에너지 ICT 기술개발 동향

1. 미래 에너지시스템 기술

가. 미래 에너지시스템 기술 트렌드

1) 글로벌 트렌드

에너지는 현대사회의 필수재로, 에너지 안보의 확보는 국가의 생존과도 직결된 중요한 이슈이며 아젠다이다. 미래 에너지시스템은 미래 사회구조/시스템의 변화에 따라 결정될 것이며, 사회 가치가 결정되면 에너지시스템이 정의될 것이고, 이는 다시 사회구조를 변화시키는 feedback loop로 발전하는 것이다. 결국 사회 시스템의 변화 및 트렌드에 따라 에너지분야는 새로운 패러다임을 맞이하게 되었다. 최근에 평가되고 분석된 사회 변화는 다음과 같이 정리될 수 있을 것이다[1]-[3].

2) 에너지 기술 패러다임

세계 각국은 안정적 에너지 공급과 최적화된 에너지 수요관리를 통해 에너지 수급에 우선 대응전략을 추진하고 있으며, 이는 에너지 안보, 지속가능한 에너지, BM(Business Model)을 통한 신시장 창출 등을 에너지 정책의 근간으로 수립하는 데에서 확인할 수 있다. 미래 에너지시스템은 화석연료 중심의 중앙집중형 에너지 공급에서 신재생 기반의 분산형 에너지 공급으로 변화될 것이며, 다음과 같은 방향성을 가지게 된다[4].

나. 주요국 에너지 기술 추진방향

1) 국내외 사례

미국은 2020년까지 온실가스 배출량을 2005년 대비17% 감축을 목표로 2013년 6월에 기후변화 액션 플랜을 수립한 바 있으며, 유럽은 신재생에너지 27% 이상 보급, 에너지효율 개선, 이산화탄소 포집/저장(CCS: Carbon Capture & Storage) 투자 등을 목표로 2014년 1월 2030 기후/에너지 정책 프레임워크를 제정하였다. 일본은 에너지 안보, 경제적 효율, 환경보호, 안전강화를 주요 내용으로 그린에너지 실현 추진이라는 액션 플랜으로 2014년 4월에 제3차 에너지 기본계획을 공표하였다. (그림 1)은 미국 DoE(Department of Energy)에서 분산전원, 마이크로그리드, 수요관리 등을 중심으로 진행되고 있는 에너지분야 최근 프로젝트를 정리한 것이다.

(그림 1)

미 에너지성(DoE) 에너지 분야 프로젝트 사례

2) 한국의 에너지정책 방향성

한국은 제2차 에너지 기본계획을 통해 에너지산업과 정책의 지속가능성 강화와 국민 삶의 질 제고 및 국민 신뢰회복이라는 2대 비전을 중심으로 수요관리 중심으로의 에너지정책 전환, 분산형 발전시스템의 구축, 환경/안전과의 조화 모색, 에너지 안보의 강화와 안정적 공급, 국민 참여형 에너지정책 추진이라는 5대 정책 목표를 수립한 바 있다. 제2차 기본계획은 ICT 기반 수요관리 강화, 전력수요 15% 감축, 에너지 저장장치, 에너지관리 시스템 보급 확대, 신재생에너지 11% 보급, 분산전원 15% 확대 등의 기술개발 방향성을 제시하고 있다.

또한, 제3차 에너지기술개발계획(2014~2023)을 통해 청정/안전한 사회친화형 에너지 공급기술 확보, 고효율 사회구현을 위한 선도적 수요기술 확보, 신시장 창출을 위한 혁신적 기술개발 중점 추진 등을 근간으로 하는 혁신 로드맵을 구축 중이다. 정부에서 추진 중인 에너지 기술혁신 로드맵은 12대 중점프로그램과 5대 혁신 프로그램으로 구성되는데, (그림 2)와 같다[4].

