마이크로그리드를 정의하는 데 있어서 가장 중요한 키워드는 무엇일까? 신재생에너지가 들어가야 한다? 작아야 한다? 네트워크되어야 한다? 이것들은 조금 미래의 얘기다.
굳이 한 가지를 얘기하자면 독립 운전이 가능해야 한다고 생각한다. 신재생에너지와 ESS가 연결되어 있는 시스템을 굳이 마이크로그리드라 부를 것도 없이 신재생에너지가 연계된 배전망이라 불러도 충분하다. 배전망에 있어서 정확히 구획이 정해져 있고, 다른 쪽 네트워크와 접속되는 지점이 정확하게 정의되어 있어서 그 점들이 끊겼을 때도 독립적으로 운전되는 시스템이 마이크로그리드다. 독립운전은 심리스한 무정전한 상태로 독립운전만을 포함하는 건 아니고 정전이 약간 되더라도 자체적으로 전원을 기동해서 운전할 수 있는 시스템이어야 한다고 정의하고 싶다.
독립형 마이크로그리드의 경우 우리나라뿐 아니라 외국도 독립형 마이크로그리드(소규모 계통)를 통해서 많은 경험 쌓았고 우리나라도 많은 기업과 유리틸티가 경험을 쌓았다. 이를 바탕으로 점차적으로 중대형 규모의 연계형 마이크로그리드 추세로 가는 것은 분명하다. 규모도 메가와트에서 수십메가와트 단위의 큰 마이크로그리드를 지향하고 있는 상황이다.
대표적인 것이 대학 캠퍼스다. 캠퍼스의 가장 큰 장점은 싱글 오너라는 거다. 코엑스 같은 곳에서 마이크로그리드를 한다면 장비를 설치하는 주체와 전기요금을 내는 주체가 다르다. 전기요금은 세 들어 있는 사업자가 내고 ESS나 PV를 설치한다면 코엑스를 운영하는 운영회사가 낸다. 소유와 사용이 분리돼 있을 때, 다시 말해 설치 주체와 효용 얻는 주체가 다를 때는 마이크로그리드를 설치해서 효과를 얻는 것이 어렵다.
싱글 오너 같은 경우는 본인이 설치해서 본인이 배너핏을 받을 때는 설치할 수 있는 높아진다. 그래서 학교 같은 기관들이 자체 소유 건물에 설치하고 전기요금을 아끼는 방향으로 진행되고 있다. 캠퍼스 마이크로그리드를 구축한 해외 사례는 독립형이 많은데 유럽은 신재생에너지를 연계한 형태이고 중국이나 일본은 실험적인 캠퍼스에서 실증하는 형태가 많다. 북미 쪽의 사례가 실제 경제적인 배너핏을 얻기 위한 실제 사이트라고 볼 수 있다. 대표적인 것이 캘리포니아이며, 미국에서도 캘리포니아와 더불어 하와이와 텍사스 주가 신재생에너지 정책이나 ESS, 에너지 산업 정책이 가장 앞선 곳이다.
대표적인 것이 캘리포니아의 샌디에이고 대학인데, 샌디에이고 대학뿐 아니라 캘리포니아의 대부분 대학들은 마이크로그리드 개념으로 운영하고 있다. 제일 먼저 한 곳이 샌디에이고 캠퍼스이고 세계적으로도 유명한 사이트다. 경제성을 중심으로 한 사이트고 에너지 자급률을 높이는, 다시 말해 자가발전기를 두고 전기와 열을 전체의 90% 이상 공급하고 있다. 캠퍼스는 자가발전 비중을 높여서 독립운전을 자체적으로 실현하고 있는 마이크로그리드 모델이라고 보면 된다.
또 한 가지 예는 센다이 마이크로그리드로 15년 전에 구축됐다. 원전사고가 일어난 후쿠시마 옆 바로 인근의 가장 큰 도시다. 원전사고가 나서 쓰나미가 밀려오고 정전이 됐을 때 마이크로그리드가 독립운전을 성공적으로 수행해서 정전을 복구하면서, 마이크로그리드가 계통 회복력을 공급하는 중요한 도구라는 것을 알려줬던 사례다. 일본에서는 사용자 참여형 모델 같은 것도 같이 하고 있다. 일단, 하나의 빌딩에서 마이크로그리드를 만들고, 단과대학 레벨의 마이크로그리드를 만든 다음 전체 캠퍼스로 확대하겠다는 개념이다. 마이크로그리드를 확대해나가는 다중 마이크로그리드 개념이 포함돼 있는데, 각각의 기기들을 컨트롤할 때 정보를 모아서 사용자에게 제공하고 사용자가 그 정보를 보고 능동적으로 참여해서 부하를 줄이는 시도를 하고 있다.
