알기 쉬운 스마트그리드

알기 쉬운 스마트그리드

최동배 지음

인포더북스 / 2011년 11월 / 400쪽 / 28,000원





에너지 분야의 녹색혁명, 스마트그리드



스마트그리드의 개요

오전 6시 37분, 모닝콜이 울린다. 비틀스의 명곡 이다. 지역 전화회사 및 아이튠즈(iTunes) 사이트와 제휴하여, 지역 유틸리티 회사가 제공한 일만 개의 모닝콜 곡 중 지난밤에 내가 찾아서 입력해둔 노래다. 알람시계는 없다. 음악은 집 전화기 스피커에서 흘러나온다. 스피커는 SBB라고 부르는 가정용 기기에 통합되어 있다.

이제 모든 집에는 개인 에너지 계기판인 SBB(Smart Black Box)가 갖춰져 있다. 케이블 TV를 신청하면 셋톱박스나 디지털 기록 장치를 주는 것과 마찬가지로 이제, 현대적인 유틸리티 회사에 에너지인터넷을 신청할 경우 SBB를 제공해 준다. 노스캐롤라이나나 사우스캐롤라이나에 산다면 듀크에너지에, 저 멀리 서쪽에 산다면 서던캘리포니아 에디슨에 신청하면 된다.

이 장면은 『코드그린』에 기술된 미래 우리의 모습이다. 이 책의 저자인 토마스 프리드먼은 스마트그리드 기술은 미래 에너지 부문의 인터넷 역할을 수행할 것으로 예측한다. 또한, 미국의 경제주간지 비즈니스 2.0과 월스트리트저널에서는 지구 온난화로 인한 기상이변 및 환경오염으로부터 인류를 구할 8가지 기술 중 하나로 스마트그리드를 선정하였고, 2009년 7월 9일 G8 확대 정상회의의 기후변화 주요국 회의(MEF)에서도 스마트그리드를 '세상을 바꾸는 7대 기술'로 선정하였다. 7대 기술은 스마트그리드, 에너지 효율, 태양광, 탄소포집기술(CCS), 첨단자동차, 바이오에너지, 석탄가스화복합발전(IGCC)이며, 한국은 이탈리아와 공동으로 스마트그리드 선도국가(Leading Role)로 지정되었다.

스마트그리드란 기존 전력망에 정보기술(IT)을 접목하여 에너지 효율을 최적화하는 첨단전력기술이다. 또한 기존 공급자 위주의 단방향 전력운용시스템에서 소비자도 참여하는 양방향 운용시스템으로 융ㆍ복합화하여 전력시스템과 중전기기를 디지털화, 지능화하고 전력서비스를 고부가 가치화하는 똑똑한 전력기술망을 총칭한다. 참고로 인류의 산업화는 에너지 소비 증가에 따른 에너지 확보에 어려움을 겪게 했으며, 지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 과다한 배출을 가져왔다.

이러한 에너지 확보의 위기와 지구 온난화란 중대한 현실적인 문제를 해결할 수 있는 에너지 절약형 전력망이 바로 스마트그리드이다. 스마트그리드는 에너지 효율 향상에 의해 버려지는 에너지를 절감하고, 신ㆍ재생에너지에 바탕을 둔 분산전원의 활성화를 통해 에너지 해외 의존도 감소 및 기존의 발전설비에 들어가는 화석연료 사용절감을 통한 온실가스 저감효과를 불러온다.

한편 지식경제부(이하 지경부)는 2011년 6월 저탄소ㆍ녹색성장의 기치 아래, 15대 그린에너지 산업(태양광, 풍력, 연료전지, 석탄가스화복합발전, 바이오연료, 이산화탄소 포집ㆍ저장, 청정연료, 에너지저장, 고효율 신광원, 그린카, 에너지절약형 건물, 히트펌프, 원자력, 스마트그리드-전력IT, 청정화력발전) 분야별로 '그린에너지 전략로드맵 2011'을 수립하였는데, 이번 로드맵에 포함된 대표적인 육성산업이 그린에너지와 탄소시장 분야이다. 이 중 스마트그리드는 그린에너지와 탄소시장의 인프라가 되는 대표적인 녹색기술이자, 바로미터(Barometer)이다.

