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[SPECIAL FEATURE④]배진용 공학박사 인터뷰: 전기·전력 분야와 산업 대전환
2018년 5월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 5월호 - 전체 보기 )

배진용 공학박사 인터뷰: 전기·전력 분야와 산업 대전환
"창의적 개념설계와 도전, 그리고 실패를 견뎌라"

배진용 공학박사는 독특한 이력을 갖고 있다. 그는 전기공학자로서 특허청 사무관으로 근무하며 테슬라 전기자동차에 대한 특허기술 분석을 총괄하기도 했다. 그리고 지금은 변리사(창성특허법률사무소, www.cspatent.kr )로서 전기·전력 분야에서 활동하는 기업의 특허출원을 전문적으로 수행하고 있다. 말하자면, 그는 지금 산업계에 이는 대전환의 현장을 가장 가까이에서 지켜본 전문가라 할 수 있다. 이번 챕터는 크게 배진용 박사의 인터뷰와 그와 관련한 실제 사례를 함께 엮어 구성했다. 기사에서 언급하는 ‘4차 산업혁명’이라는 용어는 논란의 소지가 있지만, 국내에서 일반적으로 널리 사용하는 표현이라 판단해 산업 전환과 관련된 변화를 지칭하는 용어로 사용됐다는 점을 미리 밝힌다.

글 강창대 기자

월간전기_4차 산업혁명 혹은 인더스트리4.0 등이라 일컫는 광범위하고 깊은 변화가 산업계에 일어나고 있다. 이러한 변화를 어떻게 전망하고 있는지.

배진용 박사_2007년 1월에 스티브 잡스(Steve Jobs)가 손안에서 통신이 가능한 슈퍼컴퓨터(스마트 폰)를 세상에 소개하였고, 지금 약 10년의 시간이 지났다. 누구나 늘 이 슈퍼컴퓨터를 24시간 손에 지니고 있는 게 현실이다. 이제 4차 산업혁명1)은 다음의 네 가지 요소에 의해 가속화될 것이다. 첫 번째, 정보통신(ICT: Information & Communication Technology). 두 번째, 빅 테이터(Big Data). 세 번째, 인공지능(AI: Artificial Intelligence). 그리고 가상현실(Virtual World)이다. 이 네 가지 요소를 모든 산업에 적용하기 시작하면서 기존에는 미처 생각하지 못했던 혁신과 변화가 발생할 것이다. 이것이 4차 산업혁명이다.

논자에 따라 다소 차이는 있겠지만, 지금은 3차 산업혁명의 말기, 또는 4차 산업혁명 시작의 과도기(過渡期)로 볼 수 있다. 많은 전문가 또는 미래학자들이 4차 산업혁명이 현실화되는 시점을 2025년 이후로 전망하고 있다.

그리고 그 변화는 여섯 가지 현상과 함께 다가올 것이라 예측한다. ①인류의 90%가 스마트폰을 사용 하고, ②미국 도로를 달리는 자동차의 약 10%가 자율주행 전기자동차일 것이다. ③1조 개의 센서가 인터넷과 스마트폰에 연결될 것이며 ④전 인류의 10%는 인터넷에 연결된 의류를 착용할 것이다. 또한, ⑤80%는 디지털 정체성(인터넷 아바타)을 가질 것이고, ⑥3D 프린터로 제작한 자동차가 생산되기 시작할 것이다.

월간전기_전기 분야에서의 변화 또는 산업재편은 어떤 모습인지, 그 이유는 무엇인지 전기공학자로서 어떻게 전망하나.

배진용 박사_전기·전력 분야 역시 위의 여섯 가지 현상 속에서, 정보통신(ICT)과 빅 테이터(Big Data), 인공지능(AI) 및 가상현실라는 네 가지 요소에 의해 상당한 혁신이 이루어질 수밖에 없을 것이다. 특히, 한국의 전기·전력 분야에서는 크게 네 가지 변화가 있을 것으로 예측한다.

첫째, 전기(電氣)에 대한 개념이 달라질 것이다. 전기요금의 인상이 불가피하고, 이에 따라 실시간 전기요금 시스템이 자리를 잡을 것이다. 둘째, 전기요금 체계의 변화와 더불어, 신재생 에너지 공급이 확대되면서 ESS(에너지 저장 시스템)도 대중화될 것이다. 셋째, 자율주행 전기자동차 역시 대중화될 것이다. 넷째, 냉각(冷却) 기술로 인해 모터와 배터리의 성능이 폭발적으로 향상될 것이다. 이 네 가지는 전기·전력분야에서 지금의 현실과는 매우 다른 새로운 변화를 만들어 낼 것이다.

이후의 내용은 배진용 박사가 4차 산업혁명과 함께 전망한 한국 전기·전력 분야에서의 네 가지 큰 변화에 대해서 정리한 글이다.

