스마트그리드- 스마트시티의 미래

최창환 (buksamfight@naver.com)
現 아이리포 기술사회, 정보관리기술사 , PMP, SAP
- 국내/해외 ERP 구축 프로젝트, 개발/PL/PM 담당
- Global ITSM R&R수립, PI/BPR 등 다수프로젝트 (14년)
- ERP방법론, SAP, Oracle, QA/SA/감사, ERP개발/모듈 사내강사
- 석사 : 산업시스템공학, 논문(채권관리 체계화)

1. 스마트 그리드로 무엇을 하고자 하는가

최근 있었던 2017년 제19대 대통령 선거에서 모 후보가 ICT전략적 공약으로 스마트 그리드에 대해 심도 있게 언급한 기사내용을 본적이 있다. 제4차 산업혁명의 핵심으로써 향후 한국이 동북아의 중심으로 글로벌 스마트 전력 체계의 중심으로 자리잡기 위해서 반드시 지향 해야 할 산업이 ‘스마트 그리드’가 될 것이다라는 내용 이였는데, 한국은 2004년부터 관련 기술을 개발 해 왔고, ‘한국형 스마트 그리드 비전’등을 통해 정부가 이를 국가적 차원에서 확대 하면 가능하다는 주장 이었다. 왜 그는 스마트 그리드의 가치를 높게 평가 하며, 국가 차원의 성장 동력을 제시 했을까

이를 이해하기 위해서는 현재의 전력 시스템과 전기의 특성을 알아야 한다. 우리가 사용하는 전기는 실제 사용량 보다 10% 정도 많이 생산하도록 설계 되어 있는데, 이는 전력의 최대 소비량에 맞춰진 양으로 혹시라도 더 많이 사용 할 경우에 대비해 전기를 미리 확보해 놓는 것이다.



[그림-1] 스마트그리드 구성, 한국스마트그리드 사업단

전기는 특성상 손실의 양과 정도를 명확하게 분석 할 수 없는 특성을 가지고 있다. 우리가 생산하는 전기를 유/무선 환경을 통해 사용처(제조환경, 도시환경, 가정 내)에 온전히 보내는 것으로 오해하고 있으나 실상은 전선을 타고 가는 동안에도 전력 손실이 발생하고, 전기를 장비에 보관하는 중에도 손실이 발생 한다. 예를 들어 사용하지 않는 TV를 꺼두는 상태에서도 손실이 발생 한다고 생각하면 된다. 스마트 그리드는 ICT 와 전력 환경을 결합하여 이러한 상황을 즉시적으로 인지하고 관리하기 위해 존재하는 기술이다. 전기의 생산에서 유통 소비되는 과정 사이에서 모든 데이터를 정확하게 모니터링 하고 산출해서 에너지 사용의 비효율성을 개선하고 효율성을 극대화 하기 위한 기술의 집약체 이다. 또 하나의 관점은 전력 프로슈머를 들 수가 있겠다. 개인이 생산자가 되어 전기의 단가가 가장 싼 시점에 전기를 저장하거나, 태양광, 바람등의 자연에너지를 활용하여 전기를 생산하고, 유휴 전기를 필요한 소비자에게 판매함으로써 얻을 수 있는 Cycle을 구축 하여, 예비전력의 유지와 스마트 시티의 기반을 제공 해 주는 중요할 역할을 수행 할 수 있다. 이러한 Cycle이 제대로 구축 된다면, 전력이 필요한 도시의 수 많은 인프라에 안정적인 에너지를 공급 하게 될 것이고 이를 통해 스마트 시티 건설의 핵심으로써 역할을 수행 하게 될 것이다.

2. 스마트 시티 건설을 위한 핵심 요소 스마트 그리드!

스마트 시티는 정보통신기술이 발전하면서 그 개념이 정립 되었다. 도시의 기반 시설과 개인들이 네트워크로 연결되어 도시가 유기적으로 기능을 하게 되는 것인데, 산업혁명 이후 인구가 도시에 집중 되면서 도시는 경제, 교육, 후생, 문화 등의 다양한 기능들이 유기적으로 얽힌 공간이 되어 왔다. 이렇게 도시는 오늘날의 전세계 인구의 절반이 생활하는 공간, 지구에서 생산되는 에너지의 2/3가 소비되는 공간으로 변화 해 왔다. 이러한 과정을 거쳐 오면서 다양한 문제점들도 나타나게 되었는데 교통체증, 환경오염, 쓰레기 문제 등이 바로 그것 들이고, 이러한 문제점들에서 공통적으로 말해 주는 것이 지속 가능한 발전을 위해 환경오염을 최소화하는 에너지 생산과 효율적인 에너지 소비의 필요성 이다. 또한 최근 에너지 기반시설은 어느 도시에서나 가장 중요한 요소이다. 만약 에너지가 충분히 공급되지 않는다면 다른 모든 기능은 정지 될 수밖에 없다. 이러한 측면에서 스마트 그리드는 크게 세가지 역할을 수행하는데 첫째, 자기치료 설계, 자동화, 원격 모니터링 및 제어, 마이크로 그리드를 통해 전력망을 현대화 한다. 둘째, 전력소비자들에게 그들의 에너지 사용, 비용, 대안들을 알려 줌으로써 이용을 효율화 한다. 셋째, 분산되고 재생 가능한 에너지 자원을 안전하고 신뢰성 있게 통합하는데 기여 한다. 이러한 역할을 수행 하기 때문에 스마트 그리드는 스마트 시티의 핵심에 해당 한다고 말 할 수 있다.

