특집&기획기사

[스마트 커뮤니티와 전기 ①] 스마트 사회와 신재생에너지 이용

김대근 기자
입력 2016.01.01 00:00

[스마트 커뮤니티와 전기 ①]
스마트 사회와 신재생에너지 이용

스마트 커뮤니티 및 스마트그리드는 개개의 요소를 살펴보면 나름대로 오랜 역사를 거쳐 발전해온 기술이며, ICT기술의 진보, 규제제도 등 사회구조의 차이로부터 영향을 받아 조금씩 변화되어 왔다. 적어도 오바마 정권 제1기의 스마트그리드 붐이 일어난 때부터 논점이 상당히 바뀌어 왔다고 할 수 있다. 그 발전의 계기가 된 것은 신재생에너지 전원의 소형화와 저압으로의 보급 및 마이크로그리드화의 추진으로, 스마트그리드와 커뮤니티의 발전은 이제 필연적인 현상으로 인식되고 있다. 이하 본고에서는 최근의 스마트 커뮤니티 실증 및 발전 동향에 대해 소개한다.

스마트그리드라는 말은 2009년 미국 오바마 정권의 탄생과 더불어 세계적으로 많은 각광을 받게 되었다. 이에 따라 많은 사람들은 스마트그리드 및 그 발전형인 스마트 커뮤니티에 대해 아주 새로운 패러다임이 등장한 듯한 착각을 받았다. 그러나 최근 들어 전력시스템 및 수용가의 스마트화는 장시간을 요하는 연속적인 변혁이라는 의견이 많아지고 있다. 그 일례로서 스마트미터의 보급으로 각광 받고 있는 디맨드 리스폰스를 들 수 있다. 이 기술은 1970년대에 부하를 제어하는 로드 매니지먼트(load management)라는 개념에서부터 시작되었으며, 피크컷이라는 개념은 40년 전부터 존재해왔지만 그 통신 제어의 수단이 시대와 함께 진보해온 것이다.
세계 전력자유화의 도화선에 불을 댕긴 것은 가스터빈 발전의 상업화였다. 즉, 누구나 발전사업에 참가할 수 있게 된 시점부터 자유화 진전의 역사가 시작되었다고 볼 수 있다. 최근 스마트 커뮤니티의 발전은 주택 규모로 보급되는 태양광발전 및 축전지의 등장 등 전원이 점점 다운사이징(소형화)되면서 보다 소규모의 수용가에 에너지 매니지먼트의 니즈가 발생됨에 따른 필연적 현상으로 이해된다. 이하에 최근의 동향을 소개한다.

계통연계기술의 역사
2010년 이전
NEDO(신에너지산업기술종합개발기구)에서는 선샤인 계획, 뉴선샤인 계획, 문라이트 계획 등을 통해 서기 2000년 이전에 신재생에너지의 기술개발, 계통연계기술, 분산배치에 견딜 수 있는 신형 축전기술의 개발을 실시해 왔다. 이어 2004년에는 분산전원의 계통연계 가이드라인이 규정되어 신재생에너지 연계법이 일본 국내에 확립되었다. 한편, 2000년대에 들어 신재생에너지 대량 도입의 가능성이 확인되면서 신재생에너지 계통연계에 관한 대규모 실증 사업이 NEDO에서 실시되었다. 이러한 실증연구는 이후에 나오는 여러 가지 스마트 커뮤니티의 요소연구를 이루게 된다.

(1) 집중연계형 태양광발전 시스템 실증연구
해당 프로젝트는 군마현(群馬縣) 오타시(太田市) 죠사이노모리라고 하는 뉴타운([그림 1] 참조)에서 553채의 주택에 태양광발전이 집중 연계된 경우의 문제를 해결하기 위해 태양광발전설비(주택 553채의 총 설비용량은 2129kW)를 설치한 것이다. 여기서는 축전지에 의한 역조류 제어 및 단독운전 검출 기술이 검토되었다.

