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[기술칼럼] 분산 에너지 자원 전력시장의 새로운 트렌드, Micro Grid(마이크로 그리드)

2017. 03. 17

▶ Micro Grid (마이크로 그리드)
현재 전력산업은 과거 산업화 시대에 추진했던 대규모 발전소를 건설해 생산한 전력을 초고압 전력망을 통해 전송하는 방식에서 분산 자원을 활용한 소규모 발전으로 패러다임이 변화하고 있습니다.

우리나라나 일본뿐만 아니라 전 세계적으로 전력에너지를 공급하기 위한 전력망(그리드) 조차도 이제는 사회적 수용성을 고려하지 않으면 명분과 당위성을 인정받기 어려운 시대로 변하고 있는 실정으로, 현재의 전력망 구성으로는 더 이상 미래의 전력 공급에 대한 확실성이 떨어지고 있는 상황입니다.

위와 같은 상황에서 떠오르는 대안으로 제시되고 있고, 전 세계적으로 발전하고 있는 ‘마이크로 그리드 에너지 기술’에 대해 알아볼까 합니다.

Micro Grid(마이크로 그리드)란 명확히 정의된 전기적 범위 안에서 상호 연결된 '수용가'와 '분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)'의 그룹입니다. 이는  계통에 대하여 하나의 제어 가능한 개체(entity)이며, 계통으로부터 연결 및 독립이 가능합니다.

[마이크로 그리도 개념도]

다시 말해 마이크로 그리드는 지역화된 전력망으로 수용가와 풍력, 태양광 등의 분산 에너지 자원(DER)을 연결한 것으로 전체 전력 계통과 독립적(off-grid)으로 동작하여 전력의 자급자족이 가능하며, 필요에 따라 계통과 연계(on-grid) 되어 동작할 수도 있는 전력망입니다.

그러나 단순히 수용가와 DER을 연결하는 것만으로는 마이크로 그리드를 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 마이크로 그리드는 구성되는 전력망의 범위가 작기 때문에 신재생 발전원의 전력 품질 불안정에 더욱 큰 영향을 받게 됩니다. 그러므로 마이크로 그리드를 구성할 때는 이러한 문제들을 방지하기 위한 기술들이 적용되어야 합니다. 또한 전력 품질 및 공급의 안정성을 확보하기 위하여 대부분의 마이크로 그리드는 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 마이크로 그리드의 전력 품질 및 공급의 안정성에 기여합니다.  

그리고 ESS뿐만 아니라 마이크로 그리드에 연결되어 있는 수용가나 DER들을 모니터링하고 제어할 수 있도록 하는 시스템 또한 필요한데요. 이러한 시스템들은 마이크로 그리드의 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.

▶ 마이크로 그리드(Micro Grid)의 발전 자원
마이크로 그리드에서는 기존의 발전소가 아닌 분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)이라는 발전 자원을 이용합니다. 분산발전의 정의는 전력 수요자 인근 지역에 설치 가능한 소규모 발전 설비를 이용하여 수요자에게 필요한 전력을 전량 공급하거나 이미 사용 중인 중앙 집중식 전력 공급 체계의 단점을 보완하기 위한 용도로 적용 가능한 발전 방식을 말합니다.

최근에는 분산발전의 개념이 다양하게 확대되어 분산 에너지 자원(DER: Distributed Energy Resources), 분산자원 (DR: Distributed Resources), 분산 동력(DP: Distributed Power), 분산 에너지(DE: Distributed Energy) 등의 용어가 등장하기도 하지만 넓은 의미에서 다른 모든 용어를 분산발전으로 묶어서 이해되기도 합니다.

분산발전에 사용 가능한 발전설비의 크기는 용도에 따라 다양하지만 일반적으로 가정용 단독 발전시설용에 해당하는 수kW급으로부터 단위 지역 발전 및 냉난방용의 수십MW급 (혹은 수 백 MW급) 정도 까지를 분산발전이라고 받아들여지고 있습니다. 분산발전은 아래의 그림과 같이 장거리 송전에 따른 전력 손실을 줄일 수 있고, 수요처에 따라 다양하게 사용할 수 있다는 장점이 특징입니다.

[분산자원 DER]

▶ 분산 발전의 역사적 배경
대규모 발전자원에 의해 전력시장은 소수의 전력 사업자들에 의해서 독점되기에 이르렀습니다. 그러나 1973년 불어닥친 세계적인 석유파동은 ‘소수에 의해서 독점되는 전력시장 구조가 에너지 위기 상황에서 과연 효과적인 대처 능력이 있는가?’ 하는 의문을 가지게 하였으며, 이러한 이유 때문에 석유파동 이후 미국은 당시 대형 전력 공급 업체 주도의 전력시장을 개방시켜 전력 시장의 자유경쟁시대를 열었고, 그 결과 수많은 전력 생산 및 공급 회사들이 설립되었습니다.