전기에너지의 절대 부족
가장 먼저, 전기의 개념(Concept)이 어떻게 달라지는지 생각해보자. 지금까지 전기(電氣)에너지는 무한정 공급되는 매우 저렴한 인프라(Infra)였다. 하지만, 4차 산업혁명은 엄청난 양의 전기에너지 소모를 동반한다. 그 이유는 바로 전기자동차의 대중화다. 이렇게 되면 개인이 소비하는 전기에너지의 양이 급격하게 늘어날 수밖에 없다.

전기자동차는 최소 수십 마력(HP: Horse Power)에서 수백 마력의 힘을 낸다. 현재 테슬라(TESLA) 전기자동차 모델 S의 경우 최대 417마력이다. 이를 전력으로 환산하면, 1마력은 약 750W이고, 100마력이면 약 75,000W(75kW)다. 그렇다면 400마력은 약 300kW다. 쉽게 비교하면, 전기자동차의 대중화는 에어컨 30~40대 이상의 에너지를 1대의 전기자동차가 소모하는 것을 의미한다.

이것만이 아니다. 우리나라는 환경오염과 미세먼지, 정치적 이유로 더 이상 원자력 발전소와 화력발전소를 만들지 못하는 현실에 직면했다. 그렇다면 결국, 전기에너지는 무한정 공급되는 매우 저렴한 인프라에서 매우 비싼 에너지로 그 개념이 크게 달라질 수밖에 없다.

4차 산업혁명은 전기에너지의 부족을 야기할 것이고, 전기는 값비싼 에너지가 될 것이다. 이에 따라 전기요금체계 역시 많게는 1시간에서 적게는 15분 단위로 전기요금이 변화하는 ‘실시간 요금’으로 개편된다는 것은 충분히 예견돼왔다. 무엇보다 정보통신(ICT)과 컴퓨터가 발전함에 따라 실시간으로 개인이 사용한 전기요금을 계측하는 것은 더 이상 어려운 것이 아니다. 사용한 전기요금이 스마트폰을 통해 실시간으로 청구될 가능성도 충분하다.

신재생 에너지의 확대와 ESS
전기요금의 상승과 실시간 요금제의 연장선에서 신재생 에너지 공급이 확대되고 ESS(Energy Storage System: 에너지 저장 시스템) 역시 대중화를 맞게 될 것이다. 앞으로 20년 이내에 모든 가정과 학교, 빌딩, 사무실, 공공기관, 기업에 ESS가 배치된다고 보아도 무방하다. 예를 들어, 각 가정에는 소형 냉장고 정도의 크기의 ESS가 흔한 가전제품처럼 취급될지도 모른다. 또, 학교나 공공기관, 기업 등의 건물의 지붕 위에는 태양전지 패널이 설치될 것이고, 사용하는 전기량에 따라 ESS도 함께 배치하게 될 것으로 보인다.

실시간 요금제 환경에서는 전기수요가 피크(Peak)일 때에는 전기요금이 평소보다 5배에서 10배로 껑충 뛸 것으로 예상된다. 하루에도 큰 폭으로 오르내리는 전기요금에도 아랑곳하지 않고 전기를 사용할 수 있는 소비자(개인 또는 기관)는 극히 일부에 지나지 않을 것이다. 그렇다면 전기요금이 비교적 저렴한 밤에는 ESS에 전기에너지를 충전하고, 전기요금이 비싼 낮 시간에는 간밤에 ESS에 저장한 전기에너지를 사용할 수밖에 없다. 이와 동시에, 주거시설이나 공공기관 등 대부분의 건물 옥외에는 태양광 패널을 설치해 에너지 자급자족을 추구하게 될 것이다.

냉각기술이 새로운 기회를 만든다
배진용 박사는 4차 산업혁명 시대에 전기·전력기술 분야를 폭발적인 성장으로 이끌 기술로 ‘냉각(冷却) 기술’을 꼽았다. 이러한 전망의 배경에는 그의 남다른 이력이 있다. 배 박사는 2015년~2016년 특허청 사무관으로 근무하면서, 테슬라 전기자동차에 대한 특허기술 분석을 총괄했었다. 그리고 이때의 경험과 정보를 바탕으로 2017년 10월에 《테슬라 전기자동차의 강력한 파워와 아름다움의 비밀》(더하심 출판사)을 출간하기도 했다. 그는 테슬라(TESLA) 그룹이 4차 산업혁명을 이끄는 위치에 오르며 성공할 수 있었던 비결을 ‘냉각기술’이라고 단언했다. 그의 주장을 옮기면 다음과 같다.

