마이크로그리드, 종합적인 에너지 가치를 높이는 방향으로 진화

DOE(U.S Department of Energy)에서는 마이크로그리드에 대해 일반 전력망에 포함될 수 있고 떨어져 고립돼 운영될 수 있으며, 다양한 신재생 분산 자원과 수요 자원을 적절히 융합해서 커뮤니티 안에서 에너지 효율을 극대화하는 기술 또는 그런 사업 모델이라고 정의한다. 

작금의 4차 산업시대에는 융합이 많이 되고 개념에 변형이 많이 되는 시대이다. 이런 것을 통해서 복잡하게 하려는 게 아니라 새로운 가치를 찾는, 말하자면 돈이 더 되게 하는 방법 없을까 고민하는 세상이다. 

그러다 보니, 마이크로그리드라는 용어를 쓰지만 연구자, 교수, 사업자 저마다의 생각이 다르다. 과거 한전이 전력망 사업을 하면 한전이 하는 일 자체가 관심들이 없었다. 한전이 알아서 할 일이었다. 그런데 전력망에 스마트그리드 기술 들어오고 IT 업계 종사자가 많이 넘어오면서, 결국 전력망에도 새로운 민간이 사업을 할 수 있는 터전이 되고 있다. 

그런데 스마트그리드는 정의상 애매한 부분도 있고 전력망 전체를 국가 차원에서 리딩하는 것이어서 정부나 협회 사업단이나 한전에서 하는 얘기 들으면 내가 무엇을 할 수 있을까 고민되는 부분이 많았으나 마이크로그리드는 해볼 만하다.  

Navigant Research가 조사한 내용에 따르면 북미 시장은 2015년 조사에서 4.1기가와트가 이미 깔려 있으며, 주별로는 알래스카, 뉴욕, 캘리포니아, 텍사스, 하와이 순의 규모이다. 알래스카가 많은 이유는 금광이 많기 때문이다. 즉, 동력을 사용하는 데 마이크로그리드가 필요하다. 캘리포니아와 텍사스는 신재생 여건이 좋다. 정책적으로는 주별로 사업 여건을 정하게 해서 인센티브를 주고 있어 환경이 괜찮은 곳에서는 활성화되는 추세이다. 

스마트그리드든 마이크로그리든 나아가 스마트시티가 되든 결국은 모두 경제적 관점에서 에너지 비용을 줄이자는 데 목적이 있다. 기후변화협약이 국제적으로 정해져 있어 무시할 수 없다. CO2 배출을 의무적으로 줄여야 하고 거기에 대한 드라이버, 그리고 정부가 새로운 신산업 창출을 보조해주면서 활성화하고 있다. 새로운 정부가 되어도 이 기조는 유지될 것으로 보인다.  

궁극적으로는 신재생에너지 100%로 섬을 운영할 수 없을까 하는 설계 목표를 갖고 시작했고, 최종 목표는 발전비용을 절반 정도 줄여보자 하는 것이었다. 한전이 하는 연계형 마이크로그리드는 결국은 신재생에너지를 더 많이 연계시키기 위해서 전화문제나 기술적 문제, 외란을 줄임으로써 더 많은 에너지를 증대할 수 있도록 하고 있다. 

실제로 가사도에 사는 사람들은 168호 정도에 채 300명이 안 된다. 그리고 어업에 종사하거나 농사를 짓는 사람 많아 실제로 거주하는 사람은 200명이 채 안 된다. 평균부하가 96킬로와트 정도에 피크가 193킬로와트 정도이므로 디젤이 100킬로와트짜리가 3개 있었다. 200킬로와트 정도는 피크 시에도 커버하고 1대는 예비로 운영했다. 

우리는 여기에 규모를 맞춰 디젤을 가동하지 않고 신재생에너지만으로 가사도에 전력을 공급할 수 있는 방법을 모색했다. 보조 일수라고 해서 1일 정도 신재생에너지를 전혀 작동하지 않아도 견딜 수 있도록 섬을 설계해야겠다고 생각해서 배터리가 1일 정도 이 섬의 부하를 커버할 수 있는 용량을 설계했다. SOC 관리 차원에서 여유를 두고 3메가와트로 설계하고 기상 조건이 안 좋을 때는 디젤과 병행해서 운전할 수 있게 했다.

