에너지 산업의 디지털화, 지능형 발전소!
에너지 산업의 디지털화, 지능형 발전소!
대학생신재생에너지기자단 18기 이다연, 19기 김수정, 19기 임하영, 19기 문서영, 20기 윤지민
에너지 분야의 모든 것이 디지털화되고 있다?
인공지능이 각계각소에 적용되는 시대적 흐름에 따라 에너지 분야의 모든 설비에서도 디지털 변환이 이루어지고 있다. 발전소 내 실시간으로 감시와 제어가 가능한 지능형 시스템뿐만 아니라 업무 프로세스, 고객서비스 분야에서도 디지털 기반의 솔루션으로 혁신을 이루어내고 있다. 인공지능, 빅데이터, VR/AR 등 4차 산업혁명에 따라 디지털 생태계가 활성화되면서 에너지 산업에도 변화의 바람이 불고 있는 것이다. 아래 표에서는 에너지산업의 부문별 디지털변환 내용을 확인할 수 있다.
[자료 1. 에너지 산업의 부문별 주요 디지털변환 ]
출처 : 전기신문
이러한 에너지산업에서의 디지털화는 미세먼지 저감과 이산화탄소 배출 감소에도 꽤 효과적이다. 이에 따라 글로벌 에너지 시장에서는 이미 탈탄소화 설비의 효율적 운영을 위해 디지털화가 활발하게 이루어지고 있다. 우리 정부도 그린뉴딜과 디지털뉴딜을 연계할 수 있는 에너지 산업 디지털화를 본격 추진하기 위해 다양한 연구개발을 진행 중이다. 에너지 산업 중 특히 발전분야에서는 *지능형 발전소 플랫폼 구축 사업이 대표적이다.
기업과 정부에서 환경친화적인 경영에 더욱 집중하면서 그들의 역할에 대한 가치관이 급변하고 있다. 이런 흐름에 따른 발전 부문에서의 디지털화 사업인 ‘지능형 디지털 발전소(IDPP)’를 알아보자.
*LNG 발전소 등의 발전 현장에서 생산되는 데이터를 수집∙분석하는 시스템 구축 사업
[자료 2. IDPP사업의 개념도]
출처 : 인사이트 N파워
지능형 발전소란?
일반적으로 ‘발전소’란 전기를 생산하기 위한 원동기와 발전기를 갖춘 곳을 의미한다. 발전소에서 공급되는 전력은 각종 산업과 생활에 필수적이며 발전소가 고장나면 다른 산업에도 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 ‘지능형 디지털 발전소(Intelligent Digital Power Plant)’이다. 지능형 디지털 발전소(IDPP)란 데이터를 토대로 운영되는 발전소로 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능 등의 ICT기술을 이용하여 디지털 공간에 실제와 같은 가상의 디지털 발전소를 형상화한 최신 기술이다. IDPP에서는 수집된 데이터들과 ICT기술들을 토대로 설비를 학습시켜 단순한 감시 기능을 넘어 설비 고장 경고, 교체 시점 예측 등의 사전 예측을 통한 설비 운전과 정비 효율성 향상이 가능하다.
지능형 디지털 발전소의 도입은 산업, 환경, 안전 등 다양한 분야에 긍정적인 영향을 주게 된다. 첫째로 데이터를 통해 운전과 정비를 최적화함으로써 효율적인 산업 혁신에 기여할 수 있다. 그 예시 중 하나가 장비 상태의 모니터링으로, 발전소에서는 발전기의 운전이 계속적으로 이루어지기 때문에 주기적으로 점검할 필요가 있다. 그러나 문제가 발생한 후에 대응을 한다면 피해가 클 수밖에 없다. 이때, 지능형 디지털 발전소는 실시간 모니터링을 통한 신속한 조치가 가능하며 예측 정비를 통한 낮은 위험성과 고장을 최대한 줄일 수 있다. 또한 IDPP의 사전 예측을 통해 발전소의 설비 운영관리시스템의 최적화, 발전수익 극대화, 정비비용의 최소화 등이 가능하다. 추가적으로 발전소 제작사 측에서 해결할 수 없는 부분들을 운영기술을 가진 관리사 측에서 해결함으로써 국내 발전사와 관리사가 유기적으로 협업하여 전력 연구원의 전문기술을 융합한 발전소 운영 플랫폼 생태계를 조성하고 발전분야의 O&M시장을 선점할 수 있다.