(그림 2)

에너지 기술 이노베이션 프로그램

2. 스마트그리드 분야 기술개발 방향

가. 스마트그리드 환경변화와 특징

1) 스마트그리드 기술 특징

앞서 살펴본 바와 같이, 사회 인프라의 전력화(electrification)는 스마트그리드라는 요체를 통해 실현될 수 있으며, 전력 에너지산업 및 기술과 관련된 주변 환경은 다음과 같은 변화를 경험하고 있으며, 특징은 다음 <표 1>과 같이 정리될 수 있다. 환경변화의 흐름에서 중요한 부분은, 통신(연결성 보장), 플랫폼(개방형 서비스 제공), 상호운용성(시스템/서비스 간), 클라우드/빅데이터(에너지 정보관리), 보안 등과 같은 ICT 기술들이 여러 분야에 대한 중첩성을 가지면서 역할이 점차 증대하고 있다는 점이다[5].

<표 1>

스마트그리드 환경변화 및 특징

2) 스마트그리드 기술적 생태계

앞서 살펴본 환경변화에서 언급한 바와 같이 ICT 기술의 적극적 수용/융합은 대내외적인 흐름 및 방향이며, 특히, SW와 플랫폼은 스마트그리드의 전체 프레임워크를 변화시킬 수 있는 분야가 될 것이다. 생태계의 변화 측면에서 보면, 전력시스템 분야에서 HW와 SW의 unbundling이 가속화되고 있으며, 비전력 ICT 기업의 전력 SW 시장진출이 확대될 것임에 따라, 제조사 개발 SW에서 플랫폼 기반의 응용서비스 SW 개발이 활성화될 것이다. 전력산업에 있어서 SW 역할이 점차 증대할 것이며, 이는 결국 전력기술 관련 SW 경쟁력확보가 필요하고, SW 분야는 선진국과 동등 또는 경쟁우위에 설 수 있는 분야이기도 하다.

플랫폼이라 하면, 전력시스템, 제어시스템, ICT 기기, 통신망, SW 등이 효율적으로 서비스를 연계하고 데이터 전송이 가능하도록 구성된 표준 프레임워크, 표준 정보모델 및 인터페이스 등의 집합체계로 정의할 수 있다. 이러한 플랫폼은 표준화된 개발 인프라를 제공함으로써 개발 생산성 및 품질을 향상시키고, 표준 정보모델 및 인터페이스를 통해 상호연동 및 시너지 창출을 도모함으로써 궁극적으로 발전/운영 비용의 감소, 안정적 전력망 운용을 가능하게 한다. 더해서, 부가가치가 높은 SW 패키지의 개발을 통해 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있어서, 해외사업의 진출의 기반도 마련될 것이다.

나. 스마트그리드 기술개발 목표

1) 스마트그리드 기술 목표(SMART)

스마트그리드가 추구하는 기술적 방향과 특징은 다음과 같이 정의할 수 있다.

2) 스마트그리드 R&D 비전/액션

지금까지 살펴본 바와 같이, 스마트그리드를구축하기위한 전력 ICT 융합의 기술적 목표는 저탄소 에너지원을 전력망에 통합시키는 것을 지원하고, 소비자 참여형 수요관리, 국가 에너지 독립, 경제적 안정성을 제공하기 위한 스마트그리드 플랫폼으로 발전시키는 것이다. 범위를 조금 좁혀서 소비자 도메인 영역에 근접한 스마트그리드 기술은 상업화 가능한 마이크로그리드 기술, 배전 그리드 자가치유 기술과 소비자 단 분산전원, 수요반응, 전기차밀결합 기술로 특징지을 수 있을 것이다[6]-[10]. 다음 장에서 이와 관련된 기술개발 사례를 통해 연구개발 현장에서 추진하는 현황을 소개하고자 한다.

1. 스마트홈/그린홈 에너지관리 기술

가. 제로카본 그린홈 에너지관리 시스템 기술

1) 기술 개요

주거환경에서 에너지 소비현황과 신재생에너지 정보를 수집/관리하고, 환경정보와 사용자의 생활패턴 및 설정정보 등을 분석하여 홈 내 에너지 통합관리/제어기능을 제공한다. (그림 3)과 같이 가구별 에너지관리를 위한 측정-통신-제어 통합 융복합 모듈, 신재생 및 자동창호 등 그린홈 요소기술의 제어관리를 포함하고, 다수 가구 통합관리를 위한 원격통합 관리서버로 구성된다.

