[재생 가능 에너지 도입 확대와 스마트그리드] 스마트그리드 이용한 재생 에너지의 도입 확대

게재월 | 2014 - 01 조회144141 추천0

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이 글에서는 재생 에너지 도입 확대를 위한 기술을, 대조적인 두 가지 방법으로 정리했다. 그리고 이들을 뒷받침하는 핵심 기술인 에너지 관리 시스템(EMS ; Energy Management System)과, 스마트그리드 솔루션 사례에 초점을 맞춰 생각한다. 더불어 앞으로의 기술 전망에 대해서도 언급한다.


저탄소 사회를 키워드로 재생 에너지의 도입(Renewables Integration) 요구가 높은데, 그 비장의 카드로 스마트그리드가 주목을 받고 있다.
‘Renewables Integration은 어떻게 이루어지는가’
‘이를 위한 스마트그리드란 무엇인가’
‘이는 어떤 결과를 초래하며, 그 핵심 기술은 무엇인가’
‘실증 프로젝트나 비즈니스는 어디까지 와 있는가’
이 글에서는 이러한 것들에 대해 생각해 본다.
우선 재생 에너지 도입 확대를 위한 기술을, 대조적인 두 가지 방법으로 정리했다. 그리고 이들을 뒷받침하는 핵심 기술인 에너지 관리 시스템(EMS ; Energy Management System)과, 스마트그리드 솔루션 사례에 초점을 맞춰 생각한다. 더불어 앞으로의 기술 전망에 대해서도 다룬다.

 

‌‌재생 에너지 도입을 위한 기술


태양광발전(PV : Photovoltaic Generation)이나 풍력 등의 재생 에너지는 깨끗한 자연 에너지 전원이지만, ‘날씨의 영향’이나 ‘바람의 영향’ 등 변동이 따르고, 그 상태 그대로 대량으로 계통에 도입하면 전력품질을 손상시키는 문제가 있다.
때문에 재생 에너지를 도입하기 위해서는 어떤 종류의 제어성을 부여할
(인텔리전트화 혹은 스마트화라 칭한다) 필요가 있는데, 그 방법에는 대조적인 두 가지 방식이 있다.
재생 전원 별로 지능(인텔리전스)을 부여하여 전지제어와 결합하여 기기를 마치 하나의 안정된 전원처럼 만드는 로컬 어프로치와, 스마트그리드로 대표되는 시스템 전체의 제어 능력으로 재생 에너지 도입을 가능케 하는 시스템 어프로치이다(그림 1 참조).


▲그림 1. 로컬 어프로치와 시스템 어프로치


(1) ‌기기별 인텔리전트화(로컬 어프로치)
변동하는 PV나 풍력발전기 등 기기별로 축전지나 제어장치를 탑재해 국소적으로 제어함으로써 변동 전원인 재생 에너지 전원을 마치 안정된 가상의 화력발전기처럼 사용하는 기술이다.  
대표적인 사례로는 그림 2와 같이 PV와 축전지를 조합해 새로운 가치를 부가한 선진적 PV 시스템(Advanced-Photovoltaic Generation System)이 있다.
선진적 PV 시스템은 그림 2와 같은 구성으로, PV에 병설된 축전지를 지능적인 국소 제어장치로 실시간 제어하고 ① 출력의 변동 억제 ② 평준화(피크 컷 등의 출력 시간 시프트) ③정전 시의 전원 백업, 그리고 최근에는 ④ 역률 제어나 전압 제어 등의 계통 공헌 기능이 더 부가됐다.


그림 2. 선진적 PV 시스템


그림 3에 실제 사용되고 있는 300kW급의 선진적 PV 시스템의 변동 억제 효과 사례를 나타낸다. PV 출력 변동이 축전지 제어를 통해 억제되고 있음을 알 수 있다.


그림 3. 300kW 선진적 PV 시스템 필드 데이터

 

‌‌시스템 전체의 제어 능력에 따른 인텔리전트화(시스템 어프로치)


시스템(그리드) 전체적으로 재생 전원의 도입이 가능하도록 EMS로 전체를 관리하는 것으로, 일명 스마트그리드다(그림 4 참조).


그림 4. 시스템 어프로치(스마트그리드)


스마트그리드는 일반적으로는 태양광이나 풍력 등의 자연 에너지를 풍부하게 포함하고 있는 지역 에너지 공급 형태로, 낙도나 미전화 지역을 제외하고 외부 계통과 연계선으로 접속되어 있으며, 수요자와의 디맨드 리스폰스(Demand Response, 이하 DR)를 위한 ICT 쌍방향 통신이 배비되어 있다.
재생 에너지의 도입 및 에너지의 효율적 운용은 스마트그리드 전용 EMS로 실현된다(예를 들면 μEMS).
EMS는 재생 에너지를 포함한 시스템 전체를 다음 관점에서 관리하고 있다.
① 전력 계통에 적합하다(악영향을 미치지 않는다)  
② 에너지 운용을 최적화하기 위한 에너지 관리  
③ DR을 통한 수급 밸런스를 위한 수요자 참여
①의 ‘전력 계통에 적합하다’라는 얘기는, 스마트그리드와 외부 계통과의 연계선 조류를 EMS로 실시간 관리하는 것으로, 재생 에너지 전원에 특유의 출력 변동이나 날씨 변화에 따른 출력 변동 등이 외부 계통에 영향을 미치지 않도록 스마트그리드 내의 발전력이나 축전지를 최대한 제어함으로써 실현된다. 또 EMS에는 그 외에도 그리드 내의 전압을 적정 범위로 유지하는 저압 제어, 비용이 최적화되도록 발전력 분배를 결정하는 스케줄링 기능 등이 있다.

