전기화 및 자동화를 사용하여 보다 효율적이고 지속 가능한 전력망 생성 - 2부 중 1부

전통적인 전력망 에너지원을 지속 가능한 친환경 에너지원으로 대체하는 것을 전기화라고 합니다. 총 2부 중 1부를 다루고 있는 이 기사에서는 전기화와 관련된 몇 가지 과제와 자동화가 효율성과 지속 가능성에 어떻게 도움이 되는지를 논의합니다. 이 시리즈의 2부에서는 에너지 및 환경 설계 리더십(LEED)과 제로 에너지 빌딩(ZEB) 인증에 대해 논의하고, 이들이 어떻게 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 개선할 수 있는지에 대해 이야기합니다.

전기화란 석유, 석탄, 천연가스 등 화석 연료를 사용하는 발전 시스템을 광발전(PV) 및 기타 친환경 기술로 대체하고 내연기관(ICE) 차량을 전기차(EV)로 대체하는 것을 의미합니다. 전기화된 시스템과 이를 모두 하나로 연결하고 스마트 그리드와 마이크로그리드를 지원하는 자동화의 사용은 사회를 보다 지속 가능하고 친환경적인 미래로 이끄는 중요한 요소입니다.

오늘날의 전력망은 많은 수의 전기차를 충전하도록 설계되지 않았으므로, 스마트 그리드와 마이크로그리드는 내연기관 차량을 전기차로 대폭 교체하는 데 필요한 핵심 기술이 될 것으로 예상됩니다. 최근 캘리포니아 주지사는 2035년까지 모든 신차 및 승용 경트럭 판매를 무공해 차량(EV)으로 의무화하는 행정 명령을 발표했습니다. 스마트 그리드 및 마이크로그리드 개발자는 이러한 종류의 의무 조항을 이행하기 위해 까다로운 국제 표준을 충족해야 합니다. 예를 들어, IEEE는 스마트 그리드와 관련하여 이미 승인되었거나 진행 중인 100개 이상의 표준을 보유하고 있으며, 여기에는 미국 국립 과학 기술 연구소(NIST) 프레임워크 및 스마트 그리드 상호 운용성을 위한 로드맵에 명시된 20개 이상의 IEEE 표준이 포함되어 있습니다. 마이크로그리드는 IEEE 표준 외에도 IEC 62898 마이크로그리드 계열 및 기타 표준의 적용을 받습니다.

이 기사는 두 부분으로 구성된 글 중 첫 번째 부분입니다. 여기에서는 전기화 구현과 관련된 과제, 분산 에너지 자원(DER)의 통합, 스마트 그리드와 마이크로그리드의 유사점과 차이점, 전기 자동차의 광범위한 도입에 대한 지원을 포함하여 자동화가 효율성과 지속 가능성을 향상하는 방법을 알아봅니다. DER이 무엇이며 어디에 적합한지 살펴보는 것으로 시작하여, 유틸리티 마이크로그리드의 출현으로 마이크로그리드와 스마트그리드의 구분이 모호해지고 있는 양상을 살펴보는 것으로 마무리합니다. 구현 방식이 무엇이든, DigiKey는 전기화 및 DER 통합을 지원하는 광범위한 산업 자동화 제품을 공급합니다. 두 번째 기사에서는 전기화 및 자동화를 사용하여 친환경 건물에서 에너지 및 환경 설계 리더십(LEED) 및 제로 에너지 빌딩(ZEB) 인증을 획득하는 방법에 대해 살펴봅니다.

DER이란 무엇인가요?

북미 전기 안정성 협회(NERC)는 '분산 에너지 자원(DER)은 전기 분배 시스템상에서 전기를 생산하는 자원 중, 공식적인 NERC 대량 전기 시스템의 정의에 포함되지 않는 나머지 모든 자원이다'라고 정의하고 있습니다.

북미에서 전기 분배 시스템이라는 용어는 통상적으로 변전소에서 최종 사용자까지 연결되는 34.5kV 이하를 전달하는 전력선을 의미합니다. 대량 전력 시스템(BPS)에는 보통 100kV 이상을 장거리에 걸쳐 전달하여 변전소로 들어오는 회선이 포함되며, 이 회선은 대규모 대량 발전 시설과 상호 연결 자원 및 변전소를 연결합니다(그림 1).

