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[스마트 커뮤니티와 전기 ②]
산업계의 에너지 매니지먼트
산업계에서의 에너지 수요 및 에너지소비량이 급증함에 따라 에너지 관리 정책(에너지 매니지먼트) 및 에너지 절감 방안이 시급한 과제로 떠오르고 있다. 본고에서는 철강업을 중심으로 한 일본 산업계의 ICT 응용과 전기에너지에 관한 차세대 에너지 절감 기술을 소개한다.
일본 산업계의 최종 에너지 소비는 [그림 1]의 (a)와 같이 과거 20년 전 대비 감소하는 추세에 있으며, 사회구조 등의 변화는 있었지만 다른 분야보다 적극적으로 에너지 절감 활동이 추진되고 있다. 그러나 그 전체를 차지하는 비율은 [그림 1]의 (b)에서와 같이 43%로 여전히 크며, 여기에서 에너지 매니지먼트 및 에너지 절감은 에너지 자원이 부족한 일본에 있어 매우 중요한 과제라고 할 수 있다. 산업계 가운데서도 철강업은 석유업계와 나란히 에너지 소비가 큰 분야로 자리매김하고 있다. [그림 2]는 철강업에 있어서 에너지 원단위(철 1톤을 생산하는 데 필요한 에너지)의 국제비교(國際比較, international comparison)를 나타내고 있는데, 이 그림에서 일본이 타국에 비해 에너지 절감이 진전되고 있음을 알 수 있다. 따라서 철강업의 협의 및 광의에서의 에너지 매니지먼트와 에너지 절감 기술의 동향은 훗날 좋은 참고가 될 수 있다.
여기서는 ICT(Information and Communication Technologies)를 활용한 에너지 매니지먼트를 중심으로 전기에너지에 관한 차세대 에너지 절감 기술을 정리한다.  
산업 플랜트에서의 정보 시스템과 에너지 시스템
제품을 제조하는 생산라인은 몇 가지 공정으로 나뉘며, 각 공정 간 제품이 이동하면서 가공 및 생산이 이루어지는데 이때 생산에 필요한 많은 에너지가 사용되고 있다. 따라서 제조품 및 에너지의 상태 파악과 제어 작업이 중요하다. [그림 3]은 이러한 제조품과 그에 필요한 에너지의 흐름에 입각하여 그 상태 파악을 위해 각종 센서에서 얻은 정보 및 데이터를 이용하여 △처리 △전송 △제어가 이루어지는 모습을 나타낸 것이다. 즉, 생산 라인에서는 제품의 흐름뿐만 아니라, 화석연료, 전기에너지와 같은 각종 다양한 에너지의 흐름들이 제어되고 있으며, 그 제조품 및 에너지의 제어에는 광의의 정보계 네트워크가 구성되어 있다고 볼 수 있다. 여기서는 센서 및 파워 일렉트로닉스에 의한 구동계도 포함시켜 ICT 기술을 다룬다.정보계의 네트워크는 정보처리의 고속성, 취급하는 정보, 데이터양에 따라서 [그림 4]와 같은 계층구조가 된다. 철강업에서의 압연 프로세스를 예로 들면, 실시간으로 계측되는 판두께(board thickness) 및 장력에 따라 모터에 의해 반송속도를 바꾸거나 루퍼에 의해 판의 장력을 바꾼다. 현장의 데이터를 순시에 판단하여 제어를 실시해야 하므로 현장 근처의 프로세스 컴퓨터(program control: 프로그램 제어)로 정보처리가 이루어지며, 그 결과 수 MW가 넘는 전기에너지를 제어하고 있다. 공정 간에 걸친 물류(物流, physical distribution) 및 품질관리는 상위에 위치하는 계산기 시스템(비디콘, vidicon)으로 정보화 처리되어 수십 t이 넘는 제품의 이동이 이루어지고 있다.  
철강업에서의 에너지 매니지먼트
일본의 철강업계에서는 세계화와 엔고의 진전에 따라 지난 수십년간 인원이 수분의 1로 감소했다. 그간의 생산량은 국내에서는 거의 1억t에 달하며, 국내외에서의 실적을 감안하면 대폭적인 생산성 향상과 세계적으로 통용되는 고품질화가 실현되었다고 할 수 있다. 이러한 고생산 및 고품질화는 ICT 기술이 기여한 바가 크다. 센서로 계측하고 계산기로 제어하며 전기 모터로 구동하고 네트워크를 통해 정보를 전송·시스템화하는 등 지금까지 인간이 해왔던 고도의 작업들이 ICT화(化) 기술로 전환되고 있다. 동시에 ICT 기술의 실용화는 지금까지 없었던 새로운 부가가치를 창출하며 품질 향상에도 크게 기여하고 있다. [표 1]은 과거 수십 년간의 철강업계 경영환경과 그에 대한 계측·제어시스템인 정보계 기술 현황을 나타낸 것이다. 이와 같이 철강업은 시대와 환경의 변화에 대응하기 위한 다양한 ICT 기술을 실용화해 왔다. 이하에 그 몇 가지 사례를 소개한다. 
