전력 분배 시스템은 흔히 전기 그리드라고 하며 19세기 말부터 세계의 주요 전력원으로 자리 잡았습니다. 이러한 전기 그리드가 생겨났을 때 작동 원리는 상당히 간단했습니다. 바로 전기를 생산한 후 이 전기를 가정, 건물, 그리고 전기 수요가 있는 기타 장소로 보내는 것입니다.
하지만 전기 수요가 증가하면서 효율이 더 높은 전기 그리드가 필요하게 됩니다. 오늘날 전 세계에서 활용되는 현대의 "스마트 그리드" 분배 시스템은 첨단 기술을 바탕으로 효율을 최적화합니다. 이 문서에서는 스마트 그리드의 정의와 스마트 그리드를 스마트하게 만드는 핵심 기술을 알아봅니다.
스마트 그리드 기술이란?
스마트 그리드는 공공 설비 공급자와 고객 간의 양방향 통신을 가능하게 하는 전력 분배 인프라입니다. 스마트 그리드 기술에 기여하는 디지털 기술로는 전력/전류 센서, 제어 장치, 데이터 센터, 스마트 계량기 등이 있습니다.
어떤 스마트 그리드는 다른 스마트 그리드보다 더 스마트합니다. 많은 국가에서 구식 전기 분배 그리드를 스마트 그리드로 바꾸기 위해 대규모로 집중적인 노력을 들이고 있지만 이러한 스마트 그리드 채택은 복잡하며 기간이 수십 년, 짧아도 몇 년이 걸립니다.
스마트 그리드 기술 및 스마트 그리드 구성 요소 예시
스마트 계량기 – 스마트 그리드를 구축하는 첫 번째 단계입니다. 스마트 계량기는 소비자와 공공 설비 생산자 모두에게 사용 지점 에너지 소비 데이터를 제공합니다. 스마트 계량기가 제공하는 소비 및 비용 정보로 소비자는 에너지가 낭비되는 부분을 인식하고 줄일 수 있고, 공급자는 그리드 전체의 분배 부하를 최적화할 수 있습니다.
스마트 계량기는 일반적으로 주요 하위 시스템 3가지로 구성됩니다. 즉, 전력 소비를 측정하는 전력 시스템, 스마트 계량기의 기술을 관리하는 마이크로컨트롤러, 소비/지시 데이터를 송수신하는 통신 시스템입니다. 또한 일부 스마트 계량기는 백업 전력(주 분배 라인 정전 대비), 그리고 보안 목적으로 계량기의 위치를 정확히 나타내는 GSM 모듈을 보유할 수 있습니다.
지난 10년 동안 스마트 계량기에 대한 글로벌 투자는 2배로 증가했습니다. 2014년에 스마트 계량기에 대한 글로벌 연간 투자는 미화 1,100만 달러였습니다. Statista에 따르면 스마트 계량기 구현으로 누릴 수 있는 시스템 효율 상승 덕분에 2019년까지 스마트 계량기에 대한 글로벌 투자는 미화 2,100만 달러에 달했습니다.
스마트 부하 제어 스위치 및 분배 보드 – 스마트 계량기는 공공 설비 공급자에게 실시간 데이터를 제공할 수는 있지만 에너지 분배를 자동으로 제어하지는 않습니다. 사용량 피크 중에 또는 특정 지역에 분배를 최적화하기 위해 전기 공공 설비에서는 스마트 부하 제어 스위치 및 분배 보드와 같은 전력 관리 기기를 사용합니다. 이러한 기술은 필요하지 않은 분배를 줄이거나 허용되는 사용 시점 한도를 초과한 부하를 자동으로 관리하여 에너지 양을 대폭 절감해 줍니다. 간단히 말해, 스마트 부하 제어 스위치는 사용 지점에서 전력 분배를 지능적으로 켜고 꺼서 전체 시스템 분배 및 소비 효율을 최적화할 수 있습니다.
예를 들어 오하이오 주 워즈워스 시에서는 1916년에 구축된 전기 분배 시스템을 활용합니다. 워즈워스는 스마트 부하 제어 스위치(SLCS) 제조업체인 Itron과 협력하여 주택에 SLCS를 설치, 피크 수요 시간대에 A/C 컴프레서 사용량을 순환시킴으로써 시스템 사용량을 5,300메가와트시 절감할 수 있었습니다.
