일본의 그린에너지 변화 이끄는 태양열 발전 혁신 기업 ‘에프터피트(afterFIT)’

• 글로벌 그린에너지 이니셔티브는 각 국가에 재생에너지(renewable energy) 사용을 촉구하고 있다.
• 에프터피트는 일본 산악 지형을 위한 태양열 발전 방법을 연구하고 있다.
• 에프터피트는 태양열 발전에 그림자가 미치는 영향을 줄이기 위해 3D 설계 시뮬레이션을 활용하고 있다.

전 세계적으로 온실가스 배출 문제를 21세기 후반까지 해소하려 하고 있다. 2019년에 유럽연합(EU)에서 처음 제안한 이 목표에 중국, 미국, 일본과 같은 세계 최대 에너지 소비국들이 합류하고 있다. 스가 요시히데(Yoshihide Suga) 일본 총리는 일본에서 2050년까지 탄소 제로를 현실화하려면 2030년까지 에너지의 46%를 반드시 재생에너지원으로부터 공급받아야 한다고 언급했다.

일본에서 재생에너지 분야는 높은 시공 및 유지보수 비용과 더불어 효율성 문제로 발전이 지연되어 왔다. 이러한 문제에도 불구하고 일본에서는 태양열 발전의 개발을 독려하는 고정가격매입제도(FIT) 시스템이 2012년 7월에 시행되면서, 재생에너지 생산이 급격하게 증가했다. 2010년에는 에너지의 8%만이 재생에너지원으로부터 생산되었지만 2019년에는 18% (PDF, 2페이지와 14페이지)로 급격히 늘어났다.

일본의 환경 목표를 현실화하려면 태양열, 풍력 발전과 같은 재생에너지원이 지속적으로 성장해야 하며 FIT 시스템이 종료된 후에도 유지되어야 한다. 태양열 회사인 에프터피트(afterFIT)는 일본의 저탄소 경제로 가는 여정에서 핵심 동력으로 부상하고 있다. 창립 이후 에프터피트는 214.9메가와트의 태양열 발전을 위해 EPC(설계, 조달, 시공) 서비스를 제공하는 한편, 자체적으로도 104메가와트를 생산하는 태양열 발전소를 운영하는 규모로 성장했다.

까다로운 지형에서도 효율성과 비용의 균형을 유지하기 위한 노력

대부분이 산악 지형이라 활용 가능한 대지가 많지 않은 일본에서 재생에너지 사업을 운영하려면 시공 비용을 절감하기 위해 효율적인 방식을 도입해야 한다. 에프터피트는 기술을 기반으로 섬세한 시공 방법을 도입하여 각 위치의 전력 활용 가능성을 극대화하는 시스템을 개발하고 있다.

타니모토 칸조(Kanzo Tanimoto) 에프터피트 CEO는 “에프터피트는 그린전력 발전, 전송 및 판매를 전문으로 하는 기업으로, 기술과 데이터를 적극적으로 활용하여 일본의 탈탄소화 문제를 해결하고 있다”고 말했다. 그는 이어 “우리는 기존 시스템의 문제를 새로운 아이디어로 해결하고 있다. 일례로 우리는 일본의 발전소 부족 문제를 해결하기 위해 위성 자료를 분석해 발전소에 적합한 대지를 찾으려고 한다. 또 태양광 발전소를 설계하기 위해 업계에서 가장 앞선 3D 설계를 도입하고 그림자로 인한 영향을 최소화하기 위해 24시간 태양열 시뮬레이션을 진행했다”고 밝혔다.

시리가와 에리(Eri Shiraga) 에프터피트 설계 담당자는 회사의 접근 방식을 좀 더 상세하게 소개하며, “먼저 비용 효율적인 방식으로 대지를 개발할 수 있는 방법을 연구하고, 조성해야 하는 대지 면적과, 다른 필수적인 개간 공사를 검토한다”고 전했다.

대규모 태양열 프로젝트에는 태양광 패널 및 전력 변환기와 더불어 태양광 측정 장비와 유지보수를 위한 접근 도로가 필요하다. 시리가와는 “유지보수 직원과 차량을 위해 도로를 건설할 때는 배수와 다른 수많은 설계 요소를 고려해야 한다”고 하며, “배수가 원활하지 않으면 패널 주변 영역이 침식되어 패널의 붕괴로 이어질 수 있다. 우리는 제한된 토지를 효율적으로 활용하기 위해 노력하고 있다. 예를 들어 유지보수 도로 옆에 수로를 만들거나 파이프를 매설한다”고 설명했다.

태양광 패널의 효율은 위치와 방향에 따라 크게 달라진다. 시리가와는 또 “이상적인 설치 각도와 높이는 각각의 설치 지역에 따라 다르다”라며, “예를 들어 홋카이도 프로젝트의 경우 강설량을 고려해야 한다. 도쿄 인근 지역의 경우 패널을 일반적으로 높이가 1미터 미만인 지지대에 설치하지만, 홋카이도의 경우 3.5미터 이상의 높이에 최대 30도로 설치한다”라고 전했다.

