2013. 8. 26 ( 제 40 호 ) 미래지능형전력망 - 스마트그리드 스마트그리드는안정적이고효율적인전력생산과이용을가능하게하는지능형전력망으로서, 미래에너지생산, 관리, 소비시스템의핵심이자신성장동력으로각광받고있다. 네트워크, 소프트웨어등정보통신기술과전기자동차, 신재생에너지등각종산업과연계된융복합산업으로서, 여러분야에미치는파급력이클것으로전망된다. 미국, 일본, 유럽등주요선진국들이스마트그리드도입과핵심기술및경쟁력확보에나서고있는상황에서국내실정에맞는한국형스마트그리드전략이요구된다. C O N T E N T S Ⅰ. 스마트그리드의등장배경과개념 Ⅱ. 스마트그리드의특징과장점, 주요기술 Ⅲ. 스마트그리드의활용사례와추진현황 Ⅳ. 향후전망
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 Ⅰ. 스마트그리드의등장배경과개념 2003 년 8월 14일미국과캐나다동부일대에사상최악의대규모정전사태가발생했다. 뉴욕과인근도시들은전기가없는상태에서공황사태를겪었고, 교통, 항공기운항중단, 상업활동이정지되면서이기간 60억달러 ( 약 6조 6천억원 ) 에이르는피해가발생했다. 초고압송전선로가부러진나무와접촉하면서누전이일어나발전기와송전선로에고장이발생했고, 주변의뉴욕, 디트로이트, 토론토등으로정전사태가확산된것이다. 당시뉴욕타임스는여름철전력수요급증에따른과부하로미국중서부, 동북부지역의전력연결망에문제가발생할수있다는보고서가정부관계기관과업계로부터잇따라나왔다고지적했다. 유래가없었던대정전은미국을비롯한선진국들이전력망의안정성확보와체계적정비에더불어스마트그리드에도관심을기울이게된계기가되었다. 최근우리나라에서도여름철냉방기수요급증으로인한고질적인전력난이만성화되면서, 스마트그리드에대한관심이높아지고있다. 국내에서는전력부족으로인한블랙아웃을막기위해 2011 년 9월순환단전을해야만했고, 올해에는원전가동중지로인한전력공급부족으로전국민적인절전을호소하고있다. 여름에는냉방기가동때문에피크수요 1) 가급증한다는점에서스마트그리드는만성적인전력난을해결해줄수있는기대주로각광받고있다. 스마트그리드 (Smart Grid) 는한국어로는 지능형전력망 으로풀이된다. 말그대로지능적이고스마트 (Smart) 한전력생산과이용을가능하게하는솔루션으로, 기존의비효율적인전력시스템에 IT 기술을접목, 전력망을실시간으로관찰및통제하고양방향통신으로운영효율을최적화하는전력시스템을말한다. 기존의전력망은비효율적으로피크수요에대응해항상예비전력을확보하고있어야하므로평소의수요보다많은발전설비를갖추고있어야했다. 이에비해스마트그리드는일방향전력공급체계로부터수요자중심의네트워크전력망으로전환하는것으로서효율적인전력관리가가능해진다는장점이있다. 구체적으로는기존의전력망에 IT 기술을접목, 공급자와수요자간양방향으로실시간전력정보를교환할수있게되는데, 이를통해소비자들이가격이낮은시점에는전력소비를높이고가격이높은시점에는소비를줄임으로써피크수요가비교적고르고일정하게관리된다. 또한기존의대규모중앙집중형발전방식에서벗어나수요지주위에소규모의작은발전소와발전기를배치하는분산발전 2) 방식을통해전기를멀리까지송전할때드는손실을줄이고, 수요에 2 1) 전력수요가가장높아지는시점으로, 계절적으로는주로여름철, 하루중에서는생산활동이활발한오후 2 시 ~5 시사이에피크수요가발생함 2) 기존의대규모중앙집중형발전과달리소규모로수요지주위에분산배치하는발전방식
맞춘효율적인발전설비운영이가능해진다. 전력계통에문제가발생하면자동복구가가능하며, 실시간으로전력수요에맞춰발전량을조절함으로써고품질의전력을공급할수있게된다. 전기를저장했다가필요할때꺼내쓸수있는전력저장장치와의연계를통해, 전력이남아돌때전력을충전하고부족할때충전된전력을사용함으로써전력이용효율성도제고할수있다. 그림 1. 스마트그리드개념도 자료 : ( 재 ) 한국스마트그리드사업단 3
