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일본의 에너지 절감 기술
전 세계적인 온난화 대책이 요구되는 가운데 일본 에너지 절감 기술에 대한 기대가 높아지고 있다. 1970년대 오일쇼크를 계기로 일본이 공장에서 실시해 온 착실한 에너지 절감에 대한 노력이 환경적으로도 경제적으로도 효과적이라고 인정받게 됐다.
1979년에‘에너지 사용 합리화에 관한 법률’즉, 에너지 절감법이 시행되어 정부와 산업계가 협력하여 기술 개발과 보급에 노력해 왔다. 공장은 물론 사무실 및 가정에서도 에너지 절감 기기 도입을 촉진하고 있기 때문에, 1998년 에너지 절감법 개정에서는 최우수 사례를 기준으로 목표 연도까지 소정의 에너지 절감을 달성하는 의무를 지웠다. 이처럼 전 세계적으로 진행되고 있는 에너지 절감 기술 및 제도가 온난화 대책의 중요 과제로 부각됨으로써‘토야(洞爺)호 회담(G8 회담)’등도 주목 받고 있다.
2008년은 교토의정서 제1약속 기간(2008년~2012년)의 첫 시발점으로, CO2 배출량을 1990년보다 6%를 줄이기 위해서는 산업계에서부터 가정에까지 총망라하여 이에 대한 대응을 마련해야 한다. 에너지 절감 기기를 도입하여 직장 및 가정에서도 에너지를 줄이는 데 참여해야 하는데, 여러 가지 기기에 조합한 컴퓨터와 이것을 결합한 네트워크를 활용하면 좀 더 쉽게 에너지를 줄일 수 있다.
일본 (재)에너지절감센터는 산·학·관과 협력하여 공장, 빌딩, 가정에서 최적으로 에너지 사용을 줄 일 수 있는‘에너지 매니지먼트 시스템(EMS)’연구 개발을 2000년도~2002년도에 실시했다. 본고에서는 상기 연구 개발 성과를 소개하면서 일본 에너지 절감 기술 개발 전략의 하나로 채택된 EMS의 목표와 효과에 대해서 설명한다.
일본의 에너지 절감 기술 전략
일본은 2030년까지 에너지 소비 효율을 30% 이상으로 개선하기 위해‘신(新) 국가 에너지 전략 및 에너지 절감 프론트 러너(Front Runner) 계획’에 기초한 ‘에너지 절감 기술 전략 2007’을 2007년 4월에 책정했다. 또한 2008년 4월 18일에는 이에 대해 학술 단체 등이 검토한 결과와 함께‘에너지 절감 기술 전략 2008’을 발표했다.
상기의에너지절감기술전략에서는중점적으로연구해야 할 기술 개발 테마로 다음의 5건을 선정했다.
① 초(超)연소 시스템 기술
아예 연소하지 않거나 효율적으로 연소함으로써 제조 프로세스에서 에너지를 줄이는 기술
예) 플라즈마 기술에 의한 유리 제조 기술 등
② 시공을 초월한 에너지 이용 기술
잉여 에너지를 시간적·공간적인 제약을 초월하여 이용함으로써 에너지를 줄이는 기술
예) 공장의 폐열을 먼 거리의 수요지로 수송하여 효과적으로 이용하는 기술
③ 에너지 절감형 정보 생활공간 창생 기술
생활 스타일 변화에 입각하여 고효율 기기와 IT기술과의 융합에 의해 에너지를 줄이는 기술
예) 인체 감지 센서로 공조, 조명 등을 종합 관리하는 기술
④ 선진 교통 사회 확립 기술
수송 기기의 효율화와 모덜 시프트(Modal Shift : 도로 화물의 대량 수송 전환) 등 이용형태의 고도화에 의해 에너지를 줄이는 기술
예) 자동차 연비 개선 기술, IT를 이용한 신호제어, 신(新)교통 시스템 기술 등
⑤ 차세대 에너지 절감 디바이스 기술
폭넓은 분야에서 사용되는 반도체 등의 디바이스 고성능화로 에너지를 줄이는 기술
예) 실리콘카바이드(SiC)를 이용한 변압기 · 모터 등의 전력 절감 기술 등
EMS는‘에너지 절감형 정보 생활공간 창생 기술’에서‘에너지를 효율적으로 관리’하기 위해 고효율 기기와 IT기술을 융합하여 에너지 사용을 줄이기 위한 기술이다.
