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[전력 설비 지능화, 스마트 그리드 ①] 기후 변화와 에너지 안보 대응, 스마트 그리드 - 미래 천문학적 전력 시장을 선점하라
2012년 7월 5일 (목) 12:04:33 |   지면 발행 ( 2012년 6월호 - 전체 보기 )



전력 산업의 시대적 조류는 저탄소화, 에너지 효율화 그리고 전력 설비 지능화(Smart Grid)다. 그중 스마트 그리드란, 기존 전력망(Grid)에 정보 · 통신(ICT) 기술을 접목해 공급자와 공급자, 공급자와 소비자가 양방향 실시간으로 전력 및 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하며, 새로운 산업과 자유롭게 접속할 수 있는 차세대 전력망이다. 전력 수요는 전 세계적으로 2020년까지 연평균 2.7%, 이후 2035년까지 연평균 1.8%씩 늘어날 것으로 보인다. IEA《 World Energy Outlook 2010》에 따르면, 전 세계 전력 시장 규모는 2035년까지 약 2경 원(누적)으로 발전 시장 1경 1,600조 원, 송 · 배전 시장 8,400조 원에 달한다. 천문학적 미래 전력 시장은 기후 변화 대응과 에너지 안보가 좌우하므로, 여기에 적절히 대처하려면 스마트 그리드 관련 기술을 선점해야 한다.

지식경제부는 저탄소 녹색 성장을 구현하고자 2010년 1월 2030년까지 국가 단위 스마트 그리드를 구축한다는 미래 비전을 담아 '스마트 그리드 로드맵'을 발표했다. 아울러 2009년 12월 제주 스마트 그리드 실증 단지(Test Bed) 구축 사업컨소시엄을 선정해 2011년 5월까지 1단계 기반 구축을 완료하고, 2013년 실증 단지 구축 완료를 목표로 2단계 사업을 추진 중이다. 또한, 스마트 그리드 사업의 안정적이고 체계적인 추진 기반을 조성하고, 현행 법령 및 제도상 한계를 극복해 전력과 IT 융합 인프라 구축 및 산업 활성화를 촉진하고자 2011년 4월〈지능형 전력망의 구축 및 이용 촉진에 관한 법률〉을 제정했다. 그리고 스마트 그리드 사업을 활성화하고자 제주 실증 지역 및 범위 확대, 상시 수요 관리 시장 개설 추진, 주택용 계시별 요금제 마련, 스마트 계량 인프라 보급 확대, 전기차충전 인프라 조기 구축, 스마트 그리드 거점 지구추진 등의 대책을 포함한 '2011 스마트 그리드 활성화 계획'을 마련했다.
산업 인프라 | 우리나라는 세계적 수준의 전력 · 통신 인프라를 갖췄으며, 관련 산업 분야 글로벌 탑 기업군이 있다. 한국전력공사(KEPCO)는 전력 품질 및 효율 향상을 위해 송 · 배전망 지능화 등에 연간 약 4조 7,000억 원을 지속적으로 투자하고 있다. 2010년 기준 송 · 배전 손실률은 3.99%, 호당 정전 시간은 15.18분으로 세계 최고 수준이다. 세계 최고 수준의 반도체, 디스플레이, 가전 산업 등 관련 기업이 있다.
기술 개발 | 2005년부터 총 2,532억 원 규모 전력 IT 기술 개발을 선제적으로 추진해 왔으며, 중전기 · 반도체 등 관련 업계도 상당한 기술력을 보유했다. ▲스마트 미터 - 수용가별 특성을 고려해 경제형(E-Type) 및 일반형(G-Type)으로 구분해 개발하는 중이며, 2010년부터 연평균 180만 대(경제형 150만 대, 일반형 30만 대)를 보급하고 있다. ▲ 전기차 충전기 - 급속과 완속 등 다한 충전 방식 개발 및 표준화를 추진하고 있다. ▲전력 저장 장치 - 민간 기업은 세계 유수의 자동차 업계에 배터리를 공급할 정도로 세계적 수준의 기술력을 보유했다. 다만, 원천 기술과 부품 소재 분야는 일본 등 선진국에 비해 뒤처졌다(기술 격차 3∼5년).