이들 회사들은 양질의 전력을 경쟁력 있는 가격으로 생산하여 공급할 수 있는 효과적인 발전 설비의 도입에 많은 관심을 가지게 되었는데, 이것이 복합화력 혹은 열병합 발전설비를 중심으로 한 분산 발전 개념의 실용화를 앞당길 수 있는 계기가 되었습니다.

그 결과, 1980년대 이후 기존의 대형 중앙 집중형 발전과 함께 전력 수요가 있는 곳을 중심으로 한 분산발전의 보급이 확산되기 시작하였으며 비교적 최근에 해당하는 1992년 미국의 Energy Policy Act에 의한 ‘전력 거래 자유화정책’으로 이어지게 되었습니다.

이와 함께 1990년대 말 전 세계적으로 정보통신 기술의 급속한 발달에 의한 디지털 산업혁명은 발전 사업에도 지대한 영향을 미치게 되었습니다. 그 중에서도 특히 인터넷 등의 영향으로 산업 구조가 기존의 대량 생산 위주의 중앙 집중형 구조에서 소규모 분산형 산업 구조로 급격히 변화되고 있고, 이러한 추세는 앞으로도 더욱 가속화될 것입니다. 이에 대한 결과로, 발전 산업도 ‘대형 중앙 집중형’에서 새로운 산업 구조에 적합한 ‘소형 분산발전 형태’로 진화되어 가고 있습니다.

▶ 분산 발전의 보급에 따른 '에너지 불균형 현상'의 해소
최근의 통계에 따르면 세계 인구의 20% 정도에 불과한 10억 명이 조금 넘는 선진국의 인구가 총 에너지 공급의 약 60%를 소비하는 반면, 80%에 해당하는 개도국의 50억 명의 인구가 에너지 공급의 나머지 40%를 소비하고 있습니다.

더구나 20억 명의 극빈 층(1인당 GDP 1,000불 미만)이 1인당 연간 약 0.2toe의 에너지를 소비하는 반면, 10억 명의 선진 국 국민들(1인당 GDP 22,000불 이상)은 25배나 되는 5toe를 소비하고 있습니다.

따라서 선/후진국간의 에너지 공급 불균형의 해소를 위해서는 후진국에서의 전력 보급 시설을 급속히 증대시켜야 하는데, 이를 위해서는 건설 비용 및 기간에 대한 부담이 큰 대형 중앙 집중형 발전 설비보다는 전력 보급이 필요한 지역을 중심으로 상대적으로 신속하게 설치가 가능한 분산 발전 설비의 보급이 적절합니다.

이러한 용도의 분산 발전설비의 보급은 아래의 사례와 같은 맥락으로 이해될 수 있겠습니다. ‘과거 러시아에서 낙후된 통신 시설의 보완을 위해 각종 인프라 구축 및 관련된 대규모 투자가 필요한 기존의 유선 전화 보급망을 확충하기보다는 무선 전화의 보급이 더욱 효과적이었다.’

▶ 안정적인 전력 공급
몇 년 전의 미국과 유럽 지역에서의 대규모 정전 사태를 통해 불안정한 전력 공급은 이미 사회적으로 커다란 혼란을 야기하게 됨을 경험한 바 있으며, 더구나 9/11사태 이후 각종 테러 위험성의 증대되고 있어 대형 발전설비보다는 소규모의 발전 설비를 소규모로 분산시키는 것이 더 안전하다는 여론이 전 세계적으로 확산되고 있습니다.

특히 정전에 따른 경제적 손실은 현대 사회를 지배하고 있는 각종 산업 중에서도 사회적, 경제 적으로 가장 민감한 금융 산업에서의 피해 규모가 더욱 큽니다. 또한, 디지털 산업 구조에서의 핵심을 이루고 있는 반도체, 통신 등을 중심으로 한 전자산업은 정전 시간이 3.0초/년 이내에 해당하는 7nines(99.99999%) 이상의 높은 신뢰도의 전력 공급을 요구하고 있고, 이를 위해서는 송전 과정에서의 각종 불확실성을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 특수 수요처에 맞춤형으로 고품질 전력 공급이 가능한 분산발전 기술 적용이 필수적입니다.

