쌍방향 순환형 사회 구현한다

스마트시티는 에너지 절약 기술과 재생 가능 에너지의 활용 등 IT를 비롯한 여러 가지 첨단 기술과 서비스에 의해 지탱된다. 스마트 커뮤니티는 전기는 물론 열, 가스, 수소 등 모든 에너지의 기반이 되는 통합형 인프라를 만들고 ICT를 구사해서 에너지 시스템 전체를 최적으로 제어하는 장치를 확립한다.  

스마트시티의 최소 단위인 스마트하우스 

하우징 메이커는 물론 자동차 메이커와 가전 메이커, 가전양판점 등을 포함한 기업이 스마트하우스에 대응하고 있다. 스마트하우스란 환경 미래 도시로서의 스마트시티를 형성하는 최소 단위가 된다. 

구체적으로는 태양광발전과 풍력발전 등 재생 가능 에너지를 이용한 발전원과, 이를 축전해서 전력회사로부터 공급되는 계통 전원과 EV(Electric Vehicle : 전기자동차)를 연계하는 에너지 매니지먼트를 실현한다. 

이의 최적화를 전제로 전력 수요가 확대하는 피크 시에는 스스로 축적한 전력을 사용해서 계통 전원에의 의존도를 경감하는 피크컷을 도모하거나 유사시의 정전에 대비하거나, 나아가 전력에 여유가 있을 때는 EV를 충전하고 반대로 정전 시나 축전량이 저하한 때는 EV로부터 전원을 받을 수 있는 등 그야말로 스마트한(현명한) 집이다. 

하우스 간 연계한 의한 커뮤니티, 그리고 스마트시티의 창조 

그리고 최소 단위인 집과 집을 상호 연결하고 지역 전체에서 보다 유기적인 에너지의 교환을 실현하는 것이 스마트 커뮤니티이다. 즉 최소 단위의 세포인 집과 집을 상호 연계시켜 각각이 엽맥과 같이 연결되어 교류하는 커뮤니티를 실현하자는 것이다. 이것이 행정 단위로 추진되는 경우가 스마트시티이다. 

앞서 설명한 바와 같이 전기를 만들어 축적하거나 계통 전원과 EV를 연계하여 공급하는 사이클의 최적화는 1건별 집 단위로 실현하는 것이 스마트하우스이다. 이에 대해 스마트시티에서는 이 규모를 더욱 지역 전체로 넓혀 집과 집을 상호 연결해서 지역적인 수급 균형을 맞추면서 전기의 교환을 실행하는 전체 최적을 추진한다. 

나아가 지역 코제너레이션(지역에서의 열전 병급)은 물론 지역의 공장 등에서 생긴 열을 지역 급탕이나 난방, 온수 풀, 어류의 양식, 팬의 발전 등에 이용하거나 반대로 지역 내의 음식물쓰레기를 퇴비나 폐기물 발전, 소각열 반전에 이용하는 등 가정과 산업, 행정 서비스가 일체적으로 링크된 쌍방향 순환형 사회의 형성을 도모하는 것이다. 

베스트 믹스의 실현과 스마트 커뮤니티 

지구환경 문제의 심각화와 원자력발전소의 가동 정지로 인한 전력 공급 등을 배경으로 에너지 시스템의 전환이 문제가 되고 있다. 이들 에너지 시스템의 기본적인 방향성에 대해 생각하면 기존의 에너지 시스템의 연장선상에서는 사회의 미래상을 그릴 수는 없다. 저탄소사회에의 패러다임 시프트가 요구된다. 생에너지와 생전력은 믈론 화석연료에서 비화석연료로의 대담한 전환, 화석연료의 클린화, 고도의 이용 기술 확립을 통해 새로운 에너지 시스템을 확립해야 한다. 이를 위한 포인트는 무엇일까. 

최적의 전원 구성 비율, 즉 베스트 믹스의 실현이다. 일본의 경우, 현재의 전력 시스템은 전체 전력 공급량의 약 96%를 화력과 수력, 원자력발전소 등의 대규모 집중형 전원에 의존하고 있다. 그중에서도 가장 큰 비율을 차지하는 것이 화석과 석유, 천연가스 등의 연료를 태워서 전기를 만드는 화력발전이다.