“현재 4차 산업을 이끌고 있는 대표적인 회사가 바로 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)가 이끄는 테슬라 그룹이라고 할 수 있습니다. 바로 이 회사가 성공할 수 있었던 이유를 아주 간단하게 설명하면 냉각기술입니다. 바로 이 냉각기술 덕분에 전기자동차의 모터와 배터리 성능을 폭발적으로 향상시킬 수 있었기 때문입니다. 전기자동차라면 대개, 친환경적인 무공해(無公害) 기술 정도를 떠올릴 것입니다. 하지만 휘발유와 경유를 연료로 사용하는 내연기관 자동차에 비해 출력이 약하다는 단점을 극복하지 못하는 난제가 있었습니다. 따라서 전기자동차는 ‘약하다’는 선입관과 ‘작고 가벼우며, 속도까지 느리다’라는 이미지를 갖고 있어 성공적이지 못했습니다. 하지만, 테슬라 전기자동차 ‘모델S’는 국내의 에쿠스 급 정도의 대형차 대비 출력을 100마력 이상 향상시켰습니다. 이로써 전기자동차 출력의 한계는 완전히 극복되었고 대중화와 상용화를 앞당겼습니다. 저는 전기·전력분야에서 ‘냉각기술’이 가장 중요한 핵심기술로 부각될 것이라 예상합니다.”

그렇다면 구체적으로 냉각기술은 어떻게 응용될 수 있을 것인가. 이를 위해서는 테슬라 그룹의 사례를 좀 더 살펴볼 필요가 있다. 현재 테슬라 그룹이 추구하는 몇 가지 사업이 있다. 세계 최초의 민간 우주선 사업을 펼치고 있는 스페이스엑스(Space X)사(社)는 2015년 12월에 로켓(Rocket)을 지상(地上)으로 회수하는 시도를 성공했고, 2016년 4월에는 로켓의 해상(海上) 회수 역시 성공했다. 그리고 또, 2017년에는 한 해에 모두 18번의 로켓을 발사하여 100% 회수하는 로켓 회수의 역사를 만든 기업이 되었다. 그래서 현재, 인공위성과 로켓 발사에 있어서 세계 최고의 경쟁력을 갖춘 회사2)라고 할 수 있다.

로켓을 회수하는 이유는 기존의 발사체를 사용하는 것보다 10분의 1정도로 비용이 절감되기 때문이다. 로켓 발사에 드는 천문학적인 비용을 감안하면, 이는 엄청난 비용절감효과를 얻을 수 있는 기술이다. 로켓 회수는 역추진 로켓을 이용해 해상의 무인선에 정확하게 착륙시키는 방식이다. 이때 로켓의 그리드 핀(Grid Fin)3)을 정확하게 제어하는 것이 이 기술의 핵심이다. 그리고 또 하나, 로켓이 회수되는 과정에서 엔진에서 발생되는 열과 대기권 마찰열 등을 감소시키는 것이 중요하며 여기에 바로 냉각기술이 핵심적인 역할을 한다.
펠컨 9R의 그리드 핀(출처: Wikipedia, www.spacex.com)

국내에서도 냉각기술을 응용한 실제 사례가 있다. 최근 스타트업(Start-Up) 기업 가운데 초음파 진단기기를 생산하는 ㈜힐세리온이라는 회사가 바로 그 주인공이다. 초음파 진단기기는 태아의 상태 또는 환자의 내부 상태를 진단하는 기기다. 주로 고전압(高電壓)을 사용하여 초음파를 인체에 방사(放射)하여 얻은 영상을 관측한다. 따라서 초음파 진단기기는 일반적으로 부피가 상당히 클 수밖에 없다. 하지만 ㈜힐세리온은 냉각기술을 도입해 휴대가 가능할 정도 초음파 진단기기의 부피와 무게를 획기적으로 줄였다. 기존 초음파 진단기의 무게가 약 135㎏인 반면, ㈜힐세리온의 ‘SONO 초음파 진단기’는 390g이다.
일반적인 초음파 진단기기(좌측) 및 휴대용 초음파 진단기기(우측)

창의적 개념설계가 살아 있는 도전정신

지금까지 앞으로 펼쳐질 4차 산업혁명과 산업전환에 대해 배진용 박사의 의견을 들어보았다. 이를 간단하게 정리하자면, 자율주행 전기자동차의 사용화와 신재생에너지로의 전환이 가져올 절대적인 전기에너지의 부족이 전기 산업 전반에 ICT와의 융합과 함께 변화를 일으키는 요인이 될 것이라는 전망으로 요약할 수 있다. 기술적 측면에서는 냉각기술이 전기산업을 재편할 만큼의 잠재력을 가졌을 것으로 전망된다. 그렇다면 이러한 변화에 대비하기 위한 정책이란 어떤 것이 있을지 배진용 박사에게 물어보았다.

배진용 박사_세 가지 정책이 가장 중요하다고 생각합니다. 첫째, 새로운 도전과 신기술에 과감하게 지원하는 종합 정책. 둘째, 실패한 사업가에게 재기할 수 있도록 지원하는 종합 정책. 셋째, 도전과 창업을 장려하는 교육 정책이 바로 그것이다. 정책의 방향을 이 세 가지로 설정함으로써 기본적으로 새로운 것에 도전하는 문화를 만드는 것이 중요하다.

