스마트 에너지(2025년 4, 5, 6월 조사)(일본어판)

◆조사 개요

 

본 조사 리포트는 정기간행물인 Yano E-plus 2025년 5월호, 6월호, 7월호에 게재된 내용입니다.

리서치 내용

 

스마트에너지(1)

~재생가능 에너지의 스마트 에너지 시스템으로의 통합

 

1. 스마트 에너지 시스템이란

1-1. 스마트 그리드

1-2. 분산형 에너지 시스템

1-3. 에너지 저장 기술

1-4. 디지털 제어와 IoT

1-5. 재생가능에너지와의 연계

1-6. 에너지 매니지먼트 시스템(EMS)과 비용 절감

 

2. 재생가능에너지의 스마트 에너지 시스템으로의 통합

2-1. 변동하는 발전량에 대한 대응

2-2. 에너지 스토리지와 재생가능에너지 보완

2-3. 수요반응(DR)와 피크 시프트

2-4. 전력융통과 에너지 셰어링

2-5. 전동 모빌리티와의 통합

2-6. 스마트 인프라와의 연계

 

3. 재생가능에너지의 스마트 에너지 시스템으로의 통합에 관한 시장규모

【그림·표1. 재생가능에너지의 일본 및 WW 시장규모 예측(금액: 2030-2050년 예측)】

 

4. 재생가능에너지의 스마트 에너지 시스템으로의 통합과 관련된 기업·연구기관의 대응 동향

4-1. 학교법인 가나자와공업대학

(1)하쿠산로쿠캠퍼스 열과 전기의 에너지 지산지소 셰어 모델 시스템

【그림1. 열과 전기의 에너지 지산지소 셰어 모델】

(2)오기가오카캠퍼스 직류 급전 시스템

【그림2. 가나자와공업대학 오기가오카캠퍼스의 직류 급전 시스템의 전체상】

【그림3. 직류 급전 시스템의 주요 설비】

【그림4. 직류 급전 시스템의 스케줄】

4-2. 학교법인 시바우라공업대학

(1)영농형 태양광 발전 시스템 제안

【그림5. 영농형 태양광 발전의 이미지】

(2)LiDAR 기술을 활용한 삼림 벌채 계획을 수립

【그림6. LiDAR 기술을 활용한 산림조사 실시 풍경】

(3)전력 압박 상황에 대응한 쾌적성을 고려한 에어컨 자동 제어 연구

【그림7. 전력의 수요와 공급의 균형을 맞추면서, 쾌적성을 고려한 에어컨 자동 제어의 모식도】

4-3. 국립대학법인 도쿄대학

(1)에너지 종합학 연계 연구기구의 대응

【그림8. 에너지 종합학 제휴 연구기구의 콘셉트】

(2)제6차 에너지기본계획과 GX기술전략

①제6차 에너지기본계획

②GX 기술전략

【그림9. GPM의 개념도[1]】

【그림10. 재생가능에너지 고도보급을 위한 전력시스템 이노베이션 사례: 연료전지 연계 제어를 통한 메가솔라의 임밸런스 보상 [2]】

4-4. 국립대학법인 도카이국립대학기구 나고야대학╱기후 대학

(1)연구의 배경

(2)부생산소를 이용한 옥시바이오매스 가스화 프로세스

【그림11. 부생산소를 이용한 바이오매스 가스화 시스템의 모식도】

4-5. 학교법인 리쓰메이칸대학

(1)생활 스마트·에너지 이노베이션 연구 거점

【그림12. 생활 스마트·에너지 이노베이션 연구의 개념도】

(2)페로브스카이트 태양전지의 고효율화 및 고내구화

【그림13. 페로브스카이트 태양전지의 결정격자】

【그림14. 페로브스카이트 태양전지의 내부구조】

 

