차세대 전력망 스마트그리드 A to Z : 1편

차세대 전력망 스마트 그리드 A to Z : 3부작

스마트 그리드를 주제로  3부작으로 나누어서 알아보았습니다.

<1편>

-전력망 똑똑해진다 

-전력망 현 실태를 알아보다

-스마트그리드 너가 필요해

-스마트그리드의 단점들

-스마트그리드 사용되는 기술

<2편>

-스마트그리드 컨퍼런스

-스마트그리드 국 내외 사례

-스마트그리드 선진국 되기 위한 노력 

<3편>

-스마트그리드 업계 분석

-기업들이 주목하는 기술들

-스마트그리드 이렇게 준비해라

이렇게 1,2 그리고 3편으로 구성해보았습니다. 1편에 대해 살펴보겠습니다.

똑똑한 + 전력망 = 스마트그리드(Smart Grid)의 정체?

현대화된 전력기술과 정보통신기술의 융복합화를 통하여 구현된 차세대 전력 시스템 및 관리체계를 의미한다. 수요자와 공급자 간의 양방향 통신을 이용한 정확한 실시간 가격정보 교환 및 전력공급이 가능하여 기존의 고정화된 전력체계가 아닌, 변화하는 시장정보에 따라 계속 대응하는 지능화된 전력 시스템이다.

현재의 전력망은 중앙에 집중되고 생산자가 통제하는 중앙 집중적인 네트워크인 반면 스마트그리드는 다양한 공급자가 존재하며 수요자와 공급자 간에 상호작용을 가능케 하는 시스템이다.

그리드 시스템의 현재상태를 진단해보자!

현 전력 시스템은 100년 전에 설계돼 지금까지 사용되고 있으며 높은 안정성을 유지하는 대규모 전력 시스템이나 잉여 발전 시설을 요구하는 등 한계를 가지고 있다.

ex1) 절정 수요에 대비하기 위하여 1년 1에서 50시간 미만으로 사용되는 잉여 발전기가 존재하여 효율성이 낮고 전력 생산비가 높음.

ex2) 기존 전력 시스템은 잉여 전력을 저장하는 것과 전력 수요를 실시간으로 예측하는 것이 거의 불가능.

지금의 전력망 시스템으로는 힘들다?

온실가스 감축을 위해서 앞으로 신재생에너지 발전 및 전기차 보급 등의 확대가 필수적으로 관련 인프라 구축이 필요하다.

ex1) 화석에너지1GWh를 신재생에너지로 전환 시 약 700t의 CO2 감축이 가능하며 전기차는 동급 가솔린차 대비 에너지 소비량이 적음.

ex2) 신재생에너지는 동성이 높은 자연 에너지에 의존하기 때문에 전력 시스템하에서는 전력 공급의 안정성을 확보.

ex3) 미국의 송배전만 관련 투자가 감소하여 송전선 변압기의 70%가 25년 이상 되었으며 차단기의 60%가 30년 이상의 낡은 시설.

현재 전력망과 스마트그리드를 비교해보자

	현재 전력망	스마트그리드
통제 시스템	아날로그	디지털
발전	중앙집중형	분산형
송 배전	공급자 위주(단방향)	수요 공급 상호작용(양방향)
전력 공급원	중앙전원, 화석연료 위주	분산된 전원의 증가(태양력 등)
고장 진단	불가능	자가진단
고장 제어	수동복구	반자동복구 및 자기치유
설비 점검	수동	원격
제어 시스템	국지적제어	광범위한 제어
가격 정보	제한적(한달에 한번 총액만)	실시간으로 모든 정보 열람

출처: 산업연구원

스마트 그리드 너가 필요해!

1. Greater integration of renewable generation.

grid operator들에 일상 풍력과 태양에너지 생산 잠재성을 더 좋게 예상하게 해준다. 그리고 더 쉽게 이 간헐적인 자원들의 최고와 최저에 대한 시스템을 적용할 수 있다.

2. Dynamic pricing and demand response.

 변화하는 가격을 인지함으로써 소비자에게 절정 수요 타임에는 전력 소모를 낮추게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 시스템과 전체적인 에너지 소모에 압력을 줄일 수 있다.

3. Enhanced measurement and verification capabilities.

스마트미터기는 공익사업(utilities)자와 소비자에게 실시간으로 전력 사용량을 추적하게 할 수 있게 한다.

4. Improved equipment efficiency maintenance.

 스마트그리드 기술이 연속적인 거래를 촉진함으로써 전기 장비의 세팅과 사용능률이 연속적으로 감시되고 자동으로 최적화된다.

5. Reduced transmission and distribution line losses

생산된 전력의 5% 이상은 송전과 배전 중에 손실된다. 스마트그리드는 공익 사업자에게 전송 그리고 배전 손실을 줄이는 게 가능하도록 해준다.(그리드의 구조적인 인프라에 값비싼 업데이트가 필요 없다)

6. Plug-in hybrid electric vehicles.

전기자동차의 사용을 보편화하기 위해 그리드에 많은 전기차가 연결됐을 때 이 전력 소모를 어떻게 다룰지가 중요하다. 스마트그리드는 이 관리 전략에서 복잡한 협력이 필요로 되는 부분에서 상당 부분을 지원해줄 것이다.

스마트그리드 구현! 이것만 극복해보자

스마트그리드의 잠재적인 효과를 실제화 하기 위해서 많은 장벽이 먼저 해결되어야 한다.