EMS는 가정용은 HEMS(Home Energy Management System), 업무용은 BEMS(Building Energy Management System), 또한 공장용으로는 FEMS(Factory Energy Management System)으로 산업계로 도입·보급되고 있다. 구역 내에서의 에너지 소비 효율을 최적화할 뿐 아니라, 정보 네트워크를 매개로 결합되는 구역 간 협조 및 이를 포함하는 지역 레벨에서 에너지를 줄일 수 있는 미래형 기술로 발전할 가능성이 있다.
또한 2050년을 목표로 일본 정부가 추진하는 ‘Cool Earth - 에너지 혁신 기술 개발’로서 중점적으로 대응해야 할 21개의 에너지 혁신 기술의 하나인 EMS 기술 개발과 보급이 기대된다.(<그림1>참조)
HEMS 개발과 보급에의 과제
가정 부문에서의 에너지 소비가 업무 부문과 함께 증가하여, 양자를 합친 민생 부문의 최종 에너지소비는 1973년 오일쇼크 때부터 2004년까지 약 2.5배에 달한다. 1998년에 가전제품 및 자동차 3품목의 에너지 절감을 위한 최우수 기준이 도입되고, 현재 사무기기 등도 이에 추가되어 대상 기기는 21개 품목으로 확대됐다. <표 1>과 같이 목표 연도를 맞이한 기기의 에너지 소비 효율 달성 실적을 살펴보면, 당초 전망했던 것 이상으로 효율이 개선되고 있으며 기기 단체에서도 에너지 절감을 진행하고 있다.
그러나 최근 생활수준의 고도화로 인해 전실(全室) 공조나 대화면 텔레비전 및 고도 정보화 기기가 증가하고 대형 냉동·냉장고가 보급 확대되며 야행성 생활에 의한 조명 전력이 증가함으로써 기기 단체의 에너지 절감 성능 향상에 관계없이 에너지 사용량이 늘어나고 있는 추세다. 또 가정에서의 IT화는 정보 기기 도입과 함께 총에너지를 늘리기 마련이다. IT기기 보급과 라이프스타일의 다양화는 개인용 기기를 늘리고 유비쿼터스 사회의 도래는 총에너지 소비를 증가시킨다. 더욱이 노령화가 진전됨으로써 간호용 침대, 전동차 의자, 가정용 승강기 등이 가정에서도 필요하게 되어 에너지 사용량을 더욱 증가시킬 것으로 예상된다.
가정에서의 에너지 절감을 위한 첫걸음은 어디서 낭비되는지를 알기 위한‘가시화(可視化)’다. 최근에는 가전기기 각각의 전기 사용량을 계측하거나 분전반에서의 회로별 또는 전체 전기 사용량 및 전기요금을 실시간으로 계측하는 기기가 잘 팔리고 있으며, 가스 및 수도 사용량도 계측하는 제품도 시중에 나온 상태다.
<그림 2>는 에너지 절감 센터가 추천·장려하는 ‘에너지 절감 내비게이션’구성을 나타낸 것이다.
분전반 내 배선(配線)에 전류 측정기(CT)를 설치하여 전력 계측치를 무선 신호로 표시기로 보내 몇 분 간격으로 사용 전력, 전기요금 환산값, CO2 환산값 등을 표시한다. 일본 에너지절감센터가 실시한 에너지 절감 콘테스트에서‘에너지 절감 내비게이션’을 사용해 게임하는 것처럼 전기 사용에 대해 연구한 결과, 전력 사용량을 절반 정도로 줄였다는 사례도 보고된 바 있다.
이와 같은 사례에서 전기 에너지를 줄이는 방법으로 다음과 같은 방법을 실천한다.
① 조명·선풍기·환풍기를 계속 틀어놓지 않고 수시로 끈다.
② 텔레비전·비디오는보지않을때주전원을끈다.
③ 에어컨은 타이머를 사용하여 장기간 동안 연속해서 사용하지 않도록 한다.
④ 전기및가스는측정기로매일아침체크하여사 용량이많은원인을찾고점등을 점검한다.
⑤ 에너지 절감 모니터로 활동한다.
⑥ 주요 전기 기기의 경우 대기 소비전력을 측정하고 사용하지 않는 기기는 플러그를 빼 둔다.
그러나 오랫동안 에너지를 줄이는 행동을 계속해 나간다는 것은 상당한 노력이 요구되는 일이다. 수년 동안의‘에너지 절감 내비게이션’모니터 보고를 보면 당초 에너지 절감 효과가 매년 감소하는 것으로 나타났다. 상기와 같이 에너지 사용을 줄이는 노력을 특별히 하지 않고서도 누구나 언제든 할 수 있는 가정용 에너지 절감 자동 제어 시스템이 필요하다.