5. 재생가능에너지의 스마트 에너지 시스템으로의 통합에 관한 과제와 장래 전망

5-1 과제

(1)발전량의 불안정성과 예측의 한계

(2)에너지 스토리지의 비용과 기술적 제약

(3)스마트그리드의 정비와 인프라 투자

(4)수요반응의 보급과 유저의 참가 의식

(5)재생가능에너지의 지리적 편재와 송전망 부하

(6)법적·규제상 과제

(7)사이버 보안의 리스크

(8)폐기물 관리와 환경에 주는 영향

5-2. 장래 전망

(1)고도의 에너지 관리와 AI를 통한 최적화

(2)차세대 에너지 스토리지 기술 보급

(3)분산 에너지 자원(DER)의 활용과 가상발전소(VPP)

(4)스마트 그리드의 고도화와 5G기술의 활용

(5)수소에너지 확대와 Power to Gas(P2G) 기술 이용

(6)초전도 송전 기술의 실용화

(7)에너지 셰어링과 Peer-to-Peer(P2P) 전력거래 확대

(8)탄소 중립 추진과 정책 지원

 

스마트 에너지(2)

~디지털 기술을 활용한 스마트 에너지의 효율화/예측기술~

 

1. 스마트 에너지 설계 및 예측에 도움이 되는 디지털 기술

1-1. 디지털 트윈

1-2. AI·기계학습

1-3IoT

1-4. 빅데이터 분석

1-5. 블록체인 기술

1-6. 클라우드 컴퓨팅

1-7. 엣지 컴퓨팅

1-8. 증강현실 ╱ 가상현실(AR ╱VR)

1-9. 스마트 미터와 자동 검침 (AMR)

1-10. 최적화 알고리즘

 

2. 디지털 기술을 활용한 에너지 설계 및 예측 기술 개요

2-1. 에너지 매니지먼트 시스템 (EMS)

2-2. 배전관리 시스템 (DMS)

2-3. 수요예측 시스템

2-4. 스마트그리드 제어 시스템

2-5. 디지털 트윈 기술

2-6. P2P 에너지 거래 플랫폼

2-7. AI 기반 에너지 최적화 도구

2-8. 에너지 데이터 분석 플랫폼

2-9. IoT 센서 네트워크와 스마트 미터

2-10. 클라우드 기반 에너지 관리 소프트웨어

 

3. 디지털기술을 활용한 스마트에너지 설계 및 예측기술에 관한 시장규모

[그림·표1. 디지털 기술을 활용한 스마트 에너지 설계·예측 기술의

일본 및 WW 시장규모 예측(금액:2030-2050년 예측)]

 

4. 디지털 기술을 활용한 스마트 에너지 설계 및 예측 기술과 관련된 기업·연구기관의 대응 동향

4-1. 국립대학법인 오사카대학

(1)커뮤니티에서의 에너지 매니지먼트

【그림1. Grid-Interactive Efficient Buildings의 기술 레이어】

(2)스마트 에너지 매니지먼트 시스템 구축

【그림2. 스마트 에너지 관리 시스템의 개념도】

4-2. 국립대학법인 도쿄대학

(1)재생 에너지를 이용한 수소 에너지 시스템

[그림3. 재생에너지를 이용한 수소 에너지 시스템의 개념도]

(2)수소 공급망 구축

【그림 4. 수소의 공급망】

[그림 5. 해외로부터의 그린 수소 수입]

(3)수소흡장합금을 이용한 수소 저장

【그림 6. 수소흡장합금을 이용한 'eneloop'

4-3. 학교법인 도쿄도시대학

(1)직관적 AI·설명 가능한 AI(xAI)로 개척하는 지속 가능한 사회와 Well-being 통합 접근법

(2)에너지·생활 및 경제·환경의 삼중고 요소와 행동 이념·홈베이스의 개념

【그림 7. 삶의 힘과 탐구 과학력】

(3)시나리오 분석

(4)정리

4-4. 학교법인 도쿄이과대학

(1)강화 학습을 이용한 수급 밸런스를 유지하는 부하 주파수 제어(LFC)

