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개요

스마트 그리드란 기존 전력망(Grid)에 IT 기술(Smart)을 접목하여 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 전력 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 지능형 전력망이다. 스마트 그리드 구축에 따른 이점으로는, 첫째 양방향 실시간 정보교환을 통해 합리적인 에너지 소비를 유도하고 고품질의 에너지 및 다양한 부가 서비스 제공이 가능하며, 둘째 개방적 운영시스템의 특성으로 인해 신재생에너지 발전 및 전기자동차 등 청정 녹색 기술의 접목 · 확장이 용이하다는 것이다. 결론적으로 스마트 그리드 기술을 활용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 높은 에너지 의존도에도 불구하고 수요와 공급 특성이 반영되지 않은 요금 정책으로는 에너지 과소비 및 설비 효율이 저하되는 현상을 줄일 수 없다. 현재 전기 소비의 절감을 위해 차등요금제, 누진요금제 등의 요금제를 운영 중이나 다른 에너지에 비해 낮은 가격 및 사용의 편리성으로 전기 소비량은 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 특정 시간대에 집중된 에너지 소비 패턴으로 발전설비 이용 효율저하 및 피크부하 공급을 위한 발전소 건설에 막대한 비용이 소요되고 있는 것이 현실이다.
우리가 주 에너지원으로 쓰는 원유, 석탄 등 화석연료는 한정되어 있다. 미국을 비롯한 선진국의 전력 설비는 노후화 되어가고 있으며, 화석에너지를 사용하는 전력의 생산에 따른 탄소 배출은 점차 줄여야 하는 현실에 직면해 있다. 이러한 시대적 변화의 시점에서 이를 해결하기 위한 새로운 방법으로 추진되는 스마트 그리드에 관해 논하고자 한다.
스마트 그리드는 산업화 시대에 설치된 발전, 송 · 변전, 배전 설비를 IT와 융합시켜 전력시스템을 고도화해 고장을 최소화하는 한편, 신재생에너지원과의 전력계통 접속을 용이하게 해 CO₂감축과 전력계통 운전 효율을 향상시킬 수 있는 지능형 전력계통망이다. 즉, 전력 기술과 IT 기술을 융합해 고품질의 안정적인 전력 공급 및 전력 서비스를 가능케 하는 차세대 전력 인프라, '에너지 인터넷'이라고 할 수 있다. 본고에서는 스마트 그리드 구축에 대한 추진 동향을 살펴보고 스마트 그리드 구축을 통한 편익에 대해 언급하고자 한다.

 

스마트 그리드 개요

1. 개념적 정의
스마트 그리드란 기존 전력설비 인프라(Electric Power Infrastructure)에 정보통신망 (Information Infrastructure)과 정보기술(Information Technology)을 접목해 실시간으로 전력 시스템을 감시 · 진단 할 수 있는 전력망을 의미한다. 즉, 정보통신 기술을 전력계통 전반에 유기적으로 접목함으로써 전력계통에서 발생되는 모든 정보를 실시간으로 교환, 전력의 공급과 수요를 적절하게 예측 · 관리해 부하 균등화를 가능하게 하도록 전력망을 지능화하는 것을 말한다. 다시 말해 스마트 그리드는 전력 공급자와 전력 소비자가 양방향으로 정보를 교환해 효율적인 에너지 사용을 도모하는 것이다.

2. 스마트 그리드의 필요성
전기는 다른 유형의 제품과 달리 생산과 동시에 소비가 되는 특성 때문에 생산량과 소비량에 대한 정보를 실시간으로 감시 · 진단 · 제어할 수 있는 기술이 매우 중요하다. 스마트 그리드가 구축되지않은 현재는 한 달이 지난 후에 전기 사용량을 확인하지만 IT가 접목된 스마트 그리드가 구축되면 실시간으로 전기 사용량과 요금을 파악함으로써, 소비자는 시간대별 차등요금의 적절한 선택이 가능해 선택의 폭이 그만큼 넓어진다. 이는 곧 전기사용의 주체인 소비자가 전력 소비 패턴을 적절히 바꾸어 전기요금의 절약으로 이어진다.

