미래전기시스템 - 패러다임의 변화와 과제

미래전기시스템

패러다임의 변화와 과제

우리나라의 산업경제는 전기에너지와 밀접한 관계를 가진다. 현행 대규모 중앙집중형 발전소 중심의 전통적 전기시스템은 점차 한계가 노출되고 있으며 최근 기술발전은 새로운 전기시스템의 등장을 예고하고 있다. 또한 관련분야 기술혁신은 전기시스템에 대한 기대를 높이지만 여전히 많은 기술, 시장, 사회적 제도 장벽이 존재한다. 이에 따라 새로운 전기에너지 시스템의 전환을 위해 지속적인 혁신과 새로운 시스템에 대한 사회적 수용성 제고 노력을 동시에 추진할 필요가 있다.

기존 전기시스템 한계로 새로운 패러다임의 전기시스템 모색

전기에너지는 조명, 철도, 공장 등 다양한 산업분야에서 핵심에너지원으로 활용되면서 빠르게 확산되고 있다. 전 세계적으로 전기에너지와 경제성장은 서로 밀접한 관계가 있는데, 우리나라 역시 산업부문 전기사용 비중이 절반 이상을 차지하는 등 경제성장과 전력사용량 증가율 간의 연관성이 매우 높다.

대형 발전시설이 위치한 일부 지역에서는 대부분의 전기가 생성되고 있어 전기의 장거리 수송이 불가피하며, 이로 인한 전기에너지 손실이 발생하고 있다. 

전기는 현재의 기술력으로는 저장이 어려워 생산-소비가 동시에 이루어져야 하며, 수급 안정성을 위해 항상 여분의 전기인 전력예비율을 확보해야 하는 비효율이 발생되는 특징이 있다. 또한 전기에너지 수급구조는 경직된 생산-공급 구조를 가지고 있어 소비자는 수동적 입장에서 규정된 품질의 전기에너지를 구매할 수 밖에 없는 상황이다. 

이에 미국은 전력설비 노후화, 대규모 정전 발생, 전력수요 증가 등에 대한 방안으로 전력망에 정보통신기술을 접목한 새로운 개념의 전력망 비전을 제시했다. 미국은 2003년 국가 전력산업의 새로운 비전인 ‘Gird 2030’에서 새로운 전력망 개념을 수립한바 있는데, 이후 스마트그리드 사업이 전 세계적으로 확산되면서 전기에너지 시스템의 대대적인 전환이 예상됐다. 

EU의 경우 2006년 신재생에너지 보급 및 확대, 회원국 간 전력거래 활성화를 위한 비전을 발표하고 23개국에서 관련 실증 및 보급 사업을 추진하고 있다. 또한 일본은 태양광발전 계통 연계를 위한 마이크로그리드 확산에 초점을 맞추고 있으며 국내 4개, 해외 13개의 실증사업을 진행하고 있다. 중국 역시 송전계통 강화 및 전력자원 배분 최적화를 목적으로 2009년 ‘Strong and Smart Gird’ 비전을 발표하고 2011년부터 10년 동안 매년 3,000억 위안을 투자하고 있다. 이와 같은 세계 각국의 노력에 따라 전력시스템은 이전의 공급자 중심에서 소비자 중심의 새로운 시스템으로 진화할 전망이다. 

현재 전력시스템은 전력공급의 안정성 및 신뢰성 등에서 꾸준한 개선이 이루어져 왔으나, 큰 틀에서는 여전히 공급자 중심의 경직된 구조를 보이고 있다. 이에 다양한 기술혁신을 기반으로 보다 근원적인 시스템 전환이 이루어질 것으로 기대되며, 미래전력시스템은 더욱 복잡하고 역동적인 구조로 진화할 전망이다.

우리나라는 2009년 녹색성장 핵심 인프라로 스마트그리드를 선정하고, 제주실증단지를 중심으로 적극 지원한 바 있지만, 가시적인 성과는 아직까지는 미흡한 실정이다. 최근 전기자동차, 무선전력송신, 에너지관리시스템, 2차 전지, 신재생에너지 등의 기술혁신은 가속화되고 있으나, 이들의 통합운영 및 사회적 확산은 아직 걸음마 단계라 할 수 있다. 

