마이크로그리드기술의적용과운영사례 마이크로그리드기술의적용과운영사례 1. 개황 김성만한전기술기획처기술전략팀장 2011년전세계를공포로몰아넣었던후쿠시마원전사고로일본전역은방사능오염이라는충격과더불어최악의정전사태가발생해암흑에휩싸인적이있었다. 그런데이때사고장소에서멀지않은샌다이 (Sandai) 라는지역은암흑속에서도중단없이전기를사용하면서세간의집중조명을받았다. 이는마이크로그리드시스템이구축된덕분이었다. 한편국내에서는 9.11 순환정전사태와태백지역주민의원자력발전소건설반대시위, 밀양 765kV 송전탑건설갈등등전기에너지의사용과관련한다양한상황들을겪었거나아직까지도겪고있다. 이처럼현재전력산업은과거산업화시대에추진했던대규모발전소를건설해생산한전력을초고압전력망을통해전송 2014 November + 37
Rooftop PV Solar Many new things to manage! Utility-scale Energy Storage Switches & Electronics Microturbine Energy Storage Ground PV Solar Array PHEVs Distributed Generation Home Energy System [ 그림 1] 마이크로그리드의구성 하는방식에서패러다임이변화하고있다. 다시말해우리나라나일본뿐만아니라전세계적으로전력에너지를공급하기위한전력망 ( 그리드 ) 조차도이제는사회적수용성을고려하지않으면명분과당위성을인정받기어려운시대로변하고있는것이다. 이에본고에서는에너지공급측면에서신뢰성과회복력 (Resilience) 이라는두가지장점과더불어에너지의생산과소비를능동적으로해결할수있는미래에너지기술의대안인 마이크로그리드 (Micro Grid) 를소개한다. 가. 마이크로그리드기술개요기존의전력시스템은발전소에서생산된전기를소비자에게전달하는단방향구성이었다. 기존의전력시스템에서소비자들은자급자족만하였고, 전체계통망에는기여하지않았다. 즉생산되고남은전기 는대부분버릴수밖에없어효율성이떨어졌다. 하지만기존의소비자중에서직접전기를생산하여공급자역할까지하는프로슈머 (Prosumer) 가등장하였다. 마이크로그리드는이들이생산하는전기에너지를활용하여전체네트워크의에너지를극대화시키기위한기술로, 발전소에서만전기를생산하는것이아니라양방향송배전시스템을바탕으로다수의프로슈머가전력망의전력생산을맡게되는구조이다. 따라서마이크로그리드는대규모전력망 (Mega Grid) 이가진문제점, 즉발전원의입지문제, 전력수송을위한전력설비의사회적수용성문제, 생산과소비의불일치로인한지역적갈등과보상문제들을해결할수있는새로운전력망개념이다. 이러한마이크로그리드는물리적으로구분되는영역내의신재생에너지, 전력저장장치 (ESS) 등다수 38 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
마이크로그리드기술의적용과운영사례 [ 그림 2] 마이크로그리드의구성및요소기기 의분산에너지자원과이를소비하는고객 ( 부하 ) 으로구성된커뮤니티단위의소규모그리드 ( 전력망 ) 로, 대규모전력계통과전기적으로연결되어운전 ( 계통연계형, Grid Connected Type) 되거나, 분리되어운전 ( 독립형, Isolated Type) 되는소규모자립형전력망을의미한다. System), 계통의보호를위한 STS/IED(Static Transfer Switch/Intelligent Electronic Device), 그리고에너지의생산과경제적급전을제어하는장치인 EMS(Energy Management System) 등으로구성된다. 나. 기술의구성마이크로그리드기술은 [ 표 1] 과같이유효 / 무효전력제어및전력품질보상, 원격제어및감시기능, 계통연계 / 단독운전을제어하는 PCS(Power Conditioning 2. 현황 가. 해외기술동향 마이크로그리드는미국과 EU, 일본을중심으로 [ 표 1] 마이크로그리드의기술구성 구성요소 PCS STS/IED) Network Gateway Micro Grid EMS 주요기능 유효 / 무효전력제어및전력품질보상 원격제어및감시기능, 계통연계 / 단독운전겸용 단독운전방지등의배전계통연계보호기능 배전계통고장시독립운전절체, 재동기투입 범용통신 ( 직렬통신, 필드버스, 이더넷 ) 과 IEC 61850 변환기능 부하 ( 전력, 열 ) 및신재생에너지발전량예측 경제급전, 자동발전제어및최적발전계획 2014 November + 39