(2) 대규모 전력공급용 태양광발전 계통 안정화 등의 실증시험
메가솔라의 계통연계를 검증하는 프로젝트로서, 홋카이도 왓카나이시(稚內市)의 부지에 5MW 정도의 태양광발전설비와 NAS전지 1.5MW를 설치해 세계 최초의 축전지 병설형 메가솔라를 완성시켰다. 야마나시현 호쿠토시(北杜市)의 부지에는 2MW급 태양광발전소에 30종 가까운 종별의 다양한 태양전지 모듈을 도입하여 발전특성을 평가함과 동시에 전압제어 및 고조파를 억제하는 대형 태양광용 인버터를 개발하고 있다.

(3) 풍력발전 전력 계통 안정화 등의 기술개발
홋카이도 도마마에정의 풍력발전소(도마마에 윈빌라발전소 출력: 30.6MW)에 대형 축전설비(정격 4MW-6MWh의 레독스 플로우 전지)를 설치하여 축전지에 의한 풍력발전소 출력의 평활화 실증 시험을 실시했다. 이와 병행하여 풍력발전소 규모 및 전력회사 계통 규모에서의 풍력발전 예측기술에 관한 연구개발도 실시하고 있다.

(4) 마이크로그리드형 실증연구
본격적인 마이크로그리드의 기술 실증으로는 3개소의 실증시험 장소(아이치현 도코나메시, 교토부 교탄고시, 아오모리현 하치노헤시)에서 실시된 신에너지 등 집중실증사업과 센다이시에서 실시된 품질별 전력공급시스템 실증사업이 있다. 이러한 실증연구에서는 연료전지 및 가스엔진 발전뿐만 아니라, 태양광 및 소형풍력과의 조합으로 500~1500kW 규모의 전력공급시스템을 구성하고, 수요와 공급의 격차를 조정하기 위한 100~500kW 규모의 축전시스템을 도입한 후 전력품질을 유지하는 실험을 실시하고 있다.([그림 2] 참조) 센다이의 시스템에서는 앞선 지진 재해로 인한 정전 시 병원으로 전력을 공급한 실적을 가지고 있다.

2010년 이후
일본에서는 경제산업성 직할 사업으로서 4지역(요코하마, 도요타, 게이한나, 기타큐슈)의 사회시스템 실증 사업이 전개되고 있다. 한편, NEDO에서는 과거의 계통연계기술을 기반으로 2010년 이후 해외의 스마트 커뮤니티 및 스마트그리드 사업으로 전개를 확대시켜 나가고 있다.

(1) 뉴멕시코의 실증연구
NEDO는 2010년 3월에 미국 뉴멕시코주 관계자와 MOU를 체결하여 뉴멕시코주의 로스앨러모스군과 앨버커키시의 실증 지역 2개소에서 19사의 일본기업 및 단체가 참여한 가운데 스마트그리드 실증 및 총괄연구를 2013년도 말까지 실시하였다.로스앨러모스군의 실증연구에서는 1MW 규모의 PV와 축전지를 도입하여 신에너지 도입 비율이 높은 배전 마이크로그리드의 실증을 실시하고 있다. 또 모델하우스를 건설하여 주택 내 에너지관리시스템(HEMS) 등의 실증도 이루어지고 있다. 2013년부터는 2년간 주민이 함께 참여하는 형태로 디맨드 리스폰스 실증을 계획·실시하고 있다.([그림 3] 참조)앨버커키에서는 메사델솔이라는 신흥개발지역의 업무용 빌딩에([그림 4] 참조) 열병합발전 등의 분산전원 및 축열기기를 도입하여 BEMS를 실증하고 있다. 이 BEMS 시스템은 빌딩 전력의 수급관리 외에 계통에 존재하는 500kW의 PV 변동을 흡수하는 보조 서비스도 제공한다. 또 계통 정전 시 무정전 전력공급을 상정하여 빌딩을 마이크로그리드화(化)한 자립운전을 실시한다.([그림 5] 참조)

(2) 프랑스 리옹의 스마트 커뮤니티 실증
NEDO는 유럽 최초의 스마트 커뮤니티 실증으로서, 프랑스 리옹시에서의 실증연구를 진행하고 있다. 시내 중심부, 론강(江)과 손강(江)의 합류점에서 일본 기업과 프랑스 기업이 손을 잡고 △P-Plot이라는 제로 이미션 빌딩(Zero Emission Building) 건설 △EV 카셰어링과 신재생에너지 활용 △수요의 가시화에 의한 에너지 절감 실증 △지역에너지 매니지먼트 시스템(CEMS) 실증을 진행하고 있다.

