스마트 그리드의 최종 목표는 에너지 절감, 시작은 ‘가정’부터

  • 2012-05-17
  • 김창수 기자, cskim@elec4.co.kr

에너지 사용량을 줄임으로써 이산화탄소(CO2) 배출을 줄일 수 있다. 2차 에너지인 전기는 저장이 어렵기 때문에 매 순간마다 수요에 맞춰 전력을 생산해야 한다. 따라서 스마트 그리드의 수용가 단인 가정에서의 효율적인 에너지 사용은 미래의 스마트 그리드 환경에서 대단히 중요하다. 미래형 주택을 의미하는 ‘스마트 하우스’는 에코 하우스라고도 불리며 빠르게 확산되고 있다. 이 글에서는 샤프 에코 하우스를 사례로 에코 하우스의 구체적인 실체를 들여다본다.

스마트미터는 에너지 사용량을 실시간으로 계측하고 통신망을 통한 계량 정보 제공으로 가격정보에 대응하여 수용가 에너지 사용을 적정하게 제어할 수 있는 기능을 갖춘 디지털 전자식 계량기다. 스마트 그리드 구축의 핵심 동인의 하나라고 할 수 있다. 양방향 통신 모듈을 탑재하고 있어 홈 네트워크에서 통신 게이트웨이 역할 및 다양한 가전 기기들을 제어할 수 있는 역할까지 확장 가능하다.

‘제로 에너지’에 도전
동일본 대지진 여파로 원자력발전에 대한 위험성이 부각되면서 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 에코 하우스는 거스를 수 없는 대세로 자리 잡았다. 영국에서는 2016년까지 모든 신축 주택을 제로 에너지 주택으로, 2019년까지 모든 신축 건물을 제로 에너지 빌딩으로 하는 법제화가 진행되고 있다. 유럽이나 미국에서도 에너지 빌딩 및 주택의 실현을 위해 주택·건축물에 관한 에너지절감 기준을 강화하고 요소기술의 연구개발과 실증사업이 추진되고 있다.
미국 하와이 섬에 2005년 완성한 하와이 주정부의 자연에너지연구센터는 차가운 해풍을 이용한 공조 설계를 기본 개념으로 하고 있으며, 태양열 굴뚝(solar chimney)이라고 불리는 열을 이용한 자연환기 시스템을 도입했다. 또한 에너지 소비량과 기후조건을 온라인으로 감시하는 시스템과 20 kW 태양광발전 시스템을 이용했다.
싱가포르 건축건설국은 786만 달러를 투입해 에너지 절감 개수를 실시, 자국 최초의 제로 에너지 빌딩을 2009년 건설했다. 건축건설국 부지 내 기존 빌딩에 자연환기, 자연채광, 차광 패널, 고효율 조명 등을 도입했으며, 연간 총발전량이 20만 kWh 이상에 달하는 태양광발전 패널을 탑재했다.