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 Ⅱ. 스마트그리드의특징과장점, 주요기술 1. 스마트그리드의특징과장점 스마트그리드의특징으로는양방향성, 디지털, 분산형, 융복합적특성을꼽을수있다. 양방향성은전력발전기, 송전, 변전기등의생산설비와전력저장장치, 전력을소비하는가전기기등에네트워크기능이탑재됨으로써구현된다. 스마트폰등에서대표적으로이용되었던네트워크, 인터넷, 프로토콜을통한양방향통신이가능해지는것이다. 양방향성은공급자와수요자간실시간으로다양하고유용한전력정보를교환할수있게함으로써, 효율적전력생산과이용에가장크게기여한다. 통신에이용되는기술로는 Zigbee 3) 와전력선통신 (PLC) 4) 이고려되고있다. 디지털적특징은스마트폰, 태블릿 PC 등기존의 IT 산업에서사용되던기술이접목됨으로써보다더지능적인제어가가능하게한다. 스마트그리드시스템에서는발전설비에발생한고장을자동으로진단하고반자동이나자가로복구할수있게되며, 설비점검도원격으로이루어질수있다. 또한냉장고, 에어콘, 전열기등이스마트가전으로진화하면서사용되지않을때는자동으로꺼지거나, 전력소모량을자동으로조절하는등가전제품의전력효율성도향상될수있다. 분산형은기존의중앙집중형전력생산, 관리, 소비행태를벗어나보다병렬적이고지역적인전력생산과이용을가능하게하는특징이다. 기존에는대형발전소가전력생산을담당했던데반해, 분산형전력시스템하에서는수요지인근에소형발전시설을만들거나전력저장장치를이용해전력생산과관리를분산할수있다. 분산발전시스템의핵심은신재생에너지 5) 를이용한발전과전력저장시설이다. 향후탄소배출과환경오염, 자원고갈해결에도움을줄것으로주목받고있는태양열과풍력과같은신재생에너지발전은전력생산이불규칙하다는문제가있다. 이를해결하기위해스마트그리드를이용해개별가구, 지역, 도시의전력수요량을모니터링하고, 수요에대응하는분산발전시스템을구축하는것이가능하다. 또한전력생산이충분한시간에는전력저장시설에전력을저장하고, 부족할때꺼내사용함으로써신재생에너지발전의불규칙한전력생산문제에대응할수있다. 4 3) 소규모네트워크규약으로긴배터리, 낮은갱신비율, 높은안정성을구현하는통신모듈로가정의자동화, 전력의효율적소비를목적으로함 4) Power Line Communication, 가정이나사무실의전기선을통해서음성, 데이터, 인터넷등을고속으로이용할수있게하는서비스 5) 태양광, 태양열, 풍력, 바이오연료, 연료전지등을활용해전기를생산하는방식
스마트그리드를통해다양한새로운산업분야의등장과발전이이루어질수있다는점에서, 융복합적산업의특징이강하게나타난다. IT와통신기술, 신재생에너지기술이전력기술에접목되기때문에, 다양한기술이개발되고활용되며, 파생제품생산도활발해질전망이다. 전력량을측정하는스마트센서와스마트미터, 통신네트워크기기와디지털하드웨어 / 소프트웨어등이스마트그리드환경에서새롭게등장하게될제품들로꼽힌다. 또한전력산업과는상관이없던통신회사, IT 기업, 가전사들이새로운사업기회를잡게될것으로예상된다. 그림 2. 현재 ( 기존 ) 전력망과스마트그리드의비교 자료 : 산업연구원, 2010 2. 스마트그리드의주요기술 스마트그리드의주요기술로는 광역모니터링및제어기술, 정보통신기술통합, 재생에너지및분산발전통합, 송전망고도화, 미터링인프라고도화 등이있다. 이러한기술들은발전 (Generation), 송전 (Transmission), 배전 (Distribution), 산업용 (Industrial), 서비스용 (Service), 주거용 (Residential) 전력공급에이르기까지전력생산과전달, 소비의각단계에서중요한역할을담당한다. 5
