스마트 에너지 서비스 기술

Smart Energy Service Technology

저자
이일우, 김현 / 에너지IT기술연구실
권호
30권 5호 (통권 155)
논문구분
ICT 융합기술 R&D동향 특집
페이지
69-79
발행일자
2015.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300508
초록
에너지와 ICT 기술의 융합을 통한 새로운 비즈니스 모델의 창출은 신산업 신성장동력의 대표 아젠다로 주목받고 있으며, 관련한 정부의 정책 제도들이 봇물 터지듯 제시되고 있다. 스마트 에너지 서비스는 이러한 배경 하에서 기후변화대응, 탄소거래제, 수요관리 중요성 부각 등 사회문제 이슈 해결의 중심축으로 부각되고 있다. 스마트 에너지에 대한 정의는 그 적용 범위와 도메인에 따라 달라지기도 하고, 관련 범주도 넓으며 기술의 분야도 다양한 형태를 띠고 있다. 본고에서는 스마트 에너지 기술에 대한 특징과 국내외 기술•서비스에 대한 현황에 대해 살펴봄으로써, 인류가 당면하고 있는 피할 수 없는 에너지 분야의 문제 해결에 대한 기술적 접근 방향성을 제시하고자 한다.
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Ⅰ. 서론

최근 국내의 에너지 분야에서는 에너지신산업 모델 수립, 사업화 등에 대한 이행 방안에 대해 정부, 학계, 연구소 등에서 다양한 목소리를 내고 있으며, 관련 기술개발도 활발히 진행되고 있다. 에너지新산업의 조력자(enabler)는 스마트 에너지 서비스 기술이 될 것임에 분명하다. 스마트를 실현하는 기술은 Information Communication Technology(ICT) 기술이 될 것이며, 스마트그리드, 마이크로그리드 등의 기술 영역이 그것이다[1]. 다만, 그동안 전기 에너지에 방점이 찍혀 진행됐다면, 물, 가스 등 또 다른 에너지원에 대한 관리, 제어 등의 이슈가 나타나고 있다. ICT는 에너지 분야에서의 문제점 해결을 위한 교차(cross-cutting) 기술이며, 新에너지 서비스 창출을 위한 핵심 역할을 담당하고 있다고 볼 수 있다. 본고에서는 스마트 에너지 관련 사회시스템적 배경, 기술 트렌드에 대해 살펴보고, 진행 중이거나 계획 중인 기술개발 국내외 사례를 중심으로 소개함으로써 스마트 에너지 기술의 이해 증진과 방향성을 타진해 보는 데 도움이 되고자 한다.

II. 스마트 에너지 기술개요

1. 사회시스템 연계 에너지 서비스

가. 에너지 기술 패러다임과 스마트 에너지

1) 에너지 기술 패러다임

세계 각국은 안정적 에너지 공급과 최적화된 에너지 수요관리를 통해 에너지 수급 최적화를 중심으로 대응 전략을 추진하고 있으며, 이는 에너지 안보, 지속가능 에너지, Business Model(BM)을 통한 신시장 창출 등을 에너지 정책의 근간으로 수립하는 데에서 확인할 수 있다. 최근의 사례를 보면, 신재생에너지를 중심으로 분산자원들이 소비자 영역에 도입되고 있으며, 각종 보급사업과 실증사업을 통해 그 가능성을 타진하고 있다. 머지않은 미래 에 마이크로그리드 형태의 분산 에너지 패러다임이 실현될 것이며, 그에 대한 준비가 필요한 시점이다. 에너지 시스템은 사회시스템의 변화에 따라 급속한 변화를 겪을 것이며, 다음과 같은 방향성을 가지게 된다[2].

  • •  제로 에너지 실현/기후변화 대응

    온실가스 배출 최소화, 신재생에너지·에너지저장장치 보급 확대, 에너지 절감을 벗어나 합리적 에너지소비 실현 등을 위한 스마트, 효율화, 안전, 분산 등의 기술 트렌드 추구

  • •  ICT 기반의 스마트 에너지 기술 확대

    에너지 공급-저장-소비-공유를 위한 ICT기술과 에너지 기술의 융복화 가속화를 통한 3차 산업혁명으로 대별될 수 있는 새로운 에너지 경제 체계 구축

  • •  소비자 참여형 신규 비즈니스 모델 실현

    에너지 인터넷, 에너지 공유 그리드를 근간으로 하고 소비자 참여확대를 통한 BM 활성화, 스마트 에너지 융합형 신규 BM 창출

2) 스마트 에너지 정의

스마트라는 용어는 ‘똑똑한, 영리한’의 의미로 이해되고 있으며, 에너지 분야에서의 ‘스마트 (SMART)’는 다음과 같은 기술적 특징으로 대별될 수 있을 것이다[3]-[5].

