EMS 기술교육세미나로 보는 기술적 사례

EMS 기술교육세미나로 보는 기술적 사례

[국내 에너지 절감 산업의 발전과 온실가스 절감을 위한 기술교육세미나]

  지난 2월 21일, 한국 BEMS협회 주관으로 대성 디폴리스 세미나에서 ‘국내 에너지절감산업의 발전과 온실가스 저감을 위한 기술교육 세미나’가 열렸다. 이 세미나는 4차 산업혁명의 도래로 인한 에너지 효율화의 새로운 정책과 방향을 알리기 위해 기획되었다. 이후 내용은 기자단원들이 강의 내용을 바탕으로 재구성한 것이다.

[그림1. 온실가스 저감을 위한 기술교육 세미나가 열린 대성 디폴리스]

Section #1

4차 산업혁명의 정의와 주요 기술

먼저 현대경제연구원 소속이신 정 민 연구위원께서 4차 산업혁명의 등장과 시사점에 관해 발표하였다. 4차 산업혁명이란 무엇인가? 기존 3차 산업혁명의 기반은 디지털이었다. 이제 그 기반에 물리학과 생물학을 융합시켜, 더 이상 경계를 나누는 게 무의미한 하나의 사이버 물리 시스템을 만들어 새로운 부가가치를 창출하는 것이 4차 산업혁명의 화두다.

그럼 4차 산업혁명의 주요 기술은 무엇이 있을까?

먼저 유전공학, 스마트 의료의 생물학  기술과 무인 운송수단, 신소재의 물리학 기술이 있다. 그리고 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷(IoT)의 디지털기술이 있고, 이 주요 세 가지의 기술을 융합하면 하나의 사이버 물리시스템이 탄생한다.

[그림2. 4차 산업혁명의 주요 기술 ]

출처:현대경제연구원

근래 들어 많은 기업들과 Davos Forum과 같은 지식 포럼에서 4차 산업혁명을 이야기한다. 특히 AI와 빅 데이터, 이 두 분야에 관한 뉴스는 많다. 하지만 에너지 기자단으로서 가장 궁금한 것은 이 4차 산업혁명이 에너지와 어떻게 연결되는 것이냐이다. 그 전반적인 답은 다음 강연에서 확인할 수 있었다.

Section #2

사물인터넷(IoT, Internet of Things)과 에너지의 연관성

2교시에는 에너지경제연구원 소속의 이성인 씨께서 에너지 효율화와 에너지관리시스템(EMS)에 관해 발표하였다.

앞서 말한 그 연결고리는 사물인터넷이다. 사물인터넷이란, 인간의 개입 없이 사물과 사물, 혹은 사물과 인간이 네트워크로 소통하여 가치를 창조하는 것을 말한다. 예를 들면, 우리 주위에 있는 무선인터넷(Wi-Fi)도 일종의 IoT를 구현한 제품이다. 설비에 센서(IoT)를 달아 데이터를 수집하고, 그 데이터에 기반하여 의사결정을 스스로 제어하는 공장을 말한다. 그리고 에너지 분야에서는 사물인터넷을 사용한 스마트그리드를 활성화시켜, 실시간으로 전력 사용량을 확인하고 에너지관리시스템(EMS)를 강화시켜 새는 에너지를 제어한다. 기존의 EMS는 주로 감시 제어 기능과 시각화 기능이 있었는데, IoT로 인해 스마트화 기능이 추가되었다. 이 기술을 통해 EMS는 생산관리, 복수 거점, 설비 관리를 총망라로 하는 통합 시스템으로 진화할 수 있었다.    

