4차 산업혁명 시대를 맞아 에너지 기술과 정보통신(ICT) 기술 융합의 중요성이 대두되고 있다. ICT 기술을 활용해 에너지 수요와 공급을 관리하고 신 재생에너지의 부가가치를 최대화해 인류의 지속 가능성을 확보할 필요가 있다는 분석이다. 4차 산업혁명을 미래학자들은 지능화 시대의 등장이라고 표현한다. 이에 본지에서는 지능화 시대 에너지 관리 방안에 대해 上, 下 두 차례에 걸쳐 한국정보화진흥원의 '지능화 시대의 등장과 에너지 관리의 중요성 대두'라는 보고서를 토대로 분석해 연재한다. <편집자 주>

[下. 지능화 사회에서의 에너지 산업 전망과 IoT 기술의 접목 ]

에너지 IoT에 대한 정확한 정의를 내릴 수는 없지만 일반적으로 ICT 기술을 에너지 산업분야에 접목시켜 에너지 관리 전반에 사용하는 것을 의미한다. 

전자산업의 빠른 발전은 에너지 낭비 문제를 야기했고, 이러한 손실을 줄이고 전자기기의 교체 주기를 줄일 필요성이 높아졌다. 

따라서 지능화 시대의 에너지 관리는 IoT를 어떻게 전력 산업에 응용하는지가 관건이다. 

◇ 에너지 인프라, 에너지 빅데이터, 에너지 IoT

에너지 IoT는 에너지 인프라, 에너지 빅데이터, 그리고 IoT로 구성된다. 

에너지 인프라는 발전부터 송배전 및 전력 공급에 사용된 기술과 국내외 에너지 정책까지를 포괄한다. 

기술 분야도 기존의 발전부터 수요 기술을 포함하여 신재생에너지, 에너지 저장장치와 빌딩 에너지 관리를 위한 BEMS, 공장 에너지 관리를 위한 FEMS, 가정용 에너지 관리를 이용한 HEMS와 스마트 그리드 관리를 이용한 CEMS 등을 포함한 EMS 기술까지 포함하고 있다.

에너지 빅데이터는 전력산업의 모든 데이터와 수요자의 행위 데이터까지를 의미한다. 지능화 사회가 진화하며 단순한 데이터 수집, 분석의 개념을 넘어 최적화를 통한 가치 창출까지를 아우른다. 

에너지 IoT는 에너지 관리를 위한 가장 중요한 기술이다. 

예를들면 수요분야에 국민 발전소 시스템을 도입하기 위해서는 소비자의 수요를 실시간으로 정확히 측정하여 소비자의 수요패턴을 생성하여 전력 시장에서 하나의 자원화 하는 것이 필요하다. 

에너지 IoT를 이용하면 에너지 인프라에서 생성된 에너지 Big Data들을 융합하여 소비자의 수요 패턴을 분석하고, 이를 이용해 에너지 소비/절감을 위한 알고리즘을 개발한다. 

◇ 지능화 사회에서의 에너지 정책 변화

지능화 사회에서는 기존의 에너지 정책에 큰 변화가 예상된다. 기존의 에너지 정책은 기존의 고갈되는 화석 연료를 사용하는 중앙 집중식 발전소를 중심으로 하는 발전 자원 확보에 집중을 하고 대형 수용가만을 관리하는 정책이었다.

지능화 사회에서는 IoT 기술의 도입과 초 연결 공유 사회로 전환 되면서 분산형 에너지 발전과 디지털 기술 혁신에 힘입어 수요자원 정책이 중요해지고 이러한 분산형 발전과 디지털 기반 소비자 수요를 연결시키는 플랫폼을 이용하는 에너지 정책이 중요해 질 전망이다. 

또한 이제는 소수의 대형 수용가보다는 대부분의 수용가를 포함하는 소형 거래를 하는 소형 수용가 정책이 중요해진다. 이러한 정책의 변화가 진행되면서 전력 산업의 구조도 현재의 수직 통합형 산업 구조에서 수평 협업 산업 구조로 변화시키는 산업 정책이 같이 추진 될 것으로 전문가들은 예상하고 있다.

전력 수급 정책도 크게 변화할 전망이다. 지금까지는 수급의 안정성, 경제성, 전력 부하형태 등이 중요시 하는 전력 수급정책이었다면 이제는 이러한 요소들 외에도 기후변화에 대응과 사회적 가치가 수습계획의 중요한 요소로 등장하게 됐다. 

따라서 지능화 사회에서는 발전부분에서는 재생에너지의 확대, 그리고 디지털 기술의 혁신을 이용하는 수요관리 부분이 전력 수급 정책의 핵심이 될 것이다.

또한 에너지 정책 추진 주체의 변화도 예상된다.

지금까지는 중앙정부가 에너지 믹스 차원에서 경제성과 수급 안전성을 고려해 정책을 추진해 왔으나 이제는 에너지 정책 추진 주체가 지방 정부로 상당부분 이전될 것으로 예상된다.