가) S

Standard, Security, Self-healing 등의 기술적 이슈를 가지고 있다. 예를 들어, 스마트그리드를 특징지을 때 우리는 ‘System of Systems’, ‘Network of Networks’라는 표현을 하고 있는데, 이는 수백/수천 가지의 장치, 시스템, 기술의 연결을 통해 서비스를 제공하는 체계를 가지는 것을 의미한다. 이러한 복잡계 시스템에서 가장 중요한 이슈가 표준(Standard) 기반의 상호운용성이다. 스마트 에너지의 표준은 국내외 동향분석을 통해 다시 기술하기로 한다.

나) M

에너지 분야에서의 스마트 기술은 창의성을 통한 새로운 가치, 新서비스와 비즈니스 모델을 만들어 낼 수 있어야 하며, 결국 시장 창출(Market-driven)과 시장을 지원할 수 있는 기술이어야 한다. 국내에서도 에너지新산업 창출에 정부의 정책과 제도가 집중되고 있다.

다) A

에너지 시스템은 사회 체계/시스템의 변화에 따라 변화가 있었으며, 최근의 변화는 신재생, 친환경 에너지 기반의 분산자원 확대, 제로 에너지 커뮤니티 사회로의 추구가 그 중심에 있다. 이러한 환경에서 공급 자원의 변동성 확대, 다양한 수요 자원에 대한 수급 최적화를 위한 자동화된 에너지 시스템(Autonomy-Energy)은 주요한 역할을 담당하게 된다. 또한, 개발되는 기술들은 산업에서 필요한 시기, 적절한 시기(Availability)에 제공되어야 할 것이다.

라) R

에너지 시스템은 기존의 유틸리티 사업자의 공고한 체계에서 벗어나 점차 유틸리티 망에 참여하게 되는 노드가 증가하고 있다. 신재생에너지/분산자원, 에너지저장장치, 전기차, 연료전지, Combined Heat & Power(CHP) 등이 있으며 수요층에서도 수요반응(Demand Response: DR), 에너지 절감 기술 등이 도입되면서 망의 복잡도는 점차 증가하게 된다. 결국, 유틸리티 망의 안전성이 보장되어야 하고, 변동성에 대응(Reliability-enhanced) 할 수 있는 기술적 뒷받침이 필요하다.

마) T

기술의 융합(Technology-merge)이야 말로 스마트 에너지 시스템/서비스의 가장 중요한 부분일 것이다. 사물인터넷(Internet of Things: IoT), 클라우드(Cloud), 빅데이터(Big Data) 기술 기반의 에너지 시스템의 변화는 국내외를 막론하고 가장 이슈가 되고 있다. 해당 분야의 기술적 접근에 대한 내용은 다시 기술하기로 한다.

나. 국내외 스마트 에너지 서비스

1) 국내외 동향 개요

스마트 에너지는 결국 에너지의 생산, 전달, 소비 과정에서의 수율(throughput)을 높이고 효율적인 운용이 가능하도록 하는 것이 목적이다. 그동안 기계공학과 전기전자공학 분야 관점에서 에너지 손실을 최대한 줄이는 것이 연구의 주를 이루어왔다. ICT기술의 융합은 기존의 정체되어있던 에너지 분야에서의 기술 혁신을 이루어내기 위한 원동력이 된다. 에너지 생산 및 소비단계에서의 공급 및 수요 예측을 통한 효과적인 에너지 사용을 가능하게 하며, 서로 다른 건물 및 장비 간의 에너지 거래 및 공유 서비스도 제공하게 될 것이다. 또한, 통신기술과 데이터기술(Data Technology)을 통해 수집한 정보를 분석하여 기존에 예측하지 못했던 다양한 부분에서의 에너지 절감과 신에너지 서비스 제공이 가능할 것이다.

2) 국내 스마트 에너지 정책

국내에서는 제2차 에너지기본계획을 통해 에너지 산업과 정책의 지속가능성 강화와 국민 삶의 질 제고 및 국민 신뢰 회복이라는 2대 비전을 중심으로 5대 중점과제를 수립한 바 있다. 2035년 전력 수요의 15% 이상을 감축하는 ‘수요관리 중심의 정책 전환’, 발전량 15% 이상을 분산형 전원으로 공급하는 ‘분산형 발전시스템 구축’, 온실가스 20% 이상 감축을 위한 ‘환경/안전 등 지속가능성 제고’, 자원개발률 40%, 신재생에너지 11% 달성을 위한 ‘에너지 안보 강화’ 그리고 2015년부터 에너지 바우처 제도 도입 등 ‘국민과 함께하는 정책 추진’이 그것이다.