[그림3. 에너지관리시스템(EMS)의 진화 추세]

출처: 에너지경제연구원

우선, IoT를 통해 수집된 데이터로 분석을 하고 경제적 이익을 창출하는 과정에서 비용을 절감하는 과정이 필연적으로 따라온다. 그 비용은 설비 가동을 최소화시켜 인건비나 에너지 비용을 줄일 수도 있고, 설비에 대한 예방조치를 하면서 유지 보수 비용을 절감시킬 수도 있다. 자료에 의하면, EMS 제품들은 IBM (Giview FEMS), 히타치(Emila), 후지전기(통합설비관리 서비스) 등이 있다. 그렇지만 이 세 제품 모두 앞서 언급한 에너지 모니터링, 제어, 통합 관리 기능을 가지고 있었다.

에너지효율(EE)투자 현황과 필요성

에너지를 절약하고 안정적인 에너지를 공급한다는 점에서 사물인터넷을 통한 EMS는 발전되어야 한다고 본다. 실제로, 이성인 연구원이 제시한 자료에 의하면 우리나라의 에너지 효율성은 낮다. 다른 주요 선진국과 비교하면 우리나라의 에너지 소비는 증가 추세에 있으며, 에너지원단위는 대한민국이 2014년도에 0.215(toe/천 불) 로 OECD 회원국 평균 0.111과 비교했을 때 높은 편이다.

에너지원단위 (toe/천불)	한국	일본	독일	영국	미국	OECD
2008년	0.223	0.089	0.095	0.084	0.152	0.122
2014년	0.215	0.078	0.084	0.068	0.137	0.111
연평균 개선율(%)	0.6%	2.2%	2.1%	3.4%	1.7%	1.6%

[표1. 국내 및 주요 OECD국가의 에너지원단위] (출처: 에너지경제연구원)

에너지 원단위란, GDP 1 단위를 만드는 에너지의 양이다. 에너지 효율이 높을수록 에너지 원단위가 낮다. 국내 에너지 원단위가 높은 이유는 에너지를 많이 소비하는 철강, 석유화학 위주의 제조업 중심 경제구조 때문이고, 그 산업부문의 주도로 증가 추세가 지속된다고 분석하였다. ‘World Bank’ 자료 ‘2013년 세계 각국의 GDP 대비 제조업 비중’에 의하면 한국이 31.0%로 중국 다음으로 비중이 높고 독일이 22.6%, 일본 및 미국과 영국은 10%대를 유지하였다. 또한 에너지를 전환 손실 부문 비율이 높은 점도 에너지 원단위의 높은 요인으로 작용된다고 하였다.

이렇게 좋지 않은 에너지 효율성을 가지고 있어도 에너지 효율에 대한 투자가 원활하지 않다. 그 이유는 첫 번째로 에너지 효율 투자에 대한 관심도가 낮다. 신재생에너지 부문이나 에너지 효율에 대한 투자를 할 때, 가시적인 성과가 금방 나타나지 않는다고 한다. 한마디로 가격 변동이 쉽게 일어나지 않기에 투자에 대한 긍정적인 신호를 파악하기가 어렵다. 둘째, 비용상의 문제다. 투자자금의 조달이 어렵다. 그에 대한 뚜렷한 정책적인 지원이 없기 때문에 사업자들이 섣불리 뛰어들기 쉽지 않다. 한편, 독일과 일본은 이미 EMS에 관한 지원정책을 마련했다. 독일은 업주가 EMS 구입에 대한 인증을 하고 그것이 첫 설치물인 경우 총비용의 80%, 최대 8천 유로까지 지원해준다. 일본도 2002년부터 EMS의 설치에 대해 꾸준히 보조금을 지원해왔다. 또한 일본은 제로에너지 빌딩 실증사업의 일환으로 2014년부터 BEMS 설치에 대해  보조 대상 경비의 1/3이내, 상한 2억 엔까지 보조금을 지원해왔다.