4,500 (MW) 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500-2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 [ 지역별마이크로그리드성장전망 ] 40,000 35,000 30,000 ($ Millions) Conservative Scenario Base Scenario Aggressive Scenario 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000-2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 [ 마이크로그리드시장규모전망 ] [ 그림 3] 마이크로그리드성장전망 ( 출처 : Navigant Research, 2013.4Q) 다양한연구개발과비즈니스모델에대한실증을거쳐상업화초기단계로접어들고있다. 미국은 DOE (Department of Energy) 와전력회사등을중심으로약 200여개의프로젝트가추진되는마이크로그리드기술개발의중심지로, 캘리포니아대정전및허리케 인 샌디 와같은자연재해시전력공급신뢰도확보등을위하여실증사업을추진하고있다. 일본은 NEDO(National Economic Development Office) 를중심으로전력품질서비스의차별화를목표로, 유럽은마이크로그리드의기술적인요소에대 40 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
마이크로그리드기술의적용과운영사례 한실증뿐만아니라상업적요소및표준화등을위하여실증사업을추진하였다. 최근에는인구밀도가낮고, 국가전력망의접근성이열악한동남아시아나아프리카, 남미지역이마이크로그리드의새로운대상지역으로부상하고있다. 시장조사기관인 Navigant 에따르면 2020년의마이크로그리드시장규모는약 200억달러, 4,000MW 로연평균 30% 씩성장할것으로전망된다. 나. 국내사업추진현황우리나라는계통연계가되지않은 63개도서에디젤 ( 내연 ) 발전소를이용하여전력을공급하고있다. 이런도서지역의발전단가는 343원 /kwh( 울릉도 )~8,156원/kWh( 율도 ) 로평균단가는약 490원 / kwh에이른다. 이는육지에비해 4배이상비싼비용으로전력을공급하고있는셈이다. 또한, 최근지자체로부터인수받은 9개태양광도서의경우에는지자체에서시공한태양광발전기와납축전지가디젤발전기와연계되어운전중이나, 관련기술및경험부족으로최적설계가확립되어있지 않은실정이다. 이에따라한전에서는체계적인기술개발과실증을통하여국내도서에독립형마이크로그리드기술을적용할예정이다. 해당사례로한전은지난 10월 2일전라남도가사도에신재생에너지를이용하는에너지자립섬의준공식을개최하고, 새로운전력공급시스템인마이크로그리드운영을시작했다. 이러한독립형마이크로그리드구축을통하여발전연료비를포함한운영비를약 50% 이상절감하여연간약 3억2,000 만원의경제적효과를거둘것으로기대하고있다. 또한, 섬내의전압, 주파수품질등전기품질향상은물론양식장등전기를사용해야하는신규사업들이가능해졌다. 아울러온실가스등환경오염저감을통한청정도서보존및관광자원화가가능할것으로기대된다. 한편전남신안군도서지역을대상으로구축되는 계통연계형마이크로그리드 실증사이트를통해서는배터리 (1MWh), STATCOM( 무효전력보상장치 ) 등을이용하여저압계통과고압계통에연결되는마이크로그리드를연계함으로써, 배전망의효율적운 [ 표 2] 가사도마이크로그리드시스템구축설비현황 구분규격및수량특징제작사 마이크로그리드시스템설계 EMS( 운영시스템 ) 인버터 1 식 1 식 500kVA 2 대 250kVA 1 대 에너지자립섬목표신재생에너지최적조합 신재생및배터리최적제어직접부하제어 인버터가계통전압및주파수형성 배터리 3MWh 수명 4,000cycle 이상코캄 풍력발전기 태양광발전기 100kW 4 대 78/60/102/48/17/3/3/3kW 각 1 대 영구자석형동기발전기출력제한, LVRT, 역률제어 출력제한, 수상설치 한전 한전 효성 해바람에너지 (NPS 社 ) 보국전기 제어센터 2 층규모, 100 평운영실, 회의실, 인버터실, 배터리실전남테크노파크 디젤발전기 100kW 3 대 Droop 운전기설 2014 November + 41
운영시스템 (EMS) 수용가 등대 / 레어더기지 전력통신 디젤발전기 (100kVA 3) 380/6,900V 상수도 ( 수위직접제어 ) 리튬배터리 (3MWh) 인버터 #1 (500kVA) 인버터 #2 (500kVA) 주변압기 625kVA 380/6,900V 주변압기 625kVA 등대 D/L : 3 구마을, 등대, 레이더기지 시험 D/L 가사 D/L : 1,2 구마을, 상수도, 가사분교 태양광 ( 제어센터 ) (17kW) 인버터 #3 (250kVA) 냉난방기 ( 직저제어 ) 수용가 태양광 1,2 단지 (78/60kW) 풍력단지 (100W 4) 태양광 3,4 단지 (102/48kW) [ 그림 4] 가사도독립형마이크로그리드구성도 서축적되는기술력과운영노하우를바탕으로해외 마이크로그리드시장진출을더욱활성화할방침이다. (1) 덕적도 에코아일랜드 한전은지난 9월인천시및옹진군과 MOU를체결하고, 2015년초까지총 40억원의예산으로에코아일랜드를조성할예정이다. 