최근 가정에 보급되기 시작한 홈네트워크를 에너지 관리로 활용하는 HEMS 개발에 대해 소개하도록 한다. 앞서 언급한 바와 같이 특별히 에너지를 줄이려는 노력 없이도 누구나 언제든 할 수 있는 시스템이 HEMS의 목표다. 가전기기를 네트워크에 연결하여 사람의 부재 여부에 따라 에너지를 절감하도록 제어할 수만 있다면 쾌적성을 잃지 않으면서도 쉽게 에너지를 절감할 수 있다.
2000년~2002년도에 일본의 에너지절감센터와 가전 제조업체 5사가 함께 개발한 연구 성과 중 하나가 <그림 3>의 시험 제작된 시스템이다.
이 시스템에서 <표 2>와 같이, 제어 대상 기기에 몇 개의 에너지 절감 제어 방식을 조합한다. 각 제조업체의 가전기기가 가정 내 배선된 전원선 또는 무선에 의해 특별한 배선 없이 네트워크로 상호 접속됨으로써 주택 전체에서의 에너지 절감 제어 시스템을 구성할 수 있었다. 에어컨, 조명, 텔레비전에서는 사람의 부재 여부를 검출하는 에너지 절감 제어, 에어컨과 조명의 협조 제어(<그림 4> 참조), 에어컨 온도 설정을 1℃ 정도 주기적으로 바꾸는 변동 제어, 이용 상황에 따라 에너지를 절감하는 난방 양변기 등이 개발됐다. 각 제조업체가 가전기기 에너지 절감 제어 효과를 시험한 결과, 시험 제작된 시스템 전체에서 연간 23% 정도의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다는 결과를 알 수 있었다.(<표 2> 참조)
또 각 기기를 결합하는 홈네트워크용 통신 단말기로 전등선 반송형과 고속 무선형을 개발했으며, 인터넷 접속 단말기와 휴대전화를 이용하여 집 외에서도 에너지 절감 감지 제어를 실현하도록 했다. 이것 모두는 현재 상품화가 진행되고 있다.
앞으로 HEMS가 본격적으로 보급되기 위해서는 다음과 같은 과제를 해결해야 한다.
① 가정에서의 에너지 절감에 대한 의식 향상과 행동 실천
② 도입 코스트 저감과 서비스 향상
③ 정부의 계속적인 지원
HEMS는 가정에서의 에너지 소비 실태를 알려 주면서 가전기기의 에너지 절감을 자동 제어하는 시스템으로, 사용 방법에 따라 에너지 절감 효과는 증감한다. 야행성 생활 개선 및 사용 시간 단축 등 근본적인 에너지 절감을 위한 노력이 필요하다는 것은 말할 필요도 없다. 에너지 절감이 전기 · 가스 · 수도 사용량 및 요금 삭감과 관계하여 경제적인 이해가 해결되면 도입, 보급이 빨라 질 것이다.
또한 대부분의 가전기기에 마이크로컴퓨터 또는 프로세서가 도입돼 있으므로, 제어 소프트에 위와 같은 에너지 절감 제어 소프트를 추가하는 것은 어렵지 않다. 가정 내 배전선 및 무선에 의한 통신기기도 서서히 보급되고 있어 양산화에 의한 코스트 저감이 전망된다. 정부가 지원·지도함으로써 HEMS 대응이 표준 기능이 되면 훨씬 도입하기 쉬워진다.
홈네트워크 보급·확대로 인한 에너지 절감뿐 아니라 안심·안전 및 인터넷과의 링크, 가전제품의 보수 서비스 등 서비스 향상도 도입 촉진 과제 중 하나다.
BEMS 개발과 보급 과제
민생 업무 부문에서 사용되는 에너지 내역으로 본 특징은 냉열 수요 비율이 높고 증대하고 있다는 것이다. 특히 빌딩 인텔리전트화 및 새로운 정보 비즈니스 확대 등에 따라, 연간 냉방하는 빌딩이 확대되고 연상면적(지상층 바닥 면적만의 합계)당 에너지 소비원 단위 및 공조 운전 시간이 증대되고 있다.(<그림 5> 참조)
그 때문에 2002년 에너지 절감법 개정에서는 공장과 더불어 사무실 빌딩, 대규모 작은 판매점, 호텔, 병원 등 업무 부문도 관리대상으로 했다. 이와 같은 업무 부문에서는 냉열원 설비 기기 및 공조 동력에서 에너지 절감 대책 및 건물 구조에 의한 에너지 절감이 필요하다. 그뿐 아니라 열 수요를 증대시키는 정보기기 및 그로 인한 전력 공급, 이러한 기기를 구성하는 반도체 부품의 발열 저감과 같은 에너지 절감 대책 등도 중요하다.
