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전력 잡아먹는 괴물’ 대학 캠퍼스, 마이크로그리드 혁신의 중심으로

대규모 정전 대란이 일어났던 진짜 이유

현대 사회는 과학 기술의 진보로 전기 에너지의 수요가 갈수록 증가하고 있다. 그러나 우리는 과거 산업화시대부터 대규모 발전시설을 통한 고압 전력망을 이용하고 있다. 이는 수요와 공
급을 실시간으로 일치시켜야 한다는 단점을 지니며, 일정량의 예비력 또한 보유해야 한다. 그러지 못할 경우, 다양한 전력 문제가 생겨난다.

대규모 발전 시스템은 미국과 유럽 지역 전역에서 대규모 정전 사태를 통해 많은 기업과 사회에 혼란을 일으키며 각종 테러 위험성에 노출되고 있다. 실례로 2011년 9월 대규모 순환 정전사태에서는 비상 발전기의 절반 이상이 동작하지 않았음이 밝혀졌다. 또한, 2013년 여름에는 전례 없는 에너지 대란이 일어나 전력의 안정적인 확보에 대한 대책의 필요성이 제기되었다.

이에 따라 정부는 「공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정」을 통해 에너지 절감을 시행하고 있으나 구체적인 인프라 확보와 에너지 절감 방안은 존재하지 않는다. 이와 같은 문제에
대하여 어떤 대책을 세우고 시행해야 할지 사회의 각 기관과 구성원들은 진지하게 생각을 해보아야 할 때이다.

비효율적인 에너지 다소비기관, 대학 캠퍼스

[자료 1 : 국내 대학 에너지 사용 점유율 추이]출처 : 에너지관리공단

대학 캠퍼스는 교육용, 상업용, 주거용 등 다양한 형태를 보이는 부하가 좁은 지역에 밀집되어 있다. 또한 대단히 많은 전력을 비효율적으로 소비하고 있다. 에너지관리공단의 2010년 통계 자료에 따르면 상위 10개 대학의 에너지 사용량은 2005년부터 2010년까지 에너지 사용 점유율이 증가하고 있다.

시간이 흐를수록 대학 캠퍼스는 더욱 많은 전기에너지를 소비하고 있으나 2019년 현재까지도 대학 캠퍼스 내 에너지 효율의 최적화를 위한 시스템 구축은 아직도 갈 길이 먼 현실이다. 이 글에서는 대학캠퍼스 에너지 사용을 줄이고 효율 증가를 위한 캠퍼스 마이크로그리드를 소개하고자 한다.

 

마이크로그리드로 실현되는 에너지 자급자족

마이크로그리드는 신재생에너지 기반 분산전원(Distributed Energy Resources), 에너지저장장
치(Battery energy storage system), 제어 시스템(EMS), 소비자(Consumer) 등을 연결한 것으로 자원을 보다 효율적으로 이용할 수 있는 전력망이다. 수용가 측면에서 볼 때 분산전원과 ESS를 활용하여피크저감, 실시간 요금제 대응 등 에너지 비용을 최적화할 수 있고 안정적인 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다.

분산에너지자원은 수요자 인근에 소규모 발전 장치를 활용해 적당량의 전력을 공급하여 에너지 사용 효율을 높인다. 태양광, 풍력발전, 태양열, 에너지저장장치, 열병합발전, 제어 부하 등이 이에 해당된다. 운영시스템은 모니터링 설비와 EMS(Energy Management System)를 포함하며 실시간 모니터링과 에너지 최적화를 수행한다. 에너지저장장치 (Battery energy storage
system), 약칭 ESS는 마이크로그리드에서 가장 핵심적인 요소이다. 생산된 전력을 연계 시스템에 저장하여 전력이 필요한 시기에 선택적 효율적 사용을 가능하게 하기 때문에 에너지 효율을 극대화 시킬수 있다. 또한, 신재생 에너지원의 전력 품질을 개선하고 전력 수요를 효과적으로 관리할 수 있으며, 자연재해나 정전 시 비상 전력으로써 이용될 수 있다.

현재 사용될 수 있는 ESS를 위한 기술로는 2차전지, 슈퍼커패시터, 플라이휠, 압축공기 에너지저장, 양수발전 등이 있으며 주요 특징은 아래 표와 같다.

