최종편집 : 2017.9.18 월 10:31
> 뉴스 > 연재 > 특별기고
       
(특별기고)가사도 ‘에너지 자립 섬’의 성공적인 실증에 붙여
한전 전력연구원 송일근 MG연구사업단장
2015년 10월 23일 (금) 21:07:11 한국전력신문 webmaster@epnews.co.kr

   
최근 우리나라는 지구 온난화, 화석연료 고갈 등의 문제를 해결하기 위해 풍력, 태양광 등의 신재생에너지의 적극적인 이용을 꾀하고 있다. 그러나 전기적으로 고립된 도서지역에서는 전력시스템의 규모가 너무 작아 출력변동이 심한 신재생에너지를 과도하게 설치할 경우 기존 발전소의 정상적인 운영이 어렵기 때문에 설치 확대 등이 쉽지 않았다. 이에 한전 전력연구원에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 EMS(Energy Management System, 에너지 관리 시스템)기반 독립형 마이크로그리드(MicroGrid, MG)를 국내 최초로 자체 개발하고 전남 진도군 가사도에 디젤발전기 대신 신재생에너지를 이용해 전력을 자동으로 공급하는데 성공했다.
독립형 MG란 신재생에너지, ESS(에너지저장시스템), 비상발전기 등으로 구성된 소규모 전력공급 시스템으로 한전은 지난 2012년 1월 독립형 MG 기술을 전략과제로 선정하고 국내 도서지역 적용 및 수출을 목표로 기술 개발에 착수했다. 실증 도서를 찾던 중에 우리나라 도서의 65%가 위치하고 있는 전라남도에서 도내 도서실증을 조건으로 지자체 연구개발 예산 지원을 제의했으며, 이에 한전은 개발된 기술을 조기에 실증이 가능하고 전력 부족으로 고생하고 있는 도서를 물색한 끝에 가사도를 실증대상 도서로 최종 선정하기에 이른다.
이후 한전은 기술 개발 성공에 대한 확신이 생길 즈음 풍력발전기와 태양광발전기를 설치하기 위해 사전 주민설명회를 개최했으나, 깨끗한 전기를 풍부하게 공급받을 수 있어 무조건 환영받을 거란 생각은 착각이었음을 깨닫게 된다. 일부 주민들이 풍력발전기 소음에 대한 우려를 표명했기 때문이다. 물론 풍력발전기와 마을 사이의 거리가 최소 350m 이상 떨어져 있어 문제가 없는 상황이었다. 그러나 일부 주민들의 우려를 자료만으로 이용해 설득하기는 쉽지 않았다. 추가적인 주민설명회를 통해 MG 구축시의 장점과 전기 품질의 우수성을 알리며 끈질기게 설득했고, 소음이 문제가 될 경우 진도군청과 공동으로 적극적인 조치를 취한다는 각서까지 쓰고 나서야 사업을 계속 진행할 수 있었다.

이후에도 풍력발전 부지의 사전 조사 과정에서 미처 발견되지 않았던 무연고 묘지가 나타나는가 하면, 풍력발전기 및 태양광발전기 부지 터파기 과정에서 예상보다 많은 암반이 출토되어 이를 쌓아 놓을 곳이 마땅치 않은 상황이 연출되기도 했다. 다행히 출토된 암반 및 토사로 지대가 낮은 마을 공터를 메워 부족했던 해초류 톳 건조장 부지로 활용할 수 있도록 주민들에게 도움을 드리는 방법을 통해 잘 해결되기도 했다. 많은 우여곡절이 있었지만 마침내 모든 설비 및 시스템 구축이 성공적으로 완료됐고, 가슴 벅찼던 첫 시험에서는 바람도 잘 불고 햇볕도 쨍쨍해 ESS를 한번에 100%까지 충전하는 등 성공적으로 시험을 진행할 수 있었다.
이렇게 전력연구원은 자체 개발한 독립형 MG 기술을 이용해 가사도 에너지 자립 섬을 성공적으로 구축함으로써 MG 설계 기술부터 자체 개발한 EMS기술의 검증은 물론, 상업화까지도 성공하는 쾌거를 이뤘다. 아울러 이를 바탕으로 한전은 현재 캐나다 전력회사 Power Stream社와 연계형 MG 적용 프로젝트를 진행중에 있으며, 아프리카 모잠비크에 마을단위 독립형 MG를 적용하기 위한 프로젝트도 진행 중으로, 이러한 다양한 글로벌 프로젝트의 확대를 통해 에너지 신산업의 발전이 더욱 가속화 될 것으로 예상하고 있다.
요즘 가사도에서는 그동안 만성적인 전력부족으로 엄두도 못냈던 톳 가공공장, 냉동 사업 등 새로운 사업 준비가 한창이라고 한다. 이제는 지난 40여년간 도서지역에서 묵묵히 제 몫을 다한 디젤발전기를 쉬게 할 때가 아닌가하는 생각과 함께 국내 도서지역을 넘어 세계 각지에서 우리의 MG기술로 풍력발전기가 시원스럽게 회전하는 모습을 조만간 볼 수 있으리라 기대해 본다. 또한 창조경제의 실현을 위해 정부는 8대 에너지 신사업 모델을 선정했고, 신기술 개발 및 다양한 사업화 모델 구현을 통해 시장을 확장하고 수익과 일자리 창출을 목적으로 하고 있다. 특히 8대 에너지 신사업 모델중 ‘에너지 자립 섬’ 이 대표적인 사업모델로 꼽히며 본 고에서는 에너지 자립섬 추진 성과와 방향에 대해 기술하고자 한다.

