스마트 그리드

발전부터 소비까지 전기 효율을 높이는 온라인 제어

Dan Headrick
28 April 2015

다양한 소스로부터 발생하는 전기와 인터넷 기반의 새로운 제어 기술을 결합한 스마트 그리드는 에너지 효율과 환경 개선을 약속하는 동시에 소비자에게는 사용 전력에 대한 풍부한 정보와 통제력을 제공한다.

지중해의 해변을 따라 햇살이 따가운 여름철에 사람들은 집을 나서 직장 으로 향하거나 야외 활동을 즐긴 다. 그 사이 옥상 태양전지판은 누구도 사용 하지 않는 전기를 생산한다. 이러한 스토리 는 과전압에 관한 얘기로 들릴 수도 있겠지 만 "스마트 그리드"의 개념에 대하여 잘 말해 준다.

말하자면 전력을 생산, 측정, 수익화, 소비, 제어, 저장, 교환, 전달, 이동 및 거래하는 방 식과 관련하여 전기를 새로운 시각에서 바 라보게 한다. 소프트웨어, 센서, 전력계, 그 리고 인터넷을 이용하여 정보를 관리함으로 써 전기 공급과 수요를 보다 효율적으로 처 리할 수 있을 때 전력 그리드에 "스마트"라는 이름이 붙는다.

지중해 도시 니스에 인접한 프랑스의 유서 깊은 지역인 카로스에서는 약 200 가구와 수십 개의 회사가 도시계획자와 함께 유럽 최초로 디지털 연결된 스마트 그리드 시티 를 만드는 일에 도전하고 있다. 태양광 발전 (PV) 및 에너지 저장 시스템을 국가 전력망 과 통합하는 프로젝트이다. 

니스 그리드를 포함하여 전 세계적으로 약 30개의 스마트 그리드 시범 사업자와 협력 하고 있는 글로벌 에너지 기업인 Alstom Grid의 스마트 그리드 솔루션 사업부 부사 장 Laurent Schmitt는 니스 프로젝트의 중 심에는 독특한 "그리드 이면의 두뇌"인 네트 워크 에너지 관리(NEM)가 있다고 말한다.

Schmitt는 "우리는 에너지 저장 통합, 분산 발전 및 이동에 중점을 두었다"면서 "전기 자동차도 저장 솔루션의 하나다. 플러그인 하이브리드 자동차는 비상 상황에서 그리드 에 에너지를 공급할 수 있다"고 말한다.

태양광 발전과 부하 데이터를 수집하고, 예 측을 수행하며, 지역별 부하 감소 요청을 고려하고, 그리드 제약과 과전압 위험을 계 산하며, 공급자에게 전력 조정 요구를 알리 고, 최적의 수요 응답과 에너지 저장 유연 성을 계산하며, 일정을 알리고, 사이클을 활 성화하는 등 NEM은 강력한 효용성을 가지 고 있다.

NEM과 같은 시범 사업은 국가적 차원에서 재생 에너지 목표를 충족하기 위해 매우 중 요하다. 태양 에너지와 풍력 에너지의 경우 청정 에너지를 제공하지만 가전 제품을 손 상시킬 수 있는 전압 스파이크와 같은 비정 상적 이벤트를 발생시킨다. 스마트 그리드 는 변덕스러운 에너지원의 공급량 변화와 계절별 차이를 관리해야 한다.

스마트 그리드 개발은 지역에 따라 차별화 된다. 예를 들어, 유럽에서는 정책적으로 스 마트 그리드를 의무화하고 있다고 Schmitt 는 말한다. 미국에서는 기간 전력망의 노후 화를 대체하는 방안으로 스마트 그리드가 대두되는 상황이다. 동남아시아에서는 도시 계획자들이 원격지 인구를 위한 전력 공급 을 고민하고 있다. 

GRID4EU

니스 그리드 프로젝트는 신뢰할 수 있고 복 원력 있는 스마트 그리드에 대한 기술적, 사회적 타당성 평가를 위한 Grid4EU 추진 전략의 일환으로 시행하는 여섯 개 시범 프 로그램들 중 하나이다.