[표-1] 스마트시티에서의 스마트그리드의 역할


즉, 전력망의 현대화를 통해 불필요한 전력을 제거하고, 에너지의 낭비를 최소화와 이를 재 활용 함으로써 스마트 시티 내 전력이 필요한 곳곳에 공급하여 스마트 시티의 구현에 핵심적인 인프라를 제공하게 되는 것이다. 신재생 에너지로 생산 된 전력을 ESS(Energy Storage System)에 저장 했다가 전력이 필요할 때 사용하게 되는데, 예를 들어 가정에서 태양광 발전을 통해 전기를 ESS에 저장해 두었다가 소비하고 남는 에너지를 전력이 필요한 전력회사나 주변의 상업시설에 판매를 할 수 있게 되고 이를 위해서 생산자와 소비자간의 전력데이터를 주고 받을 수 있는 네트워크는 물론 ESS, 스마트 미터 등의 기술도 필수적이게 된다. 이를 통해 스마트 그리드는 스마트 시티 내의 다양한 인프라를 연계 하고 자율적인 도시 생태계를 구성 할 수 있는 축으로써의 역할을 수행 하게 되며, 도시 곳곳의 전력이 필요한 곳에 지능적인 인식을 통해 자율적으로 전력의 공급과 소비를 조절 하게 될 것이다. 스마트 에너지 시장은 2010년 18억 달러에서, 2020년 약 40억 달러로 2배이상의 높은 성장이 예상 된다. 2013년 조사에서, 유럽에서 진행되고 있는 스마트 시티 프로젝트 가운데 스마트그리드, 스마트 빌딩 등 에너지 관련 프로젝트가 가장 많은 것을 설명하면서 스마트 그리드의 중요성을 강조 했다.



이는 에너지 효율화를 위한 스마트 그리드가 부상 하면서, 많은 글로벌 기업들이 신재생 에너지, 스마트 그리드 사업등에 투자를 집중하고 있는 걸로 해석이 되고, 이를 통해 스마트 시티의 글로벌 시장 선점과 효율적인 도시 건설을 위해 노력 해오고 있는 것을 보여 준다. 국내도 이러한 흐름에 부흥하기 위해 산업통상자원부((구)지식경제부)에 의해 2010년 1월 25일 ‘스마트그리드 국가 로드맵’을 확정하여 발표 하였고, 민/관 공동분담을 통해 2030년 까지 27.5조원을 투자하기 했으며, 정부 분담액 2.7조원, 민간이 자발적으로 24.8조원을 투자 하기로 하고 2014년에 스마트그리드 확산 사업을 발표, 초기 47개의 사업을 29개로 축소하여 스마트 그리드 단위 사업을 구상 하였다. 또한 ‘지능형 전력망법’ 에 따라 스마트 그리드 거점기구를 지정하는 법/제도 개선을 통해 규제완화를 통한 산업 육성에도 발 벗고 나서고 있는 상황이다.

정부의 이러한 주도적인 지원 아래, 한전(한국전력공사)은 2013년 제주 스마트 그리드 실증 사업으로 검증된 스마트 기술을 적 그리드 스테이립 하였다.

한전이 개발한 스마트 그리드 스테이션은 건물 내 전력, 가스 물 등의 소비를 효율적으로 관리할 뿐만 아니라 태양광발전(PV), 에너지저장장치(ESS), AMI, 전기자동차 등의 스마트그리드 기술들을 ICT 기술로 서로 유기적으로 연계 운영하는 지역단위 스마트그리드 제어센터이다. 스마트그리드 스테이션을 기본으로 하는 통합운영시스템은 스마트 플랫폼의 역할을 하게 되고 도시에 설치된 센서, CCTV 등과 ICT로 연계하게 되면 유용한 정보와 스마트서비스를 제공하는 서비스 플랫폼으로 그 기능이 확장되게 된다.

스마트시티의 궁극적인 목적은 도시의 지속가능성 확보, 도시의 안정성 제고, 시민들의 삶의 질 향상, 기후변화 대응이라 요약할 수 있다. 이를 위해 도시의 문제들을 해결할 수 있는 여러 분야의 기능적인 솔루션이 있을 수 있는데 이를 통합하고 관리할 수 있는 시스템인 서비스 플랫폼이 필요하다. 앞에서 기술한 것처럼 도시문제의 핵심이라 할 수 있는 에너지공급과 빌딩의 에너지 소비를 관리하는 접점에 있는 유틸리티를 중심으로 스마트그리드 기반의 스마트시티 구축은 도시문제를 해결하는 효율적인 방안이 된다.

