미국의 스마트그리드 사정
마쓰모토 노부유키 (松本信幸) IT 테크니컬 라이터
지난 회에도 말했듯이 스마트그리드(Smart Grid)라는 단어를 한 마디로 정의하기는 애매하다. 애매하다기보다는 ‘해석의 함축성이 크다’는 말이 맞을지도 모른다.
특히 미국 현지의 전력 상황 문제와 그에 대한 대책 그리고 미래상과 새롭게 탄생할 부가가치 그 모두가 스마트그리드라는 하나의 단어에 포함돼 있어 구성 요소 하나하나가 스마트그리드다.
스마트그리드는 몇 개의 레이어로 나누어 생각할 수 있다.
① 통신에서 물리층에 해당하는 전력 공급망 문제점에의 대처
② 전력망에 탑재되는 정보통신 기능이라는 네트워크층에 상당하는 부분
③ 태양광 등 로컬 절전에 의한 전력의 쌍방향화와 축전이라는 애플리케이션층에 해당하는 부분
하위층에서 볼 수 있는 미일의 온도차
지능화되는 전력 공급망에서 하위층이라는 의미에서의 전력 공급망의 현 문제에 대해 일본에서는 무시해도 괜찮은 정도이지만 미국은 치명상을 입을 수도 있는 상황이다. 이는 전력 중계계 즉 송전계이다.
일본의 경우는 지역 전력회사가 발전에서부터 변전, 송배전까지 모두 독점적으로 도맡고 있다. 그러나 미국에서는 발전, 송배전, 변전은 각각 다른 회사가 운영하고 있다. 그리고 자유화로 인해 많은 기업이 경쟁을 벌이고 있기 때문에 만족스러운 설비 투자가 이루어지지 않고 있다. 그중에서도 송전계가 특히 심하다.
미국에서는 이 부분의 정비가 급선무이다. National Institute of Standards and Technology의 자료 ≪NIST Framework and Roadmap for 스마트그리드 Interoperability Standards Release 1.0(Draft)≫에서도 이 점을 지적해 ‘근대화한다’라고 적혀 있을 정도이다. 즉 현재 상황의 전기설비가 노후화되어 있다는 말이다.
이런 사실을 근거로 ‘일본에서는 스마트그리드가 필요 없다’고 생각하는 사람도 있다고 들었는데 이는 착각이다. 스마트그리드의 본질은 상위층에 있다.
상위층에 군집하는 기업
지금까지는 전력 공급 방식이 마치 강처럼 변전소라는 상류에서 소비자라는 하류를 향해 일방향으로 흘렀다. 그리고 소비자가 있는 곳에 미터를 달아 매월 총 사용량을 확인해 전기요금을 청구한다.
전력 이용자의 이용량 정보를 전력회사가 수집하는 방법에 대해서는 사람이 매월 각 세대를 돌며 미터의 수치를 읽는 방식으로 진행됐다. 일본과 같이 국토가 좁은 나라이면 몰라도 미국과 같이 영토가 광활한 나라에서는 인건비도 무시하지 못한다.
한 세대의 미터를 읽기 위해 드는 인건비는 일본에 비할 바가 아니다. 그러므로 미터(전력량계)에 통신 기능을 탑재해 전력 사용량을 원격으로 집계할 수 있게 하면 비용을 절감할 수 있다.
이와 같이 통신 기능이 탑재된 전력량계를 스마트미터(Smart Meter)라고 하고 미국에서는 이미 도입됐다.
스마트미터가 지닌 통신 기능의 대부분은 무선통신을 이용하고 있다.
전력량계는 전기 사용량을 계측하는 기기이기 때문에 전력선 반송파 통신 이른바 PLC(Power Line Communica-tions/미국에서는 BPL : Broadband access over Power Line)를 이용해도 된다.
미국에서는 일본과 달리 PLC(BPL) 옥외 이용을 규제하지 않기 때문에 액세스계에 이용하는 것에 대해 법적인 문제도 없다.
그러나 현실적으로 PLC(BPL)는 통신 가능한 거리가 짧아 현재로서는 액세스계 통신 회선으로는 역량이 부족하기 때문에 크게 이용되지 않는다(사진 1 참조).
