[keyword로 읽는 과학]차세대 전력망, 에너지저장시스템

2014년 KISTI의 과학향기에서는 [Keyword로 읽는 과학]이라는 코너를 새롭게 마련했습니다. 과학기술이 급속도로 발전하면서 이와 관련된 과학계의 신조어도 빠르게 늘고 있습니다. 이에 [Keyword로 읽는 과학] 코너에서 최신과학기술용어나 신조어를 알기 쉽게 풀어서 서비스할 예정입니다.
독자 분들의 참여도 기다리고 있습니다. 홈페이지 내 독자참여-주제제안 란, 또는 댓글로 알고 싶은 키워드를 남겨 주시면 선정 후 기사로 제작할 예정입니다. 과학향기 독자 분들의 많은 관심 부탁드립니다.

신재생에너지와 스마트그리드가 회자되면서 덩달아 관심을 받고 있는 것이 있다. 바로 에너지저장시스템, ESS(Energy Storage System)다. 신재생 에너지는 스마트 그리드에서 중요하게 쓰이는데, ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있기 때문이다.

ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다. ESS는 전기를 생산하는 발전 영역, 생성된 전기를 이송하는 송배전 영역, 그리고 전달된 전기를 실제 사용하는 수용가(소비자) 영역에 모두 적용된다.

보통 필요 발전량은 냉난방 수요가 급증하는 최고 수요 시점을 기준으로 설정돼 있는데, ESS는 피크 수요 시점의 전력 부하를 조절해 발전 설비에 대한 과잉 투자를 막아준다. 그리고 ESS는 돌발적인 정전 시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 해준다.

또한 ESS는 태양광, 풍력, 조력, 파력 등 신재생 에너지 또는 소규모 발전소에서 생산된 전기가 수시로 전력망에 공급되거나 전기자동차 충전소 등에서 높은 출력으로 갑자기 전기가 소비될 때 유용하다. ESS는 전기의 불규칙한 수요와 공급을 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정해 전력망의 신뢰도를 향상시키기 때문이다. 이런 맥락에서 최근 ESS는 신재생에너지를 활용한 스마트 그리드에서의 핵심 설비로 주목받고 있는 것이다.

■ ESS 설치 확대는 세계적 추세

일본은 2011년 도후쿠 대지진 이후 원자력 발전의 가동을 전면적으로 중단하는 한편, 전력 예비율을 높게 유지하고 비상 정전에 대비하기 위해 보조금 지원으로 ESS를 적극 지원한 바가 있다. 특히 가정용 ESS의 보급으로 전력 공급의 불안감을 잠재우는 데 효과를 봤다. 다수의 ESS업체와 건설사는 주택 구매 시 안정적인 전력 수급 차원에서 10kW급 미만의 ESS를 빌트인(built-in) 방식으로 공급하기도 한다.

미국은 이미 전력 계통형 대형 ESS와 주거용 ESS를 대상으로 다수의 실증 사업을 진행 중인데, 효과가 검증된 영역을 중심으로 ESS의 구체적인 수준까지 제도화하고 있다. 예를 들어 캘리포니아 주는 2010년 9월 에너지 저장 시스템의 설치를 의무화하는 법안인 ‘캘리포니아 에너지저장 법안(AB 2514)’을 제정했다. 이에 따라 캘리포니아 주의 전력회사들은 2024년까지 1.3GW의 ESS를 설치 완료하기로 결정했다.

우리나라는 2011년 지식경제부에서 ‘에너지저장 기술 개발 및 산업화 전략 K-ESS 2020’을 마련해 2020년까지 세계시장 점유율 30%를 목표로 총 6.4조 원 규모의 연구 개발 및 설비 투자를 추진하고 있다. 또한 신재생에너지 촉진법을 통해 2022년까지 신재생에너지 공급 의무자 비율을 10% 이상으로 확대하는 것을 발표하면서 ESS의 중요성이 높아지고 있다. 이에 따라, 2012년부터 리튬전지를 채택한 ESS 보급화 사업을 진행하고 있는데, 2013년에는 보급화 사업에서 165억 원을 지원해 총 12MWh의 ESS를 설치했다. 또, 향후 ESS 설치량 증가에 대비해 각종 제도, 안전 규격 및 지원책이 논의되는 한편, 국내 사업화 및 수출 확대에 필요한 ESS용 리튬 이차전지의 신뢰성을 확보하기 위해 시험 평가 인증에 대한 정부 지원이 추진되고 있다.