또한, 제3차 에너지기술개발계획(2014~2023년)을 통해 청정·안전한 사회친화형 에너지 공급기술 확보, 고효율 사회 구현을 위한 선도적 수요기술 확보, 신시장 창출을 위한 혁신적 기술개발 중점 추진 등을 근간으로 하는 에너지 이노베이션 로드맵을 수립하고 그 이행 계획을 추진 중이다[2].

한편, 최근에 수립된 제7차 전력수급기본계획에서는 오는 2029년까지 포스트-2020 온실가스 감축을 위한 전원믹스 강화와 에너지신산업 적극 활용을 통한 수요관리 강화 등 15년간의 전력수요전망과 이에 따른 발전설비 계획을 담고 있다. 기본계획에 따르면 전력수요는 연평균 2.1% 증가해 오는 2029년 65만6883GWh, 최대전력수요는 연평균 2.2% 증가해 11만1929MWh가 될 것으로 전망했다. 이러한 목표수요 전망치는 2029년 기주 전력소비량의 14.3%, 최대전력수요의 12%를 감축하는 수요관리목표를 반영한 결과로서 제2차 에너지기본계획의 수요관리목표보다 강화된 수준이 된다.

2. 스마트 에너지 특징 및 주요 이슈

가. 에너지 기술의 특징

에너지 분야는 자원에 따라 석유, 석탄, 가스 등과 같은 1차 에너지와, 전기와 같은 2차 에너지로 나뉠 수 있으며, 원자력과 같은 형태로도 존재한다. 기술의 관점에서 분류하면, 생산, 수송, 관리 등으로 나눌 수도 있으며, 기술적 관점에서 단말, 통신, 정보화, 인터페이스 등으로 다양한 형태의 분류가 가능하다.

에너지는 그 자체가 하나의 거대 인프라 산업이며, 가스, 전기, 원자력 등 세분된 하나하나의 분야가 또 하나의 산업을 형성하고 있다. 또한, 분야별 속성과 기술 표준 등이 상이하여, 한 분야의 기술을 다른 분야에 그래도 적용하기에 어려움이 있다. 에너지의 속성은 자동차나 모바일과 같이 독립된 단위의 특성을 가지는 것이 아니라 연속값을 가지므로, 하나의 거대한 체계가 상호 유기적으로 운영되는 특성을 가진다. 그리고 설비 산업의 특성이 있으므로 교체 주기가 장대하고, 신기술의 도입에 보수적인 특성을 가지고 있다.

나. 스마트 기술

1) 스마트 기술동향

스마트 기술의 분야는 다양하지만, 그 중에서 에너지 시스템의 패러다임을 변화시킬 수 있는 영역이 사물인터넷(IoT), 빅데이터 기술일 것이다. 다음 (그림 1)과 같이 최근에 에너지 기술개발의 많은 사업이 IoT 또는 빅데이터 기반의 에너지 시스템 개발로 방향을 잡아가고 있다. 사물인터넷(Internet of Things: IoT)은 가전제품, 전자기기, 자동차, 스마트홈 등 다양한 사물(thing)들의 네트워크 연결을 의미한다. 통신기술의 발전, 센서 모듈의 소형화 및 저전력화, 통신 시장의 성장과 사용자 부담 비용 감소 등은 네트워크의 발전에 있어 큰 영향을 미쳤으며, IoT의 보급으로 이어지는 계기가 되었다.

(그림 1)

ICBM 기반 스마트 에너지 개요

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인터넷 관점과 사물 관점의 사물인터넷이 통신기술에 중점을 두고 있다면, 정보기술 중점의 의미론(semantic) 관점에서의 사물인터넷은 많은 사물에서 수집된 데이터를 취합하고 분석하는 데 초점을 두고 있다. 효과적인 사물인터넷의 구축은 각 사물 간의 연동 작동을 가능하 게 하고 그 결과를 분석하여 사람의 생활을 편리하게 만드는 데 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

에너지 분야에서의 사물인터넷 적용은 앞서 설명한 에너지관리시스템이 해당된다. 에너지관리시스템을 구축에 있어 에너지 생산 및 소비 장치들을 통신망에 연결하고, 데이터를 수집분석한 결과를 제어에 반영하여 효과적인 관리를 수행할 수 있다.

빅데이터는 분명 기존에 분석하지 못했던 대용량 데이터를 분석하고 새로운 가치를 도출해낼 수 있는 미래 유망 기술이나, 그 정의의 모호함으로 인해 많은 기업체가 별다른 전문성 없이도 빅데이터를 지원한다고 나서고 있다. 중요한 점은 빅데이터 인프라 구축보다는 수집/분석정보에 대한 이해가 우선되어야 한다는 것이다.