(3) 스페인 말라가에서의 전기자동차 관련 실증
스페인 지중해 연안의 도시 말라가에서는 일본 기업 3사가 스페인 기업과 함께 EV 충전 인프라를 정비하고, EV 충전 내비게이션 시스템을 구축하여 실증 프로젝트를 진행하고 있다.

(4) 하와이에서의 스마트그리드 실증
디젤발전에 의존해왔던 하와이는 전미에서 전기요금이 가장 비싼 지역이다. 이 때문에 신에너지의 경제성이 성립되기 쉬운데 그 일례로 마우이섬에서는 200MW의 최대수요에 있어 30MW의 풍력과 수 MW의 주택용 태양광발전이 보급되고 있다. 이러한 상황에서 풍력의 급변으로 0.5Hz 규모의 주파수 변동이 일어나는 등 신에너지 대량 도입 시대의 우려가 표면화되고 있는 실정이다.

NEDO에서는 신에너지의 출력 급변에 대응 가능한 디맨드 사이드 매니지먼트 기술과 향후 보급이 예상되는 EV 충전 인프라의 제어 실증을 함께 진행하고 있다.

(5) 영국 맨체스터에서의 실증
국책으로서 난방열원을 천연가스에서 풍력 중심의 신재생에너지로 전환하려는 계획을 수립한 영국에서는 일본의 에코큐트 기술에 착안하여 그 축열 능력을 이용한 고속부하제어기술에 주목하고 있다. NEDO는 그 기술의 적용성을 차후 실증을 통해 입증할 계획이다.

스마트 커뮤니티의 논점

NEDO는 스마트그리드와 에너지 매니지먼트 시스템을 도입한 스마트 유저(User, 사용자)가 결합된 사회를 스마트 커뮤니티로 보고 있다.

이러한 세계에서는 이하의 그림과 같이 수용가 자체가 수급에 책임을 지님(: 마이크로그리드화)과 동시에 그것과 대치되는 배전계통 등의 운용도 마이크로그리드화될 것으로 예상되고 있다.

[그림 6]은 각국의 전문가들이 제시한 미래의 스마트그리드 모습을 나타낸 그림이다. 이 그림에서는 기간계통을 감시하는 중앙급전지령소뿐만 아니라, 배전피더, 로컬 급전 지령 시스템이 등장하고 있으며, 그 아래에 있는 수용가의 분산전원 및 전력저장시스템을 수용가의 EMS와 교섭하여 활용하고 상위 검토의 수급 균형을 확보한다는 개념을 나타내고 있다.각국의 전문가들은 대체로 스마트그리드의 방향성으로서 이러한 계통의 변혁이 바람직한 방향이라는 평가를 내리고 있다.

(1) 스마트미터, AMI, 디맨드 리스폰스

스마트미터란 통신기능을 구비한 디지털미터로, 이것과 전력회사를 연결하는 정보통신 인프라를 AMI(Advanced Metering Infrastructure)라고 한다. 경우에 따라서는 배전설비의 계측, 제어기기에 대한 정보통신 인프라를 AMI로 부르기도 한다. 미국에서는 스마트미터의 도입을 디맨드 리스폰스와 연계해 거론하는 경우가 많다. 그 배경은 「2000년 전후에 발생한 캘리포니아 전력시장의 위기 등 도매시장의 혼란은 수요에 가격탄력성이 없는 전력시장의 특징에 원인이 있으며, 그 현상은 시간대별 가격을 제시할 수 없는 기존형 미터에 기인한다」는 미국 에너지성의 답신에서 찾을 수 있다. 미국에서는 특히 피크컷의 디맨드 리스폰스가 주목을 받아 몇 가지 실증이 이루어지고 있다. 한편, 수요의 제어에 인간의 판단을 개입하지 않는 자동 디맨드 리스폰스(ADR)도 주목을 받고 있다.