전력 시스템 자동화 – 전력 시스템 자동화를 실현하는 주역은 첨단 IT 인프라를 활용해 전력 분배망의 모든 단계를 제어하는 스마트 그리드 기술입니다. 예를 들어 자동화된 전력 시스템에서는 지능형 데이터 수집 시스템(스마트 미터의 데이터 수집 시스템 등), 전력 제어 시스템(스마트 부하 제어 스위치 등), 분석 도구, 컴퓨팅 시스템, 전력 시스템 알고리즘을 활용합니다. 이러한 중요 구성 요소의 조합을 통해 하나 이상의 그리드가 인간과의 한정된 상호 작용만으로 스스로를 자율적으로 조정하고 최적화할 수 있습니다.
스마트 그리드 실현
디지털 양방향 통신 및 자동화 기술을 스마트 그리드에 구현하면 여러 인프라 변경 사항으로 그리드 효율을 극대화할 수 있습니다. 스마트 그리드 구현으로 가능한 인프라 변경 사항은 다음과 같습니다.
이미지 특성: Wikipedia
1. 탈중앙화된 에너지 생산
스마트 그리드가 에너지 분배를 지속적으로 모니터링하고 제어할 수 있기 때문에 더 이상 대규모 단일 발전소에서 에너지를 생산할 필요가 없습니다. 대신 풍력 터빈, 태양광 발전소, 가정용 태양광 전지 패널, 소규모 수력 발전 댐 등 여러 탈중앙화된 전력 생산 현장에서 에너지를 생산할 수 있습니다.
2. 탈중앙화된 시장
또한 스마트 그리드 인프라를 사용하면 기존의 중앙화된 시스템 전체에서 에너지를 지능적으로 공유하는 수단으로 여러 그리드를 연결할 수 있습니다. 예를 들어 지자체는 예전부터 근처 지자체와 연결되지 않은 독립적인 생산 시설을 갖추고 있었습니다. 스마트 그리드 인프라를 구현하면 지자체에서 공동 생산 일정에 기여하여 정전 시 생산 의존 문제를 피할 수 있습니다.
3. 소규모 전송
전기 그리드에서 가장 큰 에너지 낭비는 먼 거리로 에너지를 분배할 때 발생합니다. 스마트 그리드가 생산 및 시장 탈중앙화를 실현한다는 점에서 스마트 그리드의 순 분배 거리는 대폭 줄어들며, 이에 따라 분배 에너지 낭비가 감소합니다.
예를 들어 한 지역의 주간 전기 수요를 100% 생산할 수 있는 작은 지역 태양광 발전소가 있으며 해당 지역에서 1km 떨어져 있다고 가정해 보겠습니다. 이 지역 태양광 발전소가 존재하지 않았다면 해당 지역은 100km 떨어진 대규모 발전소에서 전기를 공급받아야 할 수 있습니다. 멀리 있는 발전소에서 전기를 송신하는 데 발생하는 에너지 손실은 지역 태양광 발전소에서 발생하는 송신 손실보다 100배 더 클 수 있습니다.
4. 양방향 분배
지역 태양광 발전소의 예시에서, 이 태양광 발전소가 지역에서 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 시나리오가 가능합니다. 잉여 에너지가 발생하는 것입니다. 이 여분의 에너지는 스마트 그리드로 분배하여 멀리 떨어져 있는 발전소의 수요를 충당하는 데 활용할 수 있습니다.
이 시나리오에서 주간에는 에너지가 태양광 발전소에서 원거리 주 그리드로 흘러가지만, 태양광 발전소에서 에너지를 생산하지 않을 때는 에너지가 메인 그리드에서 태양광 발전소가 있는 지역으로 흐릅니다. 전력 분배 알고리즘에서 이러한 양방향 에너지 흐름을 모니터링하고 최적화하여 사용 중 어느 때나 에너지 낭비를 최소화할 수 있습니다.
5. 소비자 참여
양방향 분배 및 탈중앙화된 그리드 경계가 특징인 스마트 그리드 인프라에서는 소비자가 미시적 발전기의 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어 개별 가정은 사용 지점에서 에너지를 생산할 수 있는 독립적인 PV 태양광 시스템을 보유할 수 있습니다. 가정용 PV 시스템에서 여분의 에너지가 생산되는 경우 이 에너지는 대규모 그리드로 전달하여 규모가 더 크고 중앙화된 발전소의 수요를 충당하는 데 사용할 수 있습니다.
스마트 그리드의 중요성
스마트 그리드는 거시 경제 수준에서 전력 소비를 줄이는 데 필수적입니다. 많은 지역 공공 설비 공급자 및 정부가 스마트 그리드 채택에 풍성한 인센티브를 주고 있는데, 재정과 환경 면에서 혜택이 크기 때문입니다. 스마트 그리드를 채택하면 에너지 생산을 민주화하여 정전 위험을 해소하고, 전력 시스템 운영 비용을 줄이고, 불필요한 에너지 낭비를 없앨 수 있습니다.
