전자 부품의 힘으로 화석 연료로부터의 전환 지원
마이크로그리드: 재생에너지의 지역 소비를 위한 지역 생산 촉진
태양광, 풍력 등 재생 에너지를 효과적으로 활용하는 것은 탄소 중립을 달성하기 위한 필수 요소입니다. 탄소 중립을 달성하기 위해서는 2023년 세계 에너지 통계 검토 영국 에너지 연구소가 발표한 보고서에 따르면 수력발전을 포함한 재생 에너지는 이미 전 세계 전력 공급의 약 30%를 차지하고 있습니다. 이러한 재생 에너지의 총량은 8,539TWh입니다. 이는 1985년의 2,058TWh에 비해 4배 이상 성장한 수치입니다.
재생 에너지를 충분히 활용하는 방법이라고 하면 많은 사람들이 자연 에너지가 풍부한 곳에서 대규모로 발전하는 것을 떠올릴 수 있습니다. 사막이나 초원 같은 광활한 곳에서 태양광 발전을 하거나 바다에서 풍력 발전을 하는 것이 그 예입니다. 하지만 대도시 한복판에서도 재생 가능한 에너지의 형태는 존재합니다. 실제로 도심에서도 재생 에너지를 이용한 발전을 도입하려는 노력이 적극적으로 추진되고 있습니다. 예를 들어 일본에서는 건물 옥상이나 주택 지붕에 태양광 패널을 설치하고 있습니다. 이러한 태양광 패널이 생산하는 전력의 양은 적습니다. 즉, 보조 전원 공급 장치로 활용되고 있습니다. 그럼에도 불구하고 효과적으로 활용되고 있습니다. 또한 건물의 벽면과 창문에 설치하는 태양광 발전 기술, 사람이 걸을 때 발생하는 진동을 이용해 전력을 생산하는 기술도 개발 및 도입하려는 새로운 노력이 진행 중입니다.
글로벌 관점에서 상황을 살펴보면, 많은 중소도시들이 해당 지역의 풍력, 태양광, 수력 및 기타 형태의 재생 에너지를 활용하여 지역에서 소비되는 전력을 지역에서 공급하는 현지 소비를 위한 현지 생산을 달성하기 위해 노력하고 있습니다. 또한 RE100에 참여하는 기업도 점점 더 많아지고 있습니다. RE100은 기업이 비즈니스에 사용하는 전력을 100% 재생 에너지로 공급하는 것을 목표로 하는 국제적인 이니셔티브입니다. 이러한 기업들은 공장 및 기타 시설에 발전 장비를 적극적으로 도입하여 가능한 한 많은 전력을 자체적으로 생산하고 있습니다(그림 1).
마이크로그리드: 재생 에너지의 지역 소비를 위한 지역 생산 지원
재생 에너지를 전력으로 전환하여 현지에서 소비하는 현지 생산을 달성하려는 노력은 매우 효과적인 에너지 활용 수단이라고 할 수 있습니다. 전력을 송배전하는 과정에서 전력 시스템에서 항상 발생하는 전력 손실을 최소화할 수 있기 때문입니다.
대규모 발전소는 현재 전력 시스템에서 많은 양의 전력이 소비되는 도시에서 멀리 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 이러한 발전소에서 생산된 전력은 소비 지역으로 송전 및 배전되어 일상생활과 사회경제 활동에 활용됩니다. 하지만 발전소에서 생산된 전력의 약 30%가 송배전망(송전망이라고도 함)을 통해 사용되기까지의 과정에서 낭비적으로 손실되고 있습니다. 송전선과 전력 변환기 부하로 인해 많은 양의 전력이 열이나 전자파로 손실되기 때문입니다. 송배전 거리가 짧을수록 전력이 변환되는 횟수가 줄어들어 전력 손실을 줄일 수 있습니다. 따라서 우리 주변의 자연 에너지를 분산형 전원으로 활용해 현지에서 생산해 현지에서 소비함으로써 전력 손실 발생을 최소화할 수 있습니다.
출처: 일본 경제산업성(일본 행정기관) '제4회 지역사회의 지속가능한 재생에너지 도입에 관한 정보연락위원회' 자료집
*이 링크된 페이지는 일본어로 되어 있습니다.
지역에서 소비되는 전력을 지역에서 생산하는 것을 목표로 하는 소규모 전력 네트워크를 마이크로그리드라고 합니다(그림 2). 마이크로그리드는 재생 에너지를 효과적으로 활용하는 것 외에도 분산형 전력 시스템이라는 점에서 다른 장점이 있습니다. 예를 들어, 마이크로그리드는 재난과 같은 비상사태로 대규모 정전이 발생하더라도 지역 사회에 안정적으로 전력을 공급할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 일상 생활과 비즈니스 활동을 유지할 수 있습니다.
파워 시스템 운영의 주요 전제 조건: 균형 원칙
마이크로그리드의 개념은 간단합니다. 하지만 마이크로그리드를 실현하는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다. 전력 시스템의 구축과 운영에는 "균형 원리"라는 중요한 원칙이 있기 때문입니다.
