[첨단 헬로티]

다양한 에너지원에 대한 투자와 실질적인 보급 필요한 시점

Ⅰ. 개요

파리기후변화협약1) 이후 전 세계적으로 신재생에너지의 개발·보급이 확산되면서 관련 산업(기술) 분야에 새로운 비즈니스 모델로 자리매김 되고 있다. 이 연구에서는 국내 신재생에너지 산업에서 큰 비중을 차지하고 있는 풍력발전기의 핵심모듈인 풍력터빈의 최적 운용을 위한 PHM(Prognostics and Health Management) 시스템 개발방안을 제시한다. 이를 통해 주요부품의 유효수명 예측에 따른 예방정비를 가능하게 함으로써 유지보수 시간과 비용을 최소화하여 가동률을 향상시킬 수 있을 것이다.

이 연구에서는 기간산업 분야에서 시설물 정비계획 최적화와 비용 절감 및 가용성과 안전성을 고도화한 PHM 시스템의 핵심기능 및 스마트 그리드로의 확산 이슈에 대해 설명한다. 아울러 PHM 시스템 적용이 확산되고 있는 풍력터빈의 국내외 관리기술 개발 동향에 대해 설명한다. 또한, 스마트 그리드 구축산업의 최전방위에 포지셔닝 되어 있는 신재생에너지 기술시장의 국내외 현황 정보를 제시한다. 이를 토대로 4차 산업혁명 시대 에너지 사용량과 미래 에너지 전환정책 등이 시사하는 바를 설명한다.

Ⅱ. PHM 시스템의 핵심기능 및 응용 분야

1. 핵심기능
발전/철도/항공 등 기간산업 분야에서 시설물의 정비계획을 최적화하고, 비용을 절감하는 동시에 가용성과 안전성을 제고 하기 위한 PM(Predictive Maintenance : 예지정비) 기술이 있다. PHM(Prognostics and Health Management : 고장예지 및 건전성 관리) 시스템은 PM 기술을 보다 더 고도화한 기술이다2). PHM 시스템의 핵심기능을 간단히 요약하면 다음과 같다[1].
 - 센서를 통해 시스템의 여러 물리적 정보를 측정하여 기계/전기/전자 시스템의 건전성 상태를 모니터링 하고 결함 유무를 판단하는 진단기술 및 시스템의 고장 시점 및 잔여 수명 예측기술로 발전하고 있다.
 - IoT(사물인터넷) 기반의 데이터 수집 및 AI(인공지능)을 이용한 빅 데이터 분석 등을 활용한 선진화된 고장진단 기술로 발전하고 있다.

나아가 에너지 하베스팅(harvesting) 기술과 접목되면서 그 효과성이 입증되고 있다. 이를 토대로 유지보수 전략을 수립하고 시스템의 건전성을 관리할 수 있어 전 세계적으로 다양한 산업 분야에서 적용되고 있다. PHM 시스템의 예지정비 수행절차는 건전성의「감지-진단-예지-관리」단계로 수행된다. 이들 각 단계별 특징을 간단히 요약하면 표 1과 같다[2][3].

표 1. PHM 시스템의 예지정비 수행절차 및 단계별 특징

* 자료 : https://www.rscservice.net/predictive-maintenance-1

2. 스마트 그리드로의 확산
신재생에너지를 이용한 분산형 전력공급 방식이 확산되면서 중앙집중식에 비해 불규칙적으로 생성된 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 스마트 그리드 구축이 요구되고 있다. 이에 풍력발전 단지와, 스마트 그리드 실증단지를 연계한 풍력터빈의 운영최적화를 위한 PHM 시스템 구축이 확산되고 있다[4].  (그림 1 참조)

그림 1. 풍력발전단지의 PHM 시스템 개념도
* 자료 : ㈜이지티(2017.08)

PHM 시스템의 최종목표는 풍력에너지를 효과적으로 이용하기 위한 스마트 그리드의 효율성을 향상시키는 것이다. 이를 효과적으로 구축하기 위해서는 풍력발전 단지 및 풍력터빈의 기후적/지리적 상황에 따른 변수가 많아 적절히 변경하면서 최적의 대응기술을 구현하는 것이 중요하다. 아울러 이러한 기술트리가 표준기술로 자리매김 될 수 있도록 지속적인 노력이 필요하다.