일본에서도 2010년 6월 공표된 ‘에너지기본계획’에서 2020년까지 표준적인 신축 주택에서 제로 에너지 주택을 실현하고, 2030년까지 신축 건축물 전체의 평균에서 제로 에너지 빌딩을 실현하는 것을 목표로 정했다. 일본은 지난 2011년 3월 후쿠시마 원전사고 이후 신재생에너지와 에코 하우스에 대한 관심이 한층 고조된 분위기다.
일본 오키나와 미야코지마 시는 일본 환경성의 모델 사업 ‘21세기 환경공생형 주택(에코 하우스)’에서 오키나와의 기후조건, 주거방법 등에 적응한 에코 하우스 2동을 2010년 완성했다. 시가지형 에코 하우스는 태양열 이용 급탕기, LED 조명 등을 도입했다.
일본의 대표적 가전업체 파나소닉은 절전형 가전 제품, 친환경 에너지 솔루션, 이를 가정과 지역사회에 적용한 스마트 하우스와 스마트 타운 분야에 집중하고 있다. 이산화탄소 배출 목표량 제로(0)를 표방하는 파나소닉 에코 하우스는 지붕에서 연간 3,900 kWh 전력을 만들어내는 4 kW 태양광 패널을 이용해 발전하고, 빗물을 저장해 사용한다. 생산된 에너지는 축전지에 저장된다. LED 조명은 사람의 동작을 감지해 자동 작동된다. 에코 하우스에 들어가는 냉장고는 우레탄보다 단열 효과가 7배 뛰어난 진공차단재를 개발해 부피를 줄이고 절전효과를 높였다. 파나소닉은 외부 상태와 시간대별 이용 빈도를 감지해 최적의 절전 상태로 운영하는 ‘에코나비’ 기술을 개발해 냉장고와 에어컨 등 16개 분야 제품에 적용했다.
파나소닉은 히타치전기와 함께 중국 톈진 시가 추진하는 2020년까지 35만 명을 수용하는 11만 채 규모의 에코 하우스로 이뤄진 생태도시 건설 사업에도 참여하고 있다. 또 싱가포르 주택개발청이 풍골 지역의 공동주택 1만 가구를 상대로 시범 실시하는 태양광 및 스마트미터 보급계획에도 참여하고 있다.




사례: 샤프 에코 하우스
가정의 전력부하 제로를 목표로 에너지 절약을 극대화한 “샤프 에코 하우스”는 오사카 사카이 시에 위치한 그린 프론트 사카이 내에 완공됐다. 작년 6월부터 샤프 에코 하우스에서는 전력소비를 최소화하고 쾌적한 주거 공간을 실현하기 위한 기술의 실증 실험이 한창이다. 여기에는 최신 절전형 가전 제품이 들어가 있으며, 가정용 에너지 관리 시스템(Home Energy Management System, HEMS)과 네트워크로 연결되어 액정 TV, 태블릿 PC로 각 가전 기기의 전력소비 현황을 실시간으로 파악할 수 있다. 따라서, 절전 의식을 높일 수 있는 “전력의 시각화”가 가능하다. 또한 LED 조명에 의한 절전 성능 이 외에도 LED 조명의 조광/조색을 이용한 쾌적성에 대한 검증도 이뤄지고 있다.
샤프는 태양전지, 축전지의 전력과 가전 기기의 소비전력량을 HEMS를 이용해 효과적으로 제어하는 기술의 검증도 진행 중이다.
또한 미래를 위한 대응의 일환으로 태양전지로 발전한 에너지를 교류로 변환하지 않고 그대로 직류로 가정에서 이용하는 직류 급전과 DC 가전 등의 검증을 비롯해 지능형 파워 컨디셔너와 연계해 전기자동차(Electric Vehicle, EV)용 배터리를 가정용 축전지로 이용하는 시도도 하고 있다.
샤프는 다양한 검증을 통해 얻은 데이터를 피크 전력의 억제와 스마트 그리드를 지원하는 디바이스 및 가전 기기의 실용화에 활용할 계획이다.
샤프 에코 하우스의 개요와 그 에코 하우스에서 검증하고 있는 전력소비의 최소화 및 주거 공간의 쾌적성을 동시에 달성할 수 있는 기술의 실증 실험 내용을 살짝 엿보기로 하자.

에코 하우스에서의 각 활동
사카이 에코 하우스의 각 방에는 각종 센서(스마트플러그, 인체감지 센서, 밝기감지 센서 등), 스마트 가전(에어컨, LED조명, TV 등), HEMS 컨트롤러(그림 2 오른쪽의 홈 인텔리전트 태블릿)를 설치해 스마트플러그와 HEMS 컨트롤러에 의한 “전력의 시각화 시스템”으로 에너지 절약을 지원한다(그림 3). 태블릿 PC와 거실의 액정 TV에는 태양광발전 시스템의 발전 전력(가동 상황), 잉여 전력의 매전 전력뿐 아니라, 집안의 기기마다 소비전력과 가동 상황, 방마다 혹은 집 전체의 소비전력 등의 정보가 실시간으로 표시된다.
그리고 “자동화 HEMS”에서는, 예를 들어 집안의 스마트 가전을 HEMS 컨트롤러에서 한 번에 제어해 절전하거나 사용자의 움직임에 따라 자동으로 기기를 최적으로 제어해 쾌적성을 유지하면서 자동으로 절전하는 기능을 실증하고 있다. 다음은 집 안에서의 적용 내용이다.

