스마트그리드(지능형 전력망)? 사물인터넷(IoT) 그리드!

스마트그리드? 사물인터넷(IoT) 그리드!

현 사회는 산업혁명, 정보화혁명을 지나 모든 것이 연결되는 사물 인터넷 시대로 진입하고 있다. 일각에서는 사물인터넷 시대를 초연결 시대라고 부른다. 이는 기존의 인터넷이 사이버 상에서 상호 연결되었다면, 앞으로는 현실세계와 사이버, 현실세계와 현실세계 간 연결이 가능해지면서 오프라인과 온라인의 경계가 사라지기 때문에 붙여진 이름이다. 이러한 변화는 사회 전 분야에 걸쳐 거대한 파급력을 지닌 채 우리의 삶을 바꾸어갈 것이다.

에너지 부문 역시 이러한 변화의 흐름을 피할 수 없다. 사물인터넷은 에너지 부문에도 다양한 방식으로 적용되어 새로운 에너지 비즈니스 방식을 창출할 것으로 전망된다. 현재 에너지 각 부문에서 사물인터넷의 활용이 부분적으로 이루어지기 시작하고 있는 상황이다. 전력 부문에서는 스마트미터 보급으로 스마트그리드 형성을 위한 사물인터넷의 기초 인프라가 구축되고 있다. 이에, 이번 기사에서는 사물인터넷이 스마트그리드 형성에 어떤 영향을 미치고 있는지에 초점을 맞추었다.

1. 사물인터넷(IoT)이란?

[그림 1. 사물인터넷과 에너지]

출처 : Digitalist Magazine

IoT란 Internet of things의 약자로 사물인터넷을 뜻한다. 우리가 일상에서 접할 수 있는 다양한 전자기기, 차량, 건물, 더 나아가 센서, 기계장치, 기반시설 등 다양한 물리적 장치들이 정보통신 네트워크를 통해 인터넷에 연결되어 각종 데이터를 수집하고 사용자 또는 기기들 간에 서로 주고 받는 것을 의미한다.더 나아가 사물인터넷이 센서, 기계장치, 기반시설을 포함하는 경우 단순한 정보 교환에 머무는 것이 아니라, 사이버물리시스템과 융합되어 스마트그리드(지능형 전력망), 가상전력발전소(VPP), 스마트 홈, 더 넓게는 스마트도시를 구축하고 운용하는데 매우 중요한 구성요소가 된다.

가트너는 550만 개의 새로운 사물(Thing)들이 인터넷에 추가되어 2020년에는 200억 개 이상의 새로운 사물들이 사물인터넷에 포함될 것이라고 예측하고 있다. 사물인터넷은 미디어, 마케팅, 환경 모니터링, 기반시설 관리, 제조, 에너지 관리, 의료 및 건강관리, 빌딩 및 홈 오토메이션, 교통 등 다양한 분야에 적용되며, 사물인터넷 활용 범위와 보급 수준에 따라 우리의 미래 사회에 지대한 영향을 미칠 것으로 예상된다.

  2.  스마트그리드(지능형 전력망)? 사물인터넷(IoT)그리드!

스마트그리드는 전력 부문에 정보기술, 통신기술, 디지컬 제어기술이 결합되는 산물로서 사물 인터넷의 한 분야인 에너지 인터넷(Internet of Energy)의 중심 무대가 된다. 기존 전력망 기술에 사물인터넷 기술을 적용함으로써 스마트그리드가 탄생하게 되는 것이다. 그럼 사물인터넷(IoT)기술이 스마트그리드 형성에 어떠한 영향을 끼치고 있는지 알아보자.

     1)    스마트미터

스마트그리드에서 대표적인 사물인터넷은 바로 스마트미터이다. 스마트미터는 전력회사와 양방향으로 통신할 수 있는 디지털 계량기로 가구 및 건물의 전력소비를 실시간에 가깝게 확인할 수 있다. 블룸버그 보고서에 따르면 2018년 현재 전 세계적으로 15억 대의 전기계량기가 존재하는 가운데 약 50%가 스마트미터기로 교체되었다고 한다. 이처럼 현재 스마트미터기는 계속해서 늘어나고 있는 추세라고한다.

