일본의 전력저장 장치기술

[일본] 전력을 수소와 초전도의 축전지에 저장

재생가능 에너지에 추가로 수소의 보급을 목표로 하는 야마나시현에서 첨단 실증 프로젝트가 추진되고 있다. 태양광과 소수력발전의 잉여전력을 수소로 전환하여 저장, 재이용하고, 태양광의 출력변동을 초전도 축전시스템으로 안정화시키는 시도이다. 산림자원을 이용한 목질 바이오매스 발전소의 건설도 시작된다.
 

전국에는 지자체가 개발에 실패한 조성지가 다수 있다. 야마나시현의 고후시에도 “고메쿠라산(米倉山)”의 언덕지대에 1990년에 뉴타운 개발계획이 시작되었지만, 버블붕괴로 중지되었다. 그 고메쿠라산의 조성지역 중에 현재 일본 국내에서 최첨단의 에너지 실증설비가 가동 중이다. 중핵설비는 야마나시현의 기업국이 도쿄전력과 공동으로 2012년에 운전을 개시한 “고메쿠라산 태양광발전소”이다. 발전능력이 10㎿의 대규모 메가솔라 주변에는 두 개의 부대시설이 있어 재생가능 에너지의 미래를 여는 프로젝트가 추진되고 있다.

첫 번째는 태양광과 소수력발전의 전력을 사용하여 수소를 제조하는 것이다. 야마나시현이 “그린 에너지 선진현”의 정보제공 거점으로서 운영하는 “꿈의 솔라관 야마나시”에서 2012년부터 시작되었다. 옥상에 설치한 태양전지와 우수를 이용한 소수력발전에 추가로 수소를 제조, 저장, 이용하는 시스템을 도입하여 에너지의 자급자족을 가능케 하였다.

태양광과 소수력의 전력으로부터 “수전해식 수소 발생장치”에서 수소를 만들 수 있다. 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시켜 수소는 기체 그대로 탱크에 저장된다. 그리고 탱크로부터 연료전지에 수소를 보내 시설 내에 전력을 공급하는 체제이다.

재생가능 에너지로부터 만든 전력으로 수소를 제조할 수 있기 때문에 이산화탄소를 배출하지 않고 수소가 순환한다. 태양광 및 소수력으로 발전한 전력이 남더라도 수소를 만들어 탱크에 저장하면 된다. 다시 전력이 필요하게 되면 연료전지로 발전할 수 있다. 2020년 도쿄 올림픽과 패럴림픽을 향해 도쿄도 및 가나가와현이 추진하고 있는 수소에너지의 활용법이다. 야마나시현은 3년 전에 이미 착수하였다.

재생에너지의 전력을 저장하는 방법에는 축전지를 이용하는 수단도 있다. 이미 도호쿠 및 큐슈를 중심으로 낙도를 포함하여 실증시험이 추진되고 있지만, 고메쿠라산에는 리니어 모터카에 사용되고 있는 초전도 기술을 응용한 축전시스템을 도입하는 계획이 진행 중이다. 야마나시현이 에너지의 분야에서 최첨단을 달리는 두 번째 프로젝트이다.

이 축전시스템은 전력을 저장하는 방법이 일반적인 축전지와 크게 다르다. 원반형의 거대한 플라이휠을 전력으로 회전시켜 운동에너지로 변환한다. 원반의 직경은 2미터이며, 총 중량은 4톤에 이르지만, 1분간 최대 6천 회 회전할 수 있다. 회전하는 부분은 발전기가 되어 있으며, 필요에 따라 운동에너지를 전력으로 되돌릴 수 있는 구조이다.

리니어 모터카와 동일하게 초전도 상태에서 플라이휠이 부상하여 회전하기 때문에 에너지의 손실이 거의 없어 장시간 유지할 수 있다. 그리고 일반적인 축전지와 같이 성능이 노화되지 않는다. 이러한 이점 때문에 태양광발전에서 변동하는 전력을 빈번하게 충전, 방전하면서 안정화시키는 용도로 적합하다.

고메쿠라산에는 10㎿의 메가솔라 부지에 초전도 플라이휠 축전시스템의 시험용으로 1㎿의 태양광발전 설비가 별도로 설치되어 있다. 축전시스템의 실증기는 2015년 4월에 도쿄도 철도종합기술연구소에서 시운전을 개시하였다. 앞으로 고메쿠라산에 이설하여 태양광 발전설비와 연계시험을 실시할 예정이다.

축전시스템의 출력은 0.3㎿이다. 태양광에 의한 최대 1㎿의 출력이 기후에 따라 변동하더라도 전력을 흡수하여 안정화시키는 효과는 크다. 단 장치의 크기 및 비용을 고려하면 널리 실용화할 수 있는 것은 상당히 먼 미래가 될 것이다. 그래도 리니어 모터카와 동일하게 수십 년 후에 세계를 리드하는 첨단기술로서 재생가능 에너지의 확대에 공헌할 수 있을 것으로 기대된다.

야마나시현은 일조시간이 일본에서 가장 긴 장소로 알려져 있다. 축복 받은 자연환경을 살려 태양광을 중심으로 소수력과 바이오매스를 추가한 세 종류의 재생가능 에너지를 도입하려는 계획이 추진되었다. 소수력과 바이오매스도 지자체가 추진하는 방법으로 현 내의 각 지역에 확대되기 시작했다.

소수력발전의 경우, 현의 기업국이 2010년부터 5개년 계획으로 설치장소의 조건이 다른 4군데에 모델 시설을 건설하였다. 수도시설을 비롯한 댐의 하천유지 방류, 사방댐의 낙차, 그리고 야마나시현에 많은 터널 용수(湧水)까지 이용한다. 4군데를 합하면 발전능력은 551㎾가 되며, 연간 320만 ㎾h의 전력을 공급할 수 있다. 일반가정 900세대분의 사용량에 해당한다. 이러한 모델 시설의 건설, 운영 노하우를 살려 앞으로는 민간 발전사업자가 동일하게 입지에 소수력발전소를 건설할 수 있도록 지원한다.

바이오발전과 관련해서는 지자체와 민간기업의 공동 프로젝트가 시작되었다. 현 동부의 오쯔키시(大月市) 지역의 간벌재 등을 이용한 목질 바이오매스 발전소를 건설할 계획이다. 발전능력은 14㎿로 크고 연간 발전량은 3만 세대분에 해당한다. 오쯔키시의 총 세대수는 1만으로 그 3배에 이르는 전력을 공급할 수 있게 된다. 총 투자액은 약 100억 엔으로 예상되고 있으며, 연간 전력판매 수입은 약 20억 엔에 이를 것으로 예상된다. 2015년 8월에 착공하여 2017년도 중 운전을 개시할 예정이다.

연료인 목재는 연간 15만 톤 필요하며, 지역의 산림에서 발생하는 간벌재 등의 비율은 20% 정도이다. 남은 80%는 반경 50킬로미터의 범위에 있는 도쿄, 가나가와, 사이타마의 서부 이외에 군마, 나가노, 시즈오카의 일부 지역을 포함하여 공원 등에서 발생하는 잔가지를 모은 것이다.

(그림 1) “꿈의 솔라관 야마나시”의 에너지 자급자족 시스템

[출처] [일본] 전력을 수소와 초전도의 축전지에 저장 |작성자 gwatercenter