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◆ 전력 수요가 능동적으로 변화 시대
스마트 그리드는 무엇일까. 요즘 에너지 시스템과 전력 시스템을 더 나은 기술은 무엇이든 "스마트 그리드"라고하는 것 같다. 이 스마트 그리드에 빠질 수 없는 것이 "스마트 미터"라고 부르는 차세대 전력 계량기이다. 이것은 전력 소모 측정 및 전력 회사와 수용처 사이를 연결하는 정보 통신을 제공하는 역할을 담당하게 된다. 그것이 전통의 스마트 그리드 이미지로 알려져있다.
전력 시스템에서는 수요와 공급이 항상 균형이 있어야 하며 이 균형이 깨지면 전력의 주파수가 변동한다. 이것이 기준 값 (50Hz 또는 60Hz)에서 크게 벗어나게 되면 전력 시스템은 안정적으로 운용할 수 없다. 그동안 전력 수급 조정은 수요처는 "마음대로" 소비하였다. 수요처는 수급 조절을 위해 특별한 조치를 일으킬 필요가 없었다.
그러나,앞으로는 발전 출력의 변동이 큰 태양광 발전 (PV)과 풍력 발전 등 재생 가능 에너지의 이용이 증가할 것이다. 그렇게되면, 공급 능력의 변화가 증가한다. 또한 재생 가능 에너지 발전 점유율이 커지고 화력 발전이나 수력 펌핑 발전 등 기존 수급 조정에 맞아 온 발전의 점유율이 감소하면 수급 조정 능력이 저하됩니다. 공급 전원 변동 증가와 수급 조정 능력의 저하라는 2 가지의 이유에서 수급 균형을 안정시키는 것은 더욱 어려워진다.
수급 조정 수단의 미래는 축전지의 도입도 예상된다. 그러나, 그것은 "축전지가 경제적으로 사용할 수 있게된다"라는 조건부 얘기다. 현재 축전지는 아직 비싸고 빨리 대량으로 도입할 수있는 것은 아니다. 그래서 가능한 수단이 수요 능동화이다.
수요 능동화는 전기를 사용하는 시간을 소비자가 스스로 변화하는 것이다. 전력 회사에서 수요처에게 "어떤 시간에 전기를 사용하여 원하는가"라는 정보를 전한다. 이에 따라 수요처에서 "이 시간에 절전합니다"라고 정보를 전력 회사에 피드백한다. 또한 실제로 전기를 사용하는 기기의 동작을 전할 필요도 있다. 스마트 그리드는 이러한 정보 전달을 담당하는 역할이 중요하게된다. 이것이 스마트 그리드에서 ICT (정보 통신 기술)이 중요하다고 말하고 있는 이유다. 실현할 수있다면, 수급 조정 수요로 조정이 도움된다.
그러나 왜 지금은 이러한 정보를 전달할 수없는 것일까. 그것은 수요를 조정하는 계기가 될 정보 - "더 전기를 사용할지, 아니면 전기를 사용하는 양을 피하 는게 좋은가"라는 정보 -를 가정에 골고루 전달하는 것이 어렵기 때문이다. 단지 최근에는 휴대 전화에 긴급 지진 속보가 전달되도록했다. 전기도, 실시간으로 정보를 전달하는 기술의 목표가 서 왔다고 할 수 있다.
실현할 수있다면 이것만큼 저렴한 조정 방법은 없다. 재생 가능 에너지가 대규모로 도입되어 기존의 공급 측면의 수급 조절이 어려워도, 수요 능동화가 유효한 경우에, 공급 측면뿐만 조정하는 경우에 비해 훨씬 경제적인 지원 기대할 수 있다. 이 때, 원래의 에너지 사용 목표인 쾌적성 및 경제성을 크게 저해하지 않는 있으면서 동시에 향상시킬 수있는 장치가 실현될 수 있으면, 그 도입 보급은 가속되어 안정적으로 전력을 사용할 수 있게 된다. 스마트 그리드는 그런 역할이 기대되고 있다. 수요 변화 등이 수급 조정의 일부를 담당하는 것으로, 축전지 등 고가의 백신의 도입량을 감소시키고, 도입 시기를 연기하고, 사회 비용을 억제할 수 있다.