3. 스마트 그리드 중심의 미래 지향 스마트시티

스마트 그리드 중심의 스마트 시티 구축 단계로는 첫 번째 스마트 그리드 스테이션을 이용한 스마트 시티의 구축은 먼저가정이나 빌딩, 공장을 대상으로 계약전력의 일부분을 신재생 발전원으로 생산하면서 소비를 최소화할 수 있도록 가전제품이나 조명기기를 스마트 콘센트 등을 이용하여 연계한다. 두 번째는 스마트 그리드 스테이션과 주요 건물, 학교, 관공서 등을 대상으로 신재생 발전원을 설치하고 소비제품을 지능화시킨 뒤 상호 연계 운영하게 되면 지역 단위의 스마트 그리드 타운을 구축할 수 있다. 세 번째는 스마트 그리드 타운을 그룹으로 상호 연계시키면 스마트 시티로 확대 발전할 수 있다. 최종적으로 스마트 시티가 구축되면 시티 전체의 전력을 효율적으로 사용하고 전력망도 고장 없이 안정적으로 전력을 공급과 소비가 지능적으로 운전 할 수 있게 된다. 이러한 시스템이 구축되면 도시는 고품질의 전력을 안정적으로 사용할 수 있어 기존 보다 훨씬 안전하고 생활이 편리해지며 에너지 낭비가 없어 이산화탄소의 배출을 최소화 시키게 됨에 따라 지구온난화 방지에도 기여하게 된다. 결국 스마트 시티의 재 그룹화를 통해 국가단위의 스마트 그리드를 완성하게 되어 전국적인 전력공급체계의 선진화 시스템을 갖추게 될 수 있다. 스마트 그리드 기반의 스마트 시티를 구축하기 위한 단계별 구축모델은 다음과 같다.



이를 통해, 최종적으로 스마트 시티가 구축되면 시티 전체의 전력을 효율적으로 사용하고 전력망도 고장 없이 안정적으로 전력을 공급과 소비가 지능적으로 운전 할 수 있게 된다.



이러한 시스템이 구축되면 도시는 고품질의 전력을 안정적으로 사용할 수 있어 기존 보다 훨씬 안전하고 생활이 편리해지며 에너지 낭비가 없어 이산화탄소의 배출을 최소화 시키게 됨에 따라 지구온난화 방지에도 기여하게 된다. 결국 스마트 시티의 재 그룹화를 통해 국가단위의 스마트그리드를 완성하게 되어 전국적인 전력공급체계의 선진화 시스템을 갖추게 될 수 있다

4. 스마트 시티 진화를 위한 스마트 그리드의 발전 전략 제언

앞서 언급한 도시문제의 해결을 위한 스마트 시티 솔루션은 시민들의 삶의 질 향상과 도시의 지속가능성 확보를 위해 중요하다. 도시자원과 공간의 제한으로 도시문제 해결을 위한 인프라 구축은 초보적인 해결책으로 효율적이지 못하다. 전력수요관리, 스마트그리드 구축, 전기자동차 보급, 스마트폰 등을 이용한 스마트서비스 제공 등 도시자원 활용의 효율성 제고와 자원분배 최적화를 위한 부가서비스 개발이 필요한 시점이다. 스마트그리드 기반의 스마트시티 구축은 에너지플랫폼을 기반으로 한 여러 기능들의 통합과 많은 사업자들의 참여를 촉진해 국가단위 스마트그리드완성으로 미래의 발전 가능한 지속가능성을 담보하는 해결책이 될 것이다. 지금까지 국내뿐만 아니라 해외의 주요 스마트 그리드는 정부의 주도하에 구축이 되어 온 경향이 크다. 전 세계적으로 에너지의 절감과 효율적 활용이 이슈로 부각된 이후부터 정부주도적 사업의 성격을 띄고 있는 경우가 많으며, 일부 기업들이 IoT등과 연계하여 다양한 서비스를 출시 하고 있지만, 소비자 보다는 공급자 입장에서의 보급이 이루어지고 있다고 판단할 수 있다. 따라서 소비자 니즈 충족을 위해서는 소비자 중심적인 사고가 필요하며, 특히 과정에서 고려되어야 할 부분은 생산성 확보이다. 결국 생산성을 고려한 소비자 니즈 충족을 위해서는 저렴한 가격으로, ICT, IoT 등 부가가치를 제공해 줄 수 있는 분야와의 융합을 통해 고도화된 서비스를 추구해야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 보다 IT 및 IoT와 결합하여 보다 사용자 편의성을 높이고 풍부한 데이터를 활용할 수 있는 시스템이 구축되어야 할 것이다.

[ 참고 문헌 ]
[1] 대한전기학회, 스마트그리드 기반의 스마트시티 구축모델과 국제화 방안, 2015
[2] 대한전기학회, 스마트그리드 스테이션 기반의 스마트시티 구축 방안, 2014
[3] 정보통신산업진흥원, 스마트그리드(에너지)분야 도입사례 분석집, 2017
[4] 대한토목학회, 스마트 도시에너지 관리시스템, 2015

출처 : 한국데이터진흥원

제공 : 데이터 전문가 지식포털 DBguide.net