Ref) 에너지경제연구원- 주요정책이슈 ‘우리나라의 에너지원단위가 높은 이유 및 개선 방안’

에너지 미래와 에너지 신산업 추진

1부의 강의에서 제시된 에너지 미래의 핵심 키워드는 다음 4가지이다. 프로슈머, 분산형 청정에너지, ICT 융합, 그리고 온실감축이다. 4차 산업혁명이 화두임에도 불구하고, 우리나라는 노동 시장이 유연하지 않고, 좋지 못한 기업 생태계로 인해 앞으로 나아가지 못하는 상황이다. 대한민국은 독보적인 ICT 기술이 있다. 하루빨리 실질적인 정책으로 에너지 신산업에 동력을 달아줘야 한다고 생각한다.

[그림4. 지능형 전력망을 통한 에너지 미래]

출처: 에너지경제연구원

Section #3

유선기반 BEMS 서비스 한계점 극복을 위한 Sub-G 기반 IoT BEMS 서비스

1. BEMS에서 유선시설과 무선시설의 특성

BEMS에서 유선과 무선의 조합을 살펴보면, 유선 시설은 건물의 환경과 에너지를 통제하기 위해 기본적으로 있는 시설이다. BEMS에서 계측(정보수집) > 모니터링(분석) > 최적화라는 일련의 과정은 기본적으로 존재하는 유선 시설을 활용하고, 여기에 신호를 유선 시설로 전달하는 컨트롤러와 무선센서를 사용하여 제어 범위와 정보수집량을 확장시킬 수 있다

이 무선시설로 사용되는 IoT 기기는 실로 다양하다. 그리고 신호를 만들어내는 무선 프로토콜은 ZigBee, NFC, Wi-fi, Bluetooth 등등이 있다. 그러나 이 프로토콜들은 2.4GHz라는 영역을 사용하는데 이 영역은 사용량이 많고 통신 가능 거리가 짧다는 한계점이 있다.

2.Sub-G란

1GHz보다 낮은 대역을 일컫는 것이 sub-G이다. 법적 제한이 풀리면서 920MHz대 영역이 사용 가능해졌다. sub-G제품들은 다음과 같은 장점이 있어, 기존의 무선시설의 한계를 극복할 대안으로 여겨지고 있다.

- 2.4GHz에 비해 전파의 회절 회입 특성이 좋아서 통신 가능거리가 길다 (최대~10km)

-2.4GHz 기기들에 영향을 받지 않는 별개의 대역을 사용한다. (품질저하가 일어나지 않는다)

-전력소비가 작아 저전력원으로 사용 가능하다

특히 통신가능 거리가 길다는 장점은 멀리 떨어진 장소도 통제 가능하다는 점에서 매력적이다. 장거리에서 신호가 유효하다면 캠퍼스 내에 떨어져 있는 건물이라거나, 사람이 접근하기 힘든 장소를 활용할 수 있기 때문이다. 또한 전력 소모가 적고, 장거리를 지원하여 설치개수가 많을 필요가 없기 때문에 비용적인 면에서도 장점을 가지고 있다.

3.Sub-G 활용한 BEMS 예시

실내에서 심장박동등을 감지하여 응급사항을 인지할 수 있는 생체센서와 재실센서, 온도 습도등을 조절해 환경을 쾌적하게 유지할 수 있도록 각종 환경 데이터를 수집하는 센서 등등을 sub-G 제품을 이용 한 가상의 시나리오 모식도 이다.

[그림5. 건물관리 모식도] (출처:(주)다드림아이엔에스)

Section #4

5가지 기계학습방법을 이용한 BEMS 시뮬레이터 구현

1.BEMS에서 시뮬레이터의 역할

시뮬레이터는 주변 환경에 대한 데이터를 바탕으로 최적화에 필요한 자원(에너지, 물) 양을 도출한다. 가령 ‘외부 날씨와 습도등의 값이 얼마이다.’를 인식하여 ‘내부 온도는 얼마정도를 유지해야 쾌적한지 판단하고 이를 위해 난방 혹은 냉방을 하여 몇도를 조절해야하고 이를 위해 전기 혹은 가스가 얼만큼이 필요하다.’ 하는 계산을 하는 것이다.