덕적도마이크로그리드추진을통해디젤연료비절감, CO 2 10% 감축, 섬지역에너지사용량 10% 절감등의효과가기대된다. [ 그림 5] 가사도마이크로그리드통합운영시스템 (EMS) 전과신재생에너지의수용률증대를목적으로하는능동형배전망운영을실증해나갈계획이다. 한전은앞으로가사도마이크로그리드모델을바탕으로국내 120여개섬지역에 녹색에너지자립섬 구축을확대해기존디젤발전기사용을최소화함으로써연간약 160억원의전력공급비용을줄이고이산화탄소배출량을획기적으로절감할계획이다. 그과정에 (2) 울릉도친환경에너지자립섬조성사업울릉도에너지자립섬조성사업은최근정부가발표한 6대에너지신산업의한분야로신재생에너지와대용량 ESS를활용한 ICT융합형비즈니스모델을세계최초로인구만명이상이거주하는대규모도서지역에적용하는사업이다. 이사업의경우정전회피, 발전투자설비회피, 경제급전편익, 계통운영효율화, 에너지소비절감, 고용창출, CO2 절감등을 42 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
마이크로그리드기술의적용과운영사례 통해 3조1,000 억원의파급효과를가져올것으로기대된다. 다. KEPCO 표준모델을적용한해외사업추진한전에서추진하는해외마이크로그리드구축사업모델은크게 3가지로구분된다. 첫째, 전화사업중심의기본모델이다. 아프리카, 동남아등미전화지역을대상으로 KOICA( 한국국제협력단 ) 나 EDCF( 대외경제협력기금 ) 등공적개발원조 (ODA) 에의한기술지원형태의사업이여기에해당된다. 모잠비크전력청과에너지기금청에서마이크로그리드를이용하여 2015년아프리카지역에소규모전력망시범단지구축사업을추진할계획에있다. 둘째, 기술집약형마이크로그리드사업모델이다. 이분야에는전력연구원에서확보한엔지니어링기술및마이크로그리드통합운영시스템 ( 마이크로그리드 EMS) 을활용한수 MW 이상의대규모마이크로그리드를실증하고, DC 마이크로그리드, 해수담수 화, 해양조류 (Algae) 발전등다양한부가서비스를통한마이크로그리드의경제성을확보하기위한모델이다. UAE의아부다비인근 Al Futaisi 섬의마이크로그리드구축실증등이여기에해당한다. 셋째, 미래시장형마이크로그리드모델이다. 신재생에너지, 에너지저장장치등의분산에너지자원보급이확대되는선진국환경에맞추어연계형마이크로그리드와자동발전제어, 배전상태추정, 전압최적제어등선진국적용형고급기능이추가된능동형배전망운영시스템 (DMS, Distribution Management System) 기반의기술이다. 한전은캐나다토론토북부지역과온타리오주중부지역에전력을공급하는캐나다 PowerStream 사와능동형마이크로그리드시스템을실증하고, 향후미래시장에공동대응하기위한협력에합의한바있다. 이양해각서체결을통해마이크로그리드분야에서한전과협력기업들이보유하고있는국내우수기술의해외진출교두보가마련됨에따라전력기술의주무 [ 그림 6] 한전은올 9 월캐나다 PowerStream 사와북미지역마이크로그리드시장공동진출협력을위한 MOU 를체결했다. 2014 November + 43
대인북미시장진출은물론이를바탕으로한해외수출확대추진에더욱탄력이붙을것으로전망된다. 3. 전망마이크로그리드는신재생에너지산업, 전력저장장치및인버터산업, ICT산업등다양한산업군들과의공급사슬로직간접적인시너지를극대화할수있는융 복합기술이다. 따라서전력산업전반에미치는파급효과가매우크다. 이러한밝은전망에도불구하고마이크로그리드를상업화하고확산하기위해서는몇가지선결해야할과제도남아있다. 첫째, 초기투자비용절감을통한경제성확보가무엇보다중요하고시급하다. 둘째, 마이크로그리드의소유와운영주체를어떻게합리적이고효율적으로구분 하는가하는점과이러한규칙과관련된제도와규제개선이뒤따라야할것이다. 끝으로두가지의문제를해결하는노력과더불어수익을창출할수있는사업화모델 (Business Model) 의검증이뒤따라야한다. 한전은국내외실계통에대한실증으로 Track Record 를확보하고최적의사업화모델을도출하여해외시장을선점함으로써, 국내산업활성화및해외사업진출을통한신성장동력육성에적극앞장설계획이다. 이를위해서는관련기자재제조, 운영시스템기술개발 구축등여러분야의국내전문기업간긴밀한협력이필요하다. 중소기업과의공동사업, 기술이전과같이서로윈-윈할수있도록협력함으로써마이크로그리드가대표적인에너지신산업분야로서잠재력이무한한미래세계시장을개척하는첨병역할을해나가기를기대해본다. 44 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine