월간전기



일본의 차세대 주택 스마트 하우스 에너지 효율 높이고 지역정보와 네트워킹

2013-01-04

근래 일본 주택 시장 특성은 고령화, 에너지 비용과 건축비 상승 등을 요인으로 소형화, 친환경 주택에 관심이 높아지고 있다. 그 중 친환경, 신재생에너지, 자원 재생 등을 적용한 주택을 내세워 환경기업으로 선정된 세키스이하우스㈜의 스마트 하우스를 소개한다. 이 주택은 미래 도시를 테마로 하는 요코하마시市 '미나토미라이21(항구의 미래 21)'지역에 세워져 네트워크 실증 진행 중이다. 먼미래의 주거는 상상하기 어려울지 몰라도 가까운 미래의 주거는 어느 정도 예상 가능하다. 바로 '저탄소 녹색성장'이라는 키워드를 단초로 상상할 수 있다. 지구 온난화를 저지하기 위한 노력은 주거 공간에도 일어나고 있는데 최근 들어 일본주택 건설 업체들이 태양광발전과 연료 전지 등을 탑재한 미래형 에너지 절약 주택 개발을 가속화하는 움직임이 그 좋은 예다. 에너지 효율을 높여 탄소 발생을 줄이는 방식과 더불어 첨단 네트워크 기술을 적용한 매니지먼트 시스템으로 에너지를 효율적으로 관리하는 스마트 하우스가 차세대 주택으로 선보이고 있다. 에너지 매니지먼트 시스템 스마트 하우스의 큰 특징은 에너지 매니지먼트 시스템이다. 이 시스템을 이용해 주택에 사용하는 전력을 제어하며 태양광발전 출력과 소비량 모니터링을 통해 에너지 수급의 밸런스를 최적화 한다. 아울러 사용 전력량을 월 단위 등으로 체크하고 전국 또는 지역 내에서의 에너지 절약 순위를 비교해 에너지 절약 의식과 실천을 더욱 고취할 수 있다. 주택 관련 정보에 있어 실시간 변화를 기록하며 거실에 있는 텔레비전 화면이나 월패드 등의 다양한 단말기를 통해 확인한다. 에너지 소비량 및 소비 추이뿐 아니라 이상이 있는 기기나 교환 시기가 가까워진 조명기구 등의 효율 저하를 감지해 이를 통보하는 역할도 한다. 또한 전자 제품 사용 상황을 감시하고 불필요한 전력을 파악하거나 소등을 잊은 전등을 차단하는 기능도 있다. 주택 대공사를 하거나 개축하더라도 걱정 없다. 기존 정보를 고스란히 보존해 나중에도 확인 가능하다. 외출 시 우산을 챙길지 고민스러울 때도 그 고민을 간편하게 해결해주는 것이 스마트 하우스다. 현관 벽면에 부착된 터치 패널로 간단히 외부 기후와 기상예보를 확인하고 대중교통의 운행 상황도 확인할 수 있다. 이러한 주택 정보화 기술은 펨토Femto일체형 홈 ICT 및 지그비ZigBee를 통해 실현되고 있다. 지그비는 근거리 무선 네트워크 중 세계 표준규격의 하나로 신뢰성 있는 저소비 전력, 저비용의 무선 통신 커뮤니케이션으로 최근 각광받고 있다. [1] 세키스이하우스㈜의 스마트 하우스. [2] 펨토Femto 일체형 홈 ICT를 활용해 태양광발전 시스템, 전기자동차, 가전제품 등 주택에서 소비하는 전력의 유기적 결합을 [1][2] 최적화한다. 스마트 하우스의 구성 요소 스마트 하우스의 구성 요소를 살펴보자. ▲전력 정보의 수집·기기 관리: 전력정보의 수집·기기관리를 어디서 담당할지가 논점이다. 담당 후보로 전력 회사, 홈 서버 제공 사업자(통신 회사, 가전제품 회사, 주택 회사, IT 서비스 사업자, 다른 에너지 관련 사업자 등)를 들 수 있다. 또한 전력 정보의 수집·기기관리를 홈 서버가 담당할 것인지 스마트 미터가 담당할 것인지 논점이 예상된다. ▲홈 네트워크 접속: 홈 네트워크의 통신 방식, 네트워크를 부설할 경우 생산비의 부담, 안전 보장(Security), 전송 방식 등 이다. ▲가정 내 정보를 활용한 새로운 서비스 창출: 가정 내 수집한 정보를 이용한 에너지 절약 어드바이스, 에너지 관리, 기록 시스템 기기 관리 등의 서비스가 있다. ▲가정 내 정보 수집 관리·활용 규칙: 각 단계의 안전 보장 요건이나 정보 누설, 부정한 정보 입수에 관한 규칙 등이다. 실시간 전력 체크하는 스마트 미터 스마트 미터Smart meter는 쌍방향 통신 기능과 고도의 정보 처리 능력을 갖춘 전자식 전력 미터이다. 기존의 합계 전력은 소비 전력 등의 통신 기능 없이 매달 한 번씩 검침을 해 소비 전력을 조사했다. 