가사도 마이크로그리드 구축 및 상업화
삼면이 바다인 우리나라는 섬이 많다. 우리나라는 계통연계가 되지 않은 63개 한전 소유 도서에 디젤(내연)발전소를 이용해 전력을 공급하고 있다. 이런 도서지역의 발전단가는 343원/㎾h(울릉도)~8156원/㎾h(율도)로 평균단가는 약 490원/㎾h에 이르고 있어 육지에 비해 4배 이상 비싼 비용으로 전력을 공급하고 있는 셈이다. 한전은 체계적인 기술개발과 실증을 통해 국내 도서에 독립형 마이크로그리드 기술을 적용할 예정이며, 이의 일환으로 가사도에 신재생에너지를 이용하는 에너지 자립 섬의 준공(2014년10월2일)을 완료하고, 현재 새로운 전력공급 시스템인 마이크로그리드 시스템으로 상업화에 성공해 운전중에 있다.
가사도는 168가구에 286명이 거주하고 있는 작은 섬이다. 여타 섬들과 마찬가지로 디젤발전소를 이용해 전력을 공급받았던 가사도에 우리 회사가 에너지 자립을 위해 구축한 독립형 마이크로그리드는 특정 소규모 지역에 신재생에너지 설비 및 에너지저장장치 설비를 네트워크화 함으로써 전력수요에 맞춰 최적으로 수급 균형을 조정하고 안정적인 전력 공급을 가능케 하는 최적 시스템이다.
가사도는 평균부하 100㎾, 최대부하는 170㎾ 정도인데 기존에는 100㎾ 디젤발전기 3대를 이용해 이 부하에 전력을 공급했지만 발전설비의 용량이 부족해 필요한 만큼 전기를 사용하지 못했다. 여기에 운영시스템, 배터리시스템, 풍력발전기, 태양광발전기 등을 추가시켜 독립형 마이크로그리드를 구축했다.
전력연구원에서는 부하분석 및 기상데이터를 분석해 운영전략을 수립했고 이에 따라 신재생에너지 최적 조합과 경제성을 고려해 독립형 마이크로그리드의 최적설계를 진행했다. 이러한 설계에 맞춰 100㎾ 4기의 총 400㎾의 풍력발전기, 총 314㎾의 태양광 발전기, 3㎿h 배터리와 1250kVA의 인버터가 설치되어 있고, 이를 통합 운전하기 위한 마이크로그리드 통합운영시스템인 EMS(Energy Management System)가 구축되어 독립형 마이크로그리드를 안정적이고 경제적으로 운전하게 된다.
EMS는 가사도 독립형 마이크로그리드의 운영을 위해 설치된 설비들의 기본적인 감시·제어를 수행하고, 배터리 시스템 충·방전제어, 신재생에너지 출력제어, 직접 부하제어 등의 독립형 마이크로그리드 내의 발전자원과 수요자원의 운전 스케쥴링 기능을 수행한다. 직접 부하제어를 이용한 수요자원 스케쥴링은 신재생에너지의 출력과 배터리의 충전상태를 고려해 제어센터 내 냉난방기와 상수도 탱크용 모터를 직접 제어한다. 예를 들어 겨울철 풍황(바람 상태)이 좋아 풍력발전기의 출력이 많을 경우, 에너지 효율을 위해 남는 전력을 배터리로 보내는 대신에 미리 배터리실의 난방을 하거나 상수도 탱크의 수위를 높게 유지하는 데 사용한다.
배터리 충방전용 인버터는 디젤발전기 대신 계통의 전압과 주파수를 형성해 고객에 전력을 공급하며, 신재생에너지의 출력이 부하량보다 많을 경우는 이를 배터리에 충전할 수 있다. 평상시에는 500kVA 인버터 1대가 정전압 정주파수(CVCF, Constant Voltage Constant Frequency) 운전을 하고 인버터 용량이 부족할 경우 EMS 지령에 따라 250kVA 인버터가 병렬로 연계돼 유·무효전력 일부를 담당한다. 배터리는 3㎿h(대기부하를 고려해서 대용량으로 선정)가 설치됐으며, 이는 가사도 전체 부하를 신재생에너지와 디젤발전기 없이 1일 정도를 감당할 수 있는 수준이다.
풍력발전기는 영구자석형 동기발전기에 Full Inverter를 채택했으며 독립형 마이크로그리드에 적합하도록 출력제한, LVRT(Low Voltage Ride Through), 역률제어 기능 등이 탑재된 기종을 선정했다. 풍력발전기 설치위치는 가사도에서 풍황이 우수하며 육지에서 조망이 가능해 관광자원으로도 활용될 수 있도록 선정했다.
태양광발전기는 가사도 지형 및 유휴부지를 고려해 분산설치가 됐다. 특히 진도군과의 협력관계를 통해 유휴 군유지에 태양광발전기를 설치할 수 있었다. 섬 특성상 태양광설치부지가 많지 않기 때문에 절대적인 유휴부지인 저수지에 수상태양광을 설치해 설치공간을 최소화 했다. 수상태양광설비는 육상태양광설비보다 설치비용이 다소 높은 단점이 있으나 기존 자연을 훼손하지 않고 유휴지를 사용할 수 있다는 면에서 장점이 있다.
마이크로그리드 통합 제어센터에서는 운영시스템과 배터리시스템이 설치되어 있다. 통합 운영시스템(EMS)을 통해 각 발전기(풍력, 태양광, 디젤, 배터리 시스템 등)의 상태정보를 감시하며 운영시스템의 제어명령이 각 발전기로 전달된다. 직접제어가 가능한 부하를 감시하고 신재생에너지 발전량에 부하를 제어한다.
이러한 독립형 마이크로그리드 구축을 통해 발전연료비를 포함한 운영비를 약 50% 이상 절감해 연간 약 3억2000만원의 경제적 효과를 거둘 것으로 기대하고 있다. 또한 섬 내의 전압, 주파수 품질 등 전기품질 향상이 가능하고 양식장 등 신규 전기 사용이 추가로 가능하며, 온실가스 등 환경 오염 저감을 통한 청정도서 보존 및 관광자원화가 가능할 것으로 기대된다.
전력연구원은 가사도 독립형 마이크로그리드 실증사이트를 통해 마이크로그리드 엔지니어링 기술을 지속적으로 검증하고, 자체 개발한 EMS를 적용해 장기실증을 진행할 예정이다. 여기서 개발된 기술은 국내 도서지역에 적용될 예정이며, 해외사업의 Track-Record로도 활용될 예정이다.