(그림 3)

HEMS 기술 구성도

2) 기술 특징

공동 주거공간의 에너지관리를 통합하고 효율적이고능동적으로 수행하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 실시간 전력 측정 및 제어를 위한 저전력 HAN(Home Area Network) 융합 스마트 미터 모듈 기술, 홈/단지 서버에 최적화된 공동주거형 에너지관리 기술, 사용자 친화형월패드 및 휴대폰 사용자 인터페이스 기술, 국제 De Facto표준인 SEP(Smart Energy Profile) 기반의 에너지관리 서버/클라이언트 기술들을 특징으로 한다[11].

나. 무선 개인통신망(WPAN) 기반 가정 내 에너지관리 기술

1) 기술 개요

가정 내 에너지 소비장치들에 대한 좀 더 세부적인(fine-grained) 에너지관리를 위한 WPAN(Wireless Personal Area Network) 통신 인프라 기반의 홈 에너지 그리드(HEG: Home Energy Grid) 구축 및 사용자 홈 에너지 서비스를 제공한다. (그림 4)와 같이 지그비 확장 버전이라고 할 수 있는 SUN(Smart Utility Network) 기반 무선통신 인프라를 중심으로 개별 디바이스에 대한 관리/제어를 포함한다.

(그림 4)

HEG 기술 구성도

2) 기술 특징

홈 에너지 그리드를 구축하기 위해서 댁내 무선 음영지역 해소를 통한 무선 네트워크기술, 응용프로세서 기반 HEG서버 플랫폼, 스마트폰 기반의 홈 에너지 모니터링/제어 응용서비스 기술 등을 특징으로 한다[12].

2. 고효율 건물 에너지관리 기술

가. 고효율 건물 에너지 감응형 EMM 플랫폼 기술

1) 기술 개요

에너지관리 대상이 되는 각 건물에 온습도/재실 센서등 센서장치들과 미터기, 유량계 등을 설치하고 각종 미터링 정보를 수집하기 위한 EMM(Energy Monitoring & Management) 클라이언트와 각 건물로부터 수집된 에너지 정보를 분석하고, 건물 설비 운전방식 및 개선점을 제공하기 위한 EMM 센터로 구성되는데, 기술의 구성을 (그림 5)에 나타내었다.

(그림 5)

EMM 기술 구성도

2) 기술 특징

지속적이고 실시간 빌딩 에너지 모니터링, 진단 및 제어를 위한 이기종 빌딩 BAS(BAS Building Automation System) 통합 EMM 클라이언트 기술, 각 건물 에너지 정보를 기반으로 상황 인지 빌딩 에너지절감 추론 및 효과분석 평가도구 기술을 포함하고 있다. 또한 별도의 개별 운영자없이 원격에서 다수의 빌딩군에 대한 에너지 환경정보 수집, 분석, 통계 및 리포팅 기능을 제공하기 위한 클라우드 BEMS(Building Energy Management System) 기술을 제공한다[13].

나. ICT 기반 건물 에너지 소비진단 및 커미셔닝 기술

1) 기술 개요

다수 건물에 대하여 ICT 기술을 기반으로 건물 설비및 시스템의 성능을 지속적으로 모니터링, 분석, 유지, 개선, 최적화함으로써 건물의 에너지 소비를 절감하는 기술이다. 건물의 설계, 시공, 운영의 전체 생애주기에 걸쳐 에너지 모델링, 계측을 통한 점검 등과 같은 건물 커미셔닝을 시스템적으로 해결하기 위한 기술을 포함한다. (그림 6)에 에너지절감 20%를 목표로 하는 건물 커미셔닝 기술 구성도를 나타내었다.