현재까지 미국이 세계를 리드하고 있는 이유도 이와 다르지 않다. 현재 한국의 경제를 이끄는 기업의 리더(Leader)는 창업가의 2, 3세인 경우가 대부분이다. 반면, 미국을 이끄는 세계적인 기업의 리더는 어떠한 사람인지 떠올려보자.

빌게이츠(William Henry Gates III)는 하버드대학을 중퇴하고 그의 동료 폴 앨런(Paul Allen)과 함께 마이크로소프트사를 창업했다. 그가 개발한 컴퓨터 운영체제(OS: Operating System)인 윈도우(Window)는 독점논란을 일으킬 정도로 세계시장에 위세를 떨치고 있다.

리드(Reed) 대학을 중퇴하고, 매킨토시(Macintosh) 컴퓨터와 아이폰(iPhone), 아이패드(iPad), 아이팟(ipod) 등을 개발하여 ICT의 새로운 세상을 창시한 애플(Apple)사의 스티브 잡스(Steve Jobs)는 또 어떤가. 스티브 잡스는 핸드폰의 개념을 스마트폰으로 바꾸어 놓을 만큼 역사에 한 획을 그었다고 평가된다.

세계 최대의 소녈미디어인 페이스북(Facebook)을 창업하여 인터넷 미디어의 새로운 장을 연 마크 주커버그(Mark Zukerberg) 역시 빌 게이츠처럼 하버드 대학 중퇴자다.

집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation), 페이팔(Paypal), 스페이스X(SpaceX), 솔라시티(Solar City), 기가팩토리(Gigafactory), 하이퍼루프(Hyper Loop) 및 테슬라(TESLA) 전기자동차 사업을 주도하는 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)는 스탠포드(Stanford) 대학을 중퇴했다.

물론, 중퇴 이력으로 따지자면, 100여년 가까이 발명가로서의 아성을 지키고 있는 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison)의 제도권 교육은 초등학교 3학년까지였다. 놀랍게도 미국의 세계적인 기업의 리더인 이들 모두 1대 창업가이며, 동시에 제도권 학벌에 얽매이지 않았다.

전기 분야의 산업전환이 성공적이기 위해 정책적으로 규제를 완화하는 것도 필요하겠지만, 무엇보다, 창의적 개념설계(Conceptual Design)4)가 살아있는, 도전하는 기업문화를 정부가 정책적으로 만들어 내는 것이 가장 중요하다고 생각한다.

대한민국의 상당한 강점이라면, 정답(正答)이 있는 문제에 대하여 가장 빠르게 문제를 풀고 그 정답을 맞히는 능력, 그 능력은 가히 세계에서 단연 최고라고 할 수 있다. 단적으로 말하자면, TOEIC, TOEFL, GRE, 각종 고시(행정고시, 기술고시 등), 수학 및 과학 경시대회 등의 시험에서 좋은 점수를 얻어내는 능력은 세계 최고의 테크닉(technique)을 보유하고 있다고 할 수 있다.

현재 국책 사업도, 대부분의 논문(論文) 및 특허(特許)도 마찬가지이다. 아무도 발을 딛지 않았던 미지의 영역을 연구하고, 발명하는 미국, 일본, 유럽, 중국, 독일, 러시아 등에서 이미 성공하였던 개념설계를 대부분 그대로 도입하거나 소개하는 정도에 불과한 것이 대부분이다. 완전히 새로운 개념설계에 도전하고, 그 도전 중에 실패를 참아내는 능력은 너무나 슬프게도 아주 극히, 저조한 것이 현실이다.

따라서, 우리나라 초·중·고 학생들의 장래 희망이 공무원, 교사, 변호사, 의사, 대기업 입사가 아니라, ‘창업가’또는 ‘기업가’를 꿈꿀 수 있는 교육과 정책이 필요하다. 신기술에 과감하게 지원하고, 실패한 사업자에게 재기할 수 있는 기회가 살아있는 정부정책이 가장 중요하고 꼭 필요한 정책이라고 생각한다.

월간전기_혁명으로 표현되는 산업 전환이라는 변화에 적응하고 생존하기 위한 전략이 있다면 무엇인지, 특히 전기계의 다양한 분야에 종사하는 전기인에게 조언한다면 어떤 말을 하고 싶은가.

배진용 박사_우선, 창의적인 개념설계(Conceptual Design)에 반드시 도전하라고 말하고 싶다. 물론, 창의란 기존의 지식이나 다른 기업의 개념설계에 대한 이해를 배경에 갖고 있어야 한다. 이것을 발판으로 독보적인 개념설계를 시도해야 한다. 똑같이 베끼는 것은 하지 않기를 바란다. 이런 식으로는 이류, 삼류에서 벗어날 수 없다. 그리고 두 번째, 새로운 개념설계를 10년 정도 도전하면서 특허 등의 지식재산을 획득해야 한다.