Ⅲ. 풍력터빈 관리 기술개발 동향

1. 국내 동향
국내 풍력터빈의 고장진단 및 상태 모니터링 관련 기술은 몇몇 중소기업들이 주도적으로 개발하고 있다. 주요 기술개발 동향은 다음과 같다[5][6].
 - 렉터슨/한국남부발전 : 풍력터빈의 원격 모니터링 시스템(CX-300)을 개발하여 제주한경풍력단지 등에 적용
 - 시그널링크, 로막스 테크놀로지, 유니슨 : 2MW급 풍력터빈의 기어박스 결함 진단장치 개발
 - 에스엠 인스트루먼트 : LabView(상용SW)를 이용하여 풍력터빈의 상태 모니터링 시스템 개발
   (진동/온도 데이터의 실시간 모니터링, 풍력단지 내 생산전력 및 운전상태의 원격 모니터링 등)
 - 윈코스 : 풍력터빈의 상태 모니터링을 위한 실시간 온라인 데이터 수집장치 및 소프트웨어 개발

2. 글로벌 동향
글로벌 풍력터빈 기술시장을 주도하고 있는 메이저 기업들의 풍력터빈 상태 모니터링 관련 기술개발 동향은 다음과 같다[5][7].
 - 덴마크 V&K : 풍력터빈의 핵심 구성품인 터빈과 드라이브 트레인에 대한 상태감시 및 진단서비스(VibroSuite)를 제공하고 있다. 특히 풍력터빈의 성능최적화를 위해 IBM의 빅 데이터 분석시스템을 이용하여 상태감시 및 진단을 통해 최적의 터빈설치 장소와, 대기상태 변화에 따른 터빈 블레이드의 성능분석 서비스를 제공하고 있다.
 - 미국 GE : 자체개발한 풍력터빈 운용 및 모니터링 시스템(System 1)을 통해 풍력터빈의 주요부품(터빈 블레이드, 드라이브 트레인 등)의 원격 모니터링 및 진단기능을 제공하고 있다.
 - 미국 National Instrument : 풍력터빈의 주요부품(기어박스 및 베어링 등)의 상태 모니터링용 소프트웨어(LabView)와, 진동신호 계측용 플랫폼(NI CompactRIO) 을 제공하고 있다.

Ⅳ. 신재생에너지 기술시장 현황

1. 개요
신재생에너지 산업은 2010년경 글로벌 경제 침체와 재정 악화로 인한 불확실성, 생산설비 공급 과잉, 셰일가스 개발과 저유가 등으로 인해 크게 둔화됐다. 이후 2015년 12월 UN기후변화협약에 따라 선진국에 국한되었던 수요가 개도국으로 확산되는 계기가 마련되었다. 특히 최근 원자력 발전의 문제점과 대기오염 등 환경문제에 대한 심각성이 부각되면서 신재생에너지 시장은 재도약의 시기를 맞이하고 있다. 2015년 기준, 신재생에너지는 전 세계 에너지 소비의 19.3%를 점유했으며, 한국에서도 4.62%를 점유했다. 특히 바이오에너지, 태양광, 지열, 풍력, 연료전지 등의 성장이 두드러졌다. 이에 따라 한국의 신재생에너지 제조업체 수는 2016년 405개에서 2018년 576개로 증가하였으며, 2018년 매출액도 12조5,000억 원 이상의 거대시장을 형성하였다[8].