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실증 사업 | 기술 개발 성과의 실증 및 비즈니스 모델 개발을 위해 제주도 구좌읍 일대를 실증 단지로 지정하고, 민간 컨소시엄을 구성했다. IT, 에너지 등 170여 개 민간 기업의 참여를 바탕으로 2013년까지 2,395억 원을 투입해 지능형 송 · 배전, 실시간 요금, 전기차 충전, 신재생에너지 등을 실증하는 중이다.
전력 IT 사업 현황 | 2005년부터 전력망 첨단화, 고도화를 위한 전력 IT 사업을 추진하고 있다. 전력 IT 사업의 결과물을 실증하고, 차세대 전력 서비스를 구현하고자 전력 IT 실증 단지를 구축했다. 세계적 수준의 전통적 중전 기기 기술과 달리 부품 및 정보 처리 기술은 선진국의 50∼70% 수준이다. 전력 IT 성과물의 조기 사용화 및 실계통 운전 레퍼런스Reference 확보를 통해 지능형 전력망을 구축하고, 관련 업체들의 수출 산업화를 지원하는 것이 목표다. 전력 IT 사업은 배전 지능화 시스템, 디지털기술 기반 차세대 변전 시스템, 고부가 전력 서비스용 수용가 통합 자원 관리 시스템, 전력선 통신 유비쿼터스 기술, 지능형 송전 네트워크 감시 · 운영시스템, 분산 발전 및 산업용 컨버터 응용을 위한 전력 반도체 기술, IT 기반 대용량 전력 수송 · 제어시스템, 능동형 텔레메트릭스Telemetrics(각종 대상물에 대한 정보를 원거리에서 실시간으로 획득 · 분석하고, 상태를 관리하거나 제어하는 기술), 전력 설비 상태 감시 시스템, 마이크로 그리드용 통합 에너지관리 시스템 및 실제 사이트 적용 기술 개발 등이다.
실증 사업 현황 | 세계 최대 · 최첨단 스마트 그리드 실증 단지를 조기에 구축해 관련 기술의 상용화 및 수출 산업화를 촉진하는 것이 목적이다. 총 2,395억 원(정부 685억 원, 민간 1,710억 원)의 예산으로 제주도 구좌읍 일대에서 2009년 12월부터 2011년 5월까지 인프라를 구축했으며, 2011년 6월부터 2013년 5월까지 통합 운영하고 있다. 스마트 전력망, 스마트 전력 시장, 스마트 소비자, 스마트 운송, 스마트 신재생에너지 5개 부문에서 전력, 통신, 자동차, 가전 등 스마트 그리드 관련 기업들로 12개 컨소시엄을 구성했다.

스마트 그리드 5대 추진 분야
지능형 전력망(Smart Power Grid) | 다양한 형태의 공급원과 소비원의 연계가 자유로운 개방형 전력망을 구축해 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있는 기반 조성. 전력망 고장의 사전 예측 및 자동복구 체계를 구축해 고품질, 고신뢰성 전력 공급.
지능형 소비자(Smart Consumer) | 현재 단방향 에너지 공급에서 지능형 계량 인프라(AMI : Advanced Metering Infrastructure) 기반 양방향 에너지 종합 관리 시스템 구축. 전기요금에 반응해 전력 사용을 제어하는 가전 기기를 보급하고, 부하관리를 실현함으로써 최대 전력 감소.
지능형 운송(Smart Transportation) | 전국에 다양한 형태의 충전 인프라를 구
축해 전기차 운행 기반을 마련하고, 전기차 사업자와 협력해 새로운 비즈니스 모델창출. 전기요금이 저렴한 시간대에 전기차를 충전하고 비싼 시간대에 전력을 재판매하는 V2G(Vehi -cle to Grid) 시스템 구축.
지능형 신재생 (Smart Renewables) | 발전이 간헐적이고 출력 제어가 어려운 신재생 발전원을 기존 전력망에 안정적으로 연계할 수 있는 마이크로 그리드 구축. 에너지 자급자족이 가능한 가정(Green Home), 빌딩(Net Zero Energy Building), 마을(Green Village) 구현.
지능형 전력 서비스(Smart Electricity Service) | 다양한 전기요금 상품을 개발해 소비자의 선택권을 높이고, 전력 수요자의 참여 확대를 통해 에너지 절감. 전력과 정보 통신의 결합으로 다양한 전력 부가서비스를 제공하며, 전력 및 파생 상품 거래가 가능한 실시간 전력 거래제 확립.