전력량계가 통신 기능을 갖는다면 커다란 변화를 가져올 수 있다. 통신 기능이 없는 상황에서는 매월 정해진 시간에 계측원이 전력량계 수치를 읽기 위해 현장으로 나갔다. 즉 1개월분의 누계치밖에 입수하지 못했는데 통신 기능이 있으면 정보를 실시간으로 얻는다. 이로써 상황에 따라 가격을 변동할 수 있다.
상황에 따른 가격 변동을 항공권에 비유하면 도쿄-오사카간의 비행기 요금은 이른 아침이나 늦은 시간대의 티켓은 저렴하고 주간의 티켓은 비싸다. 그리고 공석 상황에 따라 가격이 변동된다. 수요와 공급의 상황에 따라 가격을 설정하고 있기 때문이다.
이와 마찬가지로 전기 사용량이 많아지는 시간대나 지역에서는 비싸고 수요가 적은 시간대나 지역에서는 저렴하게 가격을 설정할 수 있다.
그리고 전력은 끝없이 제공할 수 있는 것이 아니기 때문에 발전 능력 한도까지 운전하는 상황이 예측되면 긴급성이 낮은 설비나 기기에 대해서는 정지 또는 저전력 모드로의 전환을 상담함으로써 효율적으로 운전할 수 있다.
이 같은 상담에 대해서는 예를 들어 ‘차단기에 적색 램프가 들어오면 에어컨의 온도를 1℃ 올린다(내린다)’ 등의 조작을 이용자에게 요구하는 것은 논외로 한다. 이용자의 손을 개재시켜선 안 된다. 생활 스타일 등의 개인 정보를 보호하면서 기기가 자립해 실시될 필요가 있다.
여기에 새로운 비즈니스가 있기 때문에 기존의 전력계 기업과는 다른 Cisco Systems나 Google, Intel과 같은 통신 기기, 애플리케이션, 디바이스 등의 각종 사업자가 잇따라 참여하고 있어 다양한 필드 시도를 실시, 계획 또는 시작하고 있다. 일례로 서두에 말한 플로리다 주 마이애미에서 이루어지는 ‘Energy Smart Miami’가 있다.
미래 예측
미국의 전력 공급에서 빚어지는 에너지 손실은 최악의 경우 88%나 된다고 한다. 이는 88%밖에 사용할 수 없는 것이 아니라 88%가 손실이어서 발전, 송배전, 변전을 거쳐 실제로 소비자가 있는 곳까지 도달하는 것은 12%밖에 안 된다는 의미이다.
이는 송배전계 설비를 다소 갱신하는 정도로는 개선할 수 있는 상황이 아니다. 이에 스마트그리드 시책의 하나로 로컬 발전과 축전이 있다. 실증실험 중인 Energy Smart Miami의 ‘Renewable Energy Integration’도 로컬 발전에 관한 것이다.
기존의 발전에 대해 수력발전소는 강의 상류에 댐을 만들 필요가 있고 화력과 원자력은 발전 메커니즘상 대량의 물이 필요하기 때문에 연안부에 건설된다. 이와 같이 발전소는 그렇게 간단히 만들어지는 것이 아니다. 미국 펜실베이니아 주에 있는 스리마일 섬의 발전소처럼 길옆에 있는 것도 있지만 큰 강 가운데에 생긴 모래톱에 입지해 있다.
아무튼 물을 대량 준비할 수 있는 곳이 아니고서는 발전이 불가능하다. 이처럼 입지상의 제약이 있으면 송전에서 전력 손실을 경감하기가 어렵다(초전도 송전선 등의 연구도 이루어지고 있는 것 같지만‥‥).
그래서 태양광발전이나 풍력발전과 같은 발전 메커니즘상 물을 대량으로 필요하지 않는 발전 방식이 각광을 받고 있다. 태양광발전의 경우에는 솔라 패널만 지붕에 설치하면 되므로 주택에서도 가능하다. 발전량이 많지는 않아도 송배전에 의한 손실이 거의 없기 때문에 효율적이다.