스마트 그리드는 미국의 "Energy Independence and Security Act of 2007" 법안에서 처음 소개된 용어로, 중앙 집중적 또는 분산형 발전, 고압 송전과 배전 시스템에서부터 산업용 수용가, 건물 자동화 시스템, 에너지 저장장치 시스템, 최종 소비자의 Thermostats, 전기자동차, 가전기구 그리고 다른 가정용 장치까지 모니터링과 보호, 그리고 연결된 요소들을 자동적으로 최적화 하기 위한 전력 수송 시스템의 현대화를 의미한다. 

현재의 전력 수송 시스템은 석탄, 원자력, 가스, 수력 등 전통적인 발전소를 통해 전력을 생산하고 이를 고압 송전선과 배전선을 이용하여 각 가정, 상업용 빌딩, 산업체에 전달하는 시스템이었다. 

이러한 시스템에서는 중앙에서 전체 계통 운영을 관리하는 전력 거래소가 일정한 주파수를 유지하도록 전력 전체의 수요와 공급을 조절하면서 안정적인 전력을 수용가에게 공급한다. 

하지만 지능화 사회에서는 기존의 발전소외에도 분산형 발전자원이 발전소 역할을 하게 된다. 

특히 소비자들이 태양광이나 풍력과 같은 소규모의 분산형 전원과 전력 저장장치 등을 이용하여 발전을 하고 남는 전력을 다른 사람에게 팔 수 있게 된다. 

또 전력 저장 장치로 이용할 수 있는 전기 자동차가 도입된 분산형 전력 시스템이 본격적으로 도입 되면서 기존의 계통 운영 시스템으로는 운영이 불가능해 진다. 

◇ 스마트 그리드와 마이크로 그리드 시스템

이에 새로운 지능형 사회에 적합한 전력 운영 시스템 즉 스마트 그리드 시스템이 도입이 되고 있다. 

즉 기존의 전력시스템에 신 재생에너지와 같은 분산형 자원과 저장장치 등이 연결되고 이들을 운영하는 새로운 디지털 기술이 적용되는 지능형 그리드 시스템이라고 할 수 있다.

스마트 그리드가 국가전체의 계통망을 지능적으로 운영하는 시스템이라면 마이크로 그리드는 지역 중심의 작은 규모의 스마트 그리드라고 볼 수 있다.

나노 그리드는 마이크로 그리드보다 더 적은 규모의 그리드로 가정에서 전력을 생산하고 남는 전력을 이웃이나 전력회사에 공급하는 그리드를 의미한다.

마이크로 그리드는 스마트 그리드보다 소규모의 그리드로 주로 배전선 단위 즉 154 KV 변전소를 중심으로 운영되는 특정 지역 또는 커뮤니티 단위의 그리드다. 특정 지역 안에서 태양광, 풍력 등을 이용해 전력을 자체적으로 생산하는 것이 특징이다. 

마이크로 그리드는 기존의 광역 전력 시스템으로부터 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력 공급 시스템을 지칭하며 스마트 그리드와 상호 보완적인 관계를 가지고 있다.

◇ 크게 변화할 전력 공급자와 수요자의 상관관계

지능화 사회에서 에너지 효율과 분산형 전원 기반 마이크로 그리드 시스템 도입이 확대되면 전력회사는 많은 어려움을 겪게 될 것으로 보인다. 

흔히 전문가들은 지능화 사회에서는 전력회사들이 소위 죽음의 소용돌이에 들어가면서 지금과는 매우 다른 형태의 전력회사가 나타나 에너지 관리를 담당할 것으로 예상하고 있다.

에너지 효율과 분산형 전원 기반 마이크로 그리드 시스템이 확대가 되면 기존의 전력회사로부터 전력을 공급받는 소비자들 수는 줄어들게 되고 전력회사들은 이미 투자한 시설들에 대한 Rate Base는 변하지 않으므로 요금을 올리게 되며 이러한 요금 인상은 다시 소비자들의 이탈을 가속화 시켜 결국은 전력회사가 시장에서 사라지는 최악의 시나리오가 제기되기도 한다. 

기존의 전력회사들이 기득권을 유지하기 위해 분산형 마이크로 그리드 시스템에 저항을 한다 해도 기술 혁신이 사회 경제 시스템을 전환 시켜온 역사를 보면, 결국은 시간의 문제이지 지능화 사회에서의 에너지 관리는 플랫폼 기반 에너지 시스템인 마이크로 그리드 중심의 시스템으로 전환 될 것이다.

지능화 사회의 에너지 관리 사업이 잘 정착되려면 실시간에너지모니터링 및 검증이 필수적이며 IoT와 빅데이터 기술 등 정보 통신 기술이 효과적으로 지원돼야 한다. 

미래 지능화 시대의 에너지 관리 시스템 구축 성공을 위해서는 정보통신 기술이 단순히 데이터를 수집하여 제어하는 1세대 IoT 기술에서 최적화와 자율화 기능까지 소유한 차세대 IoT 기술로 나가는 일이 시급하다.