시스템을 구축하는 동안 주민생활에 미치는 영향이 없어야 하는 부분에 가장 신경을 썼고 다음에 과거에는 디젤로 운영할 때는 운전이 간단해 감으로 운전 많이 했지만, 시스템에 의한, EMS에 의한 자동운전을 목표로 현지 부지 조건 등을 활용해서 신재생에너지를 설치했다. 

여기에서 요구되는 기술이라 하면, 운영기술 차원에서는 한전에서 해야 되는 거고, 가사도에 발전기가 여러 대 설치되다 보니 이것들을 잘 운영하고 어떻게 배터리를 최적 관리하며 주파수와 전압 품질을 유지할 것인가 문제가 되고, 설계 기술은 초기에 마이크로그리드 같은 사업을 발굴하는 사람들이 관심을 가져야 할 내용이다. 

엔지니어링은 기상 데이터를 효율적으로 수집해서 신재생에너지를 깔았을 때 최대한의 신재생 커패시티만큼 오퍼레이션했을 때 효율이 나올 수 있도록 만드는 게 중요하다. 그래서 현지의 기상조건이나 부하가 얼마나 되는지, 거기에 따라서 배터리를 어떻게 할 건지 등을 수집해야 한다. 이 모든 것을 최대한 잘 분석해서 설계 목표를 확정하고 경제성을 분석하고, 실제로 구현할 때는 섬 지역이다 보니 장비를 운송할 만한 배편은 있는지 현지에서는 공사를 할 공간은 있는지, 부지 승인에 문제가 없는지, 지자체가 협의 어떻게 할 것인지 등. 주민과의 협력, 지자체와의 협력, 공사 과정에서의 리스크에 대비한 마진 등을 갖고 있어야 사업에서 실패하지 않는다. 

예를 들어 부하가 적을 때 발전이 아주 좋으면 다 충전해야 하므로 인버터는 1000 정도로 여유 있게 해서 2개를 병렬 설치하여 한 대로 운전하고 한 대는 예비로 할 수 있다. 또 하나는 이머전시 시 과부하 때 틈틈이 켜는 걸로 했다. 그러다 보니 디젤 발전기는 수시로 돌아가는 개념이고 리튬 배터리가 섬 전체 계통의 주파수를 잡아주는 역할을 하고 부하에 따라서 각자의 발전량을 ESS가 조합해서 주파수를 유지하면서 출력을 내는 형태로 운영된다. 

EMS는 사람이 운전해도 된다. 없어도 되지만 어느 정도의 숙련 과정이 필요하고 그때까지는 시행착오도 많으므로 안정적인 공급이 어려울 것이다. 신재생이나 기타 에너지가 들어오게 되면 배터리의 SOC 관리를 해야 한다. 과방전 또는 과충전이 되면 수명이 짧아진다. 비싼 장비이므로 잘 관리하려면 어느 정도 자동화된 운전이 필요하다. 그리고 인버터에서 CVCF라고 해서 전압과 주파수를 일정하게 유지해주는 운전을 하고, 그런 것의 도움을 받아 EMS가 협조 운전하게 된다. 배터리는 3메가와트 용량으로 설계했다. 풍력 부분에서는 사업을 하면서 100킬로와트 이상급의 중형은 한국 제품이 없어 캐나다 설비를 도입했는데 안타까웠던 부분이다.

풍력은 가사도에서 태양광보다는 다루기 까다롭다. 바람에 좌우되고 회전기이고, 더욱이 동기 회전기도 아니므로 풍력은 기술력이 필요해서 어려움이 있으므로 신중하게 생각해야 하는 아이템이다. 

과거에는 디젤이 주파수를 추종해 운전했는데 디젤은 정출력 운전하게 했다. EMS는 결국 배터리의 수명을 관리해야 하기 때문에, SOC를 적정하게 유지하는 차원에서 신재생 발전량과 부하를 예측해서 수급 밸런스의 차이를 어떻게 디젤을 켠다든지 보충하고 남을 때는 상수도 펌프를 기동한다든지 해서 보충할 것인지 등을 EMS에 알고리즘 짜서 프로그래밍해서 넣었다. 

신재생 100%로 운영하겠다는 목표를 세우다 보니 상대적으로 회전기의 역할이 약해졌고 ESS가 간헐적인 신재생의 출력 특성을 잡아줘야 하고, 그것들을 EMS와 PCS에서 CVCF 운전하고 SOC 방전해주는 형태로 구성했다. 

