근년, 지구온난화 대책과 자연재해 후의 에너지 수급대책으로서 저탄소 사회의 실현 및 에너지의 운용 효율성이 요구되고 있다. 그 핵심 기술이 되는 것이 태양광 발전(Photovoltaic Generation: PV)과 풍력 등의 재생가능에너지와 에너지 관리 시스템의 도입이다. 본고에서는 재생가능에너지 도입을 위한 로컬 접근법, 시스템 접근법 및 이들의 실증 프로젝트에서 사용되는 축전지 제어 기술에 대해 살펴보고, 더 나아가 에너지 관리 시스템에서의 스마트그리드 솔루션과 스마트그리드용 EMS에 대해 알아본다.
번역·정리 김대근 기자
재생가능에너지는 깨끗하고 연료 걱정이 없는 자연 에너지이지만, 날씨에 따라 변동하는 성질이 있어 그대로 계통에 대량 도입하게 되면 전력품질을 저하시킬 우려가 있다. 이 때문에 재생가능에너지에 모종의 제어성을 부여함(스마트화)과 동시에 전체 에너지 사용을 효율적으로 관리하는 ‘에너지 관리시스템’(이하, EMS(Energy Management System) 기술)이 주목을 받고 있다. 이 EMS 및 재생가능에너지의 제어에는 축전지 제어 기술이 중요한 역할을 한다. 본고에서는 이 관점에서 △재생가능에너지의 도입에 대한 두 가지 접근법 △스마트그리드용 EMS △축전지 제어 기술에 대해 설명한다.
재생가능에너지의 도입
재생가능에너지를 도입하는 방법으로서 대조적인 두 가지 방식이 있다. 하나는 기기별로 스마트화를 실시하여 기기를 하나의 안정된 전원과 같이 하는 ‘로컬 접근법’과 다른 하나는 스마트그리드로 대표되는 ‘시스템 접근법’이 있다.
기기별 스마트화(로컬 접근법)
날씨에 따라 변동하는 PV 및 풍력발전기 등의 기기마다 축전지 및 제어장치를 도입하여 로컬 제어를 통해 변동전원인 재생 에너지 전원을 마치 안정된 화력 발전기처럼 동작시킬 수 있는 기술이다. 대표적인 예로 PV와 축전지를 조합하여 ?새로운 가치를 창출해 낸 선진적 PV 시스템(Advanced Photovoltaic Generation System)에 대해서 설명한다. 선진적 PV 시스템은 [그림 1]에 나타나 있는 구성으로 PV 출력의 변동억제, 평준화(피크컷 등 출력의 시간 시프트), 정전 시 전원 백업, 전력계통의 품질 향상 등의 부가가치를 제공할 수 있다. 아래에 변동억제와 평준화에 대해 기술한다.
(1) PV 출력의 변동억제
[그림 1]에서 보이는 바와 같이 PV에서 출력되는 전력은 구름 등의 영향으로 상당한 변동을 수반하는 것이 보통이다. 태양전지 및 로컬부하의 변동에 따라 축전지를 충방전 제어토록 하여 PV의 출력 변동을 억제하는 것을 변동억제라고 부른다. 예를 들면 계통으로의 송전전력이 감소한 경우는 방전하고, 반대로 송전전력이 증가한 경우는 충전하도록 제어함으로써 전력계통에서의 송전전력의 변동을 억제할 수 있다. [그림 2]에 300kW급의 선진적 PV 시스템의 필드 데이터(Field Data)를 나타냈다.
(2) 평준화(피크컷 등 출력의 시간 시프트)
그리드 전체의 스마트화(시스템 접근법)
재생가능에너지를 각각의 기기가 아닌, 그리드 전체적으로 도입하기 위해 EMS로 제어하는, 이른바 [그림 3]에 나타낸 스마트그리드를 말한다. 스마트그리드는 일반적으로는 태양광 및 풍력 등의 자연에너지를 풍부하게 도입한 지역에너지의 공급 형태로(낙도 및 미전화(未電化) 지역 제외) 외부 계통과는 연계선으로 연결되며, 수요가와의 수요반응(Demand Response: DR)을 위한 ICT 쌍방향 통신이 갖추어진 것이라고 할 수 있다. 재생가능에너지의 도입 및 에너지의 운용 효율성은 스마트그리드 전용의 EMS를 통해 실현된다. 이에 대해 다음 장에서 설명한다.