[자료 2 : 마이크로그리드 시스템 개념도]출처 : 뉴스토마토
[자료 3 : 주요 에너지저장시스템 장단점]출처 : 지능형전력망협회
[자료 4 : 에너지저장시스템 주요 업체별 기술 수준]출처 : 지능형전력망협회

 

캠퍼스 마이크로그리드가 갖춰야 할 조건

캠퍼스 마이크로그리드 시스템의 핵심 장치를 살펴보도록 하자. 마이크로그리드는 분산에너지자원에 의해 전력을 공급받는다. 그러나 풍력 발전 또는 태양광 발전의 경우, 풍속이나 일조량 등에 따라 발전량이 불규칙한 특징을 지니므로 또 다른 장치가 필요하다. 또한, 별다른 제어 없이 발전 설비를 통해 전력을 공급할 시, 예측이 어려워져 전력 관리가 힘들며 마이크로그리드 시스템 전력망 범위는 소규모이므로 안정성에 있어 큰 영향을 미칠 수 있다.

이때, ESS는 전력 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 이외에도 분산에너지자원 장치를 감시하고 제어할 수 있도록 하는 시스템 또한 필요하다. 마이크로그리드의 상태에 따라 발전원의 동작을 제어하면서 전력의 공급 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 그뿐만 아니라 발전과 수요량을 예측하는 서비스 등을 가능하도록 하여 에너지 사용 효율을 높이고, 부가적인 이득을 창출하도록 한다. 이와 같은 조건을 갖출 때 에너지 효율을 극대화 시키는 대학
캠퍼스 마이크로그리드가 구축될 수 있다.

이때 캠퍼스 마이크로그리드는 대학 캠퍼스를 하나의 소규모전력망으로 구축하여 에너지 효율을 극대화 시키며, 비상시 전력공급을 가능하게 할 수 있다. 이제는 에너지 소비자만이 아닌 생산자의 행렬에 들어갈 수 있다는 것이다. 현재 캠퍼스 마이크로그리드가 가장 활발히 구축된 곳은 미국이며 유럽과 일본, 중국에서도 활발히 진행 중이다. 각 대학은 전력 안정성 확보, 대규모 재해 상황에서 회복력 확보, 전력품질 향상 등 다양한 목적으로 마이크로그리드를 구축하고 있다.

 

미국 샌디에이고 캠퍼스 마이크로그리드적용 사례

미국 캘리포니아주의 샌디에이고 캠퍼스 마이크로그리드는 가장 발전된 구축 사례이다. 샌디에이고 대학교는 485만 m2 면적에 725개의 건물을 포함하며 약 2만 8천 명의 학생들이 재학 중이다. 연간 42MW의 부하와 250,000M Wh의 전력을 소비한다. 캘리포니아 주는 미국 내에서 전력요금이 매우 높은 편에 속하는데, 2017년 평균 전력요금은 13.12$/kWh로 미국 평균 10$/kWh 대비 1.3배를 자랑한다. 샌디에이고 대학교는 친환경적인 에너지 자립과 절감을 위하여 마이크로그리드를 구축했다.

주요 인프라는 캠퍼스 내 열 병합 발전소, 신재생 설비, 에너지저장장치, 전기차 충전시스템 등이다.

[자료 5 : 바이오 연료전지 및 태양광 패널 분산 전원]출처 : UC San Diego 홈페이지

캘리포니아 주정부에서는 설치비용의 60%를 지원하여 샌디에고 대학교 마이크로그리드 초기 구축 비용을 절감시켰다. 이를 바탕으로 샌디에고 대학에서는 지속적으로 새로운 청정에너지 자원을 늘리고 부가적인 전력저장장치와 자체 발전설비 증설 및 혁신적인 수요 감소를 위해 다양한 연구를 진행하고 있다. 특히 저렴한 가스요금을 바탕으로 에너지 자급을 극대화 하고 있는데 대학 내 전력의 85%, 열공급의 95%를 자체 공급하고 있다. 이러한 탄력적인 에너지 분배 시스템을 통해 매월 70~80만 달러를 절약하고 있다.

 

‘에너지 참여형 소비자’를 꿈꾸는 전남대학교 마이크로그리드

해외 캠퍼스 마이크로그리드 시장이 확대되는 추세에 따라 국내에서도 캠퍼스 마이크로그리드 구축 및 관련 기술 개발을 진행 중이다. 광주광역시에 소재한 전남대학교는 100만 m2 면적, 200여 개의 건물로 구성되어 있으며 2만여 명이 상주하고 있다. 전남대는 스마트 에너지 캠퍼스를 실현하기 위해 전기에너지의 생산과 소비를 동시에 제어하여 남는 에너지를 재판매하는 ‘에너지 참여형 소비자’ 마이크로그리드에 대해 연구했다. 해당 과제는 2016년 5월 착수하여 2019년 4월까지 진행되었다.

