스마트 그리드의 설계와 구성을 위한 과제

[테크월드=정환용 기자] 영화 ‘매드 맥스: 분노의 도로’를 보면, 황량해진 세계에서 어떻게든 살아남기 위한 인간들의 모습이 비현실적이면서도 현실적인 부분이 많이 보인다. 더 나아갈 수 있었던 발전과 공존의 길을 핵으로 무너뜨린 뒤에 남은 것은, 살아남았다는 약간의 희망과 먼지, 그리고 절망뿐이었다. 독재자의 죽음으로 영화는 해피엔딩인 것처럼 보이지만, 그들의 삶이 아주 조금 더 촉촉해졌을 뿐 재건의 가능성은 여전히 ‘0’이다.

지금까지의 흐름처럼 지구의 자정작용 이상의 이산화탄소를 배출한다면, 사진의 자연 광경을 사진으로만 접할 수 있는 세상이 예상보다 더 빨리 다가올 수 있다. 전 세계적으로 에너지 소비효율을 향상시키려는 노력이 이어지고 있지만, 점점 물리적인 한계에 가까워지고 있다. 게다가 효율적으로 전력을 저장시킬 수 있는 배터리 기술의 발전은 더디기만 하다. 이 시점에서 새로이 눈을 돌려야 할 사항은, 더 적은 전력을 소비하는 것에 앞서 전력을 덜 소비할 수 있는 가이드라인이다.

Part 1. 지능형 전력망 시스템의 과거와 현재
Part 2. 스마트 그리드의 설계와 구성을 위한 과제
Part 3. 국가별, 기업별 스마트 그리드 기술 구현 현황

산업통상자원부, 2030년 재생에너지 비중 20%까지

지난 2017년 12월 산업통상자원부(이하 산자부)가 ‘제2회 재생에너지 정책협의회’에서 2030년까지 총 발전량 중 재생에너지가 차지하는 비중을 20%까지 높이는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표했다. 서울시 상암동에 위치한 국내 최초의 에너지 자립 친환경 공공건축물인 에너지드림센터에서 열린 협의회에서, 산자부는 산·관·학·연 전문가들로 구성된 태스크포스가 6개월여 간 의견을 수렴하고 관계부처의 협의를 통해 계획안을 수립했다고 설명했다.

산자부에 따르면 2016년 국내 발전량 중 재생에너지의 비중은 7%였고, IEA(International Energy Agency)의 기준에 따른 비중은 2.2%에 불과했다. 2005년 생산량 5.7TWh로 1.2%였던 비중이 2016년 39.2TWh로 증가하며 비중을 7%까지 늘렸지만, 아직도 주요 국가의 발전량 비중에 따르면 낮은 편이다. 2016년 기준으로 독일은 29.3%, 영국 24.7%, 프랑스 17.3%, 일본 15.9%, 미국 14.9% 등으로 상당한 부분이 화석연료에서 풍력, 태양광 등으로 전환됐다. 특히 영국은 6년 동안 재생에너지 비중을 4배 가까이 늘렸다.

‘재생에너지 3020 이행계획’은 국내 발전량의 비중을 2016년 7%에서 2022년 10.5%, 2030년 20%까지 늘린다는 것이 요지다. 이에 따른 재생에너지 설비용량 역시 같은 기간 13.3GW에서 2022년 27.5GW, 2030년 63.8GW로 증가시킬 계획이다. 다른 국가들이 6년 동안 비중을 평균 8% 가량 증가시킨 것에 비하면 그리 빠른 속도는 아니다. 하지만 2000년에 0에 가까웠던 비중을 16년 동안 7%까지 늘린 국내 사례로 봤을 때, 2030년까지 20%에는 도달하지 못하더라도 현재 시점의 미국(14.9%)이나 일본(15.9%)에는 도달할 수 있을 것으로 예상된다.

