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전력 자급자족(自給自足), 마이크로그리드

2015.11.17 09:30


앞서 연재된 글들을 통해 스마트그리드(Smart Grid)는 기존의 전력 계통(Grid)에 정보 기술을 접합하여 전력의 생산•송전•배전•소비 단계까지 관리하는 기술이라는 것을 살펴보았는데요. 이어서 오늘은 마이크로그리드(Micro Grid)에 대해 알아보려고 합니다.   


마이크로그리드는 전력망에 정보 기술이 접목되어 발전량 조절을 위한 제어가 수행되며, 발전•소비량 예측 등의 기능을 필요로 한다는 점에서 스마트그리드와 유사한데요. 그 적용 규모가 스마트그리드에 비하여 상대적으로 작고, 발전원과 수용가(전력소비 주체)의 위치가 가깝기 때문에 송전 설비가 필요하지 않다는 차이점이 있습니다. 


그럼 지금부터 마이크로그리드의 개념과 그것을 통하여 얻을 수 있는 효과 등을 살펴보도록 하겠습니다.       

미국의 에너지국(Department Of Energy, DOE)는 마이크로그리드(Micro Grid)를 다음과 같이 정의합니다. 


● 마이크로그리드(Micro Grid) 

명확히 정의된 전기적 범위 안에서 상호 연결된 '수용가'와 '분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)'의 그룹으로 계통에 대하여 하나의 제어 가능한 개체(entity)이며, 계통으로부터 연결 및 독립이 가능하다.


다시 말해, 마이크로그리드는 지역화된 전력망으로 수용가와 풍력, 태양광 등의 분산 에너지 자원(DER)을 연결한 것인데요. 전체 전력 계통과 독립적(off-grid)으로 동작하여 전력의 자급자족(自給自足)이 가능하며, 필요에 따라 계통과 연계(on-grid)되어 동작할 수도 있는 전력망입니다.  

[그림 1] LG CNS Smart Micro Grid Solution


그러나 단순히 수용가와 DER을 연결하는 것만으로는 마이크로그리드를 구성 및 운영하기에 충분하지 않습니다. 풍력 발전이나 태양광 발전의 경우, 풍속이나 일조량에 따른 발전량의 변화가 발생하기 때문인데요. 이러한 풍력이나 태양광 발전 설비를 별다른 제어 없이 계통으로 전력을 공급하도록 연결할 경우, 전력 계통의 전력 품질은 예측과 관리가 매우 어려워집니다.  


특히 마이크로그리드는 구성되는 전력망의 범위가 작기 때문에 신재생 발전원의 전력 품질 불안정에 더욱 큰 영향을 받게 되는데요. 그러므로 마이크로그리드를 구성할 때는 이러한 문제들을 방지하기 위한 기술들이 적용되어야 합니다. 또한 전력 품질 및 공급의 안정성을 확보하기 위하여 대부분의 마이크로그리드는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 포함하여 구성됩니다.   


이때, ESS는 전력 공급 과잉 시점에는 전력을 저장하고, 수요가 많아지는 시점에는 저장해 둔 전력을 수용가로 공급하는 역할을 수행함으로써 마이크로그리드의 전력 품질 및 공급의 안정성에 기여합니다.  


그리고 ESS뿐만 아니라 마이크로그리드에 연결되어 있는 수용가나 DER들을 모니터링하고 제어할 수 있도록 하는 시스템 또한 필요한데요. 이러한 시스템들은 마이크로그리드의 상태에 따라 발전원이나 수용가의 동작을 제어하여 전력의 공급 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 해 줍니다.


또한 단순한 모니터링과 제어뿐만 아니라 발전•수요량을 예측하고 Peak Cut, Load Shift, Demand Response 등의 부가 서비스를 가능하도록 하여 에너지 사용 효율을 높이고 부가적인 이득을 창출할 수 있도록 하기도 합니다.


마이크로그리드의 등장 배경과 활용 분야는 국가별로 차이가 있습니다. 