그림 1: DER은 배전 시스템(파란색)에 포함되어 있고, 다른 재생 에너지 자원은 대량 전력 시스템(녹색)에 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NERC)

DER은 풍력 터빈 및 광발전 설비와 같은 발전 장치, 에너지 저장 장치, 대부분의 배터리 에너지 저장 시스템(BESS), 전기차 서비스 장비(EVSE)라고도 하는 전기차 배터리 충전기, 마이크로그리드를 포함한 모든 비대량 시스템 자원을 의미합니다. DER은 유틸리티 계량기 뒤편에 있을 뿐만 아니라 배전 시스템 상에도 있습니다. 계량기 뒤쪽의 DER 전원에는 광발전 어레이, BESS, 그리드 연결 EV, 데이터 센터 및 기타 장소에서의 대형 디젤 발전기 설비와 같은 대기용 백업 전원이 포함됩니다. 마이크로그리드는 특수한 유형의 DER입니다.

스마트 그리드, 마이크로그리드 및 전기화

마이크로그리드는 DER이지만 모든 DER이 마이크로그리드인 것은 아닙니다. BPS(대량 전력 시스템)의 관점에서 마이크로그리드와 DER이라는 용어는 발전 유형 또는 저장 자원의 유형을 의미합니다. 스마트 그리드라는 용어는 탄력적이고 효율적인 운영을 보장하기 위해 BPS에서 사용하는 통신 및 제어 기술을 의미합니다. 마이크로그리드에 발전 및 저장 자원뿐 아니라 부하도 포함된다는 점은 스마트 그리드와 또 다른 차별화 요소입니다. 스마트 그리드는 주로 발전 자원으로 구성되며, 일부 저장 자원은 있지만 부하가 없습니다. 스마트 그리드는 부하와 통신할 수 있지만 전력망과는 별개입니다.

전기화는 마이크로그리드, BPS, 스마트 그리드에 서로 다른 방식으로 영향을 미칩니다. BPS에서는 기존 전력망에 전기화가 추가되고 있으며, 적절하게 관리하지 않으면 의도하지 않은 부정적인 운영 결과를 초래할 수 있습니다. 이 점이 바로 스마트 그리드 기술이 필요한 이유입니다.

스마트 그리드의 주요 차별화 요소는 양방향 통신 및 제어입니다. 이러한 제어 시스템에는 전력망의 안정성을 모니터링하는 센서와 전력 수요를 모니터링하는 고급 계측기가 포함됩니다. 또한 제어 가능한 다양한 전력 스위칭 및 전력 품질 장치를 사용하여 전기의 흐름을 관리합니다. 이러한 센서는 재생 에너지(RE) 자원과 BPS에 대한 전기화의 보급을 더욱 확대하고 전력망의 안정성을 보장하는 데 매우 중요한 요소입니다. 또한 센서와 제어 요소는 전력 장애 발생 시에 더 빠르고 효과적으로 대응할 수 있도록 지원하며, 특히 수요가 가장 많은 기간과 RE 가용성이 불확실한 상황에서 전력망을 균형있게 유지하고 보호할 수 있습니다. 스마트 그리드 기술은 또한 마이크로그리드가 배전 시스템 및 BPS와 조정하고 통합하도록 지원합니다.

반대로 마이크로그리드는 RE 자원, BESS, EV와 같은 전기화 기술을 수용하도록 설계되었습니다. 마이크로그리드와 스마트 그리드는 분산 에너지 자원 관리(DERM) 시스템을 포함한 자동화된 제어가 필요합니다.

