스마트시티는 단순히 정부만의 프로젝트가 아니라, 다양한 분야의 많은 글로벌 선도 기업들이 추진하고 있는 지향점이 되어가고 있습니다. 따라서 이번 연재 시리즈에서는 스마트시티의 구성 요소들과 기술, 적용 사례들을 통해 앞으로의 비즈니스에 주는 시사점을 알아보고자 합니다.
스마트시티가 운영되기 위해서는 수많은 스마트 기기, 각종 정보통신 인프라, IoT 센서, 이들을 통해 수집된 정보를 분석, 제공할 수 있는 다양한 서비스 등이 필요합니다. 하지만, 무엇보다도 전기 에너지는 이 모든 것들을 활용하는 데 없어서는 안 될 요소라고 할 수 있습니다.
우리가 매일 사용하는 전기 에너지, 작게는 스마트폰을 충전하기 위해 그리고 크게는 냉장고, 에어컨, 세탁기 등 생활에 꼭 필요한 전자 제품들을 사용하기 위해 전기 에너지를 소비하고 있습니다. 그렇다면 우리는 1년 동안 항상 같은 양의 전기 에너지를 사용할까요?
정답은 물론 아닙니다. 에어컨 등 냉방기구 사용량이 많은 여름철과 난방기구 사용이 많은 겨울철 전기 에너지 수요량이 평상시보다 훨씬 많습니다. 보통 전력 공급자는 여름철이나 겨울철과 같이 전기 에너지 사용량이 일 년 중 가장 많을 때를 기준으로 발전소를 건설하고 전기 에너지 생산을 준비합니다. 이러한 준비 없이는 갑작스레 전력 사용량이 많아질 때 공급 부족으로 인한 대정전 등의 사고를 예방할 수가 없겠죠.
하지만, 전기를 제일 많이 사용할 때를 기준으로 발전소를 짓다 보니, 다른 때는 발전소를 운영하지 않게 되고, 비용적으로 우리 모두의 부담이 될 수도 있습니다.
이렇게 기준을 세우고 전기 에너지를 생산•공급함에도 불구하고 전력 의존도가 높아짐에 따라 무더위, 한파가 찾아오면 에어컨, 온풍기 등의 설비를 평소보다 더 쓰게 되면서 전기 에너지 부족 현상이 일어나게 됩니다. 최근 정부가 발표한 탈원전 정책으로 전기 에너지 부족 현상이 더 늘어날 수도 있다는 걱정의 말도 나오고 있습니다.
그렇다면 이러한 전기 에너지 부족 현상을 극복할 방법은 무엇일까요?
아파트에 살다 보면 가끔 물탱크 청소나 기술적인 문제로 단수가 되는 경우가 종종 있습니다. 그럼 보통 가정에서는 단수에 대비해 욕조에 물을 받아 놓곤 합니다. 그러나 우리 일상에 꼭 필요한 전기 에너지는 비상시를 대비해 보관할 수가 없다는 단점이 있습니다. 물론 보조 배터리 등에 아주 적은 양의 전기 에너지를 저장해 스마트폰을 충전하거나 소형기기를 사용할 수는 있겠죠. 하지만 보조 배터리로 냉장고나 세탁기를 돌릴 수는 없습니다.
이럴 때 사용하는 것이 ‘에너지 저장 장치’라고 부르는 ESS(Energy Storage System) 입니다. ESS는 단수에 대비해 물을 받아 놓는 욕조처럼 대용량의 전기 에너지를 저장해 두었다가 비상시 전기 에너지를 사용할 수 있는 저장 장치를 말합니다.
ESS를 사용하여 전기 수요가 비교적 적고 전기료가 저렴한 심야 시간의 전기 에너지를 끌어와 저장해 두었다가 전기 수요가 급증할 때나 전기료가 상대적으로 비싸질 때 저장했던 전기 에너지를 이용할 수 있습니다. 또한, 짧은 시간 동안 전력 공급량이 수요량에 못 미치면 새로운 발전소를 건설하지 않아도 ESS에 저장된 전기 에너지를 사용해 전력을 안정적으로 공급, 사용할 수 있게 됩니다.
이처럼 ESS는 기존에 가지고 있던 피크 시간 대 과잉 전력 요금 및 전력 공급 불균형과 같은 문제를 해결하고, 불필요한 발전소를 추가로 건설해야 하는 비용을 줄일 수 있게 해줍니다.
ESS는 전기 에너지의 공급•수요에 도움을 줄 뿐만 아니라, 신재생 에너지를 효과적으로 활용하는 데에도 사용됩니다.