2) 스마트 기술 개발 동향

기존의 플랫폼 기반의 ICT산업을 선점하고 있던 IBM, MS, 구글 등은 사물인터넷 플랫폼을 누가 선점하느냐에 관심이 집중되고 있다. 또한, 새로운 부가가치 산업에 진입 기회를 상실하고 글로벌 경제권을 구글, 애플 등 인터넷 기업에 내어준 General Electric(GE) 등 전통적 제조업체들이 반전의 기회를 준비하고 있다. GE사는 자사에서 제조하는 각종 장비에 센서를 부착하여 정보를 수집하며, 이에 대해 산업IoT(Industrial IoT)라는 용어를 사용하고 있기도 하다.

2011년 일본 후쿠시마 원전 사고는 원전의 안정성 문제 등을 중심으로 다양한 관점에서 회자되고 있는 재앙이었다. 영국의 페치베이(Pachube) 사례에서는 사고 당시 개인들이 측정한 방사능 데이터들을 Pachube 기반으로 취합하는 서비스가 개발되어 서비스되는 한편, 공유 데이터를 위치 기반 애플리케이션과 연동한 방사능 지도(http://japan.failedrobot.com/)가 작성되기도 했다.

다. 표준/상호운용성

미국 National Institute of Standards and Technology(NIST)/Smart Grid Interoperability Panel(SGIP), International Electronical Committee(IEC), ITU-T SG13, IEEE 등에서 관련 표준화 활동이 진행되고 있으며, 스마트 에너지 System Committee(SyC) 그룹과 스마트 시티/커뮤니티 관련 표준화 동향에 주목해야 할 것이다.

미국은 NIST중심의 SGIP(2009. 11. 설립) 활동을 통해 스마트그리드 상호운용성/표준화 분야에서 각국의 기준/기반 문서로 활용한 ‘스마트그리드 상호운용성 표준 프레임워크 및 로드맵 3.0(2014. 9. 개정)’을 발표한 바 있다.

유럽은 Joint Working Group(JWG) on standards for Smart Grids(2010. 5. ~ 2011. 3.)후속으로 2011년 7월에 설립된 SG-CG(Coordination Group) 활동과 유럽 주요 표준화 기구(European Committee for Standardization: CEN, European Committee for Electrotechnical Standardization: CENELEC, European Telecommunications Standards Institute: ETSI)에서 스마트그리드 표준화 명령 Mandatum/490을 수행한 바 있다.

또한, 스마트 에너지 분야 주요 표준화 기구인 IEC는 스마트 에너지/그리드 관련 활동을 배가하고 있다. 관련한 주요 표준화 이슈는 다음과 같다.

  • •  전력시스템 관리 및 정보교환

    TC57(Power systems management and associated information exchange)

    ※ TC57: 가장 주요 표준인 61850(변전자동화, 분산자원), 61968/61970(정보 모델)

  • •  스마트 에너지(Smart Energy)

    2008년 설립된 Strategy Group(SG)3이 SyC on Smart Energy로 진화(2014. 11.)

  • •  스마트 시티(Smart Cities)

    System Evaluation Group(SEG)1(2013. 6.)

  • •  마이크로그리드(Micro Grid)

    ahG 53(2014. 11.)

  • •  스마트그리드 사용자 인터페이스(Smart Grid User Interface)

    PC 118

    ※ DR, Energy Management System(xEMS) 등과 계통 그리드와의 인터페이스 중심, Smart Energy Profile(SEP)/Open Automation Demand Response(ADR) 매핑 등

  • •  에너지저장장치(EESS)

    TC120

ISO/IEC JTC1 SC25에서는 홈 도메인 정보모델 기반 표준화 활동 증가하고 있으며, ‘DR 연계 스마트가전 인터페이스’, ‘HES App. Model-Residential Complex-EMS’ 등을 한국에서 주도하고 있다.

ITU-T는 Focus Group on Smart Grid 이후, 각 SG(Study Group)에서 개별 표준화 활동을 진행 중이며, 최근에는 SG20이 신설되어 사물인터넷(IoT) 및 스마트 시티/커뮤니티 분야 표준화를 중점 추진 예정이다. SG13에서는 국내 주도로 ‘Micro Energy Grid (Y.meg)’, ‘Y.energy-platform’, ‘Y.WoO for Energy Efficiency Management’ 등 표준화를 추진 중이다.

국내에서는 2010년 6월 설립된 ‘스마트그리드 표준화포럼’을 중심으로 관련 표준화 활동이 활발하게 추진 중이며, ‘스마트그리드 상호운용성 표준 프레임워크 및 로드맵 1.0’(2012. 3.) 이후에 각 도메인/분야별 표준화가 진행 중이다.