‘모두가 참여하고 누리는 에너지 전환’이란 캐치프레이즈를 내건 재생에너지 이행계획은 구체적으로 ▲국민 참여 확대 ▲지자체 주도의 계획입지제도 도입 ▲대규모 프로젝트 추진 ▲재생에너지 확대를 위한 보급여건 개선 ▲환경을 고려한 재생에너지 확대 등 5가지 항목으로 나뉘어 있다. 또한, 본 이행계획을 통해 에너지신산업을 육성하는 방안도 포함시켰는데, 여기에는 ▲재생에너지 산업경쟁력 강화 ▲분산전원 기반 에너지신산업 육성 ▲IoE 활용 수요관리 서비스산업 육성 ▲스마트시티를 통산 신산업 실증 등의 구체적인 내용이 계획돼 있다.

산자부는 재생에너지의 확산을 에너지신산업의 육성 기회로 활용하겠다는 내용을 발표했다. 재생에너지의 보급을 확대시켜 국내 청정에너지 산업을 집중 육성하는 방안, 그리고 분산발전과 4차 산업혁명 신기술의 융합으로 IoE(Internet of Everything) 기반의 에너지신산업을 발굴·확산시키겠다는 것이 주요 목표다. 산자부는 4차 산업혁명의 핵심기술로 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing), 빅데이터(Big Data), 모바일(Mobile) 등 5가지로 설정하고 있다.

여기서 눈여겨 볼 것으로 분산전원 기반의 에너지신산업을 육성하겠다는 계획이다. 산자부
는 분 산전원 확대를 위해 전력중개시장, ESS(Energy Storage System), 연료전지 산업을 육성하겠다고 언급했는데, 구체적인 시행 계획은 [표 2]와 같다.

또한, 다양한 분산전원과 서비스업이 공존할 수 있는 인프라와 제도 기반을 구축하는 방안도 포함돼 있다. 지능형 전력망과 IoE 인프라를 구축하고 인증과 표준을 강화하겠다는 것이 구체적인 계획이다. 지능형 전력망 구현은 차세대 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템의 고도화, 차세대 DAS(Distributed Antenna System) 망의 구축을 통해 실시간 감시·제어와 고장 예측, 자동 복구 기술로 이뤄진다. 여기에 고성능 스마트 미터를 설치하고 실시간 에너지 데이터를 수집하는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) IoE 인프라가 더해진다.

이런 계획의 실현을 위해서는 다양한 기술 분야의 효과적인 융합이 필요하다. 전력 빅데이터 서비스 마켓을 구축하는 것은 각 서비스 사업자와 한국전력공사의 협업으로 실시간 전력
사용량을 확인하고 에너지 절감 컨설팅 서비스를 수행하는 것이 필요하다. 산자부는 2018년 내에 운영 기준을 마련해, 2019년부터 본격 운영하겠다고 언급했다.

또한, 지능형 에너지 통합 관리·서비스 모델을 발굴·확산하는 것도 연구하고 있다. IoT, AI, 클라우드가 결합된 에너지 사용 관제·분석센터에서 빌딩이나 공장에 ▲소비 패턴 분석과 성
능 평가(진단) ▲피크 예측과 잠재 절감량 도출(예측) ▲설비 스케줄링과 온도 제어(제어) 등의 모델링 서비스를 제공한다. 향후 비중이 크게 증가할 것으로 예측되는 전기차에 대해서도 이를 효과적으로 활용할 수 있는 신에너지 서비스를 기획하는데, 이동형 ESS를 이용해 주행 후 남은 전기를 활용할 수 있는 V2G(Vehicle to Grid) 솔루션의 개발이 관건이다.

마지막으로 현재 국내 2곳에서 시범 사업이 예정된 스마트시티 사업도 에너지신산업 비즈니스 모델을 실증할 수 있는 기회로 삼는다. 지능형 전력망과 데이터 개방·활용 솔루션을 스마트 팩토리, 가정이나 빌딩·공징, 마이크로그리드(MicroGrid)가 적용된 병원이나 캠퍼스, 재생에너지 발전시설과 연결시키는 것이다. 모든 에너지 관련 요소가 지능형 전력망을 통해 연결되면, 생산된 에너지 데이터를 활용할 수 있게 되면서 새로운 에너지 서비스를 창출할 수 있다는 것이 요점이다.