■ 제주 스마트그리드 실증사업

우리나라는 제주 스마트그리드 실증사업에서 ESS도 함께 실증했다. 한국은 2009년 7월 G8 선진 8개국 확대정상회의에서 이탈리아와 함께 스마트 그리드 선도국으로 지정됐고, 그해 12월 ‘MEF기후변화 주요국 회의 스마트그리드 로드맵’을 제안했다. 이를 통해 확정된 ‘제주 스마트그리드 실증사업’은 제주도 구좌읍 일대에서 2009년 12월부터 2013년 5월까지 42개월간 진행됐다.

스마트 그리드는 전기 및 정보통신 기술을 활용해 전력망을 지능화 ‧ 고도화함으로써 고품질의 전력서비스를 제공하고 에너지 이용 효율을 극대화하는 차세대 전력망이다. 우리나라는 스마트 그리드를 통해 국가 온실가스 감축 목표를 달성하고 저탄소 녹색성장 인프라를 구축하는 한편, 스마트 그리드를 반도체, IT의 뒤를 잇는 신성장동력으로 육성하고자 했다.

ESS는 제주 스마트 그리드 실증사업에서 여러 분야에 관여됐다. 한국스마트그리드사업단 전략계획팀 손종천 팀장은 다음과 같이 설명했다. “ESS는 풍력 같은 신재생에너지 출력의 안정화에 기여합니다. 즉 ESS를 통해 신재생에너지 출력을 평준화하는 것이죠. 그리고 송전 및 배전 단에 대용량 ESS가 들어가면 안정적 운영에 도움이 됩니다. 또한 ESS는 각 빌딩, 가정에도 접목할 수 있으며, 값싼 심야 전력을 저장했다가 낮에 사용할 수 있습니다.” 실제 제주 스마트그리드 실증단지에는 풍력 보조용으로 35kW~1MW ESS가 다수 설치됐으며, 충전소 보조용으로 150kWh ESS가 운영됐다. 또 3kW~30kW급의 많은 ESS가 부하 평준화용, 피크 컷용으로 설치됐다.

전문가들에 따르면, ESS는 전력 수요의 피크를 이동시키거나 신재생에너지처럼 출력이 변동하는 발전의 출력을 안정화하는 역할을 한다. 유럽은 2020년까지 출력이 전체의 20%까지 변해도 이를 받아들일 수 있도록 노력할 계획이다. 신재생에너지 시스템은 중앙집중식과 분산형으로 나눌 수 있는데, 두 경우 모두 ESS의 역할이 크다. 중앙집중식의 경우 강원도 산악지대 풍력단지, 서해안 해상 풍력단지처럼 수십 MW의 발전소급 출력을 내는데, ESS가 발전과 송전 부문에 관여한다. 분산형 신재생에너지 시스템은 마이크로그리드처럼 태양광 설비, 소형 풍력 설비 등이 설치돼 수십 kW, 많아야 수 MW의 출력을 내며, ESS가 배전과 수용가 부문에 걸쳐 있다.

■ ESS의 미래, 그리고 확산사업

제주 스마트그리드 실증사업의 성과를 바탕으로 스마트그리드 확산사업이 본격적으로 추진될 전망이다. 확산 사업은 에너지 소비 컨설팅, 전력 재판매, 수요 반응, 수요 측 발전자원 전력 거래(수용가에 설치된 태양광 시설, 풍력발전기, ESS 등), 전기차 기반 가상발전소 운영, 전기차 급 ‧ 완속 충전, 전기차 이동 충전, 전기차 대여, 신재생에너지 출력 안정화 및 품질 개선이라는 9개 실증사업 모델에 따라 예비사업자가 선정됐다. 2013년 10월 정부는 포스코ICT, 짐코, 현대오토에버, 현대중공업, KT, LS산전, 한국전력, SK텔레콤이 각각 주도하는 8개 컨소시엄을 예비 사업자로 선정한 것이다. 현재는 기획재정부의 예비타당성 조사가 진행 중이다.