유럽에서는 신재생 기반으로 많이 하고 있다. 각 사이트별로 특색 있는 마이크로그리드를 발전하고 있으며 계통 연계형이고 규모는 대부분 메가 단위이다. 특징은 수메가~수십메가 단위로 점점 대형화되고 있으며 구조는 다중 마이크로그리드 형태로 진화해가고 있다는 점이다.
우리나라도 몇 가지 캠퍼스 마이크로그리드를 진행하고 있는데, 첫 번째가 서울대에서 IoT 기반 캠퍼스 마이크로그리드 구축 및 실증이라는 명칭으로 진행되고 있다. 제목에서 알 수 있듯이 다양한 IoT 센서의 정보를 활용해서 마이크로그리드를 구축하고 IoT 센서로부터 오는 정보를 통해서 마이크로그리드를 최적으로 운영하고, 사용자 참여를 통해 에너지를 절약하는 사용자 참여 모델 형태를 개발하는 게 목표다.
한전에서도 전남대와 동신대에서 스마트 에너지 캠퍼스라고 해서 유사한 캠퍼스 마이크로그리드를 구축하고 있다. 전남대 스마트 에너지 캠퍼스에서는 다중으로 마이크로그리드를 구성하고 마이크로그리드 간의 거래를 중심으로 고민하고 있다.
부족하거나 남는 시간대에 따라서 마이크로그리드 간에 거래할 수 있는 거래 플랫폼을 만들고, 마이크로그리드 거래 플랫폼이 상위와 연동할 수 있게 한다. 부하를 모아주는 일종의 브로커 같은 역할이라고 보면 되는데, 마이크로그리드 간의 전력을 서로 거래하고 융통할 수 있는 기능을 수행한다. 그러면서 전체적인 마이크로그리드 간의 최적화를 이루는 것이라고 볼 수 있다.
나주 한전 본사 가까이 있는 동신대에서는 스마트 에너지 캠퍼스를 구축하는 데 있어 열에너지까지 포함하는 것에 초점을 두고 있다. 열까지 최적화하기 위해서 전기 스토리지(ESS)뿐 아니라 열적 스토리지까지 포함해서 동시에 최적화를 하고 기본적으로 IoT 센서나 열병합 발전기, 연료전지까지 통합 운영하는 것이 동신대 모델이다.
우리나라에서는 3개의 캠퍼스에서 마이크로그리드가 설계되서 구축되고 있다. 그 외에 각 대학별로 신재생에너지와 ESS를 설치해서 운영하는 것이 많은데, 엄밀하게는 마이크로그리드가 아니다. 실제로 캠퍼스에 문제가 생기거나 캠퍼스 자체적으로 운영해야 하는 상황일 때 운전할 수 있는 능력이 된다면 마이크로그리드라고 보는 게 맞다.
그럼 운영에 관해서는 어떨까. 마이크로그리드가 하나일 때는 마이크로그리드 EMS라고 하는 하나가 있으면 되지만 마이크로그리드가 많아지면 많은 마이크로그리드를 어떻게 운영할 것인가 하는 문제가 생긴다. 상위 시스템을 다시 설치해야 하는데, 지금까지는 중앙에서 컨트롤하는 개념으로 많이 설계했다.
서울대나 전남대 모델도 그런 계측적인 모델로 설계했다. 하지만 앞으로 시스템이 많아지면 핸들링 하기가 어려워진다. 이런 상황을 고려해서 어떻게 개념을 설계해야 할까 고민하다 보니 분산화된, 자율화된 형태로 해야 된다는 결론이다. 각각의 기기들이 어떤 정보를 보고하고 지령을 받을 때 상위 시스템하고만 통신하는 게 아니라 서로 다른 시스템들, 다른 기기들과 통신한다는 개념으로 설계해야 한다. 분산화된 운영 전략이라 할 수 있으며, IoT 개념이랑 비슷한데 사물들이 서버와 통신하는 게 아니라 사물끼리 통신하는 개념이라고 보면 된다.
4차 산업혁명과 연계한 발전상을 보면, 예전에는 각각의 사물들이 중앙 서버와 통신해서 한쪽에서 저장했고 서버가 클라우드 개념으로 서비스나 데이터가 클라우드에 모여서 데이터를 올리면 공유되는 개념이 현재까지의 상황이다. 앞으로는 클라우드도 하나의 분산화된 스토리지로 본다는 얘기다.
전력이나 전력 거래도 앞으로는 같은 방향으로 간다. 전력 거래를 할 때 개인과 개인이 P2P로 거래를 한다. 앞에서 전남대 모델에서 마이크로그리든 간 거래를 하는 것처럼 미래에는 마이크로그리드 간 통신을 하면서 거래를 하고, 거래는 블록체인으로 관리되는 개념이 될 것 같다.