프랑스 전기 공사(ERDF)에서 프로젝트 관 리자로 일하는 Christophe Arnoult는 "네트 워크 계산을 모니터링하고 부하 요구를 예 측하며, 전압 제약을 예상한 후 부하 변동 의 요구가 있을 경우 이 정보를 집전 시설 로 보내는 중앙 컴퓨터 운영의 타당성을 시 험하고 있다"면서 "고객과 고객의 행동을 토 대로 삼아야 한다"고 말한다. "그래서 전기 사용을 모니터링하기 위해 아이패드를 나눠 주고 있다."

니스 주민과 도시 계획자들은 수요를 관리 하여 네트워크 신뢰성을 개선하고, 에너지 이동 계획을 통해 전압 스파이크를 감소시 키며, 에너지 저장 기술을 이용해 필요할 때까지 과잉 전력을 잡아두는 마이크로 그 리드 "단독 운전화"를 시도하는 데 목표를 둔 세 가지 운영 방식을 시범적으로 시행하 고 있다.

유연성을 최대화하기 위해 현지 태양광 발 전 그리드에 세 가지 에너지 저장 수준들이 통합되었다. 30분 분량의 에너지인 560 kWh를 저장하는 중앙 1MW 배터리가 고전 압 송전선에서 도시로 연결된 지역 송전선 사이에 배치되었다. 두 번째 저장 수준은 과전압 상황에서 과잉 에너지를 흡수하는 3kW PV 시스템과 4-kW/4kWh 배터리를 갖춘 가정에서 구현된다. 세 번째 수준은 33kW/100kWh 배터리와 함께 250kWh를 생 산하는 태양광 발전 시스템이 갖춰진 세 곳 의 공업 단지에서 구현된다. 

 

300억 달러

Navigant Research에 따르면 아·태 지역 전체의 누적 마이크로 그리드 투자액은 2023년 총 300억 달러(미화)에 이를 것으로 예상된다.

이러한 배터리는 전체적으로 부하 차단(수 요가 공급을 초과하는 경우 특정 사용자에 대한 전력 공급을 차단함) 및 "단독 운전화" 에 사용되어 전체 니스 전력망을 메인 고전 압 송전선으로부터 분리시킬 수 있다.

Arnoult는 "가정과 기업체로 전달되는 모든 정보는 장치 수준까지 중앙 컴퓨터에 연결 된 스마트 계량기를 통해 보내진다"고 말한 다. 2015년 말에 완료되는 이 프로젝트에는 주민들의 협조가 필요하다.

Arnoult는 "겨울철에는 고객들에게 수요를 조절하라고 요청한다"면서 "여름철에는 옥상 태양전지판에서 생산되는 태양 에너지가 너 무 많고 소비가 충분하지 않아 전압이 너무 높아진다. 그래서 부하 모델을 예측해야 하 고, 중앙 컴퓨터가 이 정보를 집전 시설로 보내 부하를 이동하도록 한다. 이제 첫 발 을 내딛는 것이지만 시계처럼 규칙적으로 작동한다"고 말한다.

독일, 스웨덴, 스페인, 이탈리아, 체코의 유 사한 Grid4EU 시험소들에서도 지능적 모니 터링, 첨단 제어, 재생 에너지 및 그리드에 전기 자동차를 통합하기 위한 방법에서 대 두되는 다른 운영상의 문제에 대한 솔루션 을 테스트하고 있다. 