세계적으로 성공한 기업들을 관찰해보면 몇 가지 공통점이 있다. 바로 그 기업만의 창의적인 개념설계에 도전했다는 것이다. 물론, 이미 있는 길을 따라 누군가의 뒤를 좇는 것보다 아무도 가지 않은 새로운 길을 만든다는 것은 큰 어려움이 따를 수밖에 없다. 하지만 결국, 그런 노력이 세상을 변화시켜왔다. 세계적으로 손꼽는 저들 기업을 떠올리면 그 기업의 이름과 대응하는 창의적인 개념설계가 바로 연상된다.

애플은 스마트폰, 테슬라는 냉각 기술을 적용한 고성능 전기자동차, 스페이스엑스는 로켓 재횔용 기술, 마이크로소프트는 윈도우, 다이슨은 날개 없는 선풍기 또는 먼지봉투 없는 진공청소기가 연결되어 바로 머릿속에 떠오른다. 나는 전정한 경쟁력은 바로 창의적인 개념설계에서 시작된다고 확신한다.

그리고 앞서 언급한 세계 굴지의 기업들은 창의적인 개념설계를 바탕으로 1년에 최소 다섯 건에서 십여 건의 특허나 디자인을 출원한다. 남의 것을 적당하게 베끼거나, 실적 과시를 위해 출원하는, 있으나마나한 특허 및 디자인이 아니다. 기업의 진정한 경쟁력이 되어줄 창의적 개념설계를 근간으로 새로운 기술을 창안해내고, 이를 특허 등의 지식재산으로 무장해나가는 것이 중요하다.

물론 새로운 개념설계에 도전하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 뿐만 아니라, 뼈아픈 실패를 경험할 수도 있다. 하지만 도전에서 비롯된 실패를 바라보는 시각도 바뀌어야 한다. 4차 산업혁명의 시대에 꼭 필요한 것은 그 기업만의 ‘창의적인 개념설계’를 만들어 내는 것이며, 동시에 도전정신을 바탕으로 끝끝내 그것을 구현하고 완성해 내는 것이라는 점을 다시 한 번 강조하며 《월간전기》와의 인터뷰를 마친다.

 
[Report: 유틸리티 혁신의 현장]
‘공급위주’에서 ‘수요관리 중심’으로
한강의 기적으로 대표되는 한국의 경제와 산업의 발전의 배경에는 값싸고 안정적인 전기에너지가 자리하고 있다. 즉, 공급위주의 에너지정책이 성장의 동력이 되었던 것이다. 이러한 정책으로 전기에너지의 소비는 급격히 늘었고, 발전량을 맞추기 위해 원자력과 화석연료를 사용하는 기저 발전 설비를 확충할 수밖에 없었다.

이는 다시, 전력의 생산과 소비가 지역적 차이를 두게 되었고, 대규모 송전망 건설로 이어졌다. 결국, 공급위주의 에너지정책은 미세먼지라는 환경적 부작용과 밀양 송전탑 건설반대라는 사회적 갈등을 초래했다. 또, 이러한 전력망은 그 특성상 대규모의 광역정전이라는 잠재적 위험까지 안고 있다.

제8차 전력수급기본계획은 이러한 문제를 감안해 ‘공급위주’에서 ‘수요관리 중심’으로, 원전과 화석연료 위주의 ‘경제급전’에서 신재생에너지를 확대하는 ‘환경급전’으로 정책적 전환을 위해 새로운 원칙과 기준을 제시한다. 2030년까지 총 발전량의 18.4%를 신재생과 자가발전, 집단에너지 등과 같은 분산형 전원으로 확대하겠다는 목표도 제시돼 있다.

수요관리 중심의 정책변화로 수직적이고 폐쇄적인 기존의 전력망 역시 달라질 수밖에 없다. 분산전원이 확대됨으로써 전력망은 점점 더 수평화, 개방화를 이루게 될 것이다. 그리고 실시간 수요관리와 에너지 효율을 높이기 위해 전력망은 첨단 정보통신기술과의 융합을 통해 고도로 지능화될 것으로 전망된다. 이른바 스마트그리드(Smart Grid)가 바로 그것이다. 스마트그리드라는 개념은 토머스 프리드먼(Thomas Friedman)이 자신의 저서 《코드그린》에서 제시한 것으로, 인공지능을 통해 양방향 통신이 가능한 에너지 인터넷을 으미하는 용어로 사용했다. 스마트그리드는 다시 마이크로그리드(Microgrid)라는 개념으로 이어지고 있다. 마이크로그리드란 비교적 작은 단위로 결성된 공동체가 스스로 전기수요를 충당하기 위해 자체적으로 갖춘 전력망을 의미한다. 그래서 마이크로그리드에는 신재생에너지 생산시설과 에너지 저장장치가 필수적으로 포함될 수밖에 없다.