이번에 발표된 스마트그리드기술 분야의 R&D 전략은 첫째, 제주 실증단지 운영을 통해 에너지관리시스템, 전기자동차 충전인프라, 스마트미터 등 다양한 기술에 대한 검증으로 기술개발, 표준화, 실용화에 이르는 전주기적 기술 확보, 둘째, 거점도시, 광역단위로 실증사업을 확대하여 2030년까지 국가단위의 스마트그리드 구축완료이다.

스마트그리드 구축에 필요한 기술

스마트그리드를 구성하는 기술요소는 발전ㆍ배전 부분에서 청정에너지를 생산하는 분산전원 분야, 전력망 부분에서는 에너지 효율을 높이고 외부 충격이나 고장사고에도 자가 복구가 가능한 전력망 관리 분야, 사용자들의 에너지 효율을 높이고 전력품질을 향상하는 사용자 전력관리 분야, 그리고 속도별ㆍ전압별로 나누며 보안기술과도 접목되어야 하는 전력선 통신 분야로 크게 나눌 수 있다.



스마트그리드의 국외 동향



스마트그리드 해외 시장동향

최근 영국, 일본, 스페인, UAE, 중국, 캐나다 등 세계 곳곳에서 탄소제로 도시 프로젝트가 붐을 이루고 있다. 탄소제로 도시는 이산화탄소 순 배출량이 '0'인 도시를 의미하는데, 에너지 절감형 건물(에너지 효율화)을 짓거나 친환경 교통시스템을 도입, 폐기물 재활용 등의 방식으로 탄소배출량을 최대한 줄이고, 그래도 발생하는 탄소는 나무를 심거나 탄소배출권을 구입함으로써 상쇄(Offset)하여 실질적인 탄소배출을 0(Zero)으로 만드는 것으로, 화석연료 기반의 전기를 사용함으로써 발생하는 간접적 탄소배출(Indirect Emission)을 신ㆍ재생에너지로 대체하여 감축하는 것이다.

도시의 수명을 고려할 때 탄소제로 도시개발은 장기적ㆍ거시적으로 상당한 편익을 제공한다는 견해가 지배적이다. 그런데 우리나라는 '에너지 다소비국가'이면서도, 에너지 대외의존도가 97% 이상인 현실을 감안할 때 탄소제로 도시 건설이 더욱 절실한 입장이다. 게다가 2009년 12월 코펜하겐 협상에서 우리 정부가 약속한 2020년까지 온실가스배출량을 전망치 BAU 대비 30%의 감축 등을 위해서라도 '저탄소 도시'로의 전환이 매우 중요하다. 특히 신도시, 재개발(뉴타운), 보금자리주택 등 친환경 도시를 건설할 때 탄소제로에 맞먹는 특단의 탄소저감 방안을 적용할 필요가 있다. 몇몇 국가의 추진 현황을 살펴보면 다음과 같다.

(1) 영국 베드제드(BedZED) 탄소제로 시범단지: 2002년에 100가구를 완공한 BedZED는 화석연료 대신 태양, 바람 등을 에너지원으로 사용해 탄소배출량 제로를 지향하는 친환경 마을로, 주요 에너지관리시스템과 태양광패널, 태양광전지로 자동차 충전, 열병합발전소 등 녹색교통계획에 따라 전기 또는 하이브리드 승용차 40대를 공용으로 사용하고 있다. 베드제드는 전기뿐 아니라 물 사용량도 모두 검침기에 나타나 절약을 유도하고 있다.