1. Uncertainty in costs

스마트그리드는 효율성 개선을 통한 비용절감을 할 수 있는 반면에, 그 시스템을 실행시키는데 상당한 비용은 예상했던 비용절감의 효과를 극대화 시키지 못할 수 있다. 스마트그리드는 상호작용을 통한 정교한 기술에 의존하기 때문에, 앞으로 인프라에 많은 투자가 필하다. 의사 결정자들은 예상된 비용에 대하여 예상된 효과에 비중을 두어야 한다. 그러나 비용 예상에 대해서 많은 정도의 불확실성이 있다. 이것은 의사 결정자가 스마트그리드 시스템을 실행시키는데 얼마의 비용이 필요로 되는지에 대한 접근을 어렵게 한다.

2. Difficulty in measuring benefits

스마트그리드의 많은 혜택은 소비자의 행동에서 예측되는 변화로부터 온다. 그러나 가격 신호에 소바가 어떻게 반응할지 정확하게 예측하는 것은 힘들다. 고객이 그들의 전력 수요를 많이 안 바꿀 수 있다. 그날의 다른 시간대에 다른 가격을 직면하면서도, 만약 이렇게 되는 현상이 눈에 띄게 보일 정도라면 스마트그리드 실행의 비용 절감 효과는 과대평가가 되는 것이다. 따라서 스마트그리드를 유용하게 이용하려면 소비자에게 스마트그리드에 대한 사전교육이 선행이 되어야 할 것이다.

3. Cyber security and privacy concerns

스마트 기기의 설치는 잠재적 해커에게 새로운 과녁을 주는 것이다. 왜냐하면, 이 기기들은 많은 양의 정보를 수집하고 관찰한다. 고객 사생활이 위험에 처하게 될 수 있다는 우려가 있다. 때문에 선진 된 미터 인프라는 종종 무선 기술에 의존한다. 해커들은 기록된 정보를 추출하기 위해 컴퓨터 시스템을 이용할 것이고 해로운 소프트웨어를 삽입할 것이다. 또한, network authentication key를 알아내어 그리드의 소통 시스템을 이용하는 시스템의 다른 부분에 접근할 것이다. 

어떤 기술이 사용이 될까?

스마트그리드가 추구하는 목표를 달성하기 위해 많은 기술이 개발 및 적용되고 있다. 통합 통신을 위해 변전소 자동화, 배포 자동화, 감독 제어 및 데이터 취득(SCADA), 무선 네트워크 활용, 전력 공급자 간 통신과 같은 기술이 있으며, 다수의 전력 공급자가 존재할 경우 교류 파동 불일치 때문인 대규모 정전사태를 막기 위한 Phasor Measurement UNIT(PMUs)와 같은 전기 위상 측정 기술 또한 존재한다. 사용되는 주요 기술을 알아보자.

1. PMUs(Phaser Measurement Units)

(PMUs 출처)

위상 측정기는 특정 지역의 전력의 초당 전압 및 위상차 등을 측정하는 기계로 앞으로 더욱 정교해지고 광범위한 상황 인식을 바탕으로 전력의 병목 현상을 줄이는데 활용될 것이다.

2. SM(Smart Meter)

(SM출처)

소비자의 실시간 소비량 및 패턴 등의 계량화 및 실시간 가격정보를 전달하는 AMI의 기반 시스템이다. 공급자와 수요자의 정보를 상호 소통하게 해주는 일종의 게이트웨이로 앞으로 다양한 사업기회가 파생될 것이다.

3. AMI(Advanced Metering Infrastructure)

(AMI 구동 개념도)

오픈 아키텍처(Open Architecture)를 통하여 수요자와 공급자 간에 정보를 전달할 수 있게 하는 기술로 소비자의 전력사용 정보 등을 보내주는 스마트 미터(SM)와 스마트 미터가 생성한 자료를 전송하는 네트워크 시스템 등으로 구성되어 있다. 실시간 지급시스템, 과부하 관리 시스템과 사용자의 전력사용 습관 등 광범위한 전력 관련 정보의 데이터베이스 구축 및 활용으로 사용된다. 수요와 공급이 기반이 된 실시간 전력 시장의 기반 기술이다.

4. ESS(Energy Storage System)

(ESS 개념도)

발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 한때 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다. 여기에는 전기를 모아두는 배터리와 배터리를 효율적으로 관리해 주는 관련 장치들이 있다. 배터리식 ESS는 리튬이온과 항산화 나트륨 등을 사용한다. ESS는 신재생에너지를 안정적으로 공급하기 위해 필수적인 미래 유망 사업이다.

 1편에서는 스마트그리드에 대해 표면적으로 알아보았으며 국제적으로 전기계열 종사자들에게 스마트그리드는 hot key word이다. 국내에서도 이 기술에 관해 해마다 많은 컨퍼런스가 열리며 어떻게 사업화할지에 대해 논의가 되고 있다. 지속해서 개발되는 신재생에너지 기술을 삶에 적용하기 위해서는 스마트그리드 인프라 구축은 필수불가결한 요소라고 해도 과언이 아니다.   2편에서는 국내뿐만 아니라 국외에서 스마트 그리드에 관한 사례들과 이 기술을 선도하기 위해 국가 차원으로서 어떠한 노력을 취해야 할지 등을 알아보겠다. 

S.F 7기 이명진 (luckymjay8108@gmail.com)