둘째로 지능형 디지털 발전소를 통해 발전설비의 운전과 정비를 최적화한다면 불필요한 운영이 사라진다. 그만큼 미세먼지와 CO2 배출이 감소되면서 환경보호가 가능하다. 또한 안정적인 설비운영이 이루어지면서 현장 근무자들의 장비 점검 시간이 단축되고, 안전사고를 예방하는 등 발전소 운영에 있어서 안전사고의 위험성을 줄일 수 있다.
*O&M시장: Operation & Maintenance 운영관리, 유지보수 관련시장
지능형 발전소, 기술 동향은? : 해외를 중심으로
우선 해외의 경우 플랫폼 기술은 선도하고 있으나 이를 애플리케이션에 연동하는 기술은 아직 미흡한 실정이다. 관련된 해외 사례로 독일 SIEMENS는 스마트 팩토리 및 에너지 분야 활용을 위해 분석 플랫폼인 MindSphere를 개발하고 있으며 미국 GE는 전 산업분야 적용을 위한 빅데이터 플랫폼 Predix를 개발하였으나 해당 앱을 적용한 사례는 매우 미미한 수준이다.
[자료 3. 지능형 발전소의 해외 제작사 기술개발 동향]
출처 : 네이버 포스트
지능형 발전소, 기술 동향은? : 국내를 중심으로
국내에서는 한국전력에서 자체 업무 시스템에서 생산되는 전력 빅데이터를 바탕으로 발전소 운영과 유지보수 비용을 저감하기 위한 연구개발을 진행하고 있다. 한전이 생산하는 발전 유관 데이터는 3조3000억 건이며 생성되는 데이터는 연평균 28.1%의 비율로 증가하는 추세다. 이를 바탕으로 1) 발전 2) 송·변전 3) 배전 4) 신재생 5) 자산관리 6) 영업 데이터 활용 등 6개 분야에 대해 디지털화 전략을 추진 중이다. 개발된 디지털 발전 기술은 2026년까지 약 5,000억원의 경제성과 창출에 기여할 것으로 추정된다.
디지털변환 기술을 발전에 도입함으로써 종합공정 혹은 단위기기나 플랜트에서의 빅데이터 취득 및 처리가 가능해졌다. 뿐만 아니라 시설 감시와 예측이 가능하고 운전 및 정비 최적화를 위한 디지털 트윈 및 AR/VR도 가능하다. 자율운전 및 최적화 기술은 물론 건전성지수나 위험도기반 또는 상태기반의 정비기법을 이용한 자산의 성능관리를 통해 발전비용의 최적화를 지향하는 기술까지 구현 가능하다.
전력연구원의 발전기술연구소에서는 2017년 환경 변화와 정보통신기술 등의 혁신으로 에너지 산업의 패러다임 변화에 대응하기 위해 연구과제를 착수하였다. 연구개발은 총 두 단계로 진행된다. 크게 발전소 핵심설비의 운전 데이터를 디지털화하여 저장하고 분석할 수 있는 플랫폼 개발과 그 플랫폼 환경 하에서 앱을 개발하고 상용화할 수 있는 기술 개발이 있다.
IDPP 1단계에서는 빅데이터 및 AI, IoT 등을 활용한 지능형 디지털 발전소 기반을 구축한다. 한전 자체에서 수행하는 기술 개발로서 전문가시스템 개발과 운영 그리고 자산성능관리 기술까지 개발하여 발전소 핵심설비의 운전상태 진단 및 조기경보를 수행할 수 있다. 또한 운전상태를 감시 및 진단하고 정비이력, 재무정보 등 자산의 건전성 평가를 통한 정비주기 계획과 의사결정 정보를 제공한다. 이를통해 발전비용의 최적화를 도출하고, 마지막으로 Visual Center에서는 AR/VR 기술을 활용한 현장교육 및 원격기술지원 서비스까지 이용할 수 있다.
IDPP 2단계에서는 전력그룹사와 공동으로 개발, 실증 적용하는 연구분야로, 발전분야에 특화된 표준플랫폼(Hub-PoP for Gen)을 개발하고 활용한다. 그 예로써 발전 플랜트 열성능 관리 시스템, 최적연소 전문가 시스템, 디지털트윈 및 사이버물리 시스템 등 보일러 및 가스터빈 등과 관련한 신규 앱(App.)등이 있다.