【그림 8. SARSA-LFC 모델 (위)과 실험 회로 (아래)】

(2)에너지 소비의 최적화 제어에 관한 빌딩 매니지먼트 시스템(미쓰비시전기 주식회사와의 공동 연구)

【그림 9. 실험에 이용한 배전 시스템】

[그림 10. 실험 결과: 에너지 소비의 RMSE와 오차율]

(3)블록체인 기술을 응용한 분산형 PV 잉여 전력 거래 시스템 제안

【그림 11. 어카운트 수가 변화했을 때의 Gas (왼쪽) 및 Gethelapsed (오른쪽)】

【그림 12. 입찰수가 변화했을 때의 Gas (왼쪽) 및 Gethelapsed (오른쪽)】

4-5. 국립대학법인 요코하마국립대학

(1)세계 에너지 시스템 모델

[그림13. 세계 에너지시스템 모델의 지역분할 및 에너지 운송 루트]

(2)일본의 에너지 시스템 모델

【그림 14. 일본 에너지 시스템 모델의 분석 사례: 2050년의 전원 구성】

(3)에너지 흐름과 광물자원 흐름의 통합

【그림 15. 에너지·광물 수급 모델의 시스템 개념도】

【그림16. 3원계 리튬이온전지를 가정한 경우 세계 승용차 제고 계산 예(ICEV: 내연기관차, HEV: 하이브리드차, FCEV: 수소연료전지차)】

(4)재생에너지자원의 지리적 평가

【그림 17. 지리정보를 이용하여 토지 경합을 고려한 태양광·풍력발전 적지】

 

5. 디지털 기술을 활용한 스마트 에너지 설계·예측 기술에 관한 과제와 미래 전망

5-1. 과제

(1)데이터의 정밀도와 일관성 확보

(2)실시간 데이터 처리의 복잡성

(3)사이버보안 확보

(4)고비용과 도입의 복잡성

(5)재생에너지의 변동성에 대한 대응

(6)데이터 프라이버시 확보

(7)에너지 시스템의 상호 운용성

(8)장기적인 운용 보수의 과제

(9)전문 인력의 부족

5-2. 미래전망

(1)AI에 의한 고정밀 에너지 예측

(2)디지털 트윈을 통한 가상 시뮬레이션 실현

(3)분산형 에너지 자원(DER)과의 통합

(4)실시간 데이터를 활용한 에너지 최적화

(5)블록체인을 통한 에너지 거래의 안전성 향상

(6)고도의 사이버 보안 강화

(7)엣지 컴퓨팅 도입을 통한 분산 처리

(8)에너지 데이터를 활용한 레질리언트 도시 계획

 

스마트에너지(3)

~분산협조형 에너지의 설계/관리 시스템

 

1. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템이란

1-1. 디지털 기술을 활용한 스마트 에너지 설계 및 예측 기술

(1)목적

(2)특징

(3)중심적인 기술

(4)주요 이용 장면

1-2. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템

(1)목적

(2)특징

(3)중심적인 기술

(4)주요 이용 장면

1-3. 양자의 주요 차이점

(1)설계·관리의 대상

(2)관리의 구조

(3)기술의 방향성

 

2. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템의 구체적 내용

2-1. 분산형 에너지 자원(DER)

2-2. 가상발전소(VPP)

2-3. 에너지관리의 자율성과 협조성

2-4. 에너지 거래와 P2P 네트워크

2-5. 수요반응(DR)

2-6. 엣지 컴퓨팅과 실시간 제어

 

3. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템에 관한 시장규모

【그림·표1. 분산 협조형 에너지 설계·관리 시스템의 일본 및 WW 시장규모 예측(금액: 2030-2050년 예측)】

 

4. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템에 관련하는 기업·연구기관의 대응 동향

4-1. 국립대학법인 홋카이도국립대학기구 기타미공업대학

(1)변동하는 재생가능에너지 수급 조정 공급 시스템

【그림1. 변동 재생가능에너지의 잉여 전력을 에너지 캐리어로 수급 조정에 사용하는 에너지 공급 시스템의 모식도. (a)수소/암모니아, (b)MCH[1]】

(2)저온폐열을 이용한 고효율 축발전 기술

【그림2. CO2 하이드레이트를 이용한 전력용 배터리 구성.