[그림 2. 세계 스마트미터 설치 현황]

출처 : BNEF

그렇다면 과연 스마트 미터를 사용했을 때의 장점은 무엇이 있을까? 먼저, 운영비용 절감이다. 스마트미터를 통해 수동으로 계량기를 검침할 필요성이 없어지고 정전발생 지역을 바로 확인할 수 있게 되기 때문이다. 결국 원격 검침이 가능해지고, 전력망에 문제가 발생하였을 때 어디에서 문제가 발생하였는지를 기존 대비 쉽게 확인할 수 있게 되면서, 운영비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

그 다음으로는 데이터 활용이다. 스마트미터에서 생성되는 데이터는 첫 번째로, 전력망 신뢰성과 정확한 요금청구에 기여한다. 전력회사들은 현재 광범위한 규모의 에너지 사용 데이터를 기상 데이터와 함께 미래 부하예측(load forecasting)에 활용하고 있다. 이 부하예측은 개별 소비자별로도 이루어질 수 있으며, 이는 ‘하루 전(day-ahead)’ 에너지 시장에서 전력회사의 전력구매 의사 결정을 지원한다.

두 번째로, 스마트그리드 데이터는 수요반응(demand response)의 효율성을 높일 수 있다. 수요반응은 전력수요가 높은 시간대에 전력 다소비자들로 하여금 인센티브나 요금변화를 통해 전력소비를 줄이도록 하는 것이다. 보통 전력회사들은 대규모 홍보로 최대전력 발생 때 전력소비를 줄일 의향이 있는 수요반응 참여자들을 모집해왔다. 그러나 최근 들어서는 신생기업들이 스마트미터 데이터 또는 변류기센서 데이터를 이용하여 보다 효과적으로 수요반응 참여자 확보에 나서고 있다.

[그림 3. 일반 가정의 기기별 전기사용량 분석 사례]

출처 : BNEF

예를 들어, 미국의 Bidgley는 부하 세분화 알고리즘을 이용하여 스마트미터 데이터를 전력사용 기기별로 세분화하여 그 정보를 제공한다. 그리고 미국의 벨킨(Belkin), 프랑스의 와트시커(Wattseeker), 스웨덴의 와티(Watty) 등은 별도의 센서를 통해 전력사용정보를 사용기기별로 세분화하고 있다. 이러한 데이터 분석 기술은 수요반응과 별도로 가정 내의 에너지관리에 관심있는 소비자들에게 매력적이고, 전력회사 입장에서도 기기별 세부 전력사용량을 알게 됨으로써 수요반응 프로그램에 참여할 잠재적 주요 참여자들을 확인할 수 있다는 이점이 있다.

마지막으로 많은 신생기업들은 데이터 플랫폼을 이용하여 초단위로 전력계통 안정을 유지하기 위한 주파수 제어(frequency regulation) 방안을 찾고있다. 캐나다 신생기업 Enbala의 경우 지역 전력망 운영 기관과 통신할 수 있고 수초 내에 전력망 신호에 반응할 수 있는 ‘전력망 균형유지 소프트웨어 플랫폼(grid-balancing software platform)’을 설계하였다. 이 플랫폼에서 전력망 상황에 따라 공장과 폐수처리시설 같은 상업 및 산업 단지의 부하가 조절된다. 갈수록 출력 간헐성이 높은 재생에너지가 전력계통에 보다 많이 유입되면서, 주파수 제어의 필요성은 높아지고 있다.

     2)  가상발전소(Virtual Power Plant)

[그림 4. 가상발전소의 개념]

출처 : 에너지경제연구원(KEEI)

버추얼파워플랜트(Virtual Power Plant)도 사물인터넷의 발전과 함께 주목받는 영역이다. 버추얼파워플랜트는 전력회사의 송배전망에 접속 되어 있는 자가발전, 저장장치 등의 분산형 에너지 자원(Distributed Energy Resources)을 네트워크로 연결해 집적하여 가상 발전소로 가정 하고 활용하는 사업형태이다. 버추얼파워플랜트 대상은 일반 가정의 히트 펌프, 연료전지, 고정형 저장장치 등의 소형기기로까지 확대될 것이며, 전기자동차 등의 이동체가 지닌 배터리도 집적하는 방향으로 추진될 것이다.

현재 국내에서는 급전지시를 받는 발전소가 300여개에 이른다. 그러나 태양광, 풍력, 바이오매스와 같은 소규모 재생에너지와 소형 열병합, 고정형 저장장치, 전기차 배터리를 추가 고려하고, 수요반응 자원까지 종합적으로 관리한다고 가정할 때에는 제어하고 조율할 대상이 수백만 개로 늘어나게 된다. 여기에서 중요한 점은 버추얼파워플랜트의 요소가 될 수 있는 각 자원들이 네트워크로 연결되어야 하고, 그 자원들을 제어할 수 있는 소프트웨어가 필요하다는 것이다. 소규모 자원들을 엮어 하나의 대형 발전소처럼 운영한다는 차원에서 명명된 버추얼파워플랜 트는 고도화된 스마트그리드 애플리케이션이자 에너지 부문 사물인터넷 활용의 핵심이라고 볼 수 있다.