이외에, 마이크로그리드에 포함되는 주요기술로는 전력품질 보상을 위한 PCS(Power Conditioning System)와 계통보호를 위한 STS/IED(Static Transfer Switch/Intelligent Electronic Device), 에너지 생산을 제어하는 EMS(Energy Management System) 등이다.
마이크로그리드 주요기술

마이크로 그리드의 구체적인 사례로 녹색에너지연구원에서 나주시에 위치한 ‘동수오량 농공산업단지’의 마이크로그리드와 중국 상하이에 기반을 둔 에너고랩스(Energo Labs)의 사례를 간략하게 살펴보자.

사례1·농공산단에 시도되는 마이크로그리드
녹색에너지연구원은 다양한 전력 소비패턴을 가지고 있어 에너지 프로슈머 기반의 마이크로그리드를 실증할 만한 최적의 장소가 ‘농공산단’이며, 단지 내에 입주한 개별주체 역시 이익을 창출할 수 있다고 판단했다. 이에, 녹색에너지연구원에서는 산업통상자원부의 『농공산단용 마이크로그리드 스마트 운영 플랫폼 및 BM개발』 실증연구과제를 광주·전남혁신도시 에너지밸리에 인접한 나주시 ‘동수오량 농공산업단지’를 대상으로 2016년부터 실증 연구를 수행하고 있다.

이 연구는 우선, 시뮬레이션을 통해 마이크로그리드의 최적 설계용량을 도출하고, 개별 공장의 전력사용량을 고려한 DC 배전망과 에너지저장시스템(ESS)의 용량을 분석해 마이크로그리드를 설계하는 것이다. 그리고 여기에 태양광 600kWp, ESS 1,500kWh, 열병합발전(CHP) 100kW의 발전원을 설치한 다음, ESS로 피크전력의 25%를 저감시키고 CHP를 통해 열 부하 에너지를 절감하는 등의 연구가 진행돼 왔다. 뿐만 아니라, 전력예비율유지, 전력거래를 위한 에너지관리시스템(EMS) 적용, 신재생에너지 정보 연동 및 정확한 관제 등을 구현하기 위해 노력하고 있다.

녹색에너지연구원에서는 2018년까지 산업단지형 마이크로그리드를 구축하고 운영에 들어가도록 할 예정이며, 빅데이터와 클라우드 시스템, 가상발전소 등을 적용해 ‘에너지 ICT 융합 비즈니스 모델’을 추진할 계획이라고 한다.
동수오량 농공산업단지에 구현하고 있는 마이크로그리드

사례2
·블록체인 분산화 특성 이용, 청정에너지 수집·공급
중국 상하이 기반의 블록체인 프로젝트인 에너고랩스(Energo Labs)는 블록체인 기술을 기반으로 한 아시아 태평양 지역의 공유 충전 생태계를 구축하고, 블록체인의 분산화 특성을 이용하여 청정에너지를 수집하고 공급하며, 전기 차량이 마이크로그리드(microgrid) 안에서 수집된 청정에너지를 적극적으로 사용할 수 있도록 장려하는 방법을 제시했다. 에너고랩스는 이 방법으로 UN 기구의 ‘아시아-태평양 저탄소 라이프스타일 챌린지’에서 수상했다. 일본 환경성은 에너고랩스에 프로젝트 개발 장려금으로 1만 달러를 지원받기까지 했다고 한다.

뿐만 아니라, 에너고랩스가 설계한 P2P(peer to peer) 전력 거래 플랫폼은 태양광 패널 소지자가 자신이 보유한 청정에너지를 근처의 에너지 충전소에 판매하고, 마이크로그리드 안에서 더욱 많은 전기자동차에 청정에너지를 공급할 수 있도록 해준다. 또한, 이때 거래는 에너고시스템 내의 스마트계약을 통해 자동화하고, 시장의 공급 및 수요에 따라 적정 가격을 자동으로 연결해 준다. 그리고 이 플랫폼을 통해 사용자들은 에너지 가치의 흐름과 거래 상태 등을 쉽게 파악할 수 있다.

에너고랩스는 블록체인을 활용해 청정에너지 업계에 혁신을 일으키는 기업으로 평가 받고 있다. 블록체인의 탈중심화 특성과 태양전지, 에너지 저장 관련 하드웨어 등을 결합하여 에너지 혁신을 가속화했으며, 교외 지역에서도 청정에너지가 보편화될 수 있도록 기반을 다지고 있다.

에너고랩스가 참여한 ‘아시아-태평양 저탄소 라이프스타일 챌린지 대회’는 유엔 환경부, 글로벌 환경전략연구소, 태국 과학기술 개발국, 사신혁신 센터(Sasin Innovation Center) 및 스위치-아시아(Switch-Asia)가 공동으로 주최한 국제대회다. 이 대회는 일본환경성의 재정적 지원을 받고 있으며, 실용적인 비즈니스 모델 개발을 통해 뛰어난 비즈니스 팀을 결집하고, 일상생활에서 저탄소 녹색에너지의 생활화를 촉진하는 것을 목표로 한다.