(그림 6)

ICT 기반 건물 커미셔닝 기술 구성도

2) 기술 특징

실시간 건물 커미셔닝을 통해 운용단계에서 지속적인 에너지 효율개선을 도모하기 위해, 에너지 소비정보에 대한 통계 분석, 건물 에너지 개선사항에 대한 경제성 분석 및 M&V(Measurement & Verification) 기반 효과분석 및 평가기술로 구성된다. 즉, 실시간 커미셔닝 관제센터를 통해 원격으로 다수 건물에 대한 소비진단 및 실시간 커미셔닝(On-going Commissioning) 기술을 통해 20% 에너지 소비가 이루어지는 건물의 에너지 효율화를 제공한다[14].

3. I-My-Me & You 에너지 다이어트 서비스 기술

가. 빌딩/단지의 에너지 통합관리 서비스 및 에너지 거래 기술

1) 기술 개요

에너지 소비가 높은 건물(건물분야 국내 소비 20%, 국외 소비 40%)에서 에너지 소비절감과 에너지 공유/거래 기술을 이용하여, 매년 되풀이되는 전력피크를 최소화하고, 건물의 잉여전기를 타 건물/커뮤니티에 판매할 수 있는 기술을 제공한다. 에너지 생산•저장•소비에 대한 통합관리를통하여 에너지 다이어트(저감)대책을 마련하기 위해, I(내가 생산하고)–My(내가 소유하고)–Me(소비하고)-You(내가 거래) 건물 및 단지 단위의 분산/자립형 에너지 서비스를 실현한다. (그림 7)과 같이 건물 에너지에 대한 서비스화/BM 모델 실현을 목표로 에너지 다이어트 서비스 구현과 에너지 공유/거래를 위한 기반 기술개발로 구성된다.

(그림 7)

I-My-Me & You 에너지 다이어트 기술 구성도

2) 기술 특징

건물 내 에너지 공급/생산-저장-소비-거래에 대한 통합관리를 위한 통합 관제 플랫폼 연동 인터페이스 및 관리 표준 프로토콜 제공, 국제표준 EI(Energy Interoperability), EMIX(Energy Market Information eXchange), OpenADR(Automatic Demand Response) 등) 개방형 API 기반의 에너지 통합자원 운용/거래 플랫폼 기술, 시장 연계 및 P2P 기반 직거래 마켓 프로토콜 기술 제공을 특징으로 한다.

나. 에너지 종량제 기반 스마트오피스 에너지 다이어트 서비스 기술

1) 기술 개요

소비자 도메인에서 전력 에너지 소비를 정상소비 및낭비소비로 구분하고, 개인 및 에너지 객체/설비별 전력 소비량을 측정/관리하여 에너지 낭비를 최소화하기 위한 에너지 종량제 기반의 에너지 다이어트 서비스 기술을 제공한다. (그림 8)과 같이 ETRI 12 연구동을 대상으로 에너지 소비요소를 세부적으로 모니터링/분석하여 개인별 낭비요소를 최소화하기 위한 서비스를 실현한다.

(그림 8)

에너지 종량제 기반 에너지 다이어트 서비스 기술 구성도

2) 기술 특징

소비자 도메인 통합관제 TOC(Total Operation Center)를 구축하고, 사무환경 객체에 대한 소비전력 모니터링 및 관리를 위해 유무선 네트워킹 인프라를 구축하며, 사용자 응용서비스(모니터링, 제어 등)를 제공하기 위한 각종 웨어러블 장치로 구성된다[15].

4. 분산전원/신재생 연계 ICT 기술

가. 태양광 열화진단 직류 전력선 통신(DC-PLC)기술

1) 기술 개요

최근 햇빛발전소 등 태양광발전 에너지자원이 각종 대여사업 등을 보급이 활성화되고 있으며, 유지관리를 위한 태양광장치 상세 모니터링의 필요성이 대두되고 있다. 모니터링을 위한 추가 통신 인프라 구축비용으로 인한 보급 제한이 있으며, 이를 해결하기 위해 별도의 통신선 설치 없이 직류 전력선 기반 모니터링 시스템을 제공한다. 태양광 유지보수/관리를 위해 구축된 직류형 전력선 통신(DC-PLC: Direct Current-Power Line Communication)기술 구성도를 (그림 9)에 나타내었다.