화력발전은 매우 손실이 큰 발전 시스템으로 토털 에너지 효율은 약 40%, 나머지 60%는 배열이나 송전 로스에 의해 잃는다. 발전량에 대해 2.5배의 1차 에너지가 소비된다. 즉 화력발전에의 의존성이 높으면 높을수록 사회 전체의 CO2 배출량도 증가한다. 화력발전에 대한 의존성을 억제하지 않고서는 저탄소사회를 실현할 수 없다.  

또한 동일본대지진으로 분명해졌듯이 대규모 집중형 전원에 의한 전력 공급은 일단 스톱되면 광범위에 걸친 정전이 발생하고, 이를 복구하는 데 오랜 시간이 걸린다. 재해 시에의 리스크 매니지먼트를 강화한다고 해도 대규모 집중형 전원으로부터의 전환이 불가결하다고 할 수 있다. 

그러면 에너지 시스템을 어떻게 바꿔야 할까. 요구되는 것은 분산형 에너지 시스템의 구축이다. 베스트 믹스를 생각할 때 대규모 집중형 전원과 분산형 전원 각각의 특성과 사회 정세, 비용 등을 감안하면서 그때그때의 최적해를 구할 필요가 있다. 2030년 일본이 달성해야 할 전원 구성은 대규모 집중형 전원의 비율을 70% 정도로 낮추고 분산형 전원의 비율을 30%까지 끌어올리는 것이 베스트 믹스라고 생각한다. 

지금까지는 화석연료와 원자력 등을 이용한 메가 인트라가 중추를 이루고 거리와 공장 등의 수요 측에 녹아드는 형태로 송배전 시스템이 채용되어 왔는데, 지금부터는 수요 측에서도 최대한으로 재생 가능 에너지를 도입해 메가 인프라와 수요 측의 쌍방향에서 관리하는 전력의 새로운 계통 제어를 수행해 간다. 이것이 스마트시티 구상이다. 

구체적으로는 주택의 지붕에 태양전지를 설치해 발전하고 생활에 필요한 전력을 조달한 후에 잉여분은 전기자동차에 축전한다. 각 가전과 전력 미터에 ICT를 매립해 가전을 바깥에서도 리모트 컨트롤할 수 있도록 한다. 가옥이나 사무실, 오피스 빌딩, 호텔, 레스토랑, 점포 등에 소규모 분산형 전원을 설치하고 새로운 ‘에너지 창조’ 거점으로 해 ICT를 구사해서 지역이나 도시 단위로 에너지를 융통하는 네트워크를 구축한다. 

이렇게 하면 우선 ‘스마트하우스’가 탄생하고 스마트하우스가 연계해서 상호 전력을 융통하면 ‘스마트 커뮤니티’가 가능하다. 커뮤니티에서 전력이 남으면 전력 소비량이 많은 도심부에 환경 부하가 낮은 그린 전력을 보낼 수 있다. 이렇게 해서 스마트 커뮤니티를 만드는 것이 베스트 믹스의 실현으로 이어지고 콤팩트 네트워크형의 사회를 형성한다. 

분산형 에너지와 자동차의 전화(電化)

에너지 믹스의 약 30%를 분산형 전원으로 조달하는 것은 현실적으로는 어렵다는 견해도 있지만 실제로는 그다지 어렵지는 않다. 지금까지 일본의 전력 시스템은 ‘수요가 먼저’라는 발상하에서 이루어져 왔다. 피크 시의 전력 수요에 대응할 수 있도록 하기 위해 대규모의 발전소를 연이어 건설해 왔고 그 결과 매우 비효율적이 됐다. 

예를 들면, 1년 중 불과 1%에 해당하는 88시간밖에 가동하지 않는 전원이 전체의 7.5%나 된다. 운송업으로 말하면 3, 4일밖에 가동하지 않는 자동차가 100대 중 7대에서 8대인 것과 마찬가지이다. 

또한 고객 가까이에서 새로운 가치를 창출할 필요가 있다. 가격 경쟁에 빠지지 않기 위해서는 기능을 넘는 새로운 가치를 창출하는 것이다. 안전·안심으로 직결되는 에너지 분산에서는 이러한 가치의 발굴 가능성이 높다. 

동일본대지진 시에 하이브리드 자동차의 전기로 밥솥을 사용한다는 에피소드가 있었다. 전기자동차(EV)와 연료전지자동차(FCV) 등의 차세대 자동차에서 가정에의 급전(Vehicle to Home : VtoH) 시스템이 상품화되어 자동차에 방재상의 새로운 가치를 부여했다. 