아시아 태평양: 원격지를 위 한 마이크로 그리드

 싱가포르 해안으로부터 8km 떨어진 곳에는 이 도시국가에 있는 네 개의 폐기물 소각장 에서 나오는 재를 보관하기 위해 주로 이용 되고 있는 세마카우(Semakau) 매립지가 있 다. 이 열대 지역 최대 규모의 하이브리드 마이크로 그리드를 건설하는 사업의 1단계 를 위해 적도의 태양 아래에서 근로자들이 땀을 흘리고 있다. 싱가포르 재생에너지 통합 시험 사업 (REIDS)은 이 지역의 고유한 기후를 중심으 로태양,풍력,조력,디젤,저장및재생에 너지가스저장기술을통합하기위한시험 대이다. 기존 전력망의 범위를 벗어난 위치 에 거주하는 원거리 인구의 필요성을 충족 할 수 있는 배전 기술을 개발하는 것이 목 표이다. 싱가포르 경제 개발 위원회(SEDB) 경영 이 사인 Chee Kiong Goh는 "싱가포르 인구는 약 6백만 명이고 그 중 1/3의 사람들은 전 기를 이용할 수 없는 지역에 거주하고 있다" 면서 "마이크로 그리드를 활용할 기회가 무 궁무진하다"고 말한다. 미국 콜라라도 주 보울더 소재 시장 조사 및 컨설팅 기관인 Navigant Research의 2014년 보고서에 따르면, 아시아 태평양 지 역 전체의 누적 마이크로 그리드 투자액은 2023년 총 300억 달러에 이를 것으로 예상 된다. 싱가포르는 지방 인구를 위한 마이크 로 그리드 개발에서 이 지역을 주도하고 있 지만 도시 스마트 그리드 인프라에도 막대 한 투자를 퍼붓고 있다. 이러한 투자에 힘 입어 싱가포르는 중국과 함께 이 분야의 세 계적 리더가 될 것이라는 것이 분석가들의 예측이다. 

“ 가정과 기업체로 전달되는 모든 정보는 장치 수준까지 중앙 컴퓨터에 연결된 스마트 계량기를 통해 보내진다.” 

Christophe Arnoult
니스 그리드를 관리하는 프랑스 전기 공사의 프로젝트 관리자

워싱턴 DC에 있는 시장 조사 기관인 Northeast Group에 따르면 중국은 2013년 스마트 그리드 지출에서 처음으로 미국을 추월하였다. 지금까지는 스마트 그리드 기술 의 투자 성장을 미국과 유럽이 이끌었지만 향후 10년 후에는 동남아의 성장하는 경제 국가, 특히 태국, 인도네시아, 말레이시아, 필리핀 및 싱가포르가 주도하게 될 것이라 는 것이 이 기관의 예상이다.

전력 생산을 위한 기존 연료와 대등한 수준 까지 태양광 발전 장비의 가격이 떨어진 최 근까지 싱가포르는 태양 에너지를 크게 지 지하는 나라가 아니었다는 점은 특이할 만 하다고 Goh 이사는 말한다. 그는 "스마트 그 리드 기술을 활용하여 그리드를 모니터링할 방법을 찾는 것이 관건"이라면서 "싱가포르 는 아시아 태평양 지역이 타당성을 시험하 고 입증할 도약의 발판이 되고 있다. 살아 있는 실험실인 셈"이라고 말한다.

사이버 보안: 스마트 그리드 는 허술한가?

그러나 많은 보안 전문가들은 스마트 그리 드의 인터넷 기반 제어 환경이 해킹을 당하 기에 너무나 취약하고 보호하기가 어렵다는 우려의 목소리를 내고 있다. 결국 스마트 계 량기라는 것도 인터넷에 연결된 컴퓨터에 지나지 않는다.

Goh 이사는 "우리는 이 문제를 엄청난 위협 으로 보고 있다"라며 "보안 위협은 매우 현실 적인 문제라고 생각한다. 그리드를 설계하면 서 사이버 보안은 핵심적 고려 요인이 될 것"이라고 말한다.

 

“ 가정과 기업체로 전달되는 모든 정보는 장치 수준까지 중앙 컴퓨터에 연결된 스마트 계량기를 통해 보내진다.”

Christophe Arnoult
니스 그리드를 관리하는 프랑스 전기 공사의 프로젝트 관리자

독일 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 역학 및 자치 조직에서 활동하는 물리학자 Benjamin Schafer는 스마트 그리드의 구조와 이를 보 호할 방법에 대해 연구하고 있다. 발전기가 생산하고 소비자가 사용하는 전기에 대한 모든 데이터를 중앙 컴퓨터에서 수집한다는 것이 통상적인 개념이다(니스 그리드 프로젝 트와 같이). 하지만 이러한 중앙 집중화는 관리상의 편리성은 있지만 해커가 노리기 쉬운 먹잇감이 될 수 있다.