스마트 그리드 품목
에너지 관리 시스템(EMS : Energy Management System) | 에너지 관리 시스템은 다수의 소규모 분산 전원과 부하 집합체로 이뤄진 복수의 전원 및 열원을 건축물에서 소비하는 상황에서 생산과 소비를 효율적으로 운용하도록 ICT(Information and Communications Technology) 관련 기술을 이용해 일괄 제어 관리하는 On-site형 에너지 통합 시스템이다. 분산 에너지원, 에너지 네트워크, 통신 및 제어 기술을 결합한 융합 기술이다.


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전기차 충전 시스템 | 전기차에 전력을 공급하기 위한 기반 시설이다. 주택용과 주차장용 충전 스탠드, 비접촉 충전기, 급속 충전기, 배터리 교환 시스템 등 여러 종류의 충전 인프라와 운영 시스템, 전력공급 및 인증 과금 시스템 등을 대상으로 한다. 또한, 전기차 배터리에 저장한 전력을 계통으로 재판매하는 V2G 기술 등을 포함한다.


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첨단 계량 인프라 | 최종 소비자와 전력 회사 간 전력 서비스 정보화 인프라다. 스마트 그리드 운용에 필수로 공급과 수요 상호 인지 기반 수요 반응(DR : Demand Response)을 실현하기 위한 핵심 수단이다. 다양한 유형의 분산 전원 체계, 스마트 그리드를 구현하는 데 필요한 정보화 시스템이다.
지능형 기기 | 전력 기기 기술은 친환경 절연 물질사용, 소형화 제작, 인공 지능 감시 진단 기술 적용, 과학적인 유지 보수 시행 등으로 변하고 있다. 송전, 변전, 배전 분야 전력 기기는 지능화와 자동화 운전추세다. 아날로그 보호 협조 속에서 초고속 디지털계전기의 등장으로 기기 간 상호 통신으로 인공 지능형 전력 계통 운영이 가능하다. 전체 송 · 변 · 배전 계통을 기능별 베이Bay로 분류해 기능에 적합한 지능형 BCU(Bay Control Unit)를 확정하고, 각 BCU는 변전소 내 네트워크 버스Network Bus를 통해 서로 정보를 공유 또는 교환하며, 나아가 정보의 2차 재구축 등 일련된 고속 수행으로 보다 신뢰성 있는 자동화 변전소를 구축한다. 345㎸급 이상 지능형 BCU는 기본 플랫폼은 같지만 전혀 다른 운영안으로 구성되므로, 운영안에 대한 전문 엔지니어링이 필요하다. 전자식 단말기 및 초소형 전력 기기개발로 변전소 건설 면적을 축소할 수 있다.
분산 자원 통합 시스템 | 풍력, 태양광, 조력 등 신재생에너지원을 전력 계통에 효율적으로 연계 운영하기 위한 기술이다. 중 · 소규모 분산 전원과 이것을 연결하는 배전망, 대규모 신재생에너지원과 이것을 연결하는 송 · 변전망의 상태를 해석하고, 이를 기반으로 전력 계통을 통합해 운영하는 기술이다. 계통 통합 운영 기술을 통해 대규모 분산 전원을 효율적으로 사용하고, 신재생에너지원을 안정적으로 계통에 연계하며, 고품질 전력을 공급하는 기술이다. 수용가급, 배전급, 대규모 분산 전원의 계통 통합 운영 기술이다. 분산 자원 신재생에너지, Virtual Power Plant(가상 발전소), 에너지 저장 시스템, 전기차(V2G), 수요 반응(DR) 자원 등이다.
GW급 직류 송전 시스템(HVDC : Hight Voltage Current Transmission System) | 교류 전력을 직류로 변환해 송전한 후 수전점에서 교류로 재변환해 전력을 공급하는 방식이다. 직류 송전 시스템은 1954년 스웨덴 본토와 발틱Baltic해 고트랜드Gotland 섬 간 최초로 상용 운전하기 시작했으며, 반도체 및 전력 전자 기술의 혁신적 발달로 직류 송전 시스템의 성능과 신뢰성, 경제성이 크게 향상돼, 현재 장거리 대전력 전송, 전력 제어, 비동기 연계, 해저 전력 연계, 신재생에너지 계통 연계 등의 목적으로 널리 이용한다.