확산 사업의 투자가 완료되는 시점인 2017년 기준으로 대상 지역에서 약 4억 758만kWh의 전력 사용량을 줄이며, 약 18만 7000톤의 탄소 배출량을 줄일 수 있을 것으로 예측된다. 물론 어느 확산 사업에서나 ESS가 중요한 역할을 하고 있어, ESS는 차세대 스마트 그리드에서도 핵심으로 떠오를 전망이다.

글 : 이충환 과학칼럼니스트

 

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지난 8월말 제주 북동부 구좌읍 일대에 국내 첫 스마트그리드(Smart Grid) 실증단지를 구축하는 작업이 시작됐다. 이달 13일부터 일산 킨텍스에서 열리는 2009 IT융합국제전시회에도 스마트그리드가 한 꼭지를 차지하고 있다.

미국도 스마트그리드를 그린뉴딜의 핵심으로 보았고, 일본은 에너지 기술혁신 계획인 쿨어스(Cool Earth) 프로그램을 통해 스마트그리드를 구축하고 있다. EU 또한 2006년 스마트그리드 비전을 발표하면서 상용화 작업에 착수했고, 독일과 프랑스는 별도로 시범 도시를 통해 스마트그리드 구축작업을 하고 있다. 대체 스마트그리드가 무엇이기에 이처럼 세계가 주목하는 것일까?

스마트그리드를 설명하려면 우선 현재의 전력 시스템에 대해서 알아야 한다. 우리가 사용하는 전기는 실제 사용량보다 10% 정도 많이 생산하도록 설계돼 있다. 이는 전력의 최대소비량에 맞춰진 양으로 혹시라도 더 많이 사용할 경우에 대비해 전기를 미리 확보해 놓은 것이다. 연료는 물론 각종 발전설비도 추가적으로 필요하고, 버리는 전기 또한 많아 에너지 효율이 떨어진다. 또 석탄, 석유, 가스 등을 태우는 과정에서 이산화탄소 배출도 늘어난다.

꼭 필요한 만큼 전기를 생산하거나 생산량에 맞춰 전기를 사용할 수 있다면 전기를 더 효율적으로 사용하면서 지구온난화도 막을 수 있다. 이것이 바로 전력망에 IT기술을 융합해 전기사용량과 공급량, 전력선의 상태까지 알 수 있는 스마트그리드가 주목받는 이유다. 이미 미국 경제주간지 비즈니스 2.0은 지구온난화로 인한 기상이변 및 환경오염으로부터 인간을 구할 영웅 중 하나로 스마트그리드를 소개한 바 있다.

글자 그대로 해석하면 똑똑한 전력망인 스마트그리드의 핵심은 전력망에 IT기술을 합쳐 소비자와 전력회사가 실시간으로 정보를 주고받는 것이다. 이 시스템을 이용하면 소비자는 전기요금이 쌀 때 전기를 쓸 수 있고, 전자제품이 자동으로 전기요금이 싼 시간대에 작동하게 하는 것도 가능하다.

전력생산자 입장에서는 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하기 때문에 전력공급량을 탄력적으로 조절할 수 있다. 전력 사용이 적은 시간대에 최대전력량을 유지하지 않아도 되므로 버리는 전기를 줄일 수 있고, 전기를 저장했다가 전력 사용이 많은 시간대에 공급하는 탄력적인 운영도 가능하다. 또 과부하로 인한 전력망의 고장도 예방할 수 있다.

결국 스마트그리드는 일반 가정에서 사용하는 TV, 냉장고와 같은 전자제품뿐 아니라 공장에서 돌아가는 산업용 장비들까지 전기가 흐르는 모든 것을 묶어 효율적으로 관리하는 신개념 시스템이다. 집, 사무실, 공장 어느 곳에서나 사용한 전기요금을 실시간으로 확인할 수 있고, 전기요금이 비싼 낮 시간대를 피해 세탁기를 밤에 돌리는 등 가전제품을 선별해 사용하는 것이 가능하다.