[자료 4. IDPP의 단계별 주요 내용]
출처 : 한국전력
한편 태안화력발전소에서는 한국전력과 서부발전이 공동으로 하여 ‘지능형 디지털 발전소 개발사업’의 센서 실증 시험 설비를 구축하였다. 해당 사례의 일부로 보일러 튜브 관리 시스템을 들 수 있는데, 서부발전의 설비 현장에 해당 시스템을 설치하여 보일러 튜브의 수명을 예측하여 예방 정비를 하고 비상 정지를 방지하도록 하는 시스템으로 발전소의 가동률을 획기적으로 증대할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 두산중공업에서는 발전소 원격관리서비스 센터에서 발전설비에 대한 조기경보 프로그램을 운영하고 있다.
그러나 미국의 EPRI(Electric Power Research Institute)에 따르면 국내 발전사의 예측정비기술은 초기 운영의 단계에 불과하다는 평가를 받았다. 또한 플랫폼 기술은 아직 운전 및 정비 데이터의 수집과 저장 중심의 데이터 플랫폼을 운영하는 수준이다. 따라서 향후에는 산업용 플랫폼 기반에서 수명 예측을 통해 발전설비를 최적으로 관리할 수 있는 기술이 개발되어야 할 것이다.
지능형 발전소 출현의 기대효과
환경문제가 심각해짐에 따라 친환경적이면서도 효율적인 발전소로의 전환에 대한 요구가 급증하고 있다. IDPP의 등장으로 사고 위험성은 낮아지고, 미세먼지와 CO2배출의 감소로 환경에도 도움이 될 수 있다. 심지어 이러한 시스템을 갖추기 위해서 새로운 인력은 필수이기 때문에 고급 일자리 창출도 이루어질 것이다.
이렇게 발전 분야의 변화가 필요한 시기에 발전 기술에 지능화와 디지털화를 접목한 IDPP는 발전소의 효율적인 운영이 가능하다는 점에서 주목할만하다. 지능형 발전소는 경제성과 친환경성을 모두 누릴 수 있는 시스템이다. 보편화된 지능형 발전소로 인해 새로워질 미래가 기대된다.
참고문헌
1) 강은철, kharn, "한전·전력그룹사, 지능형 디지털 발전소 개발", 2020.05.12, http://www.kharn.kr/mobile/article.html?no=12679
2) 나지운, 전기신문, "글로벌 에너지 산업, 디지털화 대세 되나", 2021.02.04, https://home.kepco.co.kr/kepco/KR/ntcob/ntcobView.do?pageIndex=1&boardSeq=21050274&boardCd=BRD_000516&menuCd=FN3113
3) 전기신문, naver TV, "한전 전력 연구원에서 지능형 발전소를 만나다!", 2020.06.05, https://tv.naver.com/v/14142453
4) 과학기술정보통신부, "발전기술과 ICT 기술이 융합된 지능형 디지털 발전소 IDPP", 2021.04.12, https://blog.naver.com/with_msip/222307023943
5) 생동감 넘치는 에너지, 한국동서발전, "지능형 발전소, IDPP", 2020.12.23, https://blog.naver.com/iamewp/222182804891
6) 권준범기자, ‘전력연구원, 지능형 디지털 발전소 개발 본격화, 에너지신문, 2021.03.05, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=75585
7) 권준범기자, ‘발전산업의 미래, 주목받는 ‘지능형 디지털발전소’, 에너지신문, 2020.05.12, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=70365
8) 조강희 기자, ‘진정한 차세대 발전설비, 지능형 디지털 발전소(IDPP), 한국에너지, 2019.05.20, http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=106691
9) 네이버 포스트, 전력연구원, ‘지능형 디지털 발전소 구축 기술’, 2019.06.20, https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=21580676&memberNo=41515312
10) 강은철, “한전·전력그룹사, 지능형 디지털 발전소 개발”, Kharn, 2020.05.12, http://www.kharn.kr/news/article.html?no=12679
11) 나지운, 글로벌 에너지 산업, 디지털화 대세 되나, 2021.02.04, 전기신문, https://home.kepco.co.kr/kepco/KR/ntcob/ntcobView.do?pageIndex=1&boardSeq=21050274&boardCd=BRD_000516&menuCd=FN3113
12) 한국전력, “더 똑똑한 발전소? 한전의 지능형 디지털 발전소!”, 2019. 7. 25, https://blog.kepco.co.kr/1556
13) 이종민, 발전산업의 디지털 변환, 지능형 디지털 발전소(IDPP), NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, NICE, 제38권 제1호, 2020
14) 규제샌드박스, 네이버포스트, “에너지 산업의 미래를 이끌 ‘지능형 디지털 발전소(IDPP) 플랫폼’”, 2020.10.30, https://blog.naver.com/motiesandbox/222131221920