전기에너지 시스템의 성공적 전환은 전력망에 연계될 수 있는 다양한 요소기술의 유기적 결합과 이를 뒷받침할 수 있는 사회적 제도적 정비를 통해 점진적으로 이루어질 전망이다.

미래 전기시스템의 핵심요소 : 에너지저장, 신재생에너지 및 무선전력전송

ESS는 여분의 전기에너지를 저장하는 시스템으로 기계, 전기, 화학, 열 등 다양한 형태로 에너지를 저장하는 방식이 개발되고 있으며 배터리, 배터리관리시스템, 전력변환장치 등으로 구성된다. 

전기에너지의 효율적 저장이 가능해질 경우, 전기에너지의 전반적 이용 효율향상, 정전 피해 최소화, 신재생에너지 활용 확대, 스마트그리드 구현, 전기차 활성화 등 전기에너지가 이용되는 여러 영역에서 큰 변화가 나타날 전망이다. 특히 태양광, 풍력 등 간헐적 신재생에너지의 확산이 ESS 수요를 크게 증가시킬 것으로 예상된다. 전기에너지의 저장은 아직까지 성능 대비 가격이 비싸고 현재 전력시장 제도에서는 자유로운 전력거래가 어려워 사용화 유발 요인이 낮기 때문에 대부분의 국가에서는 보조금 등 별도의 보급정책을 시행하고 있다.

신재생에너지는 지속가능한 친환경 에너지원으로, 선진국을 중심으로 세계 각국은 기존 화석연료를 대체할 지속가능한 대안으로 신재생에너지에 주목하고 있으며, 기술개발 및 상용화에 주력하고 있다. 미국은 2025년까지 총 전기에너지의 25%를 신재생에너지로 공급하겠다고 발표했으며, 일본은 후쿠시마 원전사고 이후 신재생에너지보급목표를 2030년 25~30%까지 확대할 것을 검토하고 있다. 또한 독일은 신재생에너지 시대 도달을 목표로 원전폐지를 선업하고 2030년 총 전기 공급의 40% 이상, 2050년 70% 이상으로 확대할 계획이다. 아직까지는 수력발전이 신재생에너지 발전의 대부분을 차지하고 있으나, 풍력발전을 중심으로 새로운 에너지원의 활용이 점차 증가할 것으로 보인다. 

무선전력전송의 개념은 1900년대 초에 이미 등장하였으나 기술적 한계로 인해 그간 활용되지 못하다가 2007년 새로운 전송 방법인 자기공명방식이 개발되면서 다시 주목받기 시작했다. 이는 향후 스마트폰, 노트북, 가전기기, 전기차, 인공장기, 인공위성 등 다양한 분야에 적용될 것으로 보인다.

새로운 전기시스템 도입은 다양한 산업에서 新시장 형성 전망 

현재 전력시장은 일부 전력사업자들만 참여하고 있지만 향후에는 ESS, 태양광 등 신재생에너지 장비를 보유한 능동적 소비자가 여분의 전기를 시장에 판매할 수 있어 전력시장의 규모 및 참여자가 크게 증가할 전망이다. 새로운 전기시스템에서는 전기요금이 실시간으로 변화하고 이에 따라 전기에너지 활용 패턴이 매우 다양해지면서, 에너지의 효율적 활용을 도와주는 에너지관리서비스업에 대한 수요 역시 증가할 것으로 보여진다.

에너지저장시스템, 신재생에너지발전, 송배전시스템 등 전기시스템의 모든 구성요소는 스마트그리드를 통해 정보를 상호 공유할 수 있으며, 이들 정보는 새로운 전력서비스 제공의 원천이 된다. 또한 전기에너지 공급, 에너지저장, 스마트그리드 등 공급사슬 구성요소의 통합과 분산발전의 확대는 전력산업 특유의 경직된 산업구조에서 탈피하여, 다양한 서비스 비즈니스 모델을 포함하는 유연한 산업구조로 변화하는 기반을 제공한다. 