밸런싱 원칙은 전력 계통에 상관없이 발전소에서 공급하는 전력량은 항상 전력 수요량과 일치해야 한다는 규칙입니다. 이 원칙을 어기고 전력 시스템을 운영하면 전력의 전압이 불안정해지고 장비가 고장 나 대규모 정전 사태로 이어질 수 있습니다.
하지만 태양광과 같은 재생 에너지는 불안정한 자연 현상에서 생산되는 전력입니다. 따라서 발전량을 편리하게 조절할 수 없습니다. 따라서 지역 사회에서 생산된 전력만으로는 우리가 사용하는 전력을 공급하고 충분히 사용하기가 어렵습니다. 따라서 커뮤니티 내 수급 균형을 미세하게 조정하거나 대형 에너지 저장 시스템(ESS)을 활용하는 등 운영 및 관리의 고도화를 통해 잉여와 부족을 수용하는 메커니즘을 도입할 필요가 있습니다.
스마트 그리드: 마이크로그리드 실현을 위한 주요 전제 조건
이 문제를 해결하기 위한 수단은 '스마트 그리드'라는 마이크로 그리드와 매우 유사한 개념입니다. 스마트 그리드는 스마트 미터와 기타 통신 장치를 활용하여 각 개별 가정, 사업장 또는 기타 시설의 전력 수요를 실시간으로 가시화함으로써 필요한 전력을 잉여나 부족 없이 공급할 수 있도록 자동으로 제어하는 메커니즘입니다.
마이크로그리드와 스마트그리드는 서로 다른 개념입니다. 하지만 스마트 그리드 메커니즘을 도입하지 않고는 전력을 지역에서 생산해 지역에서 소비하는 마이크로그리드를 효율적이고 효과적으로 실현하기는 어렵습니다. 스마트 그리드는 분산형 신재생에너지 발전 설비에서 생산되는 전력량과 생활 및 비즈니스에서 소비되는 전력량을 실시간으로 상세하게 파악하여 양쪽의 균형을 맞추는 동시에 다수의 분산형 ESS의 충방전을 관리합니다. 설치된 ESS의 충방전 허용치만으로 발전된 전력이 부족할 경우 스마트그리드는 더 넓은 전력망에서 전력을 조달하고 방출하여 균형을 유지합니다.
IoT 기술을 활용해 마이크로그리드의 여러 발전 설비와 ESS를 하나의 발전소처럼 제어해 전력 공급량을 조절하는 기술을 '가상발전소(VPP)'라고 하며, 스마트미터는 가정과 사업장의 전력 소비 상황을 실시간으로 파악하는 데 활용됩니다. 전 세계적으로 상황을 살펴보면 스마트 미터는 빠르게 확산되고 있습니다. 일본에서는 2014년부터 도쿄 수도권 지역을 중심으로 각 가정에 스마트 미터가 설치되기 시작했습니다. 2020회계연도 말까지 거의 모든 가정과 사업장에 설치가 완료되었습니다. 일본 전역의 스마트 미터 설치는 2024 회계연도 말까지 완료될 예정입니다. 즉, 마이크로그리드 구축을 촉진하기 위한 기반이 착실히 마련되고 있다고 할 수 있습니다.
효율성 향상을 목표로 하는 DC 송전 및 배전 시스템
마이크로그리드를 통해 에너지 이용률을 더욱 높이려는 시도도 진행되고 있습니다. 현재 'DC 마이크로그리드'라는 새로운 송배전 네트워크를 도입하기 위한 기술 개발이 진행 중인데, 이 DC 마이크로그리드는 상용 전력 공급에 사용되는 교류 전력 대신 직류 전력을 송배전하게 됩니다.
마이크로그리드의 전원 공급 측면에서는 태양전지나 축전지와 같은 직류 전원이 많이 사용됩니다. 반면에 전력 소비 측면을 살펴보면 반도체와 전자 부품을 사용하여 만든 통신 장치와 인버터를 사용하여 만든 에너지 절약 전자 제품은 DC 전원으로 작동합니다. 즉, 양쪽 모두 직류 전력을 처리합니다.
하지만 현재는 교류 전력을 송배전하고 있기 때문에 전력을 송전할 때와 사용할 때 모두 변환해야 합니다. 이때 전력 손실이 발생합니다. DC 마이크로그리드는 이러한 낭비를 최소화하는 것을 목표로 하는 기술입니다. 기존의 AC 200V/100V 전력선 대신 약 400V의 DC 버스를 깔고 양방향 AC/DC 컨버터를 통해 연결하여 고전압 상용 그리드를 운영하는 것을 구상하고 있습니다. 마이크로그리드 외에도 장거리 전력 전송을 위해 DC 송전 시스템이 사용되고 있습니다. 이미 유럽과 미국에서는 이 기술이 실용화되고 있는 사례가 있습니다.
마이크로 그리드의 구축과 운영은 재생 에너지의 사용 환경이 확대됨에 따라 동시에 발전할 것입니다. 다양한 사용 설정을 처리할 수 있는 더욱 고효율적이고 유연한 마이크로그리드와 이러한 마이크로그리드 구축을 지원하는 전자 부품에 대한 수요가 더욱 증가할 것으로 예상됩니다.