(a)충전 모드, (b)방전 모드】

(3)양성자 교환막(PEM) 수전해 셀의 변동 재생가능에너지 추종 성능

【그림3. 실험 장치의 구성. (a)테스트 시스템, (b)테스트 셀[3]】

(4)차세대 화력발전: 저류 CO2와 그린수소에 의한 메서네이션을 수반하는 CCUS가 장착된 고체산화물형 연료전지(SOFC) 복합 시스템

【그림4. Oxy-Combustion을 이용한 CO2 회수·저장을 수반하는 SOFC-CC】

4-2. 국립연구개발법인 산업기술종합연구소 재생가능에너지연구센터

(1)전력 계통의 관성력 문제

(2)전력 계통의 관성 저하에 대응하는 GFM 인버터 기술 개발

【그림5. 일반적인 실증(왼쪽)과 대비한 차세대 실험실 시험기술(HIL)의 모식도(오른쪽)】

(3)계통 안정성을 위한 재생가능에너지 비율에 관한 영향 평가

【그림6. 인버터에 의한 재생가능에너지 비율 증가에 따른 계통 안정성

평가 결과. 실선의 짙은 색과 옅은 색은 각각 중부하시와 경부하시의 상태를 나타낸다】

4-3. 국립대학법인 도쿄대학

(1)분산 협조 시스템의 포지션

【그림7. 분산 협조 시스템 설계의 포지션】

(2)전력시장에서 분산화에 따른 사회실장 분야의 확대와 도입

【그림8. 분산화에 따른 분산 전원·IoT기기 시장의 확대 및 도입】

(3)분산 협조 시스템 설계 사례

①전력 융통 거래 플랫폼의 시스템 구성

【그림9. 전력 융통 거래 플랫폼의 시스템 구성 사례】

②P2P 블록체인을 이용한 전력 거래 시스템의 공동 실증실험

③P2P 개인 간 전력거래를 활용한 주택지에서의 탈탄소 추진

【그림10. P2P 개인간 전력거래를 활용한 도쿄도 세타가야구의 탈탄소 추진 사례】

4-4. 학교법인 후쿠오카대학

(1)전력의 에너지 캐리어로의 변환

(2)암모니아 전해 합성의 의의

【그림11. 그린 암모니아 사회의 이미지】

【그림12. 물과 질소로 직접 암모니아를 만드는 방법의 모식도】

(3)수소 투과막을 이용한 전기화학 시스템에 의한 물과 질소의 암모니아 합성

【그림13. 암모니아 전기화학 셀의 모식도】

【그림14. 전기화학 셀의 단면도(A)와 장치의 배관도(B)】

【그림15. 신규 개발한 촉매의 전자 현미경 사진】

 

5. 분산 협조형 에너지의 설계·관리 시스템에 관한 과제와 장래 전망

5-1. 과제

(1)데이터 관리 및 보안

(2)시스템의 상호운용성과 표준화

(3)실시간성과 제어의 복잡성

(4)수요예측의 정확도와 관리

(5)엣지 컴퓨팅과 분산 처리의 정합성

(6)피크 부하와 공급의 조정

(7)에너지 거래와 규제의 정비

(8)인프라 정비와 초기 비용

(9)사회적 수용과 유저 교육

5-2. 장래 전망

(1)AI와 기계학습을 통한 예측 정확도 향상

(2)블록체인을 통한 에너지 거래와 투명성 향상

(3)엣지 컴퓨팅의 진화와 현장에서의 실시간 제어

(4)디지털 트윈에 의한 에너지 시스템 고도 관리

(5)지역별 에너지 자급과 탄소중립 실현

(6)에너지 인프라의 유연성과 재구성성 향상

(7)EV와의 연계와 V2G 보급

(8)새로운 에너지 서비스 창출

(9)정책과 규제 강화를 통한 지원

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