3. 스마트 그리드 구축 효과
세계 각국의 스마트 그리드 추진 현황을 살펴보면, 신재생에너지 도입과 함께 스마트 그리드 기술개발이 활발하다. 유럽연합과 미국, 호주, 일본 등 8개국에서는 지능형 전력망 개발을 국가 전략과제로 정하고 기술 개발과 실증단지 구축 사업을 적극추진 중이다. 우리나라는 국가 핵심과제로 발표한'저탄소 녹색성장'과 함께'녹색전력IT'가 부각되고 있지만, 전력산업분야에서는 이전부터 기술 개발이 착실히 진행되어 왔다.
스마트 그리드가 구현되면 전력의 효율적인 사용은 물론, 신재생에너지 발전원을 전력망에 연계함으로써 CO₂배출량을 획기적으로 줄일 수 있다.
스마트 그리드의 단말 역할을 할 스마트미터는 사용자의 전력 사용 형태를 최적화하고, 전력 사용량 절감을 유도하게 되며, 수용가가 보유한 모든 전자제품의 전력 사용 현황을 취합해 표시하는 기능을 구현할 수 있다.
스마트미터를 이용한 실시간 변동 전기요금제 도입 시 총 전력 수요와 분산되어 원자력 발전 위주의 경제적인 발전원 구성이 가능해 화석연료를 그만큼 줄일 수 있다. 예를 들어 전기자동차 충전 시(Plugin) 전기요금이 저가일 때는 쾌속 충전, 고가일 때는 저속 충전하도록 설정해 총 전력 수요가 분산되는 효과를 가져 올 수 있다. 또한 신재생에너지 발전원의 단점인 단속적인 전력 생산으로 인한 전력계통 안정화를 꾀하면서 기존 전력망에 안정적으로 연계하기 위해서는 전력망의 지능화가 필요하다.

국내외 스마트 그리드 개발 현황

1. 미국
미국은 지난 부시 대통령 재임시절,' IntelliGrid'프로젝트를 기획하여 2001부터 2030년까지 전력시스템 고도화 계획을 추진하고 있다. 주요 참여기관은 미국의 EPRI, EDF(프랑스), HITACHI, GE 및 미국 주요 전력회사 등이다. 특징은 전력설비와 통신 기술이 결합된 새로운 전력 시스템을 개발한다는 목표로 스마트 그리드에 대한 국가 정책사업 지원방안이 2007년 미국 의회에서 승인됐다.
이 프로젝트에는 국가의 송전망 및 배전망의 현대화, 수용가 전력 사용 효율화 등을 지원하는 것을 포함하고 있다. 그 이후 미국의 엑셀에너지 회사는 플로리다 볼더(Boulder)市에'Smart Grid City' 구축을 위해 5만 가구를 대상으로 스마트미터기를 설치하고 스마트 그리드 기술을 검증하는 프로젝트를 진행 중이다.

2. 유럽
유럽은 살기 좋은 사회를 만들기 위한 프레임워크 7차 계획을 수립하고 스마트 그리드 시스템을 개발 중에 있다. 프로젝트명은'European Smart Grids Technology Platform'으로 2006년에 착수해 2020년 완성을 목표로 한다. 참여기관은 ABB, SIEMENS, Shell, BP 등 유럽계 다국적 기업을 중심으로 많은 회사가 참여 중이다. 주요 특징은 EU 주도로 대체에너지 사용 및 국가 간 전력 거래활성화를 목표로 한다.

3. 일본
일본은 국가 차원의 신재생 에너지 자원을 수용할 수 있는 마이크로 그리드 개념의 신전력 인프라 개발 및 시범단지를 구축해 개발 기술의 상용화를 촉진하고 있다. 프로젝트명은'TIPS(TripleI(Intelligent, Interactive and Integrate) Power System)'로 참여기관은 CRIEPI(일본의 중앙전력 연구소)를 중심으로 일본 주요 전력회사들이 참여하고 있다. 주요 특징은 신재생에너지 자원의 연계를 위한 분산전원 운영 관련 연구개발을 활발히 진행 중이다.

 

주요 국가별 정책은 <표 1>과 같다.

4. 한국형 스마트 그리드 구현 방안
스마트 그리드 기술 목표는 에너지 및 환경 위기에 대응하고 지식 기반 사회를 견인하기 위해 전력산업에 IT를 접목해 전력 Energy Security 확보, Ubiquitous Energy Service 제공 및 전력IT 산업을 주요 수출산업으로 성장 · 발전시키는 것이다.

 

⑴ 성공적 구현을 위한 요소 기술
한국형 스마트 그리드를 성공적으로 구축하기 위해서는 핵심 기술들에 대한 기술력 확보가 중요하다. 핵심 기술로는 Smart Grid Architecture 기술, Smart EMS/SCADA/DMS 운영 기술, 전력 Grid 재난 예방 대응 및 광역정전 예방 복구 기술, 사이버 보안 및 전력 Grid 테러 방지대책 등을 들 수 있다. 또한 신재생에너지 및 분산전원 관리를 위해 차세대 마이크로 그리드 및 분산전원 최적 운용 기술을 우선적으로 실증해 양방향 전력계통 조류 및 고장구간 판단 등에 반영해야 한다. 전력기기 측면에서는 Smart 전력설비 및 기기 확보를 위한 Smart 개폐장치, Smart FACTS, HVDC 기기, Smart 수용가 기기 등이 필요하며, 수용가의 수요관리를 위한 수요반응(DR) 서비스 및 실시간 전력 거래 기술 구현을 위해 AMI, DR, CPP/RTP 등이 준비돼야 한다. 또한 화석연료대체를 위해 전기자동차 운영을 위한 PHEV 개발 등 교통시스템의 계통연계 기술이 필요하다.