2. 선진국의 현황
선진국은 풍력터빈의 모니터링 기술 개발을 통해 스마트 그리드 시장선점을 위한 실증단지 구축 및 시범사업에 주력하고 있다[5][7].
 - 미국 : 2000년, 2001년 대규모 정전사태로 Grid2030, EPACT05 등 관련 법안을 마련하여 민간주도로 정부지원을 받아 산/학/연/관 공동의 다양한 프로그램을 추진하고 있다. 미국에너지부(DOE)에서는 ‘스마트그리드 2030국가비전’ 발표 이후 2009~2013년까지 45억 달러를 투자하여 2,600만대의; 스마트미터를 보급하였다.
 - EU : 2030년까지 1조 유로를 투자하여 국가 간 경계를 넘어선 스마트 그리드 프로젝트를 추진하고 있다. 스페인의 경우 3,100만 유로를 투자하여 일부지역에서 신재생에너지 생산/송배전/충전 등 전 분야에 걸친 스마트시티 프로젝트를 진행하고 있다.
 - 유럽 6개국(이탈리아/독일/스위스/프랑스/슬로베니아/오스트리아)은 알프스지역을 중심으로 AlpEnergy 프로그램을 수행하여 태양광/바이오가스/소형풍력 등 신재생에너지 전력공급을 위한 스마트 그리드를 구축하고 있다.

3. 국내 현황
1998년 제주 행원지역에 국내1호 해상풍력 터빈이 설치된 이래 2016년 말 현재, 국내 해상풍력발전 누적용량은 1.05GW를 기록하였다. 2015년과 2016년에는 정부의 풍력발전 관련 규제완화에 힘입어 200MW(연평균 보급량(52MW)의 4배 수준)를 넘는 연간 설비능력을 향상시킨 것으로 나타났다. 2016년은 신규설치용량 200MW 중국산 풍력제품이 148MW(74%)를 차지하면서 외산제품(52MW)을 월등히 앞선 것으로 나타났다. 이로 인해 누적설치용량 기준으로 국산제품(496MW, 48%)과 외산제품(534MW, 52%)의 격차가 거의 대등하게 좁혀지게 되었다. 2017년 정부의 에너지신산업·재생에너지 확산정책의 일환으로 신재생에너지공급의무화제도(RPS)가 시행되면서 300MW 이상(약 4%)의 풍력설비 설치용량이 추가 증설된다. 여기에 20년 장기 고정가격계약제도가 도입되면서 불확실성이 해소되어 3년 연속 급성장세를 이어가고 있다[6][9][10].

주요 인자(에너지효율계수/가동율/에너지손실요인 등)를 고려하여 기술적으로 개발 가능한 국내 신재생에너지 발전용량은 태양광 7,451GW, 해상풍력 33.2GW, 육상풍력 63.5GW, 얕은 지열 1천298GW, 깊은 지열 30GW, 조류 43GW, 수력 15GW 등으로 나타났다[11][12][13]. 특히 해상풍력 에너지는 제주 실증단지를 통해 스마트 그리드와 연계하여 운영해오면서 개발기술의 성숙과 함께 비용이 대폭 절감되어 신재생에너지 기술시장을 주도할 것으로 전망되면서 정부는 정책개발에 집중하고 있다.

Ⅴ. 시사점 및 맺음말

에너지 사용량은 4차산업혁명(Industry 4.0)의 기조에 따라 모빌리티, IoT, 스마트 팩토리 등 다양한 분야에서 지속적으로 증가하고 있다. 특히 석탄과 천연가스 부문 세계 2위의 수입국인 한국은 미래 산업의 에너지 확보를 위해 특정 에너지원의 집중이 아닌, 에너지전환 정책을 통한 다양한 에너지원에 대한 투자와 이를 통한 실질적인 보급이 필요한 시점이다. 최근 정부는 현재 7%의 재생에너지 비율을 2030년까지 20%까지 끌어올리는 재생에너지 3020 계획을 수립한 바 있다.