스마트 그리드 플랫폼 | 스마트 그리드 보급에 적합한 미래형 계통 운영 플랫폼 및 운영 정책에 대한 체계를 포함하며, 물리적 스마트 그리드 체계의 원활하고 효율적인 운영을 위한 시스템 전반에 걸친 정보 수집 체계, 수집한 정보를 효율적으로 관리하고 공유하기 위한 관리 체계 및 새로운 운영 알고리즘이나 서비스 확장을 유연하게 지원할 수 있는 정보 및 통신 체계 전반을 총칭한다. 스마트 그리드 구축 운영에 필요한 보안 체계 및 기술을 개발하고, 보안 기술 표준화를 추진한다.
DC 시스템 | 수용가 측에서 증가하는 디지털 부하에 대해 직류 전원을 직접 공급함으로써 전력 변환손실을 감소시키고, 신재생에너지원의 직류 출력을 연계할 수 있는 직류 배전망 구축과 운영을 위해 필요한 기술이다.
초전도 시스템 | 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전도 회전기, 초전도 에너지 저장 장치, 초전도 선재 등으로 구분한다. ▲초전도 케이블 시스템 - 비등점 77K 액체질소로 냉각했을 때 초전도 현상을 나타내는 고온 초전도 선재를 전도체로 하는 케이블과 접속함, 단말 그리고 액체질소를 제어하는 극저온 냉각 시스템으로 이뤄진다. 기존 케이블에 비해 같은 단면적에 전력을 5배 이상 수송함으로써 대용량 송전이 가능하고, 그 결과 전력구 등 전력 공급 설비 건설에 필요한 지하 공간 확보 비용을 대폭 줄일 수 있다. ▲초전도 한류기 - 선로에 과도한 전류가 흐를 때 초전도성을 이용해 전류를 자동으로 안전한 수준으로 제한하는 새로운 개념의 전력 기기다. 초전도체를 임계온도(약 -186℃) 이하로 냉각하면 저항이 '0'이 된다. 그러나 전류가 과도하게 흘러 일정 값(임계 전류)을 넘으면 초전도성을 잃어 급속한 저항이 발생하는데(Quench), 초전도 한류기는 바로 이러한 성질을 이용했다. 즉, 선로에 과도한 전류가 흘러 일정 값(임계 전류)을 넘으면 초전도성을 잃어 급속한 저항이 발생해 전류를 제한한다. ▲초전도 회전기 - '초전도 풍력 발전기'는 바람 에너지를 이용해 블레이드Blade 날개와 연결된 초전도 회전자를 회전해 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로부터 전기 에너지를 유도하는 새로운 개념의 전기 기기다. '초전도 모터'는 고자장高磁場초전도 회전자를 사용해 전기 에너지를 기계적인 운동 에너지로 바꿔 이용하는 전기 기기다. '초전도 회전자'는 고온 초전도 선재를 사용한 코일을 사용하므로 영구 자석형 회전자에 비해 2배 이상 강한 자기장을 발생시키고, 20년 이상 장기 운전 시에도 감자 현상이 일어나지 않으므로 기기 효율이 높다. 초전도 회전자의 강한 자기장을 이용하면 고정자 철심을 제거할 수 있어 무게와 부피를 일반 회전기 대비 1/3 이상 줄일 수 있고, 직접 구동형 풍력 발전기의 대형화 한계 용량인 10㎿급 이상을 제작할 수 있다. ▲초전도 에너지 저장 장치 - 초전도 도체의 전기 저항이 '0'인 성질을 이용해 초전도 마그네트에 전류를 흘려 자기 에너지 형태로 손실 없이 에너지를 저장하는 장치다. 특히 타 에너지 저장 장치에 비해 저장 효율이 높고 에너지 변환 효율이 빠르며, 수명이 반영구적이고 유
효 · 무효 전력을 독립적으로 제어할 수 있다. 주요 특징은 전압이나 주파수 변동을 억제해 전력품질을 유지, 유효 전력을 제어해 전력 계통을 안정화, 운전 효율을 높여 CO2 저감, 폐기물을 발생시키지 않아 환경 보전에 이바지 등이다. ▲초전도 선재 - 고온 초전도 물질을 다양한 기능성 박막과 함께 박막 증착법을 이용해 금속 기판 위에 적층한 구조로 테이프 형상이며, 초전도 기기의 성능 및 가격을 결정하는 핵심소재다.