 

⑵ 스마트 그리드 실증단지 구축 및 기술 검증 체계
스마트 그리드 기술 검증을 위해 지식경제부는 스마트 그리드 통합실증단지로 제주도 구좌읍을 선정했다. 구좌읍은 에너지기술연구원 산하 신재생에너지연구센터와 월정풍력, 행원풍력단지 등이 있는 제주도 신재생에너지의 중심지역이라 할 수 있다. 이곳에서 스마트 그리드 실증사업을 전개할 경우 시너지 효과를 볼 수 있다는 게 정부의 판단이다.
제주 스마트 그리드 실증단지는 지식경제부가 세계 최초 국가단위의 지능형 전력망 구축을 발표하면서 전력산업계의 최대 이슈로 떠올랐다. 이후 지능형 전력망 로드맵 수립 추진위원회가 출범했고, 스마트그리드협회가 설립됐다. 스마트 그리드를 가시화시키는 첫 번째 작업은 스마트 그리드 로드맵 수립이다. 이를 위한 로드맵 작업 공청회가 2009년 11월 17일 교육문화회관에 개최됐고 최종발표가 올해 초 있을 예정이다. 스마트 그리드 실증사업을 구체적으로 시행할 분야별 컨소시엄도 11월 20일 최종 발표됐다. 에너지기술평가원은 제주 실증단지 3개 부문(Smart Place : 에너지 효율적 이용 기반, Smart Transportation : 전기차 확대 기반, Smart Renewable : 청정에너지 안정 운영 기반)에 대한 사업제안서를 평가해 부문별로 3개, 3개, 2개의 컨소시엄을 선정했다. 추가되는 Smart Power Grid(지능형 전력망)는 한전이, Smart Electricity Service(신전력 서비스 제공)는 한전과 전력거래소가 각각 역할을 수행한다.

⑶ 스마트 그리드 분야별 추진 내용
① Smart Power Grid
Smart Power Grid는 스마트 그리드 실증단지 3개 분야의 기반이 되는 지능형 전력망을 의미하는 것으로, 양방향 전력 전송, 조기 고장 발견 및 자동고장 복구, 각종 가전기기와 통신하면서 전력 수요를 제어하는 수준까지 지능화 할 수 있다. KEPCO주도로 실증시험이 진행될 것이며, KEPCO는 전력계통 운영 및 고도화, 효율화를 위한 송 · 변전, 배전지능화 등 전력IT 기술을 활용한 친환경 가치제공과 관련, 지난 2005년부터 정부가 추진하는 전력IT 국책과제 가운데 15개 세부과제에 주요 사업자로 참여하면서 전력IT와 지능형 전력망 구축에 필요한 기술력과 경험을 고루 확보했다. 스마트 그리드 실증단지의 Smart Power Grid가 구축되면 효율적인 전력 사용이 유도되고 신재생에너지, 전기자동차 등의 도입이 활성화됨으로써 보다 똑똑한 전력 사용 환경이 조성될 것으로 전망된다.

 