전남대는 건물의 부하 및 설비에 따라 교육형, 사무형, 주거형 및 발전형 마이크로그리드 등 4가지 형태로 분류하여 각 마이크로그리드의 형태에 맞게 에너지 저장장치 등의 설비를 구축했다. 첫 번째, 무인 운영 시스템인 EMS는 부하 전력 및 전원 운영을 담당한다. 이는 전력비용을 최소화시키기 위한 제어 시스템이다. 이는 독립운전을 통해 에너지 안정성을 유지하게 한다. 두 번째 EP Agent EMS는 전기적인 직접적인 연결이 없이 에너지 소비자 간 전력을 거래하도록 하는 시스템이다. 세 번째 Market Integrator는 Agent EMS가 전력시장에 참여할 수 있도록 하는 시스템으로 거래와 전력요금 및 수요 관리의 역할을 한다.

이러한 전남대학교의 다중 마이크로그리드 운영 시스템은 다양한 건물을 수용하고 최적화된 마이크로그리드 운영의 플랫폼으로 활용될 수 있으며 확산 및 연계 운영의 기술을 확보할 수 있다. 전남대학교 최준호 교수는 “개발된 시스템은 기존 시스템보다 성능 및 효율이 뛰어나며 공동 참여기관인 한전 KDN, 전력연구원과 공동으로 기술이전을 추진 중에 있어 에너지 참여형 소비자 시장의 새로운 모델창출 및 활성화에 이바지할 것으로 기대된다.”고 언급했다.

 

캠퍼스 마이크로그리드 기술의 수출

[자료 6 : 한국전력과 몽고메리대학의 스마트캠퍼스 구축 협약]출처: 경향신문

캠퍼스 마이크로그리드를 해외에 수출한 사례도 있다. 한국전력은 2016년 11월 19일, 미국 메릴랜드 주지사 공관에서 몽고메리대학 스마트캠퍼스 구축사업 협약을 체결했다. 해당 사업은 미국에 처음으로 한전의 에너지 신사업 분야 모델에 대한 첫 수출로 알려졌다. 이 시스템은 몽고메리대학 캠퍼스 내 6개 건물에 구축하게 되며, 건물 전체 에너지 사용량의 10% 절감과 최대 전력의 10% 절감의 기대효과를 가진다.

 

캠퍼스 마이크로그리드 기술이 나아가야 할 길

마이크로그리드 주요 핵심인 ESS 시스템에서 최근 화재사고가 빈번하게 일어남에 따라 국내 상용화에 차질이 빗어졌다. 2019년 12월 기준 국내 ESS화재 사건이 총 21건에 달하면서, 정부가 인명 피해 예상 지역의 ESS 가동을 중단하였기 때문이다. 그에 따라 2019년 5월에 1차 완료될 예정이던 서울대의친환경 캠퍼스 구축사업은 중단 되었고, 그 외의 타 대학들도 난감한 상황에 처했다.

[자료 7 : 국내 ESS 폭발 사고]출처 : MBC 뉴스

정부와 관계부처는 ESS 안전강화에 대한 대책 마련 계획안을 작성했다. 대책안에 따르면 첫째로 제조, 설치, 운영 측면에서 안전제도를 강화하여 사고를 예방하고 두 번째로 소방시설 등이 의무화되는 특정 소방대상물로 지정하여 화재 발생 시 피해를 최소화할 것이며 마지막으로 ESS 설치기준 개정 전이라도 신규발주가 조기에 재개되도록 절차적인 지원을 한다고 밝혔다. 자세한 에너지저장시스템 관리제도 개편 내용은 아래와 같다.

[자료 8 : 에너지저장시스템(ESS) 제도 개편 내용]출처: 관계부처

위와 같은 정부의 적극적인 대책 마련과 시행은 캠퍼스 마이크로그리드의 기술 혁신을 위해 필수적이다. 에너지 혁신의 플랫폼으로써 거듭날 수 있도록 다양한 대학교 및 기업의 협업 또한 필요하다. 만일 국내 캠퍼스 마이크로그리드 사업이 점차 적극적인 기능을 갖추어 확대된다면, 에너지 신산업의 꽃으로써 주체적으로 에너지를 생산, 소비하는 에너지 혁명의 그릇이 되리라 기대된다.

 

R.E.F 17기 강 하 은
ref.haeun@gmail.com

R.E.F 17기 손 예 지
a38876754@gmail.com

 

 

R.E.F 17기 강하은  ref.haeun@gmail.com

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