예로 빗물을 저장탱크에 받아 화장실에 재사용하고, 온실 마련, 하늘 정원, 30cm 슈퍼 단열재 등 태양에너지를 최대한 활용한 남향주택으로 난방수요도 다른 주택에 비해 1/10로 절감하고 있다. 그리고 지붕에 설치된 태양전지로 전기사용량의 10%를 충당하고, 나머지는 폐기물고형연료(RDF)를 사용한 바이오매스 열병합발전으로 전력 자급자족을 이루고 있으며, 발생하는 폐열로 난방을 해결하고 있다. 수송수단은 재택 근무실 공간마련과 '녹색교통계획'에 따라 공용 하이브리드 승용차 40대를 두고 필요할 때만 이용료를 내고 임대하고 있다.

(2) 일본, 요코하마 등 4개 도시에서 스마트그리드 실증: 일본은 요코하마 시, 키타규슈 시(후쿠오카 현), 도요타 시(아이치 현), 케이한나학연도시(교토부) 등 4개 도시를 스마트그리드 실증사업 시범도시로 선정하였다. 그리고 5,000세대에 태양광 및 풍력발전기와 스마트미터, 가정용 2차 전지 충전기 등을 갖춘 스마트그리드 시스템의 효용성 시험을 위해 5년간 1,300억 엔에 달하는 실증프로젝트를 시작했다.

앞의 4개 지역 외에 동경전력이 2010년 10월 동경 코다이라시에서 시작한 스마트 계량기와 무선방식의 통신네트워크 기능을 검증하는 자동검침 실증시험은 동일본대지진의 영향으로 잠시 중단되었으나, 2011년 10월에 재개되었다. 현재까지 약 1,000호에 설치된 이 시스템은 30분 단위 무선방식으로 자동 송신하고, 서버에 집약하는 시스템으로 구축할 계획이다.

(3) 중국 동탄 탄소제로도시: 2050년까지 상하이 인근 총밍섬에 인구 50만 명을 수용하는 탄소제로 신도시를 건설하는 장기 프로젝트로 '환경 친화적 국가'라는 이미지를 겨냥한 국가전략 프로젝트이다. 전체 부지의 40%는 도시로 개발하고, 나머지는 농업 및 에너지 생산기지로 활용하거나 습지상태를 유지할 예정이다. 옥상 녹화, 바이오매스 등 다양한 환경 에너지 기술이 적용될 예정이며, 완공되면 일반도시 대비 에너지 사용 60%, 오폐수 배출 88%, 폐기물 배출 83%가 감소할 것으로 기대된다.



스마트그리드의 국내 동향



스마트그리드 국내 동향

제주실증단지(한국형 스마트그리드 모델)_ 지식경제부는 국내 처음으로 2009년 6월 제주시 구좌읍 일대 6,000가구를 스마트그리드 실증단지로 지정했다. 정부는 이곳에 2개 변전소와 4개 배전선로로 전력망을 짜서 2013년 11월까지 풍력태양광 등을 연계한 신ㆍ재생에너지 저장, 안정공급, 실시간 전력계측, 전력-통신 융합서비스, 전기자동차 충전운영 시스템 등에 관한 실증사업을 진행하고 있다.

실증단지가 구축되면 실증지역인 구좌읍은 세계 최초 미래에너지 마을이 될 것이며, 이는 Carbon Free의 청정성을 지향하는 제주도의 확실한 기반과 녹색성장의 체험관이 되고, 또 다른 랜드마크이자 새로운 지역발전의 시발점이 될 것이다. 또한 스마트그리드 사업은 에너지절약은 물론 지역 일자리 창출, 국제적 관광 명소화 등 제주도의 발전과도 직결될 것으로 기대된다. 이 사업에는 국비 685억 원, 민자 1,710억 원 등 총 2,395억 원이 투입된다.