◆ 전기 사용 자동 제어
그럼 스마트 그리드에서 어떻게 수요를 조정하는가? 여기서 말하는 조정은 전력 시스템 전체의 수급 균형을 유지하는 것이 목적이다. 현재는 수급 균형을 유지하기 위해 정보를 "집중 에너지 관리 시스템 (집중 EMS)"에 모아 전력 회사에있는 중앙 급전 지령 소가 수급을 조정하고있다. 수요 능동적화에 따른 수급 조정에 집중 EMS의 정보에 의한 "직접 통제"와 "간접 통제"의 2 개의 방법이있다.
직접 통제는 중앙 에너지 관리 시스템(EMS)는 수요처의 전력 사용 설비의 스위치 및 운전 양을 직접 제어하는 방법이다. 여름, 공급량이 다만 수요를 따라가지 않는 경우, 쿨러의 전원을 끄거나 온도 설정을 중앙에서 원격으로 제어한다. 해외에서 직접 제어의 실례가있다. 또한 동일본 대지진 직후 대규모 정전을 예방하기 위해 실시했다 "계획 정전"도 이 극단적인 경우라고 할 수있다. 이 때 공장의 조업이나 음식점의 영업에 큰 영향을 미치고, 경제 활동을 크게 저해한 아니라, 교통 기관이나 의료 현장도 혼란스러웠다. 직접 제어는 본래 심정으로 받아들여시고 큰 보급은 기대하기 어렵다.
간접 제어는, 전기 요금을 올리 수요 억제 정보 등을 널리 알리고,이 정보를 바탕으로 수요처가 자율적으로 전력 소비를 조절하는 방식이다. 해외 설비 공급 능력을 초과하는 수요의 피크에 대해, 최고 높은 가격 설정을 도입하고있다. 앞으로 기대되고있는 전기 사용을 자율적으로 제어하는 "에너지 관리 장치"를 수요처에 설치하는 것이다.
예를 들면 다음날 시간당 전력 가격을 알려주는 정보를 수신하면, 가전 제품의 사용 방법 등을 에너지 관리 장치가 스스로 생각하고 최적의 운용을 해준다. 전기 요금이 싼 시간대를 노려, 히트 펌프 온수기를 작동시키고, 전기 자동차 (EV)를 충전하기도한다. 반대로 전기 요금이 높은 시간대는 냉방 설정 온도를 높이거나하는 셈이다.
이러한 기능을 탑재한 에네마네 장치와 연동하는 가전 제품을 도입하면 집중 EMS에서 신호 전달하여 수요의 모양은 달라질 것이다. 만일 1 개 당 0.5kW 조정 (절전)하면, 도쿄 전력의 관할 지역 2000 만개에서 1000 만 kW를 조정할 수있다. 1000 만 대의 EV를 충전 제어 (G2V = Grid to Vehicle)하면 1 대당 1kW로 1000 만 kW의 수요를 통제할 수있다. 또한 방전을 이용하면 (V2G = Vehicle to Grid), 그 제어의 자유도는 더욱 향상된다. 앞으로 에너지 관리 장비 및 EV가 보급되면, 직접 통제가 효력을 발휘하게 될 것이다. EV는 사용할 때까지 충전 해두면 좋고, 만약 충전을 중단해서 사용하지 않을 경우 큰 문제가되지 않는다.
예를 들면 갑자기 일사량이 적어지고, 발전소에서 사고가 일어나 공급 능력이 부족한 상황을 생각 해 본다. 즉시 공급 측면의 조정력이 부족해서 많은 EV 충전을 중지하면 당장 수급을 조정할 수있다. 그리고 몇 분 후 대기하고 있던 수력 발전소 등이 시작하여 발전량이 증가하면 충전을 재개한다. 충전 중단도 짧은 경우 이용자에게 불편이 발생하지 않을 것이다. 온수기의 경우는 물을 끓이는 시간이 길고, 정작 직접 통제에서 일시 정지도 가능하다. 그러나 시작과 종료 에너지 손실이 있으므로 EV 정도 자유로운 제어가 어렵다. 수급 조정은 제어 대상 기기마다 직접 제어 및 간접 통제를 잘 조합하여 수요를 컨트롤하는 것이 필요하다.