에너지 관리 시스템
스마트그리드용 EMS
스마트그리드의 특징은 재생가능에너지를 도입한 후에
① 전력계통의 접근 용이성(악영향을 미치지 않음)
② 에너지 운용을 최적화하는 에너지 관리
③ DR에 의한 수급 균형에 수요가 참가
를 실현하는 것이며, 이를 위해 전용의 EMS가 개발되고 있다. (예를 들면 μEMS)
①의「전력계통의 접근 용이성」은 스마트그리드와 외부계통과의 연계선 조류를 EMS를 통해 실시간으로 관리하는 것이며, 재생에너지 전원에 특유의 출력변동 및 기후에 의존하는 출력변화 등 외부계통에 악영향을 미치지 않도록 스마트그리드 내의 발전력 및 축전지를 제어함으로써 실현된다. 또 ②의「에너지 운용의 최적화」에는 여러 가지를 고려해볼 수 있지만, 예를 들면 에너지 수급의 효율을 전체적으로 최적화하는 것이라 할 수 있다. [그림 4]는 스마트그리드용 EMS에 의한 수급 균형 제어를 알기 쉽게 나타낸 사진이다. 축전지가 투입된 이후, 수급 균형은 정해진 범위(그림에서는 수요의 2.5%의 변동 범위) 안에 들어간다. 또 PV 출력이 구름 등으로 인해 일정 기간 감소한 때에도 응답이 빠른 전지와 기타 분산전원(Distributed Generator: DG)으로 적절하게 처리하고 있음을 알 수 있다. 스마트그리드용 EMS에는 이 외에도 그리드 내의 전압을 적정 범위로 유지하는 전압제어, 비용을 최적화하기 위해 발전력 배분을 결정하는 스케줄링 기능 등이 있다.
스마트그리드 솔루션
상기의 스마트그리드용 EMS를 응용한 솔루션에는 몇 가지 변형이 있다. 그 대표적인 예를 [표 1]에 분류하여 정리했다. 표 중 (1)~(3)의 HEMS, BEMS, FEMS는 전용 EMS를 각각 집, 빌딩, 공장에 적용한 것이고, (4)~(6) 및 (9)는 각각 특정지역에서의 스마트그리드이다. 또 (7)의 전력계통용 축전시스템과 (8)의 전력계통과 Electro-Mobility(EV 응용)는 스마트그리드 그 자체는 아니지만, 시스템 어프로치(Systems Approach)의 동일 기술을 전력제어에 적용한 예이다. [그림 5]에 전력계통용 축전시스템을 나타냈다. 기간계통, 배전계통, 산업시스템, 가정 등 각각의 EMS로부터 축전지가 제어된다.
시스템 어프로치(Systems Approach) 사례
환경문제를 반영하여 스마트그리드 사례가 증가하고 있다. 아래에 이미 운용을 개시하고 있는 ①미야코지마(宮古島): 낙도 독립형 계통 신에너지 도입 실증 프로젝트와 ②NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization: 신에너지 산업기술 종합개발기구) 뉴멕시코 일미(日美) 스마트그리드 실증 프로젝트에 대해 소개한다.
(1) 미야코지마(宮古島): 낙도 독립형 계통 신에너지 도입 실증 프로젝트
(오키나와 전력, 2010년 10월부터 실증실험 개시)
기설의 4.2MW 풍력 발전에 4MW의 PV 및 4.1MW의 축전지, 그리고 EMS를 증설한 시스템이다. 두 종류의 전지 제어, PV의 변동 억제, 전지의 주파수 제어 적용 등 고도의 제어를 실현하고 있다.
(2) 뉴멕시코 일미(日美) 스마트그리드 실증 프로젝트
(NEDO 및 각 일본회사, 미국, 앨버커키 시스템은 2012년 5월에 운용 개시)
로스앨러모스와 앨버커키 두 지구의 스마트그리드로 이루어진다. EMS에 의한 HEMS제어 및 BEMS제어, 수요관리(DR), 스마트미터 적용, 전지의 하이브리드 제어 등, 미국에서의 본격적인 스마트그리드 실증 프로젝트이다.([그림 6] 참조)
축전지 제어 기술이 장에서는 지금까지 기술해온 재생에너지 도입을 위한 로컬 접근법, 시스템 접근법(시스템 어프로치) 및 이들의 실증 프로젝트에서 사용되는 기본적인 축전지 제어 기술에 대해 말한다.
하이브리드 제어
재생가능에너지 도입을 위한 축전지 응용을 논의할 때 에너지(Wh)와 전력(W)의 시점을 항상 구분하여 말할 필요가 있다. 에너지(Wh)는 실제로 외부에 일을 제공하는 능력으로, 예를 들면 앞서 언급한 피크 시프트나 타임 시프트는 이 시점이 강하다. 한편, 전력(W)은 순간적으로 낼 수 있는 크기로, 지속되지 않으면 큰 에너지가 되지 못 한다. 예를 들면, 재생가능에너지의 변동억제는 이 시점이 강한 영역이라고 할 수 있다. 에너지의 시점에서 강한 축전지를 「에너지 전지」, 전력의 시점에서 강한 전지를 「파워 전지」라 부르기도 한다. 전자의 대표는 나트륨·유황(NaS) 전지이고, 후자의 대표는 일부 리튬이온 전지(Lib)이다. ([그림 7] 참조) 시스템에 따라서는 양쪽의 능력이 필요한 때가 많아 이러한 경우에는 이 전지들을 조합한 하이브리드 제어 기술이 중요하다. [그림 8]에 NaS와 리튬이온 전지의 하이브리드 제어를 나타냈다. 변동 억제에서는 리튬이온 전지가, 타임 시프트에서는 NaS 전지가 지배적이다.
분산된 축전지의 통합 제어분산 배치된 축전지를 EMS 또는 축전지 SCADA 시스템으로 집중 제어해 마치 하나의 가상적인 축전지와 같이 제어하는 기술이다. 현재, 경제산업성의 축전복합시스템 인터페이스 국제표준화 프로젝트로 개발이 진행되고 있다.([그림 9] 참조)
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