그러나 비 오는 날은 물론 날씨가 흐려도 태양광발전은 도움이 되지 않고 풍력발전도 바람이 불지 않으면 발전할 수 없는 것이 단점이다.
즉 이 같이 자연 에너지를 이용하는 발전은 날씨에 따라 발전량이 격변하기 때문에 전력을 안정적으로 공급할 수 없다.
이에 축전지에 저장하는 방법을 생각할 수 있는데 전기자동차(하이브리드 카 포함)를 이용하는 것도 검토되고 있다(사진 2 참조).
<Energy Smart Miami>
Energy Smart Miami는 미국 플로리다 주 Miami-Dade 군(MAP 참조)에서 플로리다 전력(FPL : Florida Power & Light Company), GE(General Electric), 시스코시스템즈(Cisco Systems), 실버 스프링 네트워크(Silver Spring Network)에 의해 2011년 완료를 목표로 수행하던 실증실험이다. 초기 예산은 약 2억 달러이며 100만 대를 넘는 무선 인터페이스를 지닌 전력계(Smart Meter)의 배비에서 시작해 아래의 내용을 목표로 한다.
◆ Smart Grid Automation and Communications
전력망을 마치 인터넷처럼 활용해 스마트미터 등 디지털화 기기와 쌍방향으로 통신함으로써 전력의 발전 상황, 소비 상황 등을 정상적으로 감시해 전력 공급 시스템의 신뢰성 향상과 전력 소비의 효율화를 목표한다.
◆ Smart Meter
이번 실증실험의 핵심이라고도 할 수 있는 통신 기능 탑재 스마트미터를 설치함에 있어 당분간 Miami-Dade군의 100만 세대와 많은 기업에 보급하고 2011년 이후 5년간에 걸쳐 400만 세대로까지 확장할 계획이다. ◆ Renewable Energy Integration
전력 공급 시스템에 재생 가능 에너지 발전을 도입하기 위해 Miami-Dade군에 위치한 대학과 고등학교에 태양광발전 패널을 설치한다. ◆ Plug-in Hybrid Electric Vehicles(PHEVs)
하이브리드 카 300대를 Miami-Dade군에 있는 플로리다 전력의 업무용 차량으로 배치하고 충전 스테이션 50개소를 새로 설치한다. 그후 Miami-Dade 칼리지, 플로리다 국제대학, 마이애미 대학과 마이애미 시에도 배치할 예정이다.
◆ Consumer Technology Trials
1000세대 정도를 대상으로 스마트미터를 사용한 소비자 보유 기기에 대해 정보 수집을 목적으로 통신 시험을 실시한다.
① 소비 전력을 줄이기 위해 가정 내의 소비 전력을 표시 혹은 에코패널을 설치한다.
② 발전 부하가 많은 시기(전력 소비가 피크일 때)에 스마트미터와 통신해 저소비 모드로 전환하는 기기를 설치한다.
③ 미리 프로그램하는 것 외에 스마트미터로도 제어할 수 있는 자동 온도 조정을 실시한다.
④ 조명 등의 전화(電化) 제품을 관리하는 소프트웨어를 도입한다.
스마트그리드는 주로 전력 인프라에 관한 솔루션이다. 미국의 전력망 실정은 그렇다 해도 일본에서 영향력이 큰 것은 오히려 가정 내일 것이다. 즉 가전계이다.
International CES는 매년 1월 상순에 미국의 라스베이거스에서 개최되는 가전제품 전반의 전시회이다. 이 전시회에서 스마트그리드 키워드가 주목받게 된 것은 2010년쯤부터이다(2009년 오바마 대통령의 연설 때문일 것이다).
2010년의 전시는 전력 계측을 축으로 한 비용 절감이 핵심 키워드였다. 사실 가정에서 본 이점으로는 이것이 첫 번째일 것이다. 2011년에는 태양광발전과 풍력발전 그리고 연료전지라는 로컬 발전이 돋보였다. 2012년에는 다시 전력 계측으로 되돌아갔지만 2010년보다 더 상세히 측정하게 됐다(사진 3 참조)
本記事는 日本OHM社가 發行하는OHM誌와의 著作權協約에 依據하여 提供받은 資料입니다.