 3)     재생에너지 활용 최적화

재생에너지 활용 최적화에서도 사물인터넷의 가치는 돋보인다. 풍력 터빈 및 태양광 패널의 예측적 유지보수를 위해 여러 센서의 데이터를 수집하여 분석함으로써, 에너지 생산의 효율성을 최적화하며 에너지 출력을 보다 정확하게 예측하는 일이 주요 비즈니스 모델이 되고 있다. 풍력단지는 주로 원격지에 위치해 있고 높은 신뢰성을 필요로 한다. 출력을 최대화하기 위해서는 풍력터빈이 바람 방향과 속도에 따라 조정될 필요가 있다. 만약 터빈에 있는 블레이드(blade)의 각도가 몇 도라도 최적화되어 있지 않다면, 그 터빈의 출력에 상당한 영향을 미칠 것이다. 풍력이나 태양광과 같은 재생에너지는 화석연료 발전과 달리 기상 상태에 따라 출력이 큰 폭으로 달라질 수 있고, 예측도 상대적으로 어렵다.

그림 5. 인비젼 에너지

출처 : WindEurope

예를 들어, 인비전 에너지(Envision Energy)와 같은 사업자는 이러한 문제를 해결하기 위해, 각 풍력 터빈에 150개의 센서를 부착하고 진동, 온도, 바람속도 등의 여러 속성 데이터를 생성한다. 그 데이터는 실시간으로 수집되고 기상과 지형지도 데이터와 함께 블레이드 각도를 최적화하는 데 활용된다. 그 시스템은 또한 부품들의 마모 상태를 확인하여 사전적으로 적정 유지보수 시기를 알려준다.

이 밖에도 발전, 송전 부문의 광역 모니터링 및 제어, 센서 및 자동 화를 통한 배전망 관리, 전기자동차 충전 관리 등의 다양한 분야에서 사물인터넷이 활용될 전망이다. 사물인터넷과 거기에서 생성되는 빅데이터는 전력 생산, 전달, 소비 과정에서 원격 모니터링, 첨단 제어, 시스템 이상현상 조기경보, 정보 가시화(visualization) 등을 가능하게 함으로써 스마트그리드를 구현하는 핵심 역할을 담당 할 것이다.

   3. 사물인터넷(IoT) 관점에서 바라본 스마트그리드의 미래

이처럼 IoT는 스마트그리드 분야에서 다양하게, 창의적으로 계속해서 발전하고있다. IoT의 연결성과 접근성이 좋아지면 사용자 경험이나 효율이 높아져 소비자 상호작용이나 제어도 더 원활히 이루어진다. 그 밖에 IoT는 제조사와 유틸리티 업체에게 더 많은 정보를 제공하여 진단 비용을 절감하고 마을 전체의 계량기 값을 판독할 수도 있게 된다. 궁극적으로 IoT로 보다 촘촘하고 비용대비 효율도 좋으며 더 똑똑한 스마트 그리드를 구축할 수 있는 것이다.

IoT가 어디까지 어떻게 발전할지는 모르겠다. 하지만 두가지는 확실하다. IoT는 에너지 분야에 지대한 영향을 끼치고 있으며 더욱 더 많은 영향을 끼칠 것이라는 것이다. 우리 모두 똑똑한 에너지 사용으로 지속가능한 미래를 만들어나가는 IoT 분야에 관심을 가져보는 것은 어떠할까?

Reference

1. 에너지 신산업 시장을 여는 사물인터넷(IoT)

(https://blog.naver.com/kpetronews/221134408833)

2. [에너지소식] 빅데이터, IoT, 인공지능 (AI)의 에너지분야 적용

(https://blog.naver.com/nanoomenergy/221435607701)

3. 사물인터넷(IoT)로 재생에너지의 수요 공급 최적화를 돕다

(https://www.gereports.kr/supply-demand-internet-things-app-like-one-help-bring-renewables-home/)

4. How The Internet Of Things Helps Utility Companies

(https://www.digitalistmag.com/iot/2016/05/04/how-the-internet-of-things-helps-utility-companies-04180965)

5. WindEurope 2017 : Envision targets exports with turbine upgrades

(https://www.windpowermonthly.com/article/1451377/windeurope-2017-envision-targets-exports-turbine-upgrades)

6. 사물인터넷을 통한 에너지 신산업 발전방향 연구 - 텍스트마이닝을 이용한 미래 신호 탐색 - 박찬국, 김현제

7. 사물인터넷에서의 에너지 연구기술 동향 - 최봉준 한국뉴욕주립대학교 조교수

8. 사물 인터넷으로 더 똑똑해진 스마트 그리드

(http://www.ti.com/ww/kr/article/2014/Electronic_Science_06.html_)