한국의 미래 에너지 안보 및 다변화를 위해 우리가 가지고 있는 세계적인 해양산업 기술력을 통해 해상풍력 산업을 활성화한다면 경쟁력 있는 기술시장 및 고용 창출을 이룰 수 있을 것이다[14]. 국내 신재생에너지 보급계획은 2020년 5.0%, 2025년 9.7%, 2035년 11%로 단계적 목표를 설정하고 있다. 이를 구현하고 글로벌 시장진출을 위해 2010년부터 제주 스마트 그리드 실증단지(test-bed)를 조성·운영해오고 있다. 이를 통해 송배전시설, 분산전원장치, AMI(Advanced Metering Infrastructure3)) 등 관련 기술을 개발하고 있다.

소비자에게 실시간으로 에너지 사용량 정보가 제공되어 소비자 스스로 또는 자동화된 기기 제어를 통해 에너지 사용을 제어함으로써 가정 및 기업의 에너지 비용을 절감할 수 있다. 또한, 전력회사는 미터링 및 유지관리 비용 절감과 아울러 요구 응답과 에너지 부하 제어를 통해 피크치 출력을 줄임으로써 에너지 생산비용도 줄일 수 있을 것이다. 이에 정부는 5개 분야(지능형 서비스, 소비자, 지능형 운송, 신재생에너지, 지능형 송배전)에서 수요자원 120만KW 확보, 스마트미터 보급률 50% 달성, 충전인프라 150,000기 보급, 신재생에너지 보급 4.3% 달성, 전력망 신뢰도 10% 향상을 목표로 지능형 전력망 기본계획을 추진하고 있다[5][6].

국내 신재생에너지 산업의 중추적인 역할을 담당하고 있는 풍력(특히 해상풍력) 발전단지의 효과적인 관리를 위한 PHM 시스템은 전력공급의 신뢰성과 안정성을 높여 궁극적으로는 스마트 그리드의 효율을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것이다. AI 알고리즘을 적용한 빅 데이터 기반 상태진단 및 유효수명 예측기술은 풍력발전단지뿐만 아니라 태양열 발전단지, 복합 청정화력 발전단지 등 발전 플랜트 산업 분야에 기술파급 효과를 기대할 수 있다. 특히 해상풍력 발전단지는 접근이 어려운 지리적 여건 때문에 고장 발생 시 정비 및 부품교체 비용이 많이 든다. 이 때문에 설비부품의 고장진단 및 수명예측이 가능한 PHM 시스템을 구축할 필요가 있다. 이를 통해 스마트 그리드와 연계된 해상풍력 발전단지의 최적 운영을 기대할 수 있다. 나아가 글로벌 에너지 기술시장에서 경쟁력을 확보할 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것이다.

[각주]
1) 2020년 만료되는 교토의정서를 대체하기 위해 2015년 11월 파리에서 열린 제21차 UN기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 195개국의 합의로 마련됐다. 가장 큰 목표는 산업혁명 이전보다 지구대기의 온도를 2℃ 이상 상승하지 못하게 하는 것이다. 이에 따라 195개국은 온실가스 감축 방안을 자율적으로 세운 후, 5년마다 목표를 조금씩 높여 제출하기로 했다.
2) 1980년대 영국의 민간항공국에서 시작되어 점차 발전하면서 여러 산업 분야에 적용되고 있다. 2009년 미국에서 PHM학회가 설립되면서 본격화되었다.
3) 기존의 제한적 원격 검침(AMR)과는 달리 다양한 네트워크 수단을 통하여 검침기와 양방향 통신 기반을 구축하고 에너지 사용 정보를 측정ㆍ수집ㆍ분석하는 체계를 의미함

박세환 박사 (주)기술법인 엔펌(ENF : Engineering Firm)_전문위원
한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램_전문위원
한국CCTV연구소(KCI)_영상보안CCTV산업발전연구회장