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지경부는 2012년 2월"스마트 그리드 정책을 점검한 결과, <지능형 전력망법> 제정 · 시행(2011년 11월), 국가 로드맵 수립(2010년 1월) 등 법 · 제도적 기반 조성 분야와 제주 실증 단지의 구축 · 운영(2009년 7월∼2013년 5월) 등 기술 개발 및 실증분야에서 꾸준한 성과를 보이는 것으로 나타났다"고 밝혔다. 반면"스마트 그리드의 조기 성장 동력화 및 세계 시장 선점을 위해 가정용 스마트 계량기(AMI), 전기차 충전기, 에너지 저장 시스템 보급을 확산하고, 스마트 기기의 전략적 구매를 촉진하는 등 초기 시장 창출에 가용 역량을 집중할 필요가 있다"고 평가했다.

이에 따라 지경부는 스마트 그리드 초기 시장 창출을 위해 스마트 계량기, 전기차 충전기, 에너지저장 장치 보급 사업을 본격화해 초기 시장을 창출하고, 지능형 서비스 산업을 활성화해 나가기로 했다. ▲스마트 계량기 - 2016년까지 전체 고객의 50%까지 보급(2가구당 1대 비율)해 기존 기계식 계량기를 AMI로 교체(2011년 72만 대(3.6%) → 2016년 1000만 대(50%)) ▲전기차 충전기 - '그린카 산업 발전 전략 및 과제'의 전기차 보급 목표와 연계해 2016년까지 전기차 충전기 15만 기를 설치해 전기차 보급 촉진. 또한, 올해 안에 국가 단위 충전 인프라 구축 계획을 수립하고 충전 전력 사용 정보와 충전소 위치 등 실시간 정보 제공 체계를 마련. ▲에너지 저장 장치 - 현재 실증 단계이며, 2016년까지 20만㎾h 규모(17만 가구가 하루 사용할 수 있는 전력량)로 보급해 상가, 빌딩 등에서 전기요금이 낮을 때 충전하고, 전기요금이 높을 때 방전함으로써 피크 절감 및 전기료 절감에 이바지(2011년 1만㎾h → 2016년 20만㎾h). 이를 통해 수요 관리 사업자, 전기차 충전 사업자, 에너지 저장 사업자를 육성하고, 스마트 계량기 · 충전기 · 배터리 등의 제조업을 활성화. ▲지능형 수요 관리를 도입해 점차적으로 확대하고, 다양한 차등 요금제를 단계적으로 도입하는 것 등이다.
올여름 전력난을 겪는 가운데 눈에 띄는 것이 지능형 수요 관리다. 정보 통신 기술을 응용해 효율적으로 전력 소비량을 감축하는 프로그램으로, 수요관리 사업자가 상가, 빌딩 등과 계약해 피크 시 전기를 줄이면 보상금을 지불하는 방식이다. 정부는 이 프로그램을 확대하면 2016년까지 원전 1기에 해당하는 지능형 수요 관리 자원(120만㎾)을 확보할 것으로 전망한다.

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태그 : 전력 설비 지능화 스마트 그리드
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