▶ 환경 친화적인 발전 설비의 구축
환경 친화적인 전력 생산 분산발전 시장의 확대와 관련된 또 다른 변수는 전 세계적인 관심사인 ‘환경 친화적인 발전설비의 구축’입니다. 1990년대 지구온난화 방지를 위한 Kyoto 협약이 체결된 후, 최근 들어 1차 규제 대상 국가들을 중심으로 온실가스 배출량 규제가 시작되었으며, 현재의 협약 상태가 지속된다면 우리나라도 2013년도부터 규제 대상국에 해당됩니다. 

대표적인 온실가스인 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 화석연료를 사용하는 발전설비의 고효율화가 유일한 대책이며, 궁극적으로는 이산화탄소 배출이 없는 수소 연료 및 재생에너지 사용이 보편화되어야 합니다.

분산발전 응용 분야에 있어서 큰 비중을 차지하고 있는 열병합발전의 경우 전력과 열을 동시에 생산하여 에너지 활용 효율을 높임으로써 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 기여할 수 있습니다. 뿐만 아니라 연료전지, 풍력, 태양광 등 수소 연료 및 재생 에너지를 사용하는 발전설비들은 아직도 기술적으로 완숙기에 접어들지 못하여 대형 중앙 집중형보다는 소규모 분산 발전설비를 중심으로 그 수요가 확대되어 가고 있는 상황입니다. 

그 밖에도 분산발전을 활용할 경우 수요자 인근 지역에 설비를 설치하여 운영하여야 하기 때문에 천연가스 등 청정연료 사용이 필수적입니다. 이는 환경 친화적인 연료 사용량을 증대 시키게 되므로 대기오염과 관련된 환경문제 개선에 기여할 수 있습니다.

▶ 마이크로 그리드의 등장배경
마이크로 그리드의 등장 배경과 활용 분야는 국가별로 차이가 있습니다. 

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

다음으로 유럽과 일본은 환경 개선을 위한 신재생 에너지 사용의 증대를 목적으로 하는 경우가 많으며, 지역 사회를 마이크로 그리드로 구성하는 커뮤니티형 마이크로 그리드가 도입되고 있습니다.

특히 일본은 지진 등의 자연재해로 인해 전력공급이 중단되는 것에 대한 대비책으로 마이크로 그리드를 적용하기도 하는데요. 차량에 ESS를 탑재하여 하나의 DER로써 전력 공급에 사용하고 있습니다.  

중국은 송배전 설비의 설치가 어려운 도서 지역에 마이크로 그리드를 통해 전력 공급을 하고 있습니다. 우리나라의 경우 도서 지역용 마이크로 그리드가 가장 많이 적용되고 있으며, 일부 캠퍼스 마이크로 그리드가 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 마이크로 그리드의 분류에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

▶ 마이크로 그리드의 분류
우선 마이크로 그리드는 다루는 전력의 크기에 따라 주거용, 소상업용, 상업용으로 구분됩니다. 그리고 용도에 따라서는 군사용, 캠퍼스용, 커뮤니티용 마이크로 그리드 등으로 구분할 수 있는데요. 또한 동작 모드에 따라서는 계통 연계형, 독립형으로 구분되기도 합니다. 미국의 에너지국은 마이크로 그리드의 소유자에 따른 소유 모델(Ownership Model)을 정의하기도 했는데요. 그 소유 모델은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

[마이크로 그리드의 분류]

▶ 마이크로 그리드 플랫폼
마이크로 그리드는 독립/연계 운전이 가능한 소규모 전력망으로 주로 분산자원과 저장소로 구성된 환경입니다. 이는 운영, 마켓, 서비스 공급자와 상호 연계되며 공존합니다. 이러한 환경에서는 다양한 애플리케이션 및 사업자들이 ICT 기술을 통해 출현하고 체계화될 수 있습니다. 

따라서 마이크로 그리드용 공통 플랫폼은 마이크로 그리드 환경에 적용되어 운영·시장·서비스공급자 등의 다양한 이해관계자가 공통 플랫폼을 통해 누구나 쉽게 상호 연동할 수 있는 인프라를 제공하고, 더 나아가 누구나 쉽게 서비스를 이용할 수 있도록 지원하여야 합니다.

[마이크로 그리드 플랫폼 개념도]

미국의 SANDIA LAB은 마이크로 그리드 환경의 주요 액터를 19개로 정의하고 진보된 마이크로 그리드의 구현을 위해 다양한 액터 및 시스템 간 상호 운용성의 확보가 가장 중요하다고 설명하고 있습니다. 또한 2011년 4월부터 약 2년간 진행된 EU의 FINSENY 프로젝트는 미래 인터넷 기술기반 마이크로 그리드용 비즈 니스 플랫폼의 중요성을 설명하고, 12개국 35개사 이상의 구성원이 모여 공통 참조 모델을 정의하고, 플랫폼 개발 연구 및 실증에 박차를 가하고 있습니다.