① 거실에서는 에어컨, 조명, 블라인드 등을 센서와 카메라를 이용하여 제어한다. 센서는 낮에는 블라인드를 열어 외광을 받아들이도록 하고, 실내의 밝기에 따라 조명의 조광/조색 조정을 하며, 공조를 위해 에어컨을 제어한다. 또한 카메라를 통해 사람을 식별해 조명의 밝기와 실내 에어컨, 심지어 TV 화면의 밝기와 시청 프로그램도 사용자에 맞춰 자동으로 바꾸는 실험이 진행되고 있다.

② 침실에서는 천장이나 기둥에 설치한 풀 컬러 LED 조명의 조광/조색 기능과 에어컨에 의한 공조의 조합으로 가장 쾌적한 공간을 연출하는 절전 실험이 진행되고 있다.

③ 서재에서는 천장에 각종 센서를 배치하여 사람의 위치와 동작을 감지해 사람의 움직임, 활동량, 인원수에 따라 조명과 에어컨을 자동으로 제어하는 실험이 진행되고 있다.
또한 “자동화 HEMS”의 응용으로, 보안 시스템을 개발해 실험하고 있다. 예를 들어, 현관에서는 현관문 전자자물쇠와 카메라를 이용하여 접근하는 사람의 얼굴을 식별하고, 가족이면 키가 없이도 자동으로 문이 열린다.
미래를 위한 대응으로, 태양전지 등의 분산 전원을 교류로 변환하지 않고 직류를 그대로 가정에서 사용하기 위해 직류 급전 시스템과 DC 가전을 도입했다. 일반적으로 가정의 전기 제품은 전력회사에서 송전하는 교류 전력을 사용한다. 반면, 태양전지는 직류 발전하지만 파워 컨디셔너를 통해 교류로 변환해서 사용한다. 이 과정에서 변환손실이 발생하기 때문에, 태양전지의 전력을 그대로 사용하기 위한 DC 가전이라는 개념이 대두되고 있다. 변환손실이 없으면 에너지 절약으로 이어지겠지만, 가정에서 직류 전력을 그대로 이용하기 위해서는 안전성 측면 등 아직 검증이 필요하다.
샤프는 그림 4와 같이 분산 전원에서 출력되는 직류 전력을 교류로 변환하여 가전 내부에서 다시 직류로 변환할 때 변환손실 감소에 따른 절전효과 검증을 실시하고 있다. 예를 들어, DC 급전 방식과 일반 AC 급전 방식의 에어컨을 동일한 조건에서 가동시켜 DC/AC 각 기기의 소비전력을 비교하는 유효성 검증이 이뤄지고 있다.



지능형 파워 컨디셔너
기존의 태양광발전 시스템용 파워 컨디셔너의 태양전지 발전 전력의 가정내 급전 및 매전 기능 외에도 그림 5와 같이, 가정용 축전지 및 전기자동차에 탑재되는 구동용 배터리의 충방전 제어 기능, DC 가전으로의 직류 공급 기능을 갖춘 지능형 파워 컨디셔너(그림 6)의 검증이 이뤄지고 있다. 태양전지의 발전 전력을 최대한 활용하기 위해서는 여러 전력원과 계통 전력을 최적으로 통합 제어해야 한다. 예를 들어 발전 전력의 과부족을 축전지로 보충하는 제어를 실시하고 있다. 또한 그림 7과 같이 전기자동차와 함께 전기자동차의 배터리 전력을 가정에 공급하는 실증 실험도 진행하고 있다.

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