축전지의 가격이 하락하고 수명 손실, 사용이 일정한 조건을 갖추면 수요 능동화 가능성은 더욱 확산될 전망이다. 이러한 정보의 교환을 원활하게 수행하기 위해 필수적인 것이있다. 배전선의 상태 감시 설비 및 계측기, 전기 기기, 측정기 등 제품 분야 전반에 정보를 교환하기위한 표준이다. 미 국립 표준 기술 연구소 는 2010 년 1 월, 스마트 그리드의 표준화를위한 프레임 워크 " NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards Release 1.0 "을 발표했다. 앞으로 미국의 스마트 그리드 관련 기기 및 장비는이 프레임 워크를 나타내는 표준에 근거해야한다.
NIST가 보여주는 스마트 그리드 표준화 로드맵은 우선적으로 표준화를 추진 분야와 행동 계획이 담겨있다. 이것을 보면, 전력 저장 및 전력 사용량 데이터를 수집 축적 이용하는 시스템 (AMI = Advanced Metering Infrastructure와 MDMS = Meter Data Management System) 등 직접 수요의 모양을 바꾸는 기술과 그것을 지원 기술에 주력하고있다. 미국이 기존의 피크 컷에 추가 재생 가능 에너지의 도입에 따른 수급 변동 조정까지 제공함으로써 수요의 모양을 바꾸기 위하여 고려하고 있다는 것을 알 수 있다.
◆ 기업이 참가하는 이유
스마트 그리드는 여러가지 정보가 양방향으로 작용된다. AMI에서 측정한 전력 사용량 데이터를 전력 회사에 제출되면, "전기 요금 청구"로 이용된다. 또한, MDMS을 활용함으로써, 정전 지역 파악하여 조기 복구와 전류량에서 주상 변압기의 교체 시기를 판단 재료, 심지어 해외의 경우이다 어디에서 전기가 도난되고 있는지 모니터링되면서 전력 회사에게는 다양한 이용 가치가 있다.
수집된 데이터의 용도는 그것만이 아니다. 만약 1 분 단위로 전력 사용량을 파악할 수 있게되면 전기 사용 패턴이 일정한 경우, 외출하고 있는지, 잘되고 있는지, 혹은 질병이나 사고로 쓰러져있는 등 주민의 모습을 실시간으로 추정할 수 있다. 그래서 독거 노인 서비스 등에 활용할 수 있다. 또한 매 시간 사용량을 추후 파악하는 것만으로도 가전 보유 및 사용 상태를 파악할 수 있다. 구글 등의 기업들이 대거 스마트 그리드에 참가하고있는 것은, 전력 사용량의 데이터를 기반으로 새로운 서비스를 구축하는 등 부가 가치 창출을 노리는 때문이다.
기존 일반 생활자들이 어떻게 생활하고 있는지는 시중에 전무와 다름 없었다. 그런데 스마트 그리드의 확장, 전기와 가스, 수도를 언제, 무엇을, 얼마나 사용하고있는가를 기록할 수 있게 된다. 이러한 데이터는 물론 개인 정보가 포함된다. 조명 스위치를 넣은 시간부터 퇴근 시간을 알 수 있다. 욕조에 물을 적립 시각에서, 입욕 시간을 알아 버린다. 이러한 정보가 본래의 목적을 벗어나 사용했을 경우의 영향은 크게 적절한 관리가 요구된다. 이것을 보장할 수있는 구조가 필수적이다. 보안이 스마트 그리드의 큰 과제이다. 그러나 AMI와 MDMS는 개인 정보 유출 방지에서 테러 대책까지 안심하고 정보를 활용하는 인프라로서의 기능을 갖춘다.
◆ 스마트 그리드의 본래의 역할은
스마트 그리드에 대한 기대는 크지만, 그대로 보급되지는 않았다. 새로운 서비스 스마트 그리드에 참가하는 기업은 정보 네트워크 활용을 통한 새로운 사업 전개를 생각하고 있다.
스마트 그리드가 지향하는 세계를 실현하려면 에네마네 장치 본래의 목적을 달성할 것이 우선 필요하다. 주택의 에너지 관리 장치의 본래의 역할인 "쾌적한 공간 만들기"나 "경제성 및 에너지 절약, 환경 성과의 양립"을 실현 할 수 있다면, 수급 조정으로 이루어질 것이다. 예를 에너지 관리 장비를 탑재한 주택이 편안하고 경제적인 환경 친화적인 부가 가치가 소비자에게 이해 받고, 많은 사람들이 신나는 세상을 수 있는지,있다면 그것을 어필할 필요가 있다.