이와 대조적으로 스마트 미터는 각 가정의 소비 전력의 데이터 정보를 손쉽게 수집하고, 고정밀도의 수요 예측과 그에 따른 수급 조정을 유연하게 만들기에 전력회사는 스마트 미터 보급을 실시할 계획이다. 지난해 동일본 대지진 정전 영향으로 전력 수급밸런스의 중요성을 많은 사람이 실감했다. 이에 스마트 미터를 보급해 소비자에게 전력 단가나 수급상황을 실시간 알릴 수 있다. 대지진 때처럼 계획 정전으로 일정 이상 면적의 지역마다 전력 공급이 차단돼도 스마트 미터의 통신 기능으로 건물 등 작은 범위 내에서 전력 공급을 조정할 수 있다. 또한 전력회사는 시간대별·일자별 전력 집계가 가능해 간접적으로 소비 전력을 조작·제어한다. 스마트 미터는 DR(수요반응)로 불리며 미국에서는 이미 시행하고 있는 제도이다. DR(Demand Response, 수요반응): 가격이나 금전적인 보상 또는 전력 회사 지시에 반응해 최종 소비자가 일상적인 소비 패턴에서 벗어나 전력을 사용하는 것. 위 표는 스마트 미터와 관련한 에너지 매니지먼트 시스템의 추진 계획을 나타낸다. 이 계획은 가까운 미래에 스마트 미터가 각 가정에 보급돼 에너지 수요 정보를 활용한 서비스를 전개하는 것이다. 에너지 관리 시스템 HEMS 스마트 하우스의 핵심 기술인 주택 에너지 관리시스템(HEMS: Home Energy Management System)은 전자제품, 급탕기기, 향후 PHEV, EV충전, 자가 발전 모니터링 및 에너지의 수급 상황 등을 종합적으로 파악해 모든 에너지에 대한 관리를 네트워크화 하여 소비자가 원하는 형태로 관리 제어가능하다. 에너지 효율을 높이고 에너지 절약을 실현하기 위한 시스템이다. 소비자 측에서도 다양한 정보를 얻기 위한 HEMS 제휴로 효율적 에너지 사용이 가능해진다. HEMS는 크게 두 가지 기능으로 나눌 수 있다. 주거 내 사용하는 에너지 확인이 가능한 레벨 표시계 HEMS와 가전기기나 설비의 자동 제어가 가능한 제어계 HEMS다. 레벨 표시계 HEMS는 실시간 에너지 사용 표시가 가능해 소비자의 에너지 절약 의식을 촉진시킨다. 제어계 HEMS는 ▲태양광발전의 발전 상황 ▲가전제품의 사용 상황 ▲전기 자동차의 충·방전 제어▲공조나 급탕설비의 자동조정기능▲가전기기의 원격조작·방범기능 등을 갖추고 있다. 스마트하우스는 태양열 온수시스템 및 열병합발전(Cogeneration) 시스템을 채용해 효율적으로 열에너지를 이용한다. 예를 들어 에어컨 사용중 고열이 발생하는 전자조리기 등을 이용 시 에어컨 전력 낭비를 억제하기 위해 우선순위의 전력 사용 제품을 선택할 수 있다. 아울러 일상에 사용하는 설비나 가전제품의 소비전력을 감지해 불필요한 전력낭비를 막을 수 있다. 일본 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)의 에너지 수요 최적 매니지먼트 사업에서는 기기·HEMS 시스템 등의 도입으로 소비량 5.8~17.9%의 에너지 절감을 보고한 바 있다. 또한 가전제품 회사의 보고서에는 에너지 소비 효율 등급을 표시해 5%정도 절감이 가능했으며, 에너지 절약을 더욱 의식하는 것만으로도 1~3%의 절감을 기대할 수 있다. 전기 자동차 인프라 구축 전기 자동차는 현재 고가의 가격, 충전기 수의 적음, 주행 가능 거리 제약 등으로 많이 보급되지 않았지만 미래의 기술 혁신과 대량 생산으로 전기 자동차의 가격이 내려가고 충전 시설이 많이 설치되면 서서히 보급될 것으로 전망된다. 그러나 전기 자동차의 보급은 전력 수요에 크게 영향을 끼침으로 송전선 등의 인프라 구축이 필수적이다. 아울러 전기자동차마다 충전 시간 조절이나 충전 부하 제어도 필요하다. 이로 인한 전력 수요 문제 해결로 스마트하우스는 태양광발전 및 열병합발전으로 전기 충전이 가능해 전력 공급망의 부하를 경감할 수 있다. 전기 자동차용 충전지 재사용 방안을 관련 기업에서 계획 중이다. 급속 충·방전을 반복하는 전기 자동차용 전지는 열화가 쉽고 사용 목표는 5~10년으로 보고 있다. 수명이 다 된 전지를 다른 용도로 사용 시 축전지 자체의 종합적 생산비를 억제할 수 있다. 특히 주택에 전력 축전 시스템을 도입할 경우 전력 소비가 적은 저렴한 가격의 심야 전력을 축적해 낮 시간 동안 전력 사용이 가능하며 재해 시에는 비상용으로도 사용 가능하다. 