울릉도나 덕적도는 당장 신재생에너지 100%로 운영하는 어렵고 단계적으로 진행될 되는 만큼 회전기 중심의 섬 계통 운영이 당분간은 유지될 것으로 보인다. 

계통 운영을 결국은 섬에서 한전이 하는데, 발전량과 부하량이 일치해야만 주파수가 유지되고 수급 밸런스가 맞아 계통이 무너지지 않는다. 만약 이것이 깨지면 계통이 붕괴되어 섬 전체가 정전이 될 수 있다. 따라서 디젤 같은 경우는 부하량에 따라서 발전량을 조절하면서 주파수를 맞춰왔는데 태양광이나 풍력발전기가 들어오면 기상이 시시각각 변하고 그에 따라 발전량 자체가 변하는데 이것을 보상해줄 수 있는 수단이 없다. 

우리는 배터리를 써서 미스매치 상황일 때는 발전량을 배터리로 보상해서 부하량을 맞추고 이 배터리를 충방전하여 에너지가 다 닳지 않도록 유지해주는 게 중요했다. 이 기능을 EMS가 하게 만들었다. 크게 다양한 프로그램들이 들어있는데, 개념적으로 보면 부하와 발전량을 수급 밸런스를 맞춰야 되는 문제다. 부하가 어떻게 될지를 예측하는 거다. 이 부하는 사람이 전기를 끌지 안 끌지 알 수 없으므로 과거의 이력을 바탕으로 하는데,  어느 정도 추정이 잘 맞는다. 

전반적인 가사도의 에너지 현황을 보면, 경제적 효과가 4억 원 정도 났으며 기타 정성적 효과도 많다. 당초 목표했던 연료 절감 50%를 초과한 80% 이상을 절감했다.  기상 조건이 좋을 때는 최장 15일 동안 디젤을 기동하지 않고 신재생만으로 운영한 적 있다. 전력전자 베이스의 PCS로 주파수 품질도 높아졌다. 

정부가 에너지신사업을  2015년 하반기부터 8대 신사업으로 발굴했는데 에너지 자립 섬이 한 축이다. 섬 지역의 발전비가 비싸기 때문에 정부 보조비가 많이 들어가는데, 그걸 줄일 수 있고 민간도 참여할 수 있는 모델로 지정했다. 그래서 울릉도를 비롯하여 5개 섬을 민간사업자로 각각 지정했다. 여기서 문제가 되는 것이, 과거에는 한전이나 지자체가 섬을 운영해왔고 차익은 정부가 보조를 해줬다. 여기에 민간사업자를 참여시키니 섬 하나를 통째로 책임지게 할 것인지를 두고 산업부가 고민이 많다. 과거 지자체나 한전 같은 경우는 책임을 지는 공공기관 입장인데, 민간에 맡기기에는 아직 전기전력사업법상 민간사업 참여를 결정하기 어려운 부분이 있었다. 결국은 지금은 신재생발전 부분만 민간사업에 떼어주고 계통 운영은 한전에서 원래대로 통합해서 운영하는 대신 발생된 전력은 장기 계약해서 한전이 사는 형태가 되고 있다. 

가사도에서는 성과가 괜찮았고 이를 통해서 자립 섬이 확산됐는데, 실질적으로 민간이 참여했을 때 금전적으로 사업성이 보장되는 방향으로 제도적·기술적으로 지속 보완해야 할 부분은 있다. 4차 산업으로 가면 앞으로는 섬은 멀고 고립 지역이어서 장비 동원이 어렵고 규모도 작아 사업성이 커 보이지는 않는다. 육지에는 새로운 모델이 많다. 캠퍼스나 산업 공장, 기타 스마트타운 등 나중에 에너지 거래나 블록체인을 이용한 형태까지 가능하다. 실질적으로 그렇게 이동하고 있다. 해외 시장처럼 한전이 도매시장에서는 어느 정도 지위를 유지할 것 같고 소매 시장이나 비하인드 베타라든지 건물 집단에서는 에너지의 민간화가 될 것이고 다양한 기술이나 가치를 동원하고 그걸 빅데이터로 풀어야 한다. 여러 산업이 전기만 갖고 되는 것이 아니므로 열과 신재생, 수도 등 종합적인 에너지 가치를 높이는 방향으로 마이크로그리드는 진화하고 있다. 

신장훈 전력연구원 그룹장