요즘 태양광 발전과 에너지 관리를 탑재한 스마트 하우스를 출시했다. 단순히 가정에서의 에너지 소비를 표시해 알릴뿐만 아니라 에너지 관리 장치와 클라우드의 조합으로 전기 사용에 대한 정보를 저장 분석하여 각 가정에 적합한 에너지 절약 노하우를 조언한다. 향후 새로운 기기를 통합하는 다양한 시스템이 시장에 나올 것이다.
쾌적한 주거 조성 요구가 높은 사람이나 환경 의식이 높은 사람이 에너지 관리 장치를 갖춘 스마트 하우스를 도입하는 것이다. 기술이 성숙하고 높은 품질과 저렴한 에너지 관리 장치와 연동하여 작동하는 가전 제품이 출시되면 각 가정에 널리 보급한다. 이를 위해서는 전력뿐 아니라 물이나 가스의 가시화, 방범 및 방재 등의 분야에 부가 가치있다.
전기를 어디에 얼마나 사용하고있는지를 측정하는 가장 편리한 방법은 분전반에서 측정하는 방법이다. 기존의 콘센트에 붙이는 타입으로 계속 사용하려면 아름답지 않다. 최근에는 분전반 에어컨용이나 바닥 난방, 조명 등 각 회로의 전류를 측정하는 기능을 가진 것이 발매되고 있다.
◆ 커뮤니티 에너지
이른바 " 스마트 커뮤니티 "는 스마트 그리드 기술을 활용하여 현명한 에너지 사용을 실현하는 기술을 통합한 저탄소 모델 도시를 가리킨다. 예를 들면, 대상 지역에 재생 가능 에너지를 표준 장비하여 스마트 그리드를 전개한다. 교통은 트램 (노면 전차)을 시설하여 왕래할 수있는 범위 내에서 생활이 이루어질 수 있도록 도시의 기능을 컴팩트하게 할 생각된다. 주택과 사무실, 교통, 산업 등 에너지 사용을 최적화하기 위해 종합적으로 관리한다. 에너지 자원은 지역 사회의 이상 지역 간의 상호 작용하여 에너지 공급의 안정성과 경제성, 환경을 최적화하고 보안 향상도 분담하는 것일 수 있다. 이 실현을 향해, NEDO (독립 행정 법인 신에너지 산업 기술 종합개발기구)에 의한 사업을 포함해 세계에서 다양한 실증 시험을 하고 있다.
실제로 기술, 제도, 안전성 등의 제약이 있을 것이다. 전선뿐만 아니라 파이프라인 및 수송 망과 같은 유통 시스템, 각종 1 차 에너지 자체에도 위험 요소가 있다. 에너지 시스템은 1 차 에너지의 다양성을 포함하여 2 차 에너지 매체에도 전력뿐만 아니라 열과 연료, 다른 가능성을 추구하는 것으로, 안정성, 경제성, 환경성을 향상시킬 수 있는 것이다 .
한랭지에서는 열 가치가 높고 네트워크는 넓게 정비되어있다. 냉수와 온수, 증기를 파이프라인으로 수송하는 등 열을 커뮤니티 내에서 융통성을 맞는 의의가 높다. 열은 전기 같이 순간에는 수송 수없고, 파이프라인의 설치 비용이 소요되기 때문에 넓은 지역에서 이용이 아니라 일정한 수요 밀도있는 커뮤니티의 활용에 적합하다. 일본에서도 신주쿠 같은 지역 냉난방 센터가 그렇다.
수송할 수있는 에너지가 한정되기 때문에 석유에 대한 의존도가 높고, 기존 에너지 비용이 높다는 단점을 안고. 그러나 일사량과 바람 상황 등 재생 가능 에너지 자원이 풍부한 곳도 많고, 문제를 극복하려고, PV이나 풍력 등의 도입을 추진하고있다. 미야코지마 미국 하와이 주, 덴마크 보른 홀름 해의 섬 등에서는 각종 선구적인 노력을 하고 있다. 예를 들면 하와이 마우이 는 최대 수요 20 만 kW, 야간 최저 수요 9 만 kW이다. 여기에 5 만 kW의 풍력 농장과 주택용 PV의 대량 도입이 진행되고 있다.
출처 : http://eco.nikkeibp.co.jp/article/column/20110609/106653/
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