지붕재 일체형 태양광발전 기존의 지붕에 지지대를 설치해 그 위에 태양 전지 패널을 올려 놓는 일반적인 태양광발전 시스템과는 달리 지붕재 일체형 구조인 태양광발전 시스템은 태양전지 패널 그 자체가 지붕의 재료로 이용된다. 지붕재 일체형 태양광발전 시스템의 특징은 기존의 태양전지 패널을 설치하기 위해 사용됐던 받침대가 불필요하며 태양전지 패널에 접속하는 배선을 지붕재 아래에 설치할 수 있어 태양광이나 비와 바람에 노출되지 않아 배선의 열화 대책에 효과가 있다. 또한 펼친 책을 엎어 놓은 모양의 박공지붕에도 어려움 없이 장착 가능해 설치비를 줄이면서 효율적인 태양전지 패널 탑재가 가능하다. 소규모 열병합발전 연료가 갖는 열에너지의 이용률을 높이기 위해 발전 때의 배기열을 열에너지 공급원으로 이용하는 에너지 이용 시스템이다. 지금까지의 발전 시스템은 발전 후의 폐열은 소멸됐지만 코제너레이션은 발전한 후 생기는 폐열을 그 지역의 급탕이나 냉난방에 이용하는 등 전기와 열을 동시에 공급 가능해 고효율 에너지 시스템으로 각광받는다. 일반 가정에서의 열병합발전 시스템에는 연료 전지가 쓰인다. 연료 전지는 수소를 공기 중 산소와 화학 반응시켜 전기를 생성하는 친환경적인 에너지다. 특히 연료 전지는 태양광발전과 달리 기후에 좌우되지 않는 안정된 전력원이다. 화학적 반응을 일으켜 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만 연료 전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받아 배터리와는 달리 충전이 필요 없으며, 연료가 공급되는 한 전기를 발생시킨다. 연료 전지의 구성은 전해 물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극봉으로 구성돼 있으며 공기 중 산소가 한 전극을 지나고 수소가 다른 전극을 지날 때 전기 화학반응을 통해 전기와 물, 열을 생성하는 원리다. 아울러 지속적으로 발전하면 열을 계속 방출해 그 열의 유효 이용이 중요하다(<그림 1> 참조). 스마트 그리드의 지역 네트워크 스마트 하우스의 특징으로 주거 정보화를 제시했지만 향후 주택뿐만 아닌 지역 전체가 네트워크로 결합될 것이다. 그 열쇠가 되는 기술이 스마트 그리드라는 차세대 전력망이다. 발전소로부터 주택까지 한 방향으로만 송전되는 지금까지의 방식과는 달리 스마트 그리드에 의해 주택으로부터 계통 전력 공급과 다양한 정보의 쌍방향 송수신이 가능하다. 또한 태양광발전과 축전지로 각 가정에서 소비하는 총 전력을 조달하며 남는 전기는 되팔 수 있다. 재해시는 라이프 라인Life line의 전력이 차단되는 것을 방지하기 위해 전기 자동차를 축전지로 사용한다. 지구 온난화가 급속히 진행됨에 따라 저탄소 사회의 실현은 급선무가 되어 거의 모든 분야에서 온실가스 배출을 억제하기 위한 노력이 이뤄지고 있다. 아울러 태양광발전 등 신재생에너지 기술과 전기자동차의 요소 기술을 통합하기 위한 스마트 그리드 연구가 활발하다. 특히 저탄소 사회의 상징 중 하나가 스마트 하우스이며 이와 관련한 향후 발전이 기대된다. 스마트 하우스는 태양광발전과 연료 전지로 전기를 자체 생산할 뿐 아니라 정전 시에는 축전지에서 자동으로 전력이 공급되는 시스템을 갖추고 있다. 특히 일본에서는 주택에 연료 전지 보급이 지난해부터 급속히 확대되는 추세다. 그런데 생각해볼 문제가 있다. 저탄소 사회를 목표로 과학 기술을 총동원해 이산화탄소 배출이 제로(0)가 돼도 생활이 불편하거나 쾌적하지 않으면 결과적으로 주거로써의 가치가 높아졌다고 할 수 없다. 세키스이하우스 관계자는 "연구 개발을 하면서 소비 전력의 효율 수치로 모든 것을 평가하기 십상이지만 주거는 생활하는 공간이라는 것이 제일 큰 목적이며 이것을 잊어서는 안 된다"라고 언급했다. 일본 기업들은 지난해 후쿠시마 원전 사고 이후 소비자의 절전 의식이 높아지면서 스마트 하우스를 비롯한 절전 상품의 수요가 갈수록 확대될 것으로 보고 신규 참여를 서두르고 있다. 실제로 여름 절전령이 해제된 뒤인 지난해 10~11월 도쿄전력 관내 전력 소비량은 1년 전보다 9.7%가 감소하는 등 소비자들의 절전 의식이 정착 단계에 접어들었다. < Energy News >