우선 미국의 경우, 시스템 안정성 및 에너지의 효율적 활용 측면에서 캠퍼스 등에 마이크로그리드를 도입하거나 혹은 군사적 목적으로 사용하기도 합니다. 


다음으로 유럽과 일본은 환경 개선을 위한 신재생 에너지 사용의 증대를 목적으로 하는 경우가 많으며, 지역 사회를 마이크로그리드로 구성하는 커뮤니티형 마이크로그리드가 도입되고 있습니다. 특히 일본은 지진 등의 자연 재해로 인해 전력 공급이 중단되는 것에 대한 대비책으로 마이크로그리드를 적용하기도 하는데요. 차량에 ESS를 탑재하여 하나의 DER로써 전력 공급에 사용하고 있습니다.  


중국은 송배전 설비의 설치가 어려운 도서 지역에 마이크로그리드를 통해 전력 공급을 하고 있습니다. 우리나라의 경우 도서 지역용 마이크로그리드가 가장 많이 적용되고 있으며, 일부 캠퍼스 마이크로그리드가 적용되고 있는 사례들도 있습니다.  


여기에서 언급한 적용 사례들은 해당 지역에서 사용되는 전력의 대부분이 바로 그 지역에서 생산되는 전력이므로 송전 설비 설치 및 송전 손실 등이 발생하지 않는다는 이점 또한 있습니다. 


이처럼 다양한 분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있는 마이크로그리드의 분류를 살펴보도록 하겠습니다.


우선 마이크로그리드는 다루는 전력의 크기에 따라 주거용, 소상업용, 상업용으로 구분됩니다. 그리고 용도에 따라서는 군사용, 캠퍼스용, 커뮤니티용 마이크로그리드 등으로 구분할 수 있는데요. 또한 동작 모드에 따라서는 계통 연계형, 독립형으로 구분되기도 합니다.  


미국의 에너지국은 마이크로그리드의 소유자에 따른 소유 모델(Ownership Model)을 정의하기도 했는데요. 그 소유 모델은 다음과 같이 나눌 수 있습니다. 


● 유틸리티 모델(utility model): 배전 유틸리티(distribution utility)가 마이크로그리드를 소유하고 

    전력을 공급함으로써 소비자의 비용 부담을 줄이도록 하는 모델

● 임대주 모델(landlord model): 임대주가 마이크로그리드를 소유하고 임차인에게 계약을 통해

    전력이나 열등을 공급하는 모델

● 협업 모델(co-op model): 여러 개인이나 회사가 모여 마이크로그리드를 구성하고 관리하며

    구성된 마이크로그리드로부터 전력을 공급받는 모델

● 고객 발전 모델(customer-generator model): 하나의 개인이나 회사가 마이크로그리드를 

    소유하고 관리하며 소유자와 소유자의 이웃들에게 전력을 공급하는 형태의 모델 

● 지역 난방 모델(district heating model): 하나의 독립적인 회사가 마이크로그리드를 소유하고

   관리하며, 여러 고객들에게 전력과 열등을 판매하는 모델


국내의 마이크로그리드 적용 사례로는 태안의 태양광 마이크로그리드 등이 있으며, 앞으로 거문도, 조도, 울릉도에 다양한 서비스들을 구현하는 마이크로그리드가 구축될 예정인데요. 지금부터는 이러한 마이크로그리드의 사례들에 대하여 간단히 살펴보도록 하겠습니다.


[그림 2] LG CNS의 태안 마이크로그리드 구성

   * 이미지를 클릭하시면 더 큰 이미지로 보실 수 있습니다. 


태안 태양광 발전소는 295,166m2(약 10만평)의 부지에 총 69,712장의 태양광 모듈을 설치하여 13.77MW의 발전이 가능하도록 구성되었는데요. 일 평균 약 52MWh(3.8시간)의 전력이 생산되며, 월 평균 약 1,600MWh의 전력을 생산할 수 있습니다. 