BEMS는 빌딩 등에 도입 완료된 감시 제어 시스템으로, 에너지 관리·분석·제어의 모든 기능을 통합한 것이 대부분이지만 컴퓨터로 전용 소프트를 조합하여 설치, 운용되는 경우도 있다. 2000년~2002년에 실시된 BEMS 연구 개발에서는 시스템 적용 시 에너지 절감 효과 14%를 목표로 다음과 같은 성과를 얻을 수 있었다.(<그림 6> 참조)
① 빌딩 열원·공조 최적 운전 제어 알고리즘, 빌딩 기기 운전 정보의 데이터 구조 및 빌딩 수동 조명 제어 운용 시스템을 개발했다.
② 빌딩용 소형·저(低)코스트 초(超)분산 서버를 개발했다.
③ 상기 개발 시스템의 에너지 절감 효과 실증 시험을 여름철, 환절기, 겨울철에 실행하여 평균
54%(BEMS 제어 효과를 포함. 수동 조명 제어만으로는 34%)의 효과를 확인했다.
BEMS는 정부의 도입 지원책(NEDO : 주택 · 건축물 고효율 에너지 시스템 도입 촉진 사업)으로 이용 가능하다. 빌딩 등에서는 세입자의 입·출입 및 업종에 따라 조건이 변한다. 에너지 사용 실태의 정확한 파악과 최적 운용이 과제다. 일본 에너지 절감센터에서는‘에너지 소비원 단위 관리 툴’과‘에너지 관리 지원 툴’을 공개하여 무상으로 이용할 수 있도록 했다.
FEMS 개발과 보급 과제
산업 부문에서는 1970년대 오일쇼크를 계기로 철저하게 에너지 절감을 진행함으로써 에너지 소비를 억제하는 것에 성공했다. 그러나 산업 부문의 에너지 수요는 아직도 총에너지 수요의 약 50%를 차지하고 있어, 에너지 사용 합리화 노력이 더욱 요구된다.
일본 에너지절감센터에서는 경제 산업성의 위탁으로, 제조업체 공장의 에너지 절감 진단을 실시하고 있다. 1997년부터 2005년에 걸쳐 실시한 1627개 공장의 업종별 평균 에너지 절감률은 7.3%, 대책 실시 시 연간 에너지 절감량은 석유로 환산하면 약 180만 ㎘로, 아직 에너지 절감의 여지가 있을 것으로 판단된다.
산업 부문에서 향후 진행해야 할 기술 개발 과제로, 앞서 언급한 에너지 기술 전략 중 다음 6항목을 들고 있다.
① 산업 프로세스에서 고정 에너지 삭감
② 증기 이용 프로세스에 관한 효율화
③ 전동기·파워일렉트로닉스 응용 장치에서 에너지 절감
④ 가열·건조 프로세스에서의 효율 향상
⑤ 냉열 이용 프로세스 시스템의 에너지 절감
⑥ 열의 효과적인 이용
<그림 7>에 공장용 에너지 최적 제어 실증 시험 시스템의 구성 예를 나타냈다.
본 시스템에서는 반도체 및 제철 공장 등의 소품종 · 대량생산에 적합한 공장 내 기기 특성과 열 · 전기의 흐름(에너지 흐름 모델)을 조합한 방식으로, 연간 평균 8%의 에너지 절감 효과를 목표로 했다.
반도체 클린룸에 적용한 실증 시험 결과, 연간 전력 사용량이 31% 삭감할 수 있다는 평가 결과를 얻었다.(<그림 8> 참조)
일본전기공업회(JEMA)의 앙케트 조사에 의하면 공장에서 공조 및 조명, 수변전 설비 에너지 관리 시스템의 사례는 비교적 많지만, 생산 설비에서는 18.7%로 적다. FEMS를 도입함으로써 불필요한 에너지를 줄일 수 있을 뿐 아니라 각 설비마다 에너지 관리 리포트 작성·계획 지원 및 구체적인 개선과제를 현재화(顯在化)하여 직장 내 에너지 절감 운동 확대·발전으로 이어질 것으로 기대된다. 이와 같은 공장 인프라 강화에는 정부의 지원이 필수불가결하다.
마무리
IT기술을 활용한 에너지 관리 제어 시스템, EMS의 필요성과 실용화 개발 사례에 대해 소개했다. 이것은‘Cool Earth - 에너지 혁신 기술 계획’의 중점 테마의 하나로 지정됐으며, 향후 민관이 하나가 되어 도입을 촉진할 것으로 된다.
<Energy News>
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