 

‌‌스마트그리드 솔루션


위의 EMS를 적용한 시스템 어프로치의 대표적인 솔루션을 유형화해 분류하면 표 1과 같다.


표 1. 스마트그리드 솔루션


표에서 (1)에서 (3)의 HEMS, BEMS, FEMS는, 전용 EMS를 각각 집, 빌딩, 공장에 적용한 것이고, (4)에서 (6) 및 (9)는 각각 특정 지역의 스마트그리드다.
또 (7) 전력 계통용 축전 시스템과 (8) 전력 계통과 Electro-Mobility(EV전용)는 스마트그리드는 아니지만 시스템 어프로치의 동일한 기술을 전력 제어에 적용한 예이다.
그림 5와 6에 (1) HEMS와 (2) BEMS의 예를, 그림 7과 8에 (4) 낙도, 미전화 지역용 스마트그리드와 (5) 소도시용 스마트그리드의 예를 나타낸다.


그림 5. HEMS의 예


그림 6. BEMS의 예


그림 7. 낙도·미전화 지역용 스마트그리드


그림 8. 소도시 스마트그리드

 

‌‌실증 프로젝트 최선 상황


(1) 실증 프로젝트의 예
그림 9에 2010~2011년에 개시된 모 회사의 실증 프로젝트 예를 나타낸다.


그림 9. 모 회사 실증 프로젝트 예(2010~2011년에 개시한 것)


모두 스마트그리드를 이용한 재생 에너지 도입 확대를 목표로 한 것이다.
이하 이미 운용 개시 혹은 실증 개시된 2가지 프로젝트 사례를 소개한다.
① 미야코지마 : 낙도 독립형 계통 신에너지 도입 실증 프로젝트
(오키나와전력, 2010년 10월부터 실증시험 개시) 
그림 10에 시스템 개요를 나타낸다. 이미 2년 이상의 실증 실적이 있다. 이번 프로젝트에서는 전지를 이용한 PV의 출력 변동 억제, 주파수 변동 억제 등 고도의 제어 기술에 대한 실증연구를 시도하고 있다.


그림 10. 미야코지마 : 낙도 독립형 계통 신에너지 도입 실증 프로젝트


② 뉴멕시코 미일 스마트그리드 실증 프로젝트(NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 및 일본 각 회사, 미국) 
그림 11의 프로젝트는 로스앨러모스 지구와 앨버커키 지구 2곳의 스마트그리드로 이루어진다.


그림 11. 뉴멕시코 미일 스마트그리드 실증 프로젝트


EMS에 의한 HEMS 제어나 BEMS 제어, DR, 스마트 미터 적용, 2종류 전지의 하이브리드 제어 등, 미국에서의 본격적인 스마트그리드 실증 프로젝트이다. 앨버커키 지구는 2012년 5월, 로스앨러모스 지구는 9월에 운용을 개시했다.

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앞으로의 기술 전망


스마트그리드는 ‘System of System’이라고 불릴 정도로 많은 부품과 넓은 비즈니스 영역으로 이루어진 시스템이다. 앞으로는,
① 시스템적 사고를 가진 엔지니어 육성
② 상기와 관련된 국제표준화 활동에 주력
③ 사회 인프라로서의 요구 수준에 견딜 수 있는 개발 이 필수 항목이 될 것이다.
②의 국제표준화는 특히 중요한데, 제조 전부터 제안 협의가 시작된 지 이미 오래됐다.
기술은 우위를 점하고 있는데 시장에서 패하는 일이 없도록 비즈니스 전략에 입각한 국제표준화 활동이 요구된다.
또 스마트그리드 자체는 에너지 공급에서 나아가 도시나 커뮤니티로서의 성격을 갖기 때문에, 사회 인프라 관점에서 보면 물건 만들기가 점점 중요해질 것으로 보인다.
이는 에너지뿐만 아니라 물이나 교통·의료·정보 보안 등의 사회 인프라를 뒷받침하는 스마트 커뮤니티(그림 12 참조)로 확장돼 나갈 것이다.


그림 12. 스마트 커뮤니티 개념도


그림 9의 프로젝트 중에는 일본의 4개 지역 스마트 커뮤니티 실증이나 프랑스, 인도, 영국 등, 이미 스마트 커뮤니티 기술을 목표로 한 실증 프로젝트도 시작됐다.


하야시 히데키(林 秀樹)
(주)도시바 전력유통시스템사업부 스마트그리드 기술책임자

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