그동안 태안 태양광 발전소는 소내전원(발전소 가동 및 관리용 장비 운영에 사용되는 전원)의 사용에 따라 전기사용료를 납부하였는데요. 별도의 태양광 발전시설과 ESS를 도입하여 소내전원을 공급할 수 있도록 함으로써 발전소 운영을 독립적으로 할 수 있도록 하였습니다. 


또한 ESS를 활용하여 에너지 저장 및 야간, 주간 전력 사용 피크(peak)에 대응할 수 있도록 했는데요. 에너지 관리 시스템(Energy Management System, EMS)을 도입함으로써 발전이나 부하 상태, 전력 가격 등을 고려하여 운전을 지시할 수 있도록 구성되었습니다. 

 

[그림 3] 울릉도 마이크로그리드 구성

   * 이미지를 클릭하시면 더 큰 이미지로 보실 수 있습니다. 


다음으로 울릉도 마이크로그리드는 LG CNS의 태안 마이크로그리드 구축 경험을 바탕으로 더 많은 서비스들을 수행하는 독립형 마이크로그리드로 구축될 예정입니다. 울릉도는 72.9km2의 면적에 약 10,673명의 인구가 거주하며, 연간 40만 명 이상의 관광객이 방문하는 섬인데요. 현재 울릉도의 전력은 18.5MW의 디젤 발전기(10.5MW, 8MW 각 1대)에 대부분 의존하고 있으며, 일부 소수력(Small Hydro Power)과 태양광을 사용하고 있습니다. 


현재 울릉도에 전력을 공급하기 위해서 사용되는 금액은 kWh당 약 520원이며, 울릉도에서 전기가 판매되는 가격은 kWh당 약 150원인데요. 발전에 사용되는 비용보다 전력이 판매되는 비용이 더 작기 때문에 연간 약 231.8억 원 가량의 손실이 발생하게 됩니다. 


LG CNS는 2017년까지 울릉도에 마이크로그리드 운영 센터를 건설하고 20MWh의 ESS 설치 및 8MW의 풍력 발전 시설, 1MW의 태양광 발전 시설을 구축하여 울릉도에서 사용되는 전기 에너지의 30% 가량을 생산할 계획입니다. 


또한 2021년까지 ESS, 연료 전지, 지열 발전, 스마트 미터 및 전기 자동차 등을 도입하여 완전한 에너지 자립섬을 구축할 계획인데요. 이를 통해 울릉도에서 발생하는 전력 공급 비효율성을 제거하는 동시에 이산화탄소의 배출을 경감하도록 하는 것을 목적으로 하고 있습니다.


이처럼 마이크로그리드 내부의 DER이나 수용가들의 상태에 따라 유기적인 동작을 수행할 수 있도록 하기 위해서는 마이크로그리드의 상태를 감시하는 것이 필요합니다. 또한 상황에 따라 자원들을 제어할 수 있는 감시•제어 시스템 역시 필수적이라고 할 수 있습니다.


그리고 단순한 감시와 제어뿐만 아니라 발전 가능량을 미리 예측하여 그에 맞는 최적의 동작 알고리즘을 생성•적용할 수 있는 EMS가 도입된다면 훨씬 더 효율적이고 안정적인 마이크로그리드 운영이 가능할 것입니다. 울릉도에도 이러한 EMS가 도입될 예정인데요. 이를 통해 발전량 및 부하량을 예측하여 최적의 발전 계획을 수립하고, 자동으로 발전을 제어하도록 하는 등의 기능을 제공할 것입니다. 


마이크로그리드에 적용되는 EMS는 마이크로그리드의 효율적인 운영을 위해 소프트웨어적인 측면에서 '데이터 신뢰성•예측 정확성•데이터 가시성'의 세 가지 중요 요소를 제공해야 하는데요. 각각의 내용을 정리해 보면 다음과 같습니다.