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 그림 3. 스마트그리드의기술요소 자료 : IEA, 2010 광역모니터링및제어 (Wide-area monitoring and control) 기술은전력발전과송전시광범위한지역에걸쳐전력시스템성능을실시간으로모니터링하고제어하는기술이다. 실시간전력소모량, 전압, 각종전력량을측정해이에맞춰전력생산을최적화하고, 블랙아웃을막고송전용량과안정성을증대시키며전력회사의각종의사결정에필요한데이터를분석하는역할을한다. 정보통신기술통합 (Information and communications technology integration) 기술은통신네트워크, 컴퓨팅, 시스템제어소프트웨어, 스마트단말을활용해전력망을효율적으로운영하고공급자와소비자간에양방향정보를교환함으로써에너지사용효율성을향상시키는역할을한다. 재생에너지및분산발전통합 (Renewable and distributed generation integration) 기술은재생에너지와분산발전을연계하고제어한다. 분산발전은중앙집중형대형발전소가아니라전력이소비되는곳에서전력을생산하는방식으로장거리송전시발생하는손실을감소시키고대규모정전피해를최소화할수있게한다. 분산발전에주로이용되는것이재생에너지발전인데, 전력생산량이불규칙한문제를에너지저장시스템을통해극복할수있을것으로기대된다. 6
송전망고도화 (Transmission enhancement applications) 기술을통해서는송전효율성을향상시키고추가투자규모를축소할수있다. 미터링인프라고도화 (Advanced metering infrastructure) 기술은전력이이용되는곳과전력회사사이에양방향데이터통신을통해정보를주고받을수있게한다. 스마트미터를통해정보를교환하고, 고객에게실시간으로전력가격과소비량을제공함으로써소비자가가격에대응해전력소비를할수있도록한다. 또한이를통해원격으로전력고장을진단하고유지보수에필요한각종데이터를관리할수도있다. 전기자동차충전인프라 (Electric vehicle charging infrastructure) 기술은가격이저렴한시점에맞춰전기자동차충전스케줄을조정하는스마트충전과전기세청구에필요한데이터를관리한다. 고객측시스템 (Customer-side systems) 기술은산업, 서비스, 주거등각분야에서전기관리시스템, 에너지저장장치, 스마트가전과분산발전에이르기까지전기소비를관리하는데이용된다. 7
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 Ⅲ. 스마트그리드의활용사례와추진현황 1. 스마트그리드의활용분야와기대효과 스마트그리드가활용될수있는분야와기대되는효과로는지능형발전을통한전력망의안정성및효율성향상, 신재생에너지이용의활성화, 분산발전과전력저장장치의활성화, 새로운솔루션및애플리케이션의등장과관련산업의발전이있다. 가장주된효과로는전력망의안전성과효율성향상이기대되는데, 실시간으로정보전달이가능한양방향통신시스템과전력관리시스템을통해발전, 배전, 송전으로이어지는과정이보다원활하고효율적으로진행될수있다. 또한피크수요감소와고른수요관리를통해수요와공급의불일치를최소화함으로써에너지효율성을증대시킬것으로기대된다. 실시간으로전력사용량과가격등전력관련정보를전달하는스마트미터시장은향후가장빠르게성장할것으로전망된다. 스마트미터의보급과함께전력피크시전력사용감소를유도하는수요반응 (Demand Response; DR) 기술은스마트그리드의핵심활용분야중하나로꼽힌다. DR 기술을통해전력거래시장에서형성된전력가격이실시간으로소비자에게전달되며, 전력수요가급증하면가격이상승해소비자가전력사용을줄이는효과가기대된다. 신재생에너지는자연조건에따라발전량의변동폭이크다는문제가있다. 예를들어폭풍이치는날에는태양광발전이불가능하지만반대로풍력발전의전기생산량은급증한다. 