III. 스마트 에너지 기술개발 사례

앞서 기술했듯이 스마트 에너지 기술은 에너지 생산과 전달(유통), 저장, 소비에 대한 효율성을 높이는 것이 목적이고, 에너지 사용의 모니터링, 공급 및 운영은 ICT기술을 바탕으로 하며, 점차 의존도가 높아지고 있다. 기존의 독립된 산업 체계의 에너지 분야 인력/기술에 의존하여 운용할 수 있던 시대에서 점차적으로 고도화된 SW, 플랫폼, 유무선 융복합 통신 등의 기술지원이 필수적으로 요구되고 있다. 특히, 사물인터넷, 빅데이터, 클라우드 기술 기반의 에너지 기술의 새로운 패러다임 구축이 현실화되고 있다. 본 절에서는 한국전자통신연구원 융합기술연구소에서 수행했거나, 현재 추진 중인 R&D사업들과 해외 개발·서비스 사례들을 간략하게 소개하고자 한다.

1. IoT/빅데이터 기반 유틸리티 그리드 플랫폼 기술

가. IoT 기반 마이크로그리드 플랫폼 기술

마이크로그리드(Microgrid: MG)는 소규모 분산자원(태양광, 풍력, 디젤발전기, 에너지저장장치 등)과 부하의 집합체로서 기존의 전력망과 연계 혹은 독립 운전할 수 있는 소규모 전력망으로 정의한다. 통합 에너지 관리 시스템(Energy Management System: EMS), 분산전원(Distributed Generation: DG), 에너지저장장치(Energy Storage System: ESS), 수요반응(DR), 전기자동차(Electric Vehicle: EV) 등 스마트그리드 요소기술들을 특정 지역에 통합된 형태로 구현하여 에너지 사용을 저감하고 에너지 사용 효율과 에너지 자립도를 향상시키는 목적으로 구현되는 시스템이다. 마이크로그리드는 크게 3가지 서비스를 제공하게 되는데, 도메인 내에서의 수요예측, 수급 최적화 등을 위한 운용(operation) 서비스, 외부 수요관리 시장 등과의 연계를 위한 시장(market) 서비스, 그리고 에너지 절감, 분산자원 연계 응용 서비스 등을 포함하는 3-rd party 서비스가 그것이다. 분산자원과 부하의 운전정보, 상태정보, 소비량 미터링 등의 다양한 정보가 발생하며, 이러한 정보의 수집, 처리를 위한 사물인터넷 공통 플랫폼이 필요하게 된다. (그림 2)에 마이크로그리드 플랫폼의 구성을 나타내었다.

(그림 2)

사물인터넷 기반 마이크로그리드 구성

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나. 빅데이터 기반 에너지 분석 서비스 기술

빅데이터는 소셜 네트워크 서비스(SNS)의 활성화를 통해 이슈가 되고 있으며, 정보의 양이 우선 방대하고 복잡·다양한 형태로 존재하며, 엄청난 속도로 생성되고 유통되는 등 기존 정보 체계와는 다른 새로운 처리방식이 제공되어야 한다. 기본적으로 빅데이터에서 가치 발견 및 창출을 위해서는 정형 및 비정형 데이터의 의미적 통합분석이 필요하게 된다.

에너지 분야에서의 데이터는 전압, 전류 위상, 유효 및 무효전력의 흐름 등 운영과 관련된 정보, 에너지 시스템의 상태정보, 에너지 사용량, 에너지 수요 등의 미터정보, 그리고 이벤트 정보로 분류될 수 있다. 이에 따라 빅데이터 에너지 분석 시스템은 (그림 3)과 같이 다양한 채널을 통해 다양한 데이터를 수집/저장/관리하고 이종 데이터의 매쉬업을 담당하는 플랫폼과 수집된 정보를 기반으로 해당 도메인(홈, 건물, 공장/산업단지, 농장 등)에 적합한 소비 패턴 분석 예측, 절약 운전 기법을 적용하기 위한 분석 플랫폼, 그리고 기존의 에너지관리 시스템을 통해 모니터링, 제어, 가시화 서비스를 제공하기 위한 에너지 개방 플랫폼으로 구성될 수 있을 것이다.

(그림 3)

빅데이터 기반 에너지 분석/관리 시스템 구성

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2. ICBM 기반 EMS 기술

가. 클라우드 기반 건물 에너지 소비진단 및 커미셔닝 기술

신축 건물은 BAS 시스템을 중심으로 일부의 BEMS기능도 제공하는 시스템이 채용되는 경우가 많은, 기존 건물, 중소건물은 독자적인 시스템 구비가 어려운 것이 현실이다. 특히, 고가의 에너지 관리 시스템과 별도의 에너지 담당 운영자를 둔다는 것은 비용측면 등에서 애로사항이 있는 것이다. 시스템과 운영 비용을 절감하기 위한 효과적인 방법은 다수 건물에 대하여 클라우딩 기술을 기반으로 건물 설비 및 시스템의 성능을 지속해서 모니터링, 분석, 유지, 개선, 최적화함으로써 건물의 에너지 소비를 절감할 수 있게 하는 기술이다. 건물의 설계, 시공, 운영의 전체 생애주기에 걸쳐 에너지 모델링, 계측을 통한 점검 등과 같은 건물 커미셔닝을 시스템적으로 해결하기 위한 기술을 포함한다. 다음 (그림 4)에 에너지 절감을 목표로 하는 건물 커미셔닝 기술 구성을 나타내었다.

