의 에너지 의식을 높일 수 있다.

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지금까지 FEMS는 비용 대 효과의 정량 표현이 어려웠다. 에너지 관리 계산이 복잡한 것도 한 이유였다.
앞으로는 경영자가 에너지 절약 시점에서 각 공장의 상황을 실시간으로 파악하고, 각 공장의 에너지원 단위를 비교해 같은 제품이라면 어느 공장에서 생산하는 것이 에너지 절약 효과와 비용 면에서 가장 유리한지를 판단해, 생산 계획을 정하는 시대가 올 것이다.

정리 전화영 기자