<제주도 스마트그리드 실증단지의 개념도. 스마트그리드 시대에는 건물마다 스마트계량기가
설치돼 실시간으로 요금정보가 제공되고, 가전기기 등도 연결된다. 또 풍력, 태양광 등의 신재생
에너지로부터도 전원을 공급받을 수 있다. 사진제공. 동아일보>


스마트그리드 하부에는 마이크로그리드가 존재한다. 마이크로그리드란 자체적으로 전력을 생산하는 소규모 네트워크를 말하는데 아파트라면 단지별로, 마을이라면 마을별로 전력을 생산하는 것이다. 이 시스템은 송전 손실을 고려하지 않아도 되고 발전소의 전력사용량을 줄일 수 있기 때문에 온실가스 배출도 줄일 수 있다.

마이크로그리드 체제가 활성화된다면 지역에 맞춰 일조량이 높은 지역은 태양광을, 바람이 많이 부는 해안가에는 풍력으로 전기를 생산하면 된다. 이는 현재의 중앙집중형 대신 분산전원시스템을 가능하게 한다. 그래서 자연환경에 따라 발전량이 들쑥날쑥한 신재생에너지의 문제점을 해소할 수 있어 신재생 에너지를 확산시키는 필수 인프라로 인식되고 있다.

또 다양한 분산전원을 전력 규모에 따라 독립적으로 운영할 수 있고, 각 계통에 센서를 달아 소비자의 요구에 실시간으로 반응하게 된다. 이러한 네트워크때문에 스마트그리드를 ‘에너지 분야의 인터넷’이라고 부르기도 한다.

신재생에너지로 생산한 전력을 가둘 수 있는 저장장치도 스마트그리드의 일환으로 개발되고 있다. 대표적인 예가 플라이휠인데, 이는 마찰이 최소화된 거대한 금속바퀴이다. 바람이나 햇볕이 풍부할 때 생산한 전기로 회전하고 바람이 안 불거나 햇볕이 가리더라도 관성 때문에 돌던 힘을 꾸준히 유지해 지속적으로 전기를 만들게 된다.

가전제품도 스마트그리드 시대를 맞아 똑똑해진다. 집안에서 폐쇄적으로 운영하던 가전제품이 인터넷을 통해 외부와 연결되는 것이다. 특히 조작버튼을 전력회사가 통제할 수 있다. 여름철 한낮에 전기료를 비싸게 매겨도 사용량이 떨어지지 않는다면 전력회사가 강제로 에어컨 온도를 높이는 등 비상조치를 취할 수 있다.

물론 이같은 일은 가전제품 소유자의 동의가 있어야 가능하다. 또 인터넷과 연결되는 스마트그리드의 구조상 해킹에 노출될 수밖에 없어 보안 위협에 대한 대비책도 마련되어야 한다.

이런 우려에도 스마트그리드에 거는 기대는 높다. 에너지 효율을 높이고 신재생에너지 사용을 확대할 수 있는 가장 효율적인 방안이기 때문이다. 또한 싼 전기료는 소비자에게도 매력적이다. 무엇보다 중요한 것은 스마트그리드를 통한 지구온난화 방지에 있다. 전 세계 온실가스의 3분의 1이 전력 생산을 위한 발전소에서 만들어지는 만큼 똑똑하게 전기를 만들고, 사용하는 기술은 지구를 위해서도 꼭 필요하다.

글 : 박태진 동아사이언스 기자


KISTI NDSL(과학기술정보통합서비스) 지식링크


○관련 논문 정보
Smart Grid 구축을 위한 기술 연구[바로가기]
배전자동화 계통의 루프 운전시 보호협조에 관한 연구[바로가기]
Smart Grids Need Even Smarter Governance[바로가기]

○관련 특허 정보
METHOD AND SYSTEM OF ROUTING IN A UTILITY SMART-GRID NETWORK(국제공개특허)[바로가기]
3D SMART POWER MODULE(미국공개특허)[바로가기]
격자 형태의 다중 스마트 노드 시스템 및 그 시스템에서의스마트 노드들의 위치 자동 인식 방법 (한국등록특허)[바로가기]

○해외 동향분석 자료
미국, 스마트 그리드 정책 - 2009년 [바로가기]
스마트 그리드 단체, 에너지 효율분에 대한 세금 감면 방안 찾다 - 2008년 [바로가기]
그린 에너지 - 어떻게 전력2.0이 웹 2.0보다 더 발달할 수 있을지에 대해 - 2008년 [바로가기]



ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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