일본은 원래 공업 국가이며 수많은 공장에서의 배열을 유효 활용하거나 코제너레이션에서의 잉여 전력으로 가정용 전력의 일부를 조달하는 것도 충분히 가능하다. 더욱이 현재는 플러그인 하이브리드 자동차와 전기자동차, 연료전지자동차 등 대용량 배터리를 적재한 전화(電化)한 자동차의 보급이 진행하고 있다. 자동차의 전화가 진행하면 분산형 에너지에의 전환이 빠르게 추진될 가능성도 생각할 수 있다. 

구체적으로 말하면 현재 전기자동차의 배터리에는 20kWh에서 25kWh의 에너지를 저장할 수 있다. 

부지 면적 150평방미터의 가정이 사용하는 전력은 1일당 평균 10kWh 정도이며 VtoH가 실현되면 만충전 배터리에 의해 2일 이상의 가전 전력을 조달할 수 있다. 자동차의 전화가 진행함으로써 분산형 에너지의 셰어가 상승할 것은 틀림없다. 

가까운 장래에 보다 세련된 대규모 집중형 전원과 재생 가능 에너지와 코제너레이션 시스템 등 수요지 내에서의 분산형 전원 양자가 스마트그리드라는 인터페이스에 의해 이어지고 자동차의 전화(電化)를 실현한다. 에너지 시스템의 만개 시대에 돌입하면 베스트 믹스의 실현을 향해 큰 진전이 있을 것이다. 

수소사회의 실현

최근 새로운 에너지원으로서 수소가 주목을 받고 있다. 일본의 경우 2014년 4월에 각의 결정된 자원에너지청의 ‘에너지 기본 계획’에서는 ‘수소사회의 실현을 향한 대응 가속’이 중점 과제로 담겨 있다. 이미 연료전지자동차(FCV)와 가정용 연료전지 ‘에너팜’이 시판된 오늘날 연구 단계는 끝이 나고 보급 단계로 돌입했다. 

수소는 약 140억년 전의 빅뱅 후에 최초로 등장한 물질로 우주 구석구석에 존재한다. 또한 지구상에서는 산화한 물이라는 형태로 만인에게 공평하게 주어진다. 더욱이 수소와 산소의 화학반응에 의해 물을 생성하면서 전기를 만들어내는, 무진장하고 무독으로 환경친화성이 높은 점을 생각하면 수소는 궁극의 에너지라고 할 수 있다. 

또한 수소사회라는 단어가 키워드가 되고 있는 것에서도 알 수 있듯이 수소 에너지는 사회 시스템 전체에 변화를 가져올 임팩트를 품고 있다. 

장래적으로는 제로 이미션 사회의 실현을 위해 큰 무기가 될 것임에 틀림없다. 

수소사회의 도래를 향해 과제가 있다고 하면 무엇일까. 

예를 들면 수소는 단독으로 자연계에 존재하지 않는 원소이기 때문에 인위적으로 배출·제조한 후에 수송, 저장하는 장치를 만들어야 한다. 갈탄이라고 불리는 저품위의 석탄을 가스화해 액화수소를 생성하는 기술과 유기용제인 톨루엔과 수소를 화학반응시켜 메틸사이클로헥산이라는 액체를 만들고 수소를 고온에서 안정적으로 저장·수송하는 기술이 보급되면 이들 문제는 해결할 수 있지만 그럼에도 비용 저감 장벽이 있다. 

실제로 가솔린을 전제로 한 일본의 규제하에서는 수소 스테이션을 설치하는 경우 그 설치 비용은 유럽이나 미국의 5배나 된다. 보급과 기술 개발을 추진해 비용을 낮추기 위해서는 세상 전체의 장치를 새로운 것으로 바꿔야 한다. 덧붙여 현재 수소의 제조, 수송·저장 방법에 대해서는 연구 개발이 각지에서 진행하고 있기는 하지만 더욱 가속해서 수소 에너지의 서플라이 체인 확립을 향한 연구 개발을, 보다 강력하게 추진할 필요가 있다. 

향후 수소 에너지는 에너지 자원이 빈약한 우리에게 에너지 문제를 해결하기 위한 중요한 툴 중 하나가 될 것이다. 

스마트 커뮤니티는 전기는 물론 열, 가스, 수소 등 모든 에너지의 기반이 되는 통합형 인프라를 만들고 ICT를 구사해서 에너지 시스템 전체를 최적으로 제어하는 장치를 확립한다. 

김혜숙 기자 (atided@hellot.net)