에너지 미래의 핵심 키워드는 크게 3가지, 즉 분산화, 자율화, 네트워크화가 될 것이다. 4차 산업혁명이라고 하면 생산에 있어서도 지금처럼 중앙에서 다 컨트롤하는 게 아니라 분산화되고 공장도 분산화된 공장으로 다품종 소량생산처럼 생산이나 지능이나 개별적인 인간들도 분산화되고 자율화되고 지능화되고 네트워크화되는 추세가 바로 4차 산업혁명을 관통하는 키워드라 생각한다. 그런 키워드에 마이크로그리드 정확하게 부합한다.
따라서 4차 산업혁명 시대의 에너지 분야에서는 마이크로그리드를 중점으로 공격적으로 고민해야 한다. 마이크로그리드가 되면 전력망이 마이크로그리드 기반으로 바뀌어 간다. 그러면 수직적으로 구성됐던 전력망이 수평적으로 네트워크화된다.
이런 추세는 한전에도 나쁘지 않다. 전기를 아끼고 효율을 높여야 하는 것은 화석연료를 쓰기 때문이다. 하지만 완전히 신재생에너지로 전기를 생산한다고 하면 전기를 아껴야 할 필요 있을까. 신재생 기반 마이크로그리드가 많아지면 레거시망에 대한 의존도는 원래 예상보다는 적겠지만 절대적인 양은 줄어들지 않는다. 대신 마이크로그리드 간의 플로(로컬한)는 훨씬 많아진다. 또 하나의 생각해 볼 수 있는 변화는 규모가 작아지는 것이다. 마이크로그리드가 점점 연계가 커진다고 했지만 커지는 흐름도 작아지는 흐름도 있다.
점점 더 작아져서 가정에서 작게 전력을 공급하는 흐름도 나타나고 있다. 이것은 기존의 전력회사보다는 통신이나 IT, 자동차 회사, 가전에서 오히려 더 빠르게 접근하고 있다. 집안에 태양광이나 ESS, 심지어 전기자동차를 이용해서 전력 공급을 하는 시스템이 등장하고 있으며, 이를 나노그리드라고 하는데 제일 두각을 나타내는 회사는 테슬라다.
테슬라는 알다시피 자동차 회사이지만 솔라시티를 합병하면서 집안에서의 솔루션을 다 갖고 있다. 테슬라에서 최근 개발한 태양광 모듈은 기와 형태로 집을 지을 때 기와로 설치하게 했다. 테슬라의 슈퍼차저라는 시스템은 이미 태양광으로 100% 전력을 공급한다. ESS를 부가해서 100% 클린한 에너지로 전기자동차를 굴린다고 홍보한다. 중요한 건 이걸 구성할 수 있느냐 없느냐가 아니라 플랫폼이다. 4차 산업혁명에서도 플랫폼이 등장하듯이 플랫폼을 가져가는 사람이 승자다.
마이크로그리드나 나노그리드도 마찬가지다. 그럼 어떤 형태로 운영할 것인가인데, 현재는 EMS로 안정적으로 운영하는 흐름도 있는 반면 아주 작게 스케일다운의 흐름도 있다. 마이크로그리드 EMS도 마이크로 컨트롤러라고 해서 보드 하나로 EMS를 구현하는 솔루션이 있다.
거창하게 EMS가 아니더라도 컨트롤러 보드 하나로 태양광과 ESS를 핸들링할 수 있다. 아니면 알렉사라고 하는 집안을 관리하는 인공지능 플랫폼이 될지, 자율주행을 가능케 하는 자동차가 집까지 관리할지는 모르지만 발빠르게 에너지 솔루션을 제시하고 어필하는 회사가 결국에는 이길 것이다. 결국, 마이크로그리드든 나노그리드든 플랫폼을 빠르게 가격 경쟁력 있게 만드는 회사가 승리하게 된다.
우리나라의 마이크로그리드를 보면 지금까지는 기술개발에 초점 맞추어졌으나 이제는 정책 개발도 신경 써야 한다. 신재생에너지나 ESS는 정책도 많이 나와 있고 인센티브도 많은데 잘 조화가 안 되다 보니 계통에 문제가 많이 생기고 있다. 무제한 접속하다 보니 허가의 문제, 지연의 문제가 있어서 통합적으로 바라보려면 마이크로그리드로 보는 정책이 필요하지 않을까. 전체적으로 마이크로그리드가 계통에 주는 긍정적인 효과를 계량화하면서 마이크로그리드에 특화된 정책들, 가령 요금제 같은 지원제도가 나올 때가 됐다.
원동준 인하대학교 교수