● 데이터 신뢰성: 마이크로그리드에서 수집되는 데이터들이 손실 및 왜곡되어 EMS로 전달될 경우, 

   EMS가 그러한 상황을 탐지하고 데이터를 수정하는 작업을 수행함으로써 데이터 신뢰성은 확보될 수 

   있습니다. 즉 데이터 신뢰성이 높아질수록 마이크로그리드 운영자는 더 정확한 운영 기록을 

   확인할 수 있는데요. 수집된 데이터들을 기반으로 좀 더 정확한 발전 및 수요 예측이 가능해집니다.


● 예측 정확성: 다양한 분석 알고리즘을 적용하여 발전 및 수요의 예측을 정확히 하도록 하는

   요소입니다. 발전 및 수요의 예측이 정확하게 수행될수록 에너지의 효율적 활용이 가능해지며, 

   이는 곧 마이크로그리드 운영의 경제성을 향상시킬 수 있습니다. 


● 데이터 가시성: 마이크로그리드에서의 전력 생산이나 소비, 문제의 발생 등을 쉽게 파악할 수

   있도록 함으로써 마이크로그리드의 운영을 원활히 할 수 있도록 합니다. 또한 가시성의 부재로 

   파악하기 힘들었던 에너지 낭비 요소들을 가시화함으로써 에너지의 비효율적 사용을 개선할 수 

   있도록 합니다. 


[그림 4] LG CNS의 'EMS Platform'

   * 이미지를 클릭하시면 더 큰 이미지로 보실 수 있습니다. 


앞서 살펴본 것처럼 마이크로그리드는 풍력이나 태양광 등의 다양한 DER들과 수용가 등을 감시 및 제어하는 것이 필수적입니다. 또한 단순 제어나 감시뿐만 아니라 EMS를 도입하여 발전량과 사용량 예측, 운영 계획 수립, 스케줄에 따른 제어 등을 가능하도록 하는 것이 더 효율적인데요. 이로 인해 안정적인 마이크로그리드의 운영이 가능하기 때문입니다. 


이러한 EMS의 기능을 극대화하기 위해서는 앞서 살펴본 데이터 신뢰성 및 가시성, 예측 정확성을 최대한 보장하는 EMS를 선택하여 도입하는 것이 매우 중요합니다. 


그러한 측면에서, LG CNS의 스마트 그린 솔루션(SGS)은 스마트 그린 플랫폼(SGP)을 활용하여 안정적이고 검증된 제어•감시 기능을 제공해 주는데요. 직접 개발하지 않고도 손쉽게 구현할 수 있도록 하며, SGP를 기반으로 EMS 기능을 수행하는 서비스를 탑재하여 사용하도록 하고 있습니다. 


그리고 이것은 마이크로그리드의 전력 사용량이나 발전량 예측 외에도 데이터 검증 및 분석을 통하여 좀 더 정확한 예측과 리포트 생성 등을 가능하게 합니다.   


지금까지 다양한 분야에서 활용되는 LG CNS의 스마트 그린 솔루션(SGS)와 스마트 그린 플랫폼(SGP)에 대하여 살펴보았습니다. 여러 종류의 디바이스를 설정 기반의 손쉬운 방법으로 연결하여 제어, 감시 기능을 구현하도록 하는 SGP와 SGP를 기반으로 구현되는 다양한 서비스들이 활용될 수 있는 영역은 앞으로도 더욱 확대될 것입니다. 


우리 생활의 다양한 영역에서 SGS와 SGP를 만나볼 수 있는 시기가 하루빨리 도래하길 바랍니다. 


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글 | LG CNS 스마트그린솔루션팀



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●3편 연결하고 통합하면 또 다른 가치가 보인다, Smart Green Platform:

  http://blog.lgcns.com/877

●4편 에너지 효율적 활용의 한계와 소프트웨어를 통한 극복방안 : http://blog.lgcns.com/909

●5편 효율적 에너지 활용의 지휘자, Energy Management System: http://blog.lgcns.com/935

●6편 전력 자급자족(自給自足), 마이크로 그리드 : http://blog.lgcns.com/957



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Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS
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