스마트 그리드 시스템 구성 요소
지능형 전력망이 완성되기까지는 높은 수준의 다양한 기술이 요구된다. 시스템 구성을 위한 최우선 과제인 IoT 인프라의 구축이 완료된 시점을 기준으로, 다양한 용어 설명을 통해 스마트 그리드 시스템이 어떤 요소로 구성되는지 알아보자.

배전
▲에너지 관리 시스템(Energy Management System, EMS)
사용자가 아니라 관리자가 운영하는 컴퓨터 제어 시스템으로, 전력 시스템의 다양한 상태를 실시간으로 감시하고 발전·송전 설비를 제어하는 역할을 한다. 이를 활용하는 영역에 따라 빌딩(Building), 공장(Factory), 가정(Home) 등의 앞자를 붙이기도 한다. 기존의 전력 유통 방식이 단방향이었다면, EMS는 관리 효율을 높이기 위한 양방향 통신 운영 솔루션이다. 이를 위해 기존의 아날로그 전력량계를 디지털 방식의 스마트 미터로 교체하고, 여기서 발생하는 대규모의 데이터를 실시간으로 처리할 수 있다.

▲배전 자동화 시스템(Distribution Automation System, DAS)
전기를 전달하는 배전선로에 설치되는 선로 자동화 단말기에서 얻는 설비의 현장 정보(상태, 전류·전압, 작동상태 등)를 컨트롤 시스템에 제공하는 시스템이다. 현장 배전선로를 실시간으로 파악하고 모니터링할 수 있고, 어느 구간에 문제가 생겼는지 신속하게 파악할 수 있는 점이 특징이다. 배전선로 전체에 산재해 있는 자동화 개폐기를 컨트롤 룸에서 동시에 원격으로 제어할 수 있어, 정전구간을 최소화하고 고장으로 인한 공급 중단을 최대한 단축시킬 수 있다.

계량
▲스마트 미터(Smart Meter)
소비자 측면에서 가장 중요한 것이 계량을 담당하는 스마트 미터다. 양방향 통신 기능을 기반으로 디지털 계량 방식을 사용해 제공자 측과 이용자 측이 실시간으로 각종 전력 정보를 주고받을 수 있다. 전력 사용량을 기존의 아날로그 방식이 아니라 디지털 방식으로 기록하고, 이를 원격 통신으로 보고한다. 때문에 소비자 측에서 사용량과 요금을 실시간으로 체크할 수 있다.

▲첨단 계량 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI)
AMI는 양방향 통신 기반의 디지털 계량기를 비롯해 전기 사용 정보 제어·전달 장치로 구성된 인프라를 뜻한다. 실시간으로 전력 사용 정보와 요금 정보를 소비자에게 전달해, 수요에 대해 즉각 반응할 수 있고 정확한 수요 예측과 부하 관리를 할 수 있게 해준다.

저장
▲에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)
말 그대로 전송된 전력을 보관할 수 있는 스토리지다. 저장장치와 더불어 전력 변환 장치, 제어 장치 등을 포함하고 있으며, 공급받은 전력을 최대한 낭비 없이 사용하고 소비전력과 요금을 줄일 수 있는 소비자용 솔루션이다. 2차 전지 운영 시스템은 배터리와 전력 변환 장치(Power Conversion System, PCS), 전력 운영 시스템(PMS) 등으로 구성돼 있다.

▲배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
전력 저장에 사용하는 배터리의 상태를 모니터링해 가장 좋은 조건에서 사용하고 유지·관리할 수 있도록 배터리 전체 상태를 자동으로 관리하는 솔루션이다. 축전상태와 동작 상태, 이상 발견, 교체 시기 알림 등 사용자가 배터리 전반의 정보를 알 수 있게 해준다.