(그림 9)

태양광 열화진단/유지관리 직류 전력선 통신기술 구성도

2) 기술 특징

태양광발전 시스템의 직병렬 계층구조에 적합한 전력선 통신 네트워크 구성과 관리기술, 추가적인 통신선로 없이 태양광 모듈 정션박스에 플러그인 되는 형태의 하드웨어 구성 등을 제공한다. 본 직류 전력선 통신기술은 태양광 유지관리 이외에 에너지 저장장치, 전기차 등 스마트그리드 주요 구성요소들 간 연결성을 제공하기 위해 활용될 수 있는 것을 특징으로 한다[16].

나. VPP 기반 통합 에너지관리 기술

1) 기술 개요

국내에는 7만여 대의 비상용 발전기가 설치되어 있으며, 이는 원전 수대의 용량과 맞먹는 발전량이 된다. 기 보급되고 운영 중인 발전자원의 활용 측면과 전력피크 대응, 수요반응 서비스 대상 장치로써 의미가 높으며, 이는 추가적인 병렬 운전 제어장비 및 자원관리 기술을 통해 자원화할 수 있다. 또한, 보급사업 등을 통해 설치되는 에너지 저장장치의 관리 및 서비스/사업화는 중요한 이슈가 되고 있다. (그림 10)과 같이 건물 또는 소비자 도메인에 구비된 비상발전기, 에너지 저장장치 등과 연계를 통해 수요반응 시장에 참여하고, 국가적인 차원에서 공급 및 저장장치들에 대한 통합관리를 가능하게 하는 기술이다.

(그림 10)

가상발전소(VPP) 기반 통합 에너지관리 기술 구성도

2) 기술 특징

전력시스템의 주요 국제표준인 IEC 61850 데이터 모델 기반 가상발전소(VPP: Virtual Power Plant) 통합관리를 위한 OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture) 인터페이스 제공, 비상발전기 연계 CTTS(Closed Transition Transfer Switch) 장치 및 통신 인터페이스를 통한 발전자원/자산관리 기술, VPP 안전관제 원격/실시간 모니터링 및 정보분석 기술 등을 특징으로 한다. 또한, 비상발전기 및 에너지 저장장치 자원화/서비스화를 위한 기술 및 정책 제도화 및 비즈니스모델 개발을 포함한다[17].

5. 스마트그리드 에너지 정보처리 기술

가. CIM 기반 스마트그리드 모의시험 기술

1) 기술 개요

전력시스템 표준 정보모델인 CIM 준용 상호운용성 시험 및 검증을 목표로 전력정보 계측 및 관리를 위한 모의시험 서비스환경을 구축하고, 미터링 및 미터데이터 집중기/관리 시스템 간 정보모델 시험 기술을 제공한다. (그림 11)과 같이 소비자 미터기로부터 수집되고, 집중기를 통해 취합된 미터 데이터는 최종 미터 데이터 관리시스템에서 총괄관리되게 된다. 이처럼 각 구성요소들 간 표준 기반의 정보모델링 시험 기술은 상호운용성 보장을 위한 핵심 기술이 된다.

(그림 11)

스마트그리드 인증체계 서비스 모의시험 기술 구성도

2) 기술 특징

본 모의시험 기술은 IEC 61968-9 CIM(Common Information Model) 전력 계측 정보모델 상호운용성 시험 자동화 Tester 엔진, IEC 61968-100 프로파일 기반 메시지 모니터링용 ESB(Enterprise Service Bus) 기술 등으로 특징으로 하고 있으며, 스마트 미터 상호운용성 시험을 위한 전반적인 환경을 제공한다.

나. 스마트미터 디스플레이 통합 운영시스템 기술

1) 기술 개요

정부와 한전은 국내 전체 가구를 대상으로 스마트 미터기 보급을 목표로 하고 있으며, 댁내/건물 내 에너지 정보 디스플레이(IHD: In-Home Display) 보급도 병행하고 있다. 다음 (그림 12)와 같이 국가 차원에서 보급 사업자별 운영시스템을 통한 관리하기 위한 시스템을 구축하였다.