이를 통해 BEMS는 가장 효율적인 에너지 사용량을 제어할 수 있고, 사람의 제어 없이 시스템을 자동적으로 제어할 수 있어 무인으로 효과적인 BEMS를 구현할 수 있다.

게다가 변수가 온도, 습도, 시간, 부식정도 등등 개수가 증가할수록 인간이 인식할 수 있는 변수 범위를 벗어나기 때문에 적절한 통제를 하기 위해서는 시뮬레이터가 꼭 필요하다.

2.1법칙 vs 기계학습

여기서 제 1법칙이란 물리와 수학의 기본법칙들을 지칭한다 열적 거동을 계산할 수 있는 수식들을 복합적으로 계산하여 시뮬레이션을 만드는 것이다.

제 1법칙을 사용할 경우 기존에 존재하는 수식에 계측된 시뮬레이션 모델로 보정값을 도입해야 하므로 엄청나게 많은 측정값(변수)가 필요하다.

반면에 기계학습을 기반으로 할 경우 자율화된 알고리즘 구축이 가능하여 빠르고 정확하게 모델을 도출해낼 수 있다.

사용된 기계학습 방법은 다음과 같이 5가지가 있다.

[그림6.기계학습 방법별 정보표] (출처: 참조논문)

이렇게 기계학습을 통해 구현된 시뮬레이터가 방냉량과 전력등을 정확하게 예측하는지 살펴보기 위해 MBE(Mean Bias Error), CVRMSE(Coefficient of Variation of the Root Mean Squre Error)분석으로 예측정확도를 살펴보면, 각 방법별로 평균적으로 5~-0.8정도의 값을 나타내었다.

위 분석수치는 각각 오차값과 분산값을 분석하는 도구이고, 0에 가까울수록 정확도가 높다고 읽으면 된다. 따라서 기계학습 시뮬레이터는 1법칙 기반 시뮬레이터 보다 간편하며 실용성도 만족시킨다고 판단할 수 있다.

3.시사점

설비시스템을 제1법칙으로 설명하기 위해서는 많은 지식, 정보, 경험식이 요구된다. 게다가 식에 포함된 계수는 기기 노후화와 부분부하로 인해 지속적으로 변화하기 때문에 도출한 시뮬레이션을 지속적으로 사용할 수 없다. 반면, 기계학습을 통한 시뮬레이터는 자동적으로 적절한 제어가 가능하기 때문에 신축건물이 아닌 기축 건물에도 도입이 가능하다. 즉, 기계학습을 통한 시뮬레이터는 BEMS 적용 가능 영역의 확대와 고도화를 이끌어갈 열쇠이다.

아직은 시뮬레이터를 구현하기 위해 기계학습모델과 더불어 전문가의 개입이 필요한 수준으로, 기계학습모델을 사용할 수 있는 가능성을 보여준 성과를 낸 정도이다. 이 연구는 차후 자율진단 및 자율 최적제어 기술 개발로 이어지고 있다. 어떤건물에서도 사용할 수 있는 자율 모델링이 가능한 시뮬레이터 개발까지 완성될 경우 BEMS 활용 영역이 크게 확장 될 수 있을 것이다.

*Ref.

Issues of Application of Machine Learning Models for Virtual and Real-Life Buildings,

Young Min Kim1, Ki Uhn Ahn2 and Cheol Soo Park1,2, Sustainability, 2016. 08., 543

이번 BEMS 세미나는 이와 같은 내용들로 이루어져 있었다. 1부는 4차 산업혁명과 에너지 효율 관련 기술 및 정책내용으로, BEMS가 등장한 사회적 측면들에 관련된 내용들을 알 수 있었다. 2부는 활용될 수 있는 기술과 실제 도입하기 위해 연구되는 내용으로, 실제적인 활용과 맞닿아 있어 질문도 많이 나왔다. 차후 세미나는 5월로 준비되고 있으며 주최측은 (사)한국 BEMS협회이므로 관심이 있다면 다음 세미나를 신청하는 것을 추천한다.