한편, 에너고랩스가 수상한 이번 대회에는 총 180개의 팀이 참가했으며, 주요 비즈니스 모델의 향후 잠재력, 개발 레이아웃 그리고 환경에 대한 실제적인 영향력을 기준으로 12팀의 수상자를 선정했다.
에너고랩스의 친환경 프로젝트

[Report: 유틸리티 혁신의 현장]
ESS, 마이크로그리드에서 가정까지
에너지 저장장치 또는 저장장치로 일컫는 ESS는 에너지를 정장해 두었다가 필요할 때 공급하는 시스템을 말한다. 기존의 전력시스템은 전력 수요의 피크타임(peak time)에 맞추어 전력용량을 증설해야 하는 구조적인 문제가 있다. 이는 전력 수요와 공급이 불일치하고, 생산과 소비가 동시에 이루어지기 때문이다. 그래서 고안된 것이 바로 ESS이다. 생산한 전력이 남아돌 때에는 이를 저장해 두고, 수요가 증가할 때 저장된 전력을 공급하기 위한 장치가 ESS인 셈이다.
 
ESS는 기존 전력시스템의 구조적 한계를 제거해 효율성을 높이기 위해 필요한 것이지만, 신재생에너지의 전력품질을 확보하기 위한 수단으로서도 유용하다. 태양광이나 풍력 등은 기후조건에 따라 발전이 불규칙하다는 단점이 있다. 하지만 이들 신재생에너지와 ESS를 결합하면 에너지의 출력을 안정적으로 만들 수 있다. 이뿐만 아니라, ESS는 주파수를 안정화시키거나 예비전력 등 목적에 따라 용도가 나뉘기도 한다. 따라서 전기 에너지의 자급자족을 구현하기 위한 마이크로그리드에 ESS는 필수적인 요소일 수밖에 없다.
 
ESS 산업은 나름 풍부한 생태계를 형성하고 있다. 우선, ESS 산업은 하드웨어와 소프트웨어 부문으로 구분된다. 하드웨어 부문이란 ESS를 구성을 담당하고 소프트웨어는 ESS의 활용과 관련이 있다. 하드웨어 시장은 다시, 배터리와 BMS 제조와 전기의 충전 및 방전을 제어하는 PCS 제조, 그리고 ESS와 EMS의 연결을 담당하는 PMS 제조 분야로 구성된다. 소프트웨어 시장은 ESS 컴포넌트를 조립하는 SI(System Integrator), ESS 프로젝트를 기획하는 개발자나 엔지니어링, 건설을 담당하는 EPC 업체, 그리고 구축된 ESS를 운영하고 보전하는 O&M(Operation & Maintenance) 등의 분야로 구성된다. 2017년 시장전문조사기관인 SNE Research가 발표한 바에 따르면 ESS시장은 2018년 25.9Wh에서 2022년 65.2GWh로 연평균 약 26%의 성장률을 보일 것으로 전망했다. 리튬배터리가 ESS 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있고, 기술개발과 가격 하락에 따라 ESS시장을 주도할 것이라는 전망이 있다. (에너지 저장장치, 김기일, KISTI 마켓리포트, 2017-23)
ESS구성요서 및 기능
 
사례1·세계 최대 규모 산업용 ESS 가동
현대일렉트릭이 고려아연 울산 온산제련소에 구축한 산업용 ESS 센터는 세계 최대 규모로 손꼽힌다. 현대일렉트릭은 2017년 7월에 고려아연으로부터 설계와 구매 건설까지 전과정을 수주하는 EPC(Engineering, Procurement, and Construction) 방식으로 수주, 착공 8개월 만에 2018년 4월 1일부터 본격적인 가동에 들어갔다. 고려아연 ESS 센터는 150㎿h급으로 1공장(1402㎡)과 2공장(1058㎡) 두 개 동으로 구축됐으며 4만5천 명이 하루 동안 사용하는 전력량을 저장할 수 있다. 고려아연 ESS센터는 전력의 잉여분을 저장해 두었다가 피크타임에 저당된 전력을 사용하게 된다. 이로써 절감할 수 있는 비용은 연간 200억 원 이상이 될 것으로 전망돼 3년 이내에 투자금액을 회수할 수 있을 것으로 보인다.
 
한편, 현대일렉트릭은 지난해 3월 스마트 에너지 솔루션 브랜드 '인티그릭(INTEGRICT)'을 출시, 전기에너지의 생산·소비·판매·운영 등 통합시스템을 구축해 고객사의 효율적인 에너지 관리를 지원하고 있다.
고려아연 ESS
 
사례2·리튬이온전지, 용량은 늘리고 충전 시간은 줄이고
ESS에 사용하는 리튬이온전지는 휴대용기기와 전기자동차의 동력원으로도 사용된다. 하지만 시장에서는 용량과 에너지밀도가 떨어지고 생산비용이 높다는 평판이 있다. 이에 우리나라 각계의 연구진들도 이러한 한계를 극복하고 생산원가를 낮출 수 있는 방안을 내놓고 있다. 이들 가운데에는 이미 《월간전기》의 신기술 섹션에서 이미 발표되었거나, 이번호에 소개된 사례도 있다.
 