실시간 건물 커미셔닝을 통해 운용단계에서 지속적인 에너지 효율 개선을 도모하기 위해, 에너지 소비정보에 대한 통계분석, 건물 에너지 개선사항에 대한 경제성 분석 및 Measurement & Verification(M&V) 기반 효과분석 및 평가기술로 구성된다. 즉, 실시간 커미셔닝 관제센터를 통해 원격으로 다수 건물에 대한 소비진단 및 실시간 커미셔닝(On-going Commissioning) 기술을 통해 건물의 에너지 효율화를 극대화하기 위한 기술이다[6][7].

(그림 4)

ICT 기반 건물 커미셔닝 기술 구성

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나. I-My-Me & You 에너지 다이어트 및 공유 서비스 기술

점차 소비자 영역으로의 분산자원의 도입이 현실화되고 있는데, 이는 하나의 독립된 에너지 계통 체계 마련이 필요하게 된다는 것이다. 하나의 특정 영역에서 에너지 공급과 수요에 대한 적절한 제어가 필요하며, 특히 도메인 내에서의 에너지의 융통을 통해 가용도를 극대화하는 것이 최대 기술적 해결 분야이다. 에너지 소비가 많은 건물이나 공장·산업단지에서 합리적 에너지 소비와 에너지 공유·거래 기술을 이용하여, 매년 되풀이되는 전력 피크에 대한 불안을 최소화하고, 건물의 잉여 에너지를 타 건물/커뮤니티에 판매할 수 있는 기술을 제공한다. 에너지 생산·저장·소비에 대한 통합 관리를 통하여 에너지 다이어트(저감) 대책 마련하기 위해, I(내가 생산하고)–My(내가 소유하고)–Me(나를 위한)-You(내가 거래) 건물 및 단지 단위의 분산/자립형 에너지 서비스를 실현한다. 다음 (그림 5)와 같이 건물 에너지에 대한 서비스화/BM모델 실현을 목표로 에너지 다이어트 서비스 구현과 에너지 공유/거래를 위한 기반 기술개발로 구성된다.

(그림 5)

I-My-Me & You 에너지 솔루션 기술 구성

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건물 내 에너지 공급/생산-저장-소비-거래에 대한 통합관리를 위한 통합 관제 플랫폼 연동 인터페이스 및 관리 표준 프로토콜 제공, 국제표준(Energy Interoperability: EI, Energy Market Information eXchange: EMIX, OpenADR 등) 개방형 Application Programming Interface(API) 기반의 에너지 통합자원 운용/거래 플랫폼 기술, 시장 연계 및 Peer to Peer(P2P) 기반 직거래 마켓 프로토콜 기술 제공을 특징으로 한다[8][9].

3. 스마트 에너지 국외 서비스 사례

가. Xively(Pachube)

사람과 장비, 애플리케이션들을 서로 연결해주기 위한 IoT플랫폼 서비스를 표방한 Pachube는 2011년 7월 LogMeIn사에 $15 million에 인수되었으며, 이후 이름을 COSM으로 변경하였다가 최종적으로는 Xively로 변경하여 서비스되고 있다. Xively 플랫폼은 2014년 Global System for Mobile Telecommunication Association(GSMA) Mobile World Congress에서 모바일을 위한 최고의 클라우드 기반 기술로 선정되기도 하였다.

Pachube는 에너지 산업과 사물인터넷을 접목한 대표적인 사례이다. 전 세계에서 수집된 센서정보를 공유하고 협업 환경을 제공하는 등 에너지 산업에 사물 인터넷을 적용하는 것으로 서비스의 고급화가 가능하다. Xively로 변경된 이후에는 전 세계에 7개의 데이터센터를 두고 310million개의 장비, 55million의 사용자, 1million의 고객에게 서비스를 제공하고 있으며, 연간 약 1trillion개의 데이터 연결을 처리하고 있다. 다음 (그림 6)에 Xively 플랫폼 기반의 난방 온도제어 서비스 사례를 나타내었다[10][11].