지방자치단체 스마트그리드 전략 및 한국형 스마트그리드의 과제

지방자치단체(지자체)의 스마트그리드 전략_ 지자체 스마트그리드 관련사업 추진으로 대표적인 것은 김천 혁신도시의 '신ㆍ재생에너지 산학연 클러스터 구축'을 위한 스마트그리드와 연계한 녹색도시 조성방안에 대한 연구와 2009년 7월 환경부의 환경시범도시로 지정된 강릉시의 '녹색기술 복합단지 조성 제안'을 들 수 있다. 또한, 지역적으로는 서울시 서초구의 현대자동차 이동식 수소충전소 설치사업, 인천광역시 송도의 미국 벨연구소와 스마트그리드 연구사업, 춘천시의 스마트그리드 기술개발단지 조성사업, 2010년 1월에는 세종시에 삼성그룹이 그린에너지 관련 사업에 1조 1,200억 원을 투자하기로 결정한 것 등이다.

한국형 스마트그리드의 과제_ 미국은 송전망이 40년 이상으로 노후화됐고 송배전 손실이 커 전력망의 현대화를 위해 스마트그리드를 추진하고 있으며, AMI(Automatic Metering Infrastructure, 원격검침인프라스트럭처)와 같은 수요의 효율화를 위한 인프라 구축도 진행하고 있다. 하지만 AMI와 같은 스마트그리드 핵심기반 인프라 구축을 놓고 비용을 누가 부담해야 하는가 하는 문제가 불거져 난항을 겪고 있다. 소비자는 인프라 비용을 부담할 필요성을 아직 모르고 있으며, 규제기관은 소비자 비용부담이 커지는 것을 허용하지 않고 있어 앞으로 이 문제가 쟁점이 될 것으로 전망된다.

사업의 주체가 되는 유틸리티사들은 공급망 개선, 연구개발에 투자를 집중하고 있으며, 소비자 비용부담을 놓고 정부와 소비자, 전력회사 간의 의견 차이가 발생하고 있다. 한국 역시 송배전 손실, 정전시간, 송배전 자동화 등 기술적인 측면에서 세계 최고 수준을 자랑하지만, 수요 측면에서는 가격구조의 불균형으로 비효율적인 소비가 이뤄지고 있는 형편이다.

더군다나 전기요금이 연료비 변동과 연동되지 못하는 경직성 때문에 원자재 가격 상승 시에도 비효율적인 소비가 증폭되고 있다. 그러므로 스마트그리드 추진에 있어 최우선 순위는 전력요금 정상화와 수요 선진화를 위한 인프라 구축이 돼야 한다. 기존 전력망을 스마트그리드화하는 것은 마치 철길을 달리고 있는 디젤기관차를 달리는 상태에서 고속전철로 업그레이드하는 것과 같다. 모든 요소와 각각의 역할들이 복합적으로 연결돼 있기 때문이다. 한편 유틸리티사 주도의 공급망 업그레이드, 신재생 투자 같은 사업은 상대적으로 쉽게 진행할 수 있다. 그러나 요금의 정상화, AMI 구축과 같이 소비자의 직접 부담이 필요한 사업은 정부의 의지와 지원이 중요하다. 따라서 스마트그리드에 대한 소요 비용을 정량화하기 위한 더 많은 R&D와 시범사업이 필요하며, 학계를 비롯한 여러 관련업계의 의견 수렴과정이 있어야 할 것으로 보인다.



소비자가 주인인 스마트그리드



스마트플레이스의 개요

미래 전력기술의 특징_ 우리는 몇십 년 후에 스마트그리드로 인해 인터넷과 동일한 변화 양상을 보게 될 것이다. 인터넷이 우리가 정보에 대해 생각하고, 사용하고, 관리하는 방법을 근본적으로 바꾼 것처럼, 스마트그리드는 우리가 에너지에 대해 생각하고, 사용하고, 관리하는 방법을 근본적으로 바꿀 것이다.