DERM은 필수

스마트 그리드와 마이크로그리드에서는 DERM과 자동화가 서로 다르게 정의되고 구현됩니다. 스마트 그리드는 전력망 관리를 위한 중앙 집중식 제어 센터를 통해 넓은 지역에 분산된 다양한 발전 자원과 전기 사용자를 포함하고 있습니다(그림 2). 전력망 관리는 BPS에서 스마트 그리드 제어의 핵심 개념입니다. 기존 BPS는 전기화 지원의 필요성이 대두되기 전에 설계되고 구축되었으며, 전력 공급의 조절이 가능한(제어 가능한) 화석 연료 발전이 점점 더 예측할 수 없는(따라서 제어하기가 어려워지는) RE 소스로 대체됨에 따라 그 작동이 불안정해질 수 있습니다. 또한 많은 수의 전기차를 충전하는 작업은 전력 생산/공급의 조절이 불가능하고 유틸리티에서 직접 제어할 수 없습니다. 전기화 및 EV 충전에 사용되는 RE 소스가 기존 유틸리티 전력망 요소만큼 예측하기 어려운 점을 보완하기 위해서는 스마트 그리드 기술을 통해 구현되는 중앙 집중식 자동 제어가 필요합니다.

그림 2: 스마트 그리드는 실시간 전력망 관리를 위해 자동화된 컨트롤러와 DERM을 사용합니다. (이미지 출처: ETAP)

스마트 그리드 및 마이크로그리드 컨트롤러는 연결된 자원을 실시간으로 모니터링하기 위해 다양한 센서로부터의 정보를 필요로 합니다. 전기차 및 EVSE의 등장으로 컨트롤러는 충전에 필요한 전력 수요를 관리하기 위해서도 사용되며, 차량-전력망(V2G) 통신을 사용하여 전기차와 전력망 연결 또는 전기차와 마이크로그리드 연결을 조절함으로써 에너지 저장 용량을 늘릴 수 있습니다.

연결된 자원의 상태를 모니터링하는 것뿐만 아니라, 전력망과 연결된 마이크로그리드용 컨트롤러는 로컬 유틸리티 전력망의 상태도 모니터링해야 합니다. 개폐기는 스마트 그리드 및 마이크로그리드의 필수적인 부품으로, 안정적인 작동을 보장하기 위해 밀리초 단위로 응답해야 합니다. 개폐기 크기는 소규모 마이크로그리드의 경우 수 킬로와트(kW)부터 대규모 마이크로그리드 및 유틸리티 전력망의 경우 수 메가와트(MW)까지 다양합니다. 소규모 마이크로그리드의 경우 개폐기와 컨트롤러를 동일한 캐비닛에 넣을 수 있으므로 비용이 절감되고 설치 속도가 빨라집니다. 스마트 그리드 및 마이크로그리드 DERM에는 클라우드 기반 분석에 의한 에너지 생산 및 에너지 소비의 지능형 계측이 포함되어 있어 DER의 경제적 이점을 극대화하고 높은 수준의 복원력을 지원합니다. DERM의 정확한 아키텍처는 마이크로그리드 종류에 따라 달라질 수 있습니다.

마이크로그리드의 종류

마이크로그리드는 응용 분야와 아키텍처에 따라 분류할 수 있습니다. 세 가지 마이크로그리드 아키텍처는 원격, 네트워크, 그리드 연결형입니다. 원격 마이크로그리드는 섬이나 외진 광산 및 농업 작업장 같은 장소에 있습니다. 이는 또한 오프그리드 마이크로그리드라고도 불리우며 모든 유틸리티 BPS와 물리적으로 분리되어 있습니다. 원격 마이크로그리드는 완전한 자급자족이 가능해야 합니다.

네트워크형 또는 중첩형 마이크로그리드는 공통 유틸리티 배전 시스템에 연결된 몇몇 개별 DER 또는 마이크로그리드로 구성된 네트워크입니다. 이는 일반적으로 마이크로그리드 작동의 요구 사항과 더 확장된 유틸리티 그리드에 대한 지원 사이의 균형을 맞추는 중앙 집중식 감독 시스템에 의해 제어됩니다. 컨트롤러는 가장 중요한 요소를 보호하기 위해 마이크로그리드와 DER에 중요도의 우선순위를 지정하기도 합니다. 네트워크 마이크로그리드의 응용 분야로는 커뮤니티 마이크로그리드, 스마트 시티 및 새롭게 떠오르는 유틸리티 마이크로그리드 카테고리가 포함됩니다.

