화석연료를 대신할 에너지 매체로서 수소 및 연료전지 기술을 활용한 도시에너지 시스템의 확립이 국가적인 과제가 되고 있다. 도시 전체로서 경제성을 고려하고 이산화탄소 배출량, 화석연료에 대한 의존도를 저하시키는 대책이 필요하다. 본 연구에서는 (1) 도시에서 수소를 안전하게 이용하기 위한 배관매설 등의 기술체계를 정비하고, (2) 건축면에서의 에너지 수요를 저감하기 위한 실내 열부하 삭감, 고효율 기기의 활용법을 검토하고, (3) 도시에너지 시스템 평가 프로젝트에 의한 이산화탄소 배출량, 화석연료 의존도, 경제성 해석을 수행함으로써 화석연료에 의존하지 않는 에너지 매체인 수소를 이용한 도시에너지 시스템의 실현을 위한 검토를 실시하였다.

본 연구는 도시지역의 이산화탄소 발생량 삭감에 효과적이라고 생각되는 수소에 착안하고 현황과 비교하여 이산화탄소 배출량 50% 삭감을 가능케 하는 도시시스템 기술을 개발하기 위해 수소배관을 매설한 건물 등 공간의 안전성 검토, 연료전지 등에 의한 건물의 저탄소화기술, 저탄소 도시 평가기술을 개발하였다.

사무소 및 공동주택에서 파이프 샤프트의 크기, 내용물의 경우 건물규모에 의존하지 않고 용도별로 사전에 유통된 것으로 나타났다. 또한 수치유체해석에 의한 수소 확산성의 검토에서는 배관 내 압력, 환기량에 의한 파이프 샤프트 내 및 통로에서의 수소 확산성의 차이를 밝혀내었다.

저층 및 중층 건물을 상정한 기초 및 가스배관을 대상으로 하여 고베 NS파, 엘센트로 NS파(El-Centro NS파), 정현파를 상정 지진파로 하여 가진한 결과, 지반의 융기, 침몰, 액상화 등에 의한 손상이 있지만, 일반적인 택지지반(상대밀도 60%)에서 가스배관은 흔들림만으로는 손상되지 않는 것으로 나타났다.

주택을 포함한 6개 용도에 각종 연료전지시스템을 도입한 경우의 수치계산에서 상업업무에서는 증기배열형 연료전지(SOFC), 호텔과 의료에서는 저온수 폐열 이용형 연료전지(PEFC)에 의한 시스템이 높은 효율을 나타내어 계통전력의 50%를 삭감하는 것으로 나타났다. 수소파이프라인이 도시 내에 구축된 가까운 미래를 상정한 수소 구동의 연료전지를 가정에서 사용하는 “스마트 수소 하우스”를 제안하고 그 특징 및 효과에 대해 정리하였다.

도시지역의 수소 도입시나리오의 장래 예측을 통해 이번 계산조건에서 2030년에는 현재 가스 급탕기를 도입한 경우와 동등한 비용 부담으로 도시지역의 수소도입에 의해 대폭적인 이산화탄소 삭감이 가능한 것으로 나타났다. 지자체, 도시개발 사업자 등이 도시지역의 수소 도입 시나리오를 검토하기 위한 도구로서 태양광, 풍력 등의 컬러 표시 및 데이터, 다운로드를 수행하는 “자연에너지 부존량 데이터베이스”, 도시지역의 건물, 설비를 입력하면 에너지 소비량 및 비용 등을 계산 출력하는 “저탄소 도시평가시스템”을 개발하였다. “자연에너지 부존량 데이터베이스”에 관하여 공개하였다.

본 연구에서는 수소의 도입효과를 적절하게 검토, 평가하기 위해 자연에너지, 발전, 폐열이용 등도 고려한 복잡하고 폭넓은 평가체계를 구축하여 새로운 에너지로서 “수소”를 검토하였다. 또한 국토교통성이 관할하는 건축물 등 관련법령과 수소사회의 접점을 검토하는 것도 연구목적 중 하나이며, 건축기준법에서 수소배관을 상정한 기술기준의 검토를 수행하여 건물벽을 관통하는 가스관의 재질, 건물공간 내의 가스검지관의 적절한 배관 등에 관한 개발정비를 실시하였다. 그리고 공동 수소공급실험, 스마트 수소 하우스 등의 실험적 검토를 통해 수소의 공급, 소비의 실용화 기술에 목표를 정할 수 있었다. 이러한 개발기술을 기초로 도시에서 수소이용이 에너지절약, 이산화탄소 삭감에 효과적이고, 경제성에 관해서도 장래 예상은 유망하다는 것을 제시하고 있으며, 앞으로 도시개발에 도움이 되는 “저탄소 도시평가시스템” 및 “자연에너지 부존량 데이터베이스” 등의 도구 작성을 수행하였다.

수소 파이프라인의 매설은 수소에너지 사업의 존재, 탄생을 전재로 하지만, 사업자의 인허가는 경제산업성의 관할이며, 수소사회의 실현에는 다른 부처와의 연대를 포함한 제도적인 준비작업도 요구된다. 장래 도시지역의 수소 파이프라인이 실제로 매설되고, 건물에 수소 구동 연료전지의 도입, 보급이 추진되면, 에너지절약 기준, CASBEE 및 지자체의 저탄소 마을 조성 등 국토교통성 관련 각종 시책에 이번 연구결과가 반영될 것으로 생각된다. 연료전지는 일본의 신산업창조에 공헌할 수 있는 핵심기술이다. 수소의 안전관리 기술 및 환경, 에너지 평가방법 등과 함께 패키지화함으로써 국제적인 기술 경쟁력 향상에 도움을 줄 것으로 기대된다.

그림. 저탄소, 수소에너지 활용 사회의 이미지