이러한 높이와 각도로 설치하면 전력 효율성이 올라가지만 설치 비용은 급증하게 된다. 대규모 설치의 경우 높이를 50센티미터 늘리는 것만으로도 수천만 엔의 비용이 증가할 수 있으므로, 변경 비용과 그로 인해 얻어지는 이점을 비교 검토해야 한다고 시리가와는 강조했다. 그는 “패널의 각도를 1도라도 변경하면 생산되는 전력량에 큰 차이가 발생할 수 있어, 우리는 설계 작업을 진행하면서 분석 팀과 긴밀하게 협업하고 있다”라고 밝혔다.

3D 설계로 그림자와 맞서다

에프터피트는 태양열 발전소를 설계할 때 드론으로 항공 사진을 찍어 오토데스크의 ReCap(리캡)에서 포인트 클라우드를 생성하고, 이를 기반으로 Civil 3D(시빌 3D)에서 정확한 지형 맵을 제작한다. 3D 설계 방식을 사용하면 주변의 수목이나 기타 물체로 드리워지는 그림자를 고려해 태양광 패널 설치 효율을 극대화할 수 있는 위치를 결정할 수 있다.

효율을 최대화하기 위해서는 태양광 패널이 서로에게 그림자를 드리우지 않는 위치로 배치되어야 한다. 에프터피트의 연구에 따르면 패널 가장자리에 고작 3센티미터 가량의 그림자가 드리워지는 것만으로도 전력 생산량이 60% 이상 감소할 수 있다고 한다. 에프터피트는 Civil 3D를 활용하여 패널 배치를 결정한다. 자동으로 패널 레이아웃을 설정하고 3D 시뮬레이션을 수행하기 위해 헬리오스 3D(Helios 3D) 애드온도 사용한다. 그 다음에 오토데스크의 InfraWorks(인프라웍스)를 활용하여 그림자의 영향을 파악하기 위한 계획을 시각화한다.

전력 효율성을 최대화하는 패널 배치를 설계할 때는 시간이 매우 중요하다. 시리가와는 “일반적으로 사업 시작일이 확정되면 계획 수립이 시작되지만 이 과정이 완료될 때까지 설계 작업을 진행할 수 없다. 따라서 많은 경우에 설계 작업 시간이 제한적이다”라고 말했다. 팀은 주어진 시간 동안 배치 시뮬레이션을 반복하고 아주 작은 양의 그림자라도 발견되면 설정을 변경한다. 이러한 프로세스를 통해 그림자가 운영에 미치는 영향을 효율적으로 최소화하고 있다.

기술은 유지보수 및 관리에 있어서도 한몫을 한다. 에프터피트에는 드론 조종사와 AI(인공지능) 전문가가 있다. 드론은 레이저 스캔과 조사 작업에 모두 사용된다. 어려운 작업에는 여러 유형의 드론이 필요하다. 사람이 진행하면 2일이 꼬박 걸리는 조사 작업을 드론으로 진행하면 15분 만에 끝낼 수 있다. 패널의 열 배출량을 조사하면 오염된 패널, 손상된 부품 또는 연결 문제를 빠르게 확인하고 수리해 가동 중단 시간을 줄이는 데 도움이 된다. 자동화된 드론 조사와 더불어 AI 기반의 결함 감지 및 분석 시스템을 위한 연구 및 개발이 진행 중이다.

미래를 계획하는 그린에너지 이니셔티브

에프터피트는 대규모 발전을 넘어서서 다른 그린에너지원도 눈여겨보고 있다. 태양광 패널을 주차장 캐노피에 적용하는 에프터피트의 태양열 카포트 프로젝트는 100대 이상의 차량을 수용할 수 있는 상업 건물 및 공장 주차장을 대상으로 한다. 상업 건물 주차장의 경우 쇼핑 경로를 피해서 기둥을 설치하지만, 공장 주차장에서는 발전량을 최대화하는 방향으로 설계한다.

카포트 프로젝트의 설계 팀을 이끌고 있는 마에다 미즈키(Mizuki Maeda)는 “태양열 발전소와의 가장 큰 차이점은 카포트는 사람들이 패널 아래를 지나다닐 수 있도록 설계된다는 것이다”라며, “일본의 건축 규정에 따르면 정부 승인이 필요한 타입 4 구조물이라서 시공 계산에 특별히 주의를 기울여야 한다”라고 강조했다.

이를 위해 팀은 오토데스크의 Inventor(인벤터)로 상세한 3D 계획을 수립하고 Inventor Nastran(인벤터 나스트란)을 활용하여 구조물 결합부의 응력 해석을 진행할 예정이다. 에프터피트는 상업 건물 및 공장 카포트를 설계할 때 자동차 및 사람을 고려한 모듈 배치를 3D로 시각화하고 하루 동안 그림자의 변화를 평가하기 위해 InfraWorks를 활용한다.

저탄소 경제가 부상하면서 일본의 기업 그린에너지 이니셔티브의 초점이 2020년 하반기부터 급격하게 변화했다. 기업에서는 곧 에프터피트와 같이 더욱 선제적인 이니셔티브를 강조하게 될 것이다. 이러한 이니셔티브는 그저 환경에 단순한 관심을 가지거나 기업 활동에 환경적 가치를 더하려는 일상적인 기업 활동보다는 환경 문제에 적극 동참하려는 노력과 맞물려 있다.