기술, 시장, 제도적 요인에 대한 총체적 대응방안 마련해 미래 변화에 대비

- 기술측면

에너지저장시스템, 신재생에너지, 무선전력전송, 전기 운송수단 등은 아직 기존 전기시스템을 대체할 정도의 안정성, 신뢰성, 경제성 등을 확보하지 못한 상황이다.

개별 기술수준에서는 경제성을 확보하여 사업화 가능성이 크게 확대되었으나, 효과적인 서비스 제공 및 세계시장 주도권 확보를 위해서는 개별 기술들을 하나의 시스템으로 통합하여 연동하기 위한 표준화 및 상호운용성 확보가 선행될 필요가 있다. 

이에 대해 관련 분야의 기술혁신 속도에 맞추어, 이들의 효율적인 상호운용을 위한 표준 및 인증대책 마련이 중요함에도 불구하고 국내 수준은 선진국 대비 미흡함에 따라 새로운 전기시스템 관련해서는 지능형전력망(또는 스마트그리드) 표준화 및 상호운용성 작업이 미국 국립표준기술연구소(NIST) 중심으로 추진되고 있으며, 유럽, 일본 등 주요 선진국도 표준 및 상호운용성 확보를 위한 정책적 노력을 기울이고 있다. 

- 시장측면

에너지저장시스템, 신재생에너지 활성화를 위해서는 비교적 높은 초기 설치가격을 보완할 수 있도록 이들 시설을 활용해 경제적 유인을 얻을 수 있는 전력시장 제도 개선도 필요하며, 에너지저장 또는 신재생에너지 시설을 활용해 에너지소비 절감 시 인센티브를 주거나, 저장된 여분의 전기를 재판매하여 수익을 창출할 수 있도록 함으로써 경제성 확보가 가능하다.

전기수요 상황에 따른 실시간 전기요금제는 전기에너지 관련 다양한 서비스 형성을 촉진하는 핵심 요인이나 우리나라의 경직된 전기요금제는 시장 형성에 큰 장벽으로 작용한다. 우리나라의 전기요금은 시장원리보다는 정책적, 정치적 영향을 많이 받으며, 전 세계적으로 가장 저렴한 수준의 전기요금을 유지하고 있지만, 이는 새로운 전기시스템 도입을 저해하고 있으며, 장기적 관점에서는 전기요금제도 개선을 위한 면밀한 검토가 필요하다. 또한 산업용, 주택용, 상업용 등 용도에 따라 전기요금이 차등 적용되고 있고 심야전기는 상대적으로 저렴한 가격에 판매되고 있는데, 이로 인한 가격 왜곡을 해소하기 위해 지속적이고 역동적인 가격 모니터링 및 조정 시스템의 가동이 요구되는 실정이다. 

- 제도적 측면

전기에너지의 다양한 활용 및 정보교환이 확대되면서 전기시스템 내 정보보안 또한 중요한 이슈로 부상하고 있어 이에 대한 대비가 필요하다. 전기에너지 이용 정보는 개인의 사생활을 보여주는 또 다른 형태의 개인정보로, 전력시장이 확대되면서 전기시스템 내에서 교환되는 전기요금정보, 결제정보 등 중요한 정보의 보안이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 

전기시스템은 사회 전반에 막대한 파급효과를 미치는 공공인프라이므로 시스템 전환 및 수용 과정에서 사회 전반적으로 다양한 이해관계를 고려해야 한다. 미래 전기시스템은 전기, 통신, 기계, 건설, 자동차, 에너지 등 다양한 분야의 사업자가 공존하고 개인도 시장에 참여할 수 있어 매우 복잡한 이해관계가 나타날 것으로 예상되므로, 전담 조직을 설립하는 등 이를 조정하기 위한 방안이 필요하다. 또한 새로운 전기시스템의 사회적 수용성 제고를 위해 시범사업 또는 실증사업을 통한 점진적 전환 방식을 취하는 것도 바람직하다.

아울러 새로운 전기시스템에 대한 비전 제시와 학습, 이해당사자 간 소통의 과정을 통해 발생할 수 있는 문제를 사전에 예방하고 사회적 수용성 제고를 위한 지속적 노력도 필요하다. 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래전기시스템 - 패러다임의 변화와 과제