② Smart Place
Smart Place는 스마트 홈, 스마트 빌딩 등 미래의 에너지 사용 공간을 의미한다. 가정과 업무 공간에서는 스마트 계량기 사용이 일상화 되어 전기요금이 비싼 시간대의 전력 사용을 저렴한 시간대로 자동 유도해 소비자의 불편이 없으면서도 전기요금을 절감할 수 있다. 주요 구축 내용은 AMI를 통한 실시간 전력 사용량 및 가격 정보 기반 구현이 가능하며, 소비자 중심의 수요반응(DR) 및 실시간 요금제(DP) 기반 서비스를 제공할 수 있다. 신재생 발전원, 소규모 저장장치, 지능형 가전기기, 전기자동차와 연계한 스마트 홈, 빌딩, 공장 등에 비즈니스 모델 적용이 가능할 것이다.
③ Smart Transportation
Smart Transportation은 전기모터로 구동되는 전기 운송 수단과 관련한 인프라를 구축하고 실증하는 것을 말한다. 거리에서는 전기자동차가 운행되도록 전기충전소, 배터리 교환소 등을 설치하고, 가정에서도 전기자동차를 충전할 수 있는 충전설비를 구축하는 것이다. 주요 내용은 전기차 운영 기반환경 하에 다양한 충전 방식 인프라 구축을 통한 급속, 완속 충전, 배터리 임대 등의 서비스를 제공한다.
④ Smart Renewable
Smart Renewable은 풍력 및 태양광 등 신재생에너지 발전원을 중심으로 저장장치, 전력보상장치, 전력변환장치 등의 분산 에너지 자원을 말한다. 풍력, 태양광, 소수력 발전 등이 보다 안정적으로 사용되고, 남은 전력이 전력망을 통해 다른 지역으로 전송될 수 있는 시스템도 기술적, 경제적으로 분석 및 평가할 예정이다. 주요 내용은 신재생 발전원과 전력저장장치 및 전력변환장치 간 협조 운영 체계 구축 및 신재생 발전원과 전력망 간 연계 운영체계를 만들고 실증할 것이다.
⑤ Smart Electricity Service
Smart Electricity Service는 전기와 관련된 일상생활이 복잡해짐에 따라 등장할 것으로 예상되는 고부가가치의 전문적 서비스를 의미한다. 전기 공급도 소비자 중심으로 전환되어 각 가정의 소비자들은 다양한 품질의 전기를 선택해 구매할 수 있다. 또한 자신의 전력 소비 패턴에 알맞은 전력요금을 선택할 수 있으며, 소비자의 에너지 관리를 최적화 해 주는 컨설팅 서비스도 등장한다. 주요내용은 계통운영 고도화 및 효율화를 위한 송 · 변전, 배전 등 계통 감시운영 서비스 및 스마트 그리드 개념의 실시간 요금제 및 피크부하 요금 등 신전력 서비스가 실증될 것이다.

마무리

우리나라 전력산업은 2008년 기준으로 전력계통 규모는 세계 13위, 전력거래량은 세계 8위 규모를 자랑한다. 뿐만 아니라 호당 정전시간은 16분으로 영국(68분), 미국(137분)에 비해 월등한 안정성을 자랑하며, 전기를 공급하는 과정에서 손실되는 양은 4%로 세계 최고 품질의 전력을 제공하고 있다.
IT 분야 역시 세계 최고 수준으로 정보통신망이 들어가지 않은 집이 없으며, 품질과 속도에서 따라올 곳이 없다. 스마트 그리드 실현을 위해 이처럼 우리나라는 최적의 조건을 갖추었다고 할 수 있다. 이를 기반으로 정부를 비롯한 공공기관, 산업계, 학계는 스마트 그리드 조기 실현을 위해 발 빠른 움직임을 보이고 있다. 정부는 신성장동력 중 하나인 스마트 그리드 조기 실현을 위해 한전 등 산업계와 공동으로 2011년 6월까지 세계 최초 국가단위 지능형 전력망 구축을 위한 실증단지를 조성, 2020년 수용가 및 배전계통 지능화를 완료하고, 2030년에 전체 전력계통을 대상으로 스마트 그리드를 완료한다는 계획이다. 이와 함께 정부는 장기적인 신성장동력을 발굴하고 원천 기술을 확보하기 위해 전력IT 분야에 중대형 전략과제를 발굴해 스마트 그리드 기술력을 세계적인 수준으로 끌어올리기 위한 추가 과제 발굴도 진행 중이다. 그러나 정부의 국가 정책적인 연구개발 예산지원만으로 모든 것이 해결되진 않는다. 지속적인 전기관련 제도 개선과 다양한 교육을 통해 소비자 참여를 적극 유도해 전 국민적 공감대 형성이 필요하다.
세계 전력산업 시장은 거대한 변화의 물결로 출렁이고 있다. 우리나라는 그 중심에 서 있다 해도 과언이 아니다. 어느 때보다 그 역할이 막중해진 국내 스마트 그리드 관련 에너지 및 IT 분야 엔지니어는 새롭게 펼쳐질 그린에너지 세상을 만들고 스마트 그리드에서 비전을 달성할 수 있도록 핵심역량을 강화해야 할 것이다.

 

◈ 참고문헌 - KEPCO 《전력산업과 한국의 스마트 그리드》2009. 11. - 정보통신연구진흥원 주간기술동향 《스마트 그리드 추진현황 및 구현방안》2009. 12. - 지식경제부《한국의 스마트 그리드 정책 추진 방향》2009. 9. - Exel Energy Co. Ltd《Smart Grid City - Boulder, Colorado》2008. 7. - EPRI《 IntelliGrid - Technical Foundation for the Smart Grid》2008. 10.

 

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