스마트그리드가이를해결하는데기여하면서신재생에너지의활성화를꾀할수있다. 풍력, 태양력, 조력등신재생에너지를이용하는발전소를전력망에포함시키고실시간으로정보를교환함으로써안정적인전기공급이가능하다. 또한기존의대형발전소중심의전력공급시스템을소형분산발전시스템으로개선해나가기위한인프라구축도요구된다. 태양광, 연료전지, 마이크로터빈등의분산발전은효율과성능이개선되면서산업용뿐만아니라가정용으로까지확대적용될수있을것으로보인다. 스마트그리드의확산은전력저장장치의수요도급격히증가시킬것으로전망된다. 분산발전이나신재생에너지로생산된전력이나야간잉여전력을수요자가저장장치에저장했다가직접사용하거나전력피크시간에높은가격을받고전력회사에재판매하는것도가능해진다. 전력저장장치의용량이증가하면국가나도시차원의저장용도로사용가능하며, 저장장치를활용한 8 전력판매전문서비스도가능해질전망이다. 이미아랍에미리트의아부다비에서는 2009 년일
본가이시사의 1G 용량 NAS 전지를설치, 잉여전력활용을추진하고있으며점차용량을증 대시킬예정이다. 스마트그리드로의전력공급시스템전환은통신, 소프트웨어, 가전, 반도체, 건설, 운송에이르기까지제반관련산업에큰영향을미칠것으로전망된다. 전력망과정보를주고받는스마트미터기, 스마트가전제품및태양력발전장치, 전기저장장치의보급이확대될것으로예측되며, 야간전력을이용하는전기자동차의충전인프라구축또한스마트그리드를통해실현될수있다. 2. 글로벌주요국가의스마트그리드추진현황 미국에서는오바마대통령이지난 2009 년스마트그리드사업에 34억달러를투자하겠다고밝히면서스마트그리드산업이주목을받고있다. 미국에서는노후화된전력생산시설, 송배전시스템을개선하는전력망업그레이드측면에서스마트그리드사업을추진하고있다. 미국은전력인프라가노후화되면서송전효율성이떨어졌고, 잦은대규모정전사고로국가적차원에서막대한경제적손실을입어왔다. 오바마행정부는스마트그리드를그린뉴딜정책의핵심사업으로꼽고있으며, 이를통해전력공급을안정화하고전력망을효율적으로정비하면서, 많은경제적이득을볼수있을것으로기대하고있다. 유럽에서는스마트그리드시스템을통해 EU 권역내의전력망을통합함으로써, 신재생에너지를이용한전력생산과국가간전력거래를활성화하는효과를기대하고있다. 유럽은전세계에서도신재생에너지이용과인프라구축에가장적극적으로나서고있는권역이다. 또한전력망을하나로통합하게되면 EU 국가간전력거래를활성화할수있을것으로기대되며, 장기적으로는북유럽, 북아프리카, 중동의신재생에너지이용을활성화하고유럽전력망과연결하는 슈퍼스마트그리드 (SSG; Super Smart Grid) 구축을목표로하고있다. 유럽은스마트그리드가구축되면화석연료소비에서발생하는이산화탄소배출감소등의환경보호효과와에너지이용효율화로인한경제적효과를동시에얻을것으로기대하고있다. 9
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 그림 4. 유럽의슈퍼스마트그리드개념도 자료 : DESERTEC, 2008 일본에는이미안정적이고효율적인전력망이구축되어있어스마트그리드도입에소극적으로대응했으나, 최근에는관련기술주도권확보를위해적극나서고있다. 미국, EU 등기술선도국가의글로벌스마트그리드시장선점에대응하기위해 2009 년기술로드맵을수립하고 10 개섬에서실증사업을추진중이다. 일본은스마트그리드기술에대한연구, 개발과산업경쟁력확보를통해미국, 유럽, 중국등향후시장확대가기대되는곳에대한수출공략에서유리한입장을확보한다는전략이다. 그림 5. 글로벌주요국가의스마트그리드추진현황 10 자료 : US Department of Energy, IEA, 현대경제연구원, 스트라베이스재구성