그러나 중앙 제어가 필요하지 않다면 어떨 까? Schafer와 그의 팀은 분산 제어(그리고 분산 에너지 생산)가 공격에 덜 취약한지 검 토하는 연구를 진행 중이다. 개별 스마트 계 량기에서 제어가 이루어진다면 스마트 그리 드가 효율적으로 작동할 것인가? 그리드 중 심에 중앙 제어 시스템이 없어도 네트워크 가 안정적으로 유지될 것인가? Schafer 팀 이이이론을연구하는것과같이전세계 시스템 설계자들도 보안을 강화하기 위한 다른 아이디어들을 연구하고 있다. "사이버보안은니스그리드시범사업을관 리하는 NEM이 "계층화된 제어 시스템"으로 설계된 이유가 바로 여기에 있다"고 Schmitt 는 말한다. 

통제와 에너지에 대한 의식

스마트 그리드에 대한 부정적 의견에도 불 구하고 고분자 과학자이자 창업 지원에 나 서고 있는 자칭 기술 애호가인 Lynn Yanyo 는스마트그리드에대한신념을가진사람 이다. 그에 따르면 노스캐롤라이나에 있는 자신의 집에 설치된 태양광 발전 시스템은 연중 그가 소비하는 전기의 약 70~80%를 생산한다. 

그는 "태양전지판이 생산하는 전력을 언제든 지 확인하고 과거 내역까지 보여주는 훌륭 한 인터넷 기반 도구를 사용한다"면서 "어떤 가전 제품이 작동하고 있는지, 그리고 전기 를 가장 많이 소모하는 제품은 무엇인지도 알 수 있다. 직접 해보면 상당히 재미 있다. 이전보다 전원을 많이 끄는 습관이 생겼지 만 그렇다고 매일 쳐다보고 있는 것도 아니 다"고 말한다. 

구름 낀 쌀쌀한 2월 어느 날, 제지 공장 근 로자의 교양 있는 아들이자 세 자녀의 아버 지인 Eric Larson은 주방 카운터에 서서 노 트북 컴퓨터로 전기 발전 내역서를 살펴보 았다. Yanyo가 사는 곳에서 멀지 않은 노스 캐롤라이나 롤리의 교외에 위치한 그의 집 남향 옥상에 태양전지판을 설치하기로 결심 했을 때 Eric Larson은 "친환경"에는 사실 그 다지 신경을 쓰지 않았다. 그러나 전기를 발 전하고 모니터링하기 시작하면서 에너지에 대한 그의 생각이 바뀌었다.

Larson은 "패널을 설치하고부터 에너지 사 용에 관심을 갖게 된 것"이라고 말한다. 예를 들어 흐린 날에는 18개의 태양전지판이 고작 3 kW의 전력 밖에는 생산하지 못한다. 그러 나 평균적으로는 Larson의 하루 전력 사용 량과 대략적으로 비슷한 18~20 kW의 전력 을 매일 생산한다. "전기료도 아끼고 집의 가 치도 올랐다. 멋진 점이 또 하나 있는데, 인 근에서 태양전지판을 가진 집은 우리 집 밖 에 없고 게다가 더 설치할 공간까지 남아 있 다는 것이다."

에너지에 대한 인식은 매우 중요하다. 가정 과 기업체에 태양전지판을 설치해주는 NC Solar Now의 운영 책임자인 Karl Stupkay 는 "통제와 에너지에 대한 인식 문제는 고객 과 항상 활발히 논의하는 주제"라며 "관심을 가질 의무가 있다. 계속해서 변화하는 분야 이고 흥미로운 환경이다. 나의 미래를 이 산 업에 걸기에 충분히 매력이 있다고 생각한 다"고 말한다. ◆ 

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