최근 친환경 에너지에 관한 관심이 높아지면서 쉽지 않게 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 발전 설비를 찾아볼 수가 있는데요. 신재생에너지는 제한 없이 사용할 수 있는 에너지원이라는 이점이 있지만, 날씨 등 자연환경에 따라 발전량의 변동성이 큽니다.
불규칙하게 발전되는 신재생에너지를 더 잘 활용하기 위하여, 햇빛이 강한 낮에 발전된 전력과 바람이 많이 부는 때의 전력을 ESS에 저장해 두었다가, 해가 비치지 않거나 바람이 불지 않을 때 저장된 전력을 사용하면 신재생에너지를 좀 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.
또 ESS는 전기 에너지의 품질 문제 개선에도 도움을 줍니다. 우리가 매일 쓰는 전기 에너지를 고품질로 유지하기 위해서는 공급자의 발전량과 소비자의 수요량을 정확히 일치시켜 전기 에너지의 주파수, 전압 등을 일정하게 유지하는 것이 중요한데요. 소비될 전력량을 예측하고, 이를 발전소에서 맞추는 방식으로 운영됐습니다.
만약, 전력의 공급과 수요가 일치하지 않으면 전력 품질에 문제가 발생하고 이로 인하여 주파수와 전압의 문제가 발생하여, 부분적으로 단전, 그리고 심할 때는 ‘Black Out’ 현상까지 나타날 수 있습니다.
이런 문제를 해결하기 위하여 최근에는 ESS를 사용하여 단순히 불필요한 전력을 저장했다 사용하는 것뿐만 아니라 주파수 조정, 전압 관리, 예비력 제공 등과 같은 전력계통 보조 서비스에도 사용하고 있습니다.
이처럼 ESS는 친환경 에너지의 효율성, 전력 품질 문제 개선 등 다양한 분야에 장점을 갖고 있습니다. 이런 ESS의 장점을 극대화하기 위해서는 단순히 정해진 시간에 전력을 담아 두었다가 방전하는 방식이 아닌 소비량과 발전량을 실시간으로 모니터링하고, 여러 가지 상황에 맞게 충전 및 방전할 수 있는 규칙을 만들어 전력의 저장과 소비를 스마트하게 관리하는 것이 중요합니다.
EMS(Energy Management System)라고 부르는 에너지 관리 시스템을 통해 전력망을 운영하는 사람들은 ESS(전력 저장 장치), 태양광 발전기, 풍력 발전기 등과 같은 다양한 장비를 직접 제어하고 이들 장비로부터 수집한 데이터의 유효성을 검사하고 의미 있는 정보를 분석할 수 있습니다.
예를 들어 기상 정보나 소비 패턴 정보 등에 기반을 두어 예측 알고리즘을 만들고, 이에 따른 발전량 및 수요량을 예측하거나, 산출된 예상량과 시장 현황을 반영하여 발전 장비나 저장 장비 등 제어 가능한 장비에 대한 최적 운전 스케줄을 생성할 수 있습니다.
l 글로벌 ESS 시장 전망 (출처: 네이건트리서치)
최근 네비건트 리서치에 따르면 2020년까지 전 세계 ESS 시장 규모가 50조 원을 넘을 것이라고 합니다. 그만큼 앞으로 ESS는 스마트시티를 위하여 더 많이 사용될 것입니다.
우리나라에서도 ESS를 더 많은 곳에, 더 안전하게, 더 안정적으로, 더 효율적으로 사용하기 위하여 큰 노력을 하고 있습니다. 2016년에는 제주도에서 국내 최초로 풍력 발전소와 연계한 ESS 사업을 진행하였고, 공장 및 학교 등 에너지 소비가 많은 시설을 중심으로 ESS 사업은 꾸준히 발전해 왔습니다. 또 최근 중소기업 전력 요금 절감을 위한 ESS 보급 사업이 진행 중입니다.
우리 삶에 꼭 필요한 전력을 더 효율적으로 쓰게 도와주는 ESS, 앞으로 ESS를 통하여 도시가 해결해야 할 전력 부족과 같은 문제를 해결할 수 있다면, 더 나은 삶을 살 수 있는 스마트시티의 구현이 좀 더 쉬워지지 않을까 기대해 봅니다.
글 l LG CNS 엔트루컨설팅 스마트엔지니어링그룹
['스마트시티' 연재 현황]
[1편] 각국의 도시와 기업은 왜 스마트시티에 집중할까?
[4편] ESS, 새로운 발전소 없이 전력을 공급한다.
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