(그림 6)

Xively 플랫폼 기반 난방 온도제어 서비스 사례[10][11]

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나. 산업IoT 솔루션(GE)

GE는 전문 분야인 제조업 중심으로 사업을 집중하면서, GE가 제조하는 기기들에서 수집된 정보를 새로운 서비스에 활용하는 산업IoT전략을 수립하고 추진 중이다. 예를 들어, 비행기제트엔진 최적화 서비스를 위해 태평양 횡단 비행 시 1PB 수준 데이터 축적, 빅데이터 분석을 통한 모델 개발을 수행하였으며, 제트엔진 내 센서 측정데이터를 활용한 비행 중 에너지 효율 향상 및 고장 진단이 가능한 기술을 소개하기도 했다[12]. 또한, 가스 시추 과정에서의 비용 최적화(1% 비용 절감은 $90B의 비용 절감에 해당)하는데 착안하여, 에너지 비용 절감을 위해 Big Machine에 초점을 맞추고 있다. Hadoop, Not only Structured Query(NoSQL)과 같은 빅데이터 데이터베이스 기술을 활용한 자체 플랫폼을 개발하였으며, 스마트그리드, 풍력발전기, 철도 등의 Big Machine에 대한 산업IoT기술 확보에 전념하고 있다. 관련 내용을 다음 (그림 7)에 나타내었다. 또한, AT&T와의 협업을 통한 글로벌 네트워크 확보를 통해 IoT 기반 스마트 에너지(그리드) 솔루션의 선점에 노력을 기울이고 있다[13].

(그림 7)

GE의 산업IoT 네트워크[13]

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다. 빅데이터 기반 풍력발전 위치분석 서비스 기술

Vestas는 전 세계 풍력발전기 시장의 30% 이상을 차지하는 덴마크의 기업이다. 풍력발전기는 설치 이후 위치 변경이 불가능하며, 일반적으로 설치 위치 결정에 1주일 이상의 기간과 방대한 데이터 분석이 요구된다고 알려져 있다.

Vestas는 풍력발전기 위치 선정에 소모되는 비용을 줄이기 위하여 IBM의 빅데이터 솔루션을 활용하고 있으며, 2.5에서 2.8PB에 해당하는 바람정보 데이터 및 전 세계 기상정보, 산림지도 등을 고려하여 빅데이터 분석을 수행하고 있다[14][15].

빅데이터 분석을 통한 발전기 위치선정 프로젝트를 통해 기존 1주일 이상 걸리던 기간을 10시간 이내로 단축하였으며, 이에 발전기 터빈 유지보수 시기 결정에도 빅데이터 분석을 활용하는 등 점차 활용 방안을 늘려나가고 있다. 다음 (그림 8)은 Vestas의 빅데이터 서비스에 활용하고 있는 IBM 솔루션을 나타낸 것이다.

(그림 8)

Vestas 빅데이터 서비스 활용 IBM 솔루션[14][15]

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라. 클라우드 기반 IoT센서 및 컨트롤 관리 서비스

2013년에 설립된 미국 Green Metric사는 클라우드 기반의 에너지 관리 솔루션을 개발하고 각종 전시회 등에서 기술 소개를 지속적으로 하고 있다. 특정 벤더의 네트워크 연결을 지원하는 IoT센서 및 컨트롤러에 대한 PnP 방식의 작동을 지원할 수 있는 솔루션이다. 솔루션의 개념도를 다음 (그림 9)에 나타내었다[16]. 클라우드 장비가 연결된 네트워크 내 모든 센서 및 컨트롤러를 검색해 에너지 데이터를 수집하고 제어를 지원한다. 또한, 에너지정보의 모니터링 및 제어가 가능한 웹 기반 사용자 인터페이스를 지원하여 편의성을 높인 것이 특징이다.

(그림 9)

VGreen Metric의 클라우드 에너지 관리 사례[16]

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IV. 결론

에너지는 현대 사회의 필수재로, 에너지 안보의 확보는 국가의 생존과 직결된 중요한 이슈이다. 화석 연료에 바탕을 둔 현대 에너지 체계는 고갈되어가는 자원으로 인하여 계속해서 비용이 높아질 것이며, 에너지의 효율적이고 안정적 사용은 국가 생존의 이슈임과 동시에 국가 경쟁력의 제고를 위하여 필수적 요소이다. 에너지 사용의 모니터링, 공급 및 운영은 최근 발전하는 ICT기술에 기반을 두고 있으며, 점차 의존도가 높아지고 있다. 기존의 독립된 산업 체계에서 에너지 분야 인력에 의존하여 에너지 관련 기술을 운용할 수 있던 시대에서, 더욱 더 고도화된 SW나 ICT플랫폼 기술의 지원이 필수적으로 바뀌어 가고 있다. 특히, 세계의 유수 기업들(IBM, MS, CISCO, Oracle, SAS 등)은 산업 전반을 지원할 수 있는 스마트 플랫폼을 기반으로 시장 선점에 전력을 투구하고 있다. 특히, 에너지 산업에서의 IoT/Cloud/Big Data/Mobile(ICBM)의 융합을 통한 스마트 에너지 플랫폼은 공공 인프라 구축에 지대한 영향을 끼치는 분야이기 때문에 간과해서는 안 되는 분야라고 판단된다. 이러한 스마트 에너지 체계의 구축은 국가 에너지 인프라의 효율화에 기여하여 국가 경쟁력을 제고할 뿐만이 아니라, 새로운 융합 산업을 탄생시킬 기회가 될 것임에 분명하기 때문이다.