고온 플랜트의 계측기술
철강업은 최고 1600℃의 고온 용융금속을 취급하기 때문에 에너지 소비가 큰 고온의 열악한 환경하에서 생산을 하게 된다. 이러한 프로세스를 장기간 안정화시켜 생산을 계속하기 위해서는 프로세스의 가시화 기술이 필요한데, 여기에는 가시화 센서의 동작온도(상온)와 프로세스 온도(1000℃ 이상) 사이에 차이가 발생하여 실현하는 데 많은 어려움이 뒤따른다.이러한 하나의 사례로서 코크스로(爐)의 노벽(爐壁) 진단장치를 [그림 5]에 나타냈다. 코크스로 공정은 석탄을 건류하여 석탄 내의 황, 콜타르, 피치 등을 제거하는 프로세스이며, 이를 다음 공정의 고로(高爐, 용광로)에 넣어 고온에서의 환원반응에 적합한 카본 다량의 프로세스 환경을 얻을 수 있다. 석탄을 건류하기 위해 코크스로를 상시 1000℃ 정도의 고온환경으로 유지하고, 생산성 향상을 위해 건류하는 공간을 길이 16m, 높이 6m, 폭 0.4m의 좁은 영역으로 제한한다. 문제는 코크스로의 고수명화를 위한 노벽 보수 시 노벽의 가시화를 실시하는 것이다. 여기서는 가시화를 위한 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라와 레이저 센서 및 거울을 수냉구조 안에 넣어 내열대책을 실시하고, 이를 통해 얻은 데이터를 영상처리함으로써 [그림 5]에서와 같은 선명한 노벽 이미지를 얻을 수 있다. 이로써 노벽의 상태가 가시화되고 노벽진단 및 보수기술이 크게 향상되어 노(爐)의 장수명화가 실현되고 있다. 
고도기능기술자의 ICT화고도기능기술자는 조업기술 및 설비의 보수기술에 크게 공헌해왔지만, 인력 구성상 그 정년퇴임을 맞이할 시기가 도래하여 기술전승 및 ICT화에 따른 지원기술의 보급이 요구되고 있다. 고급기술자는 말하고, 쓰고, 계측하는 작업을 제조현장에서 실시하고 있으며, 그 현장 정보를 전자화하여 정보공유화 및 작업효율화를 도모하기 위해 [그림 6]에서와 같이 음성인식, 전자펜, 무선통신기술을 구사한 조업기술시스템을 구축해 왔다. 이는 조업 내비게이션 시스템과 병용함으로써 기록 등의 조업 지원을 실시함과 동시에 고도기능기술자의 지식과 정보가 젊은 인력에게도 전승되어 일일조업개선의 툴로 유용하게 활용할 수 있다. 
원료·공장 일관 물류 최적화공장 내 제품정보의 일원 관리화는 [그림 3]과 같은 시스템 구성으로 실용·보급되어 물류제어의 고효율화에 크게 기여하고 있다. 물류의 통합화로서 국외의 원료를 조달원에서 확보·수입하여 국내의 각 공장으로 수송·배치시키는 통합화 문제가 더욱 중요시되고 있는 실정이다. [그림 7]은 그 개념도(槪念圖)로, 국내외의 물류를 통합함으로써 고효율화에 기여하고 있는 모습을 나타낸 것이다. 여기서는 물류 시뮬레이션 기술을 중심으로 일상의 물류환경 및 경제환경의 변화에 적절히 대응할 수 있도록 시스템화되어 있다. 
수치해석에 의한 전자력 응용 프로세스
수치해석 기술은 제조 프로세스를 지배하고 있는 물리현상을 계산기를 통해 해석평가할 수 있으며, 계산기 하드웨어 및 해석기술의 향상에 의해 실제 현상을 보다 정확하게 반영한 해석결과를 얻을 수 있다. [그림 8]은 연속주조공정(용융된 금속을 응고시키는 프로세스)에서의 전자교반(리니어 유도기 응용) 시의 전자 유체 수치 해석결과의 일례를 나타내고 있다. 이는 전자계, 유체장, 전열, 야금품질 등 상이한 물리현상을 연성 해석시켜(멀티 피직스: 다중 물리학) 보다 실제에 가까운 현상을 파악할 수 있도록 되어 있다. 이를 통해 전자교반장치의 적절한 프로세스 설계 및 조업방법을 제시하고, 주편(鑄片)의 표면품질 향상을 도모할 수 있게 되었다.  <Energy News>
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