네트워크 마이크로그리드는 그리드 연결형 마이크로그리드의 하위 종류입니다. 모든 그리드 연결형 마이크로그리드는 배전 전력망에 물리적으로 연결되어 있으며, 배전 전력망에 연결되는 공통 결합 지점(PCC)에 스위칭 장치를 갖추고 있습니다. 정상 작동 중에는 그리드 연결형 마이크로그리드가 배전 전력망에 연결됩니다. 주파수 및 전압 조정, 실제 및 무효 전력 지원, 수요 대응 등의 서비스를 전력망에 제공하여 용량 한계 문제를 완화할 수 있습니다.

마이크로그리드는 아일랜드 작동 시 유틸리티 배전 전력망에 연결되지 않습니다. 아일랜드 현상은 배전 전력망의 장애 또는 유지 보수와 같은 기타 요구 사항으로 인해 발생할 수 있습니다. 아일랜드 상태 전력망에서 그리드 연결형 전력망으로 전환할 때, 마이크로그리드는 배전 주파수를 감지하고 재연결하기 전에 작동을 동기화해야 합니다.

캠퍼스, 병원 및 의료 센터, 상업용 설비, 커뮤니티, 산업 시설 등 수많은 마이크로그리드 응용 분야가 있습니다. 최신 응용 분야의 종류는 유틸리티 마이크로그리드입니다(그림 3).

그림 3: 마이크로그리드는 응용 분야에 따라 분류되는 경우가 많습니다. (이미지 출처: Siemens)

경계 구분의 모호화

스마트 그리드와 마이크로그리드 사이의 경계를 허무는 유틸리티 마이크로그리드가 배포되고 있습니다. 이 과정에서 DER의 정의는 분산 에너지 자원에서 전용 에너지 자원으로 변경됩니다. 유틸리티 마이크로그리드는 기상이변, 산불 및 기타 예기치 못한 문제로 인한 정전을 줄이기 위해 설계되었습니다. 기존의 전력망 아키텍처에서는 극한 상황 발생 시 안전을 위해 전력망의 상당 부분의 전원이 차단됩니다.

이와 같은 예기치 않은 대규모 정전으로 인해 초래되는 중요하고도 안타까운 결과는 전기차 수요가 억제된다는 점입니다. 유틸리티 마이크로그리드는 전기차가 광범위하게 채택되도록 유도하는 핵심 요소로 간주됩니다. 미국 전역에서 유틸리티 마이크로그리드가 제안되어 배치되고 있습니다. 예를 들어 남부 캘리포니아 에디슨 사(SCE)는 산불 발생 시 전기 가용성을 최대한 광범위하게 유지하기 위해 공공 안전 전원 차단 마이크로그리드 개발을 제안했습니다. 새로운 전력망 아키텍처를 커뮤니티 마이크로그리드라고 부르는 회사도 있습니다(그림 4).

그림 4: 유틸리티 마이크로그리드는 비교적 넓은 지역에 분산 설치된 여러 종류의 자산을 포함하며, 전통적인 마이크로그리드와 스마트 그리드 사이의 경계를 모호하게 만듭니다. (이미지 출처: Edison International)

유틸리티 마이크로그리드의 아일랜드 기능은 현재 가능한 것보다 더 세분된 수준에서 전력의 가용성을 개선하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이는 완전한 주거용 커뮤니티부터 학교 및 소방서, 의료 센터, 대피 센터와 같은 기타 전략적 장소를 포함한 공공 장소에 이르기까지 다양한 마이크로그리드 규모에 배포될 것으로 예상됩니다. EVSE 설치는 대부분의 커뮤니티 마이크로그리드 설계에서 매우 중요한 부분입니다. 구상한 대로 된다면, EVSE는 전기차 충전은 물론 추가 백업 전력 공급원으로 전기차의 전력망 연결을 지원할 것입니다.

결론

전기화는 보다 지속 가능한 전력망을 보장하고 CO₂ 배출량 감소를 촉진하기 위해 필요합니다. 광발전 에너지 및 전기차와 같은 전기화 기술은 이들이 대체하는 기존 자원에 비해 예측하기 어렵습니다. 이는 스마트 그리드 및 마이크로그리드에서 첨단 센서 네트워크와 자동 제어 시스템을 통해 전기화가 지원되어야 함을 의미합니다.