약어 정리

ADR

Automation Demand Response

API

Application Programming Interface

BM

Business Model

CEN

European Committee for Standardization

CENELEC

European Committee for Electrotechnical Standardization

CG

Coordination Group

CHP

Combined Heat & Power

DG

Distributed Generation

DR

Demand Response

EI

Energy Interoperability

EMIX

Energy Market Information eXchange

EMS

Energy Management System

ESS

Energy Storage System

ETSI

European Telecommunications Standards Institute

EV

Electric Vehicle

GE

General Electric

GSMA

Global System for Mobile Telecommunication Association

HES

Home Electronic System

ICBM

IoT/Cloud/Big Data/Mobile

ICT

Information Communication Technology

IEC

International Electronical Committee

IoT

Internet of Things

JWG

Joint Working Group

M&V

Measurement & Verification

MG

Microgrid

NIST

National Institute of Standards and Technology

NoSQL

Not only Structured Query

P2P

Peer to Peer

PC

Project Committee

SEG

System Evaluation Group

SEP

Smart Energy Profile

SGIP

Smart Grid Interoperability Panel

SyC

System Committee

TC

Technical Committee

xEMS

Energy Management System

Y.meg

Y.Micro Energy Grid

[1] 

H. Farhangi, “The Path of the Smart Grid,” IEEE Power and Energy Magazine, vol. 8, pp. 18-28.

[2] 

산업통상자원부/한국에너지기술평가원, “2014 에너지기술 이노베이션 로드맵,” 2014. 4. 29.

[3] 

E. Schmidt and J. Cohen, “The New Digital Age: Reshaping the Future of People, Nations and Business,” Apr. 2013.

[4] 

J. Rifkin, “Zero Marginal Cost Society,” Apr. 2014.

[5] 

J. Rifkin, “The Third Industrial Revolution,” May. 2012.

[6] 

박완기, 이일우, “빌딩에너지관리시스템(BEM)의 기술 및 표준화 동향,” TTA J., vol. 147, 2013, pp. 81-86.

[7] 

J.W. Kim, Y.K. Jeong, and I.W. Lee, “Automatic Sensor and Meter Arrangement System based on Building Information Modeling,” International Conf. ICT Convergence, Oct. 2013, pp. 317-318.

[8] 

T. Hwang et al., “Design of Automated Smart Grid CIM Interoperability Test System Based on TTCN,” ICIA, 2014.

[9] 

강신육, 황태인, 이일우, “에너지 상호운용 표준에 기반한 에너지 거래 시스템 설계,” 한국정보과학회 동계학술대회, 2014.

[10] 

Xively Overview, http://xively.com/about/

[11] 

LogMeIn’s IoT Platform, Xively, Named Best Cloud-Based Technology for Mobile at GSMA Mobile World Congress, https://xively.com/blog/notes/news/logmei ns-iot-platform-xively-named-best-cloud-based-t echnology-for-mobile-at-gsma-mobile-world-cong ress/

[12] 

D. Kasibhotla and S. Lad, “Industrial Internet Using Big Data,” Big Data Techcon 2014, http://www.slides hare.net/samlad/big-data-techcon-2014

[13] 

AT&T and GE Strengthen Alliance, Fuel Innovation with Smart Energy Solutions, http://about.att.com/sto ry/att_and_ge_alliance_leads_to_smart_energy_solutions.html

[14] 

Vestas Wind Systems Turns to IBM Big Data Analytics for Smarter Wind Energy, http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/35737.wss

[15] 

R. Knorr, “Best Practices for Successful Big Data Projects,” IBM Big Data Summit, 2012, http://www-05.ibm.com/de/events/bigdatasummit/

[16] 

http://www.greenmetric.com/

(그림 1)

ICBM 기반 스마트 에너지 개요

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(그림 2)

사물인터넷 기반 마이크로그리드 구성

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(그림 3)

빅데이터 기반 에너지 분석/관리 시스템 구성

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(그림 4)

ICT 기반 건물 커미셔닝 기술 구성

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(그림 5)

I-My-Me & You 에너지 솔루션 기술 구성

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(그림 6)

Xively 플랫폼 기반 난방 온도제어 서비스 사례[10][11]

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(그림 7)

GE의 산업IoT 네트워크[13]

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(그림 8)

Vestas 빅데이터 서비스 활용 IBM 솔루션[14][15]

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(그림 9)

VGreen Metric의 클라우드 에너지 관리 사례[16]

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