한국에너지기술연구원은 지난 3월에 리튬이온전지의 에너지 용량을 높이면서도 생산원가를 획기적으로 낮출 수 있는 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 원가를 낮출 수 있었던 것은 킬로그램 당 2~3달러 정도의 저가 규소원료를 사용했기 때문이다. 또한, 이를 원료로 사용해 기존에 리튬이온전지에 사용하던 흑연 음극재 대신에 산화규소(SiOx) 나노분말을 적용해 에너지 용량을 네 배가량 높였다. 뿐만 아니라, 금속분야에 일반적으로 사용되는 유도용융장치로 공정을 단순화하여 생산 원가를 한 번 더 낮췄다. 연구팀은 앞서 상용화된 일본 제품보다 30~50%의 생산단가 절감효과가 있을 것으로 예상했다.
산화규소(SiOx) 제조 분말
 
한편, 리튬-황 전지를 상용화할 수 있는 기술을 개발했다. 리튬-황 전지는 에너지 용량이 높아 차세대 고용량 리튬이차전지로 인식되고 있다. 또한, 황이 석유를 정제하는 과정에서 풍부하게 생성되기 때문에 값이 싸다는 장점도 갖고 있다. 그러나 활물질인 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전 시 수반되는 부피 팽창 및 수축, 전극의 영구적인 손상을 야기하는 리튬폴리설파이드 중간상의 용출이라는 문제점이 리튬-황 전지의 상용화를 막았다. 그런데 KAIST 신소재공학과 연구팀은 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반의 이차전지 전극 소재를 개발했다.
전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
 
한편, 리튬이온전지와 같은 이차전지 시장의 성장을 부추기는 또 다른 요인은 바로 전기차의 상용화다. 2015년 폭스바겐 배출가스 조작사건 이후, 여러 나라에서는 자동차 환경규제를 강화하고 있는 실정이다. 심지어 내연기관 자동차를 금지하는 움직임까지 보이고 있다. 노르웨이는 2017년에 전기차 판매 비중이 40%에 달했고, 2025년부터 100% 플러그인 전기차만 판매하는 법안을 합의한 상태다. 프랑스는 2040년부터 내연기관 판매금지를 추진하고 있다. 또한, 2024년 올림픽 개최지인 파리는 이 시기에 맞춰 디젤엔진 판매금지를 계획하고 있다. 네덜란드와 독일, 인도 등도 이러한 흐름에 합류해 2030년까지 내연기관 판매를 금지할 것으로 보이며, 영국은 2040년부터 내연기관 판매를 금지하는 방안을 추진할 것으로 보인다. (자동차 파워트레인 전쟁-내연기관 vs. 하이브리드 vs. 전기차, 박형근, POSRI 산업연구센터 2018.4.5.)

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1) 제1 내지 4차 산업혁명의 내용을 정리하면 다음과 같다.
▶제1차 산업혁명(1780년 ~) : 제임스 와트(James Watt)의 증기기관(Steam Engine) 발명을 바탕으로 시작된 기계공학 분야의 혁신(주요국가: 영국)
제2차 산업혁명(1870년 ~) : 토마스 에디슨(Thomas Edison) 등의 전구, 전력배선, 발전기, 전동기의 발명을 바탕으로 시작된 전기공학 분야의 혁신(주요국가 : 미국, 독일)
제3차 산업혁명(1970년~) : 빌게이츠(William Henry Gates III), 스티브 잡스(Steve Jobs) 등의 반도체 및 IT 선두주자의 컴퓨터 및 인터넷 대중화를 통한 정보통신 분야의 혁신
제4차 산업혁명(현재 ~) : 정보통신(ICT), 빅 테이터(Big Data) 및 인공지능(AI)과의 융합을 통해서 교통, 에너지, 금융, 쇼핑, 자동차, 통신, 의학, 법률, 미디어 등 모든 분야에서 새롭게 만들어지는 혁신

2) 이제까지 로켓(Rocket)을 발사하면서 연료를 공급하는 1, 2단 로켓은 분리되어 모두 버려지는 것이 일반적인 방식이었다. 하지만, 2016년에 성공시킨 로켓 회수 기술은 역추진 로켓을 이용하여 해상(海上)의 무인선(無人船)에 정확하게 착륙시키는 것이었다. 이를 성공함으로써 로켓의 발사비용을 최대 1/10으로 저감시킬 수 있게 되었다.

3) 그리드 핀(Grid Fin): 로켓의 수평으로 배치되는 그리드(Grid) 핀(Fin)으로서 미세하게 움직여서, 로켓의 자세를 정확하게 제어하는 역할을 수행하는 핀(Fin)이다.

4) 개념설계(Conceptual Design, 槪念設計): 설계 과정에서 첫 번째로 하는 작업 또는 과정

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태그 : 4차 산업혁명 산업전환 디지털 혁신 유틸리티 혁신 배진용
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2018년 5월호
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