Ⅳ. 향후전망 스마트그리드는미래의신성장사업으로서크게관심을모으고있다. 향후시장이급속도로성장할것으로기대되는가운데, 미국의그린테크산업시장조사기관인 GTM Research 는 2013 년스마트그리드시장규모가 360 억달러규모에이를것으로예측했다. 또한 2020 년까지연평균성장률 (CAGR) 8.4% 로증가해 630 억달러규모로확대되고, 누적시장규모는 4,000 억달러를상회할것으로전망했다. 지역적으로는중국이전체시장에서 24% 를점유해가장큰시장을이룰것으로예상했다. 그림 6. 스마트그리드시장규모전망 ( 단위 : 십억달러 ) 누적 시장규모 연간 시장규모 자료 : GTM Research, 2013.7.25 석유, 석탄, 천연가스등화석에너지고갈과이산화탄소증가에따른기후변화는전세계적인위기요인으로다가오고있다. 에너지의효율적인이용과급증하는전력수요에대응할수있는스마트그리드산업은미래의에너지관리시스템으로서중요성을인정받고있다. 또한스마트미터, 스마트가전, 네트워크통합관리솔루션등관련된제조업과 IT 산업에도긍정적인영향을미칠것으로전망된다. 반면에스마트그리드네트워크에서전달되는전력사용데이터를통한프라이버시침해, 사이 버테러로빚어지는전력망마비, 사용량조작등의문제가발생할수있고, 아직시장초기단 계이기때문에관련인프라가미비하고규모의경제달성이힘들다는것은한계점으로꼽힌다. 또한일본의상황과마찬가지로, 한국의전력망은송배전손실률, 정전시간, 부하율등에서세 11
산업융합과신성장동력웹진 이슈분석 계최고수준의안정성과효율성을보이고있고전력서비스에대한사용자의만족도가높기때문에스마트그리드사업의필요성에대한설득력이떨어진다는것도국내시장활성화에장애요인으로작용할수있다. 스마트그리드시스템의핵심요소중하나인분산발전도입도국내에서는화력, 원자력발전의비중이 99% 에달하는등신재생에너지활용률이떨어진다는문제에직면하고있다. 따라서국내에서스마트그리드기술의성공적인도입을위해서는신중한검토를통해장기적인계획을수립해야할필요가있다. 투자비용과기대수익을면밀하게고려하는경제성분석과함께정부와한전주도의전력공급시스템이효율적으로작동하고있는우리나라현실에맞는스마트그리드구축전략이수립되어야할것이다. 전력의안정적공급과효율성제고를위해정부, 한전, 민간기업의적절한역할분담이요구되며, 특히공공주도의전력망운영에서민간기업이참여할여지가있고경쟁력을확보할수있는분야를명확히제시하는것이필요하다. 이와함께국내환경에맞는신재생에너지도입정책과적극적인기술연구개발투자와국내기업들이강점을보이는 IT 기술과의연계를통해경쟁력을확보함으로써수출시장공략에주력하는전략이유효할것으로전망된다. 본내용은집필연구원의개인적인견해로서정보통신산업진흥원의공식의견과는무관합니다. 12
< 참고문헌 > 1. GTM Research, "Global Smart Grid Technologies and Growth Markets 2013-2020", 2013.7.25 2. IEA, Smart Grids Technology Roadmap, 2011.4.4 3. 산업은행경제연구소, 스마트그리드산업의동향및산업화방안, 2011.1.4 4. 삼성경제연구소, 스마트그리드 와신사업기회, 2010.7.15 5. 신한금융투자, 녹색성장, 전력인프라 ; 스마트그리드, 2011.6 6. 연합뉴스, 전력대란 공포 되돌아본 2003년美 블랙아웃, 2013.8.11 7. 한국경제, 오바마 스마트그리드는제2의고속도로혁명, 2009.10.28 8. 한국방송통신전파진흥원, 글로벌스마트그리드추진현황과전망, 2012.9.24 9. 한국산업기술진흥원, 미국스마트그리드산업의 Value Chain 및정책동향, 2012.1.13 10. 한국정보화진흥원, 新산업과일자리창출의플랫폼, 스마트그리드, 2010.12.17 11. 현대경제연구원, 한국형스마트그리드전략수립이필요하다-선진국사업추진동향과우리나라의문제점을중심으로, 2011.3.19 13