실제로 디맨드 리스폰스의 구조를 완벽하게 제어하기 위해서는 다양한 사회현상의 분석 및 이해를 필요로 하기 때문에 디맨드 리스폰스의 실용성에 관한 평가는 당분간 계속될 것으로 전망된다.

(2) 마이크로그리드

마이크로그리드란 자체 전원을 가지고 대규모 계통에 인접하는, 경우에 따라서는 대규모 계통에서 분리시켜 독립운전을 실시하는 소규모 계통을 말한다. 핵심 사항은 마이크로그리드가 에너지 매니지먼트 시스템이라고 하는 수급관리의 두뇌를 담당하며, 대규모 계통과 마찬가지로 수급 균형의 책임을 다한다는 점에 있다

동일본대지진 직후 일본 센다이에서의 마이크로그리드가 자활의 길을 찾아 전력공급을 실시한 예나 허리케인 샌디에 의해 발생된 1개월 단위의 정전 사례 등 이후 미국에서는 방재(防災)의 중요성이 한층 강조되고 있다. 미국에서 군사시설 등 중요시설의 마이크로그리드화가 검토되고 있는 가운데 캘리포니아주에서는 ‘산타리타 형무소(Santa Rita Jail) 마이크로그리드 프로젝트’ 라는 독특한 프로젝트가 진행 중에 있다.

또 셰일 가스의 보급으로 인해 전력을 구입하는 것보다 가스로 발전하는 것이 더 경제적인 주(州)들이 나오고 있어 앨버커키에서 실증한 빌딩 마이크로그리드 기술이 받아들여질 수 있는 토대가 형성되고 있다.

(3) 신재생에너지와 전력저장
세계적으로 신재생에너지를 중심으로 한 분산전원이 증가함에 따라 스마트그리드의 필요성도 높아지게 되었다. 영국에서는 풍력발전의 변동을 흡수하는 디바이스의 필요성이 대두되면서 전지설비 및 급탕형 히트펌프와 같은 에너지 저장요소의 활용에 관심이 모아지고 있다.

독일에서도 신재생에너지의 변동을 화력으로 흡수하는 데 한계에 다다르고 있어 전력저장의 중요성에 대한 인식이 제고되고 있다. 특히, 전력회사에 잉여전력 판매 시 요금설정이 페널티적인 성격을 띠어가고 있는 가운데 태양광발전 등 신재생에너지를 지산지소(地山地消)화하는 제어가 필요해지고 있다.미국에서는 새로운 FERC의 명령에 의해 주파수 조정 전원의 응답 속도 등에 따라 보조 서비스료를 지불하도록 규정이 바뀌어 즉응성(卽應性)이 높은 축전지가 제도적으로 유리해지고 있다.

(4) 전기자동차

전기자동차는 야간에 충전하는 것이라는 고정관념이 무너지면서 공공의 충전 인프라 확충이 요구되고 있다. 특히, 신재생에너지의 유효이용을 도모할 시에는 신재생에너지의 발전과 동기화할 필요가 있다.전기자동차의 정보 서비스 개념은 계속해서 발전되고 있어 EV의 대대적인 보급이 진행되면 사용 가능한 공공 충전기의 위치를 알려주는 서비스 등이 확대될 것으로 전망된다.

또 V2H 및 V2G 등 전기자동차를 전력저장용으로 사용하는 개념도 실증되기 시작하고 있다. 한편, 전기자동차의 보급 속도는 당초 예상보다 더디게 진행되고 있어 한쪽에서는 우려의 목소리도 나오고 있는 실정이다.