스마트그리드는 IT기술을 활용해 센서와 계량기, 디지털 제어, 디지털 분석기구 등을 사용하여 똑똑한 전력망을 만드는 것이다. 그리고 스마트그리드는 발전소와 가정과 기업 사이에서 전력의 양방향 흐름을 자동화하고, 송배전과정을 조절하는 것이다. 전력회사는 송전망 성능을 최적화해 정전을 예방하고, 정전이 생기면 신속하게 복구한다. 그리고 소비자는 최저 요금 시간대의 전력을 활용하는 자동시스템으로 요금을 절약하고, 전력회사는 피크 전력소비를 평탄하게 만들어서 발전효율을 개선한다. 궁극적으로 스마트그리드는 자동차 오일을 전기로 대체시키고, 전기발전에 사용되는 석탄을 풍력과 태양광으로 대체시킬 것이다.

스마트플레이스의 발전_ 스마트그리드는 지능형 장치, 양방향 통신, 고급 제어시스템을 갖추어 분산형, 지능형 전력망 관리 플랫폼을 갖추고 있고, 이 플랫폼 위에서 신ㆍ재생에너지 통합, 전기자동차 충전방식 지능화, 스마트미터, 전력망 모니터링, 수요반응과 같은 애플리케이션을 가동할 수 있다. 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

(1) 지능형장치: 현재의 상태를 모니터링하기 위한 전자센서와 AMI 장치를 갖추고 있고, 기기 자체의 기본적 의사 결정을 위한 디지털 지능장치를 갖추고 있다. 이러한 요소들은 실시간 상황인지, 전력의 정확한 양과 품질의 측정, 계량 등의 기능을 수행한다.

(2) 양방향 통신: 인터넷, 전력선 통신, 이동통신, 인공위성 통신방식 등 다양한 방식이 존재하는데, 이러한 통신망을 통해 서로 정보를 교환할 수 있게 한다.

(3) 고급 제어시스템: 방대한 데이터를 정밀하고 신속하게 처리하거나 시스템 최적화에 활용한다. 또한 자기복구(Self Healing) 기능을 가능하게 하여, 전력시설의 고장이나 장애의 피해가 확산되기 전에 사전 대응할 수 있게 한다.

이처럼 스마트그리드의 상기 개념 아래 스마트플레이스는 핵심제품인 AMI, 에너지 효율화 시스템 등과 함께, 다음과 같은 분야로 점점 확산되고 발전하게 될 것이다.

(1) 스마트 그린홈(Smart Green Home): 저탄소 녹색에너지원과 AMI를 적용하여 에너지 사용효율을 극대화하며, 편리하고 쾌적한 주거환경을 제공하는 친환경 주택이다. ZigBee(가정, 사무실 등에서 10~20m 내외의 근거리 무선 통신을 구현하는 기술로 무선리모컨, 무선조명제어, 무선센스네트워크 등에 주로 응용됨) 등 전력선 통신라인으로 표준화가 가능하고, 주요 기능으로는 통합검침(100호), 방범ㆍ화재ㆍ에너지 센서, 에너지 기기관리(PCM), PLC/IP-USN 게이트웨이, 고속/저속 변환기(IPG) 등이 있다.

(2) 스마트 그린빌딩(Smart Green Building): 저탄소 녹색에너지원과 에너지 효율화 시스템 적용을 통하여 에너지 사용효율을 극대화하여 온실가스 배출을 최소화하고, 친환경기기의 적용을 통해 환경오염을 최소화하는 그린빌딩이다. 그린빌딩의 에너지관리서비스는 건물별 총부하량, 기기별 부하량(조명, 냉난방기기, 가로등 등)을 DB화하여 통합 관리하며, 에너지 환경정보(조도, 온도, 습도, CO2 등)를 이용하여 에너지 기기를 제어한다. 건물 냉난방, 조명 등 에너지 사용설비에 대한 정보수집 및 분석을 통하여 건물에너지의 정보를 제공하며, 에너지기기 제어 및 지능형 최대부하 관리로 에너지절감 서비스, 방범/방재 정보경보, PLC/WiFi 등 부가서비스를 제공한다.