(그림 12)

스마트미터 디스플레이 통합 운영시스템 기술 구성도

2) 기술 특징

이종 사업자 운영시스템과 연동하여 데이터 수집 및 통합 모니터링, 사업자별/건물별/사용자별 에너지 소비정보 모니터링 및 효과분석을 제공하며, 원격 웹 기반 수용가 에너지 모니터링을 통한 에너지절감 방안 제안, 정책적 제언 및 개선방안 도출을 특징으로 한다[18].

6. 스마트그리드 상호운용성 기술

가. 스마트그리드 상호운용성 프레임워크 기술

1) 기술 개요

스마트그리드는 다수 시스템 및 네트워크의 집합(System of Systems/Network of Networks)으로 구성되며, 시스템 간 상호운용성은 필연적으로 해결해야 할 과제이다. 선진 외국은 자국의 환경에 적합한 스마트그리드 표준화 프레임워크를 수립/개발하고 있다. 이에 국가 차원의 스마트그리드 표준화 프레임워크(v1.0)를 제공한다. (그림 13)은 전력, 통신, 정보/데이터 계층별 구성요소 간 인터페이스를 정의한 것이며, 이를 통해 국내외 표준화현황, 갭(gap) 분석, 우선표준화 대상 로드맵 등의 표준화 전략을 수립하였다.

(그림 13)

스마트그리드 계위별 상호운용성 프레임워크

2) 기술 특징

스마트그리드를 구성하는 각종 전력/ICT 시스템 및 장치들은 크게는 스마트 파워 그리드(발전, 송변전, 배전), 스마트 서비스(마켓, 운영, 서비스제공자)와 스마트 프로슈머(분산전원, 수용가, 전기차)와 같이 9-도메인 모델로 구분 지을 수 있다. 또한 하부의 전력 에너지 흐름, 시스템 간 통신, 상위의 데이터/정보 흐름을 규정지을 수 있는데, 3 계층 인터페이스 모델을 특징으로 한다. 이를 기반으로 표준 대상 기술 영역별로 시험 및 인증 표준을 정립하고 적합성 평가시스템을 구축함으로써 최종적으로 국가 스마트그리드 상호운용성을 확보하게 된다.

나. K-MEG 표준화 프레임워크 기술

1) 기술 개요

국내외 실증 사이트를 통해 마이크로 에너지 블록 개념의 사업화 모델 창출을 목표로 진행 중인 K-MEG(Korea-Micro Energy Grid) 사업은 스마트그리드, 분산전원, 건물 에너지(열, 전기, 가스 등) 기술 등을 융합한 차세대 에너지 기술이다. K-MEG의 목표는 마이크로 에너지 그리드 개념을 정립하고 에너지 생산과 사용을 효율적으로 운영하여 제로 에너지 건물, 에너지 자급자족 도시를 구현할 수 있는 에너지 토털 솔루션 개발 및 확산이다. 따라서, 다양한 에너지원과 복합 시스템 간 상호운용성 제공을 위한 계위별 표준 인터페이스 등의 제공이 필연적이다. (그림 14)는 KMEG 표준화 프레임워크를 개발하는 과정을 도식화한 것이다.

(그림 14)

K-MEG 표준화 프레임워크 개발과정

2) 기술 특징

국가 스마트그리드 표준화 프레임워크를 기본으로 상호운용성 확보를 위한 마이크로 에너지 그리드 표준 참조모델과 프레임워크, 사업화를 위한 표준 가이드라인, 에너지 절감과 효율향상을 위한 응용서비스 모델을 제공한다. 이를 위해 MEG 요구사항 분석, 기능 구조, 개념 참조모델 및 표준 인터페이스를 분석하였으며, 첨단계량 인프라, 수요반응, 분산 그리드 관리, 수용가 EMS 응용서비스 모델 제공을 특징으로 한다[19].