이는 아직 합의 기구의 구성조차 없는 우리나라의 상황과 극명히 대비되고 있는 현실입니다. 향후 우리나라의 스마트그리드 및 마이크로 그리드 사업의 진행은 기존 정부 주도의 사업 진행 구조에서 수익을 창출할 수 있는 사업 위주로 성장할 전망으로 보입니다.

따라서 SG(Smart Grid)·MG(Micro Grid) 분야의 연구 패러다임 또한 기존의 계통 운영·최적화 연구에서 벗어나, 빅데이터, IoT, WoT 등 차세대 ICT 기술을 활용한 비즈니스 플랫폼 연구로 진화할 것이며, 그 진화 과정에서 핵심 인프라인 비즈니스 플랫폼은 변화하는 시장의 Needs를 신속히 반영할 수 있도록 범용성, 확장성, 유연성이 필수적으로 요청될 것입니다.

공통 플랫폼 연구과정에서는 SOA, 웹서비스, 동적 컴퓨팅 구현 기술, End-User 소프트웨어 개발 기술, 미래인터넷 기술, 소프트웨어 재사용 기술 등 핵심 요소 기술들을 연구에 충실히 반영함으로써 공통 플랫폼을 활용하는 다양한 사업자들로 하여금 에너지 新사업을 추진하기 위한 상품 개발 기간 및 비용을 단축 시켜주고, 기존 애플리케이션을 표준 기반 공통 플랫폼에 융합할 수 있는 기회를 제공할 예정입니다.

▶ 마이크로 그리드 공통 플랫폼 기대효과
미래에는 '에너지 新산업'의 출현이 더욱 가속화될 것이며, 공통 플랫폼 연구 역시 에너지 新산업 라이프 사이클의 전주기를 지원할 수 있는 방향으로 진행될 것으로 예상됩니다.

에너지 新산업? 
-> 에너지 新산업 라이프사이클은 비즈니스를 수행하기 위한 애플리케이션의 생성·운영· 활용·피드백의 전 과정을 의미합니다.

에너지 新사업자는 공통 플랫폼을 활용하여 애플리케이션을 생성하고 운영하며, 소비자 혹은 사용자는 생성된 애플리케이션을 활용합니다. 이 과정에서 애플리케이션의 사용이 불편하거나 마음에 들지 않으면, 플랫폼이 제공하는 개발도구를 통해 관련 애플리케이션을 수정하거나 원 사업자에게 수정을 요청함으로써 개인에 최적화된 또 다른 애플리케이션을 생산해내거나 특성화할 수 있습니다.

[공통 플랫폼 기대효과]

본 공통 플랫폼 연구가 근본적으로 수익성이 부실한 사업의 수익성을 대폭 향상 시켜주는 매개체가 될 수 는 없겠지만, 표준 기반 데이터 모델링 기술, 인터페이스 기술, 보안기술 등 복잡하고 어려운 기술을 극복 가능하게 하여 新산업 추진에 어려움을 겪는 중소기업의 부족한 기술력과 경제력 극복의 열쇠가 될 수 있을 것입니다.

또한 큰 투자 없이 공통 플랫폼을 활용하여 애플리케이션을 빠르게 개발하고, 시험해봄으로써 시장의 반응을 살펴보고자 하는 대기업·중견기업의 경우, 에너지 新산업 라이프사이클 전 주기를 지원하는 공통 플랫폼의 활용을 통해 얻게 되는 장점이 매우 클 것으로 예상됩니다.

▶ 마이크로 그리드 발전방향
마이크로 그리드의 활용도는 점점 늘어나고 있습니다. 마이크로 그리드 단지 내의 에너지 효율성을 높이는 목적에서 전력망 전체에 일어날 수 있는 위기 상황에서도 기본적인 전력을 주요 지역에 공급할 수 있게 해 주는 역할이 중요해지고 있습니다.

이는 송전망의 부담을 획기적으로 줄여줄 수 있으며, 단속적으로 공급이 이루어지는 태양광과 풍력의 불안정성을 적절히 중간 조정해 전력계통망에 대한 부담도 줄여 주는 역할을 할 수 있습니다. 또한 정부 정책의 변화에 따라 프로슈머 등 에너지 신사업의 한 축으로 발전해 나갈 것입니다.

[참고문헌]

- 마이크로 그리드용 공통 플랫폼 기술개발 현황 및 전망 (한국전력연구소)

- 기계 저널 제45권 제11호

- 전력 자급자족, 마이크로 그리드(LG CNS스마트그린 솔루션 연구소)