마이크로그리드 해외 사업화 추진
지구 온난화 문제와 화석연료의 고갈은 전 세계적으로 전력공급 체계에 많은 영향을 미치고 있다. 유럽은 이러한 문제를 해결하기 위해 수많은 풍력발전기와 태양광발전기 같은 신재생에너지를 설치해 전력을 공급하고 있으며, 일본은 건물 지붕마다 태양광발전기를 설치하고 풍력발전단지를 조성해 원전 가동정지로 인한 전력난을 해소하고자 노력하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 전 세계적으로 마이크로리드의 기술개발 및 확대보급을 위해 노력하고 있다. 국제적인 시장조사기관인 Navigant Research사에 따르면 마이크로그리드의 글로벌 시장규모는 2020년에 200억불 규모로 연평균 29%로 급성장할 것으로 전망하고 있다.
이렇게 성장하는 마이크로그리드 시장을 선점하기 위해 한전은 전남 가사도에 구축한 독립형 마이크로그리드를 통해 마이크로그리드 구축에 필수적인 엔지니어링 기술과 마이크로그리드 통합운영시스템을 확보하고, 이러한 보유기술의 국내 실증을 통해 국제적인 Track Record를 확보했다.
한전에서 추진하는 해외 마이크로그리드 구축 사업모델은 3가지로 대분된다. 그 중 하나가 마이크로그리드를 활용한 전화사업 모델이다. 아프리카, 동남아 등 미전화지역을 대상으로 KOICA나 EDCF 등을 통한 공적개발원조(ODA)에 의한 기술지원 형태의 사업이 여기에 해당된다. 예를 들면 아프리카의 사하라 이남 국가의 평균 전화율은 20% 미만이고 기간 전력망에의 접근성이 취약하며, 전력을 공급 받더라도 디젤발전을 이용하기 때문에 장기적인 안정성 및 경제성이 부족하기 때문에 고립지역 대상의 전화사업 모델로 마이크로그리드가 적합하다. 모잠비크의 전화사업을 담당하는 모잠비크 전력청과 에너지기금청에서도 마이크로그리드를 이용한 전화사업 추진에 대한 적극적인 협력의사를 표명한 바 있고, 2015년 아프리카 지역에 소규모 전력망 시범단지 구축사업을 추진해 올해 말 준공예정이다.
본 사업은 정부의 아프리카 중점 협력 대상국 중 하나로 전력보급율 향상 및 신재생에너지 협력에 초점을 맞추고 있는 모잠비크로 대상국가를 정했다. 모잠비크는 1인당 GDP가 1000불 정도되는 가난한 아프리카 국가지만, 전화율이 현재 약 17%로 상당히 낮고 세계9위의 천연가스 매장국이며 풍부한 천연자원을 바탕으로 7%이상의 높은 경제성장율을 유지하고 있다. 지난 10년간 평균 12% 이상의 최대 전력수요가 증가하는 등 안정되고 급격한 성장세를 보이고 있는 국가이다. 또한 급격하게 증가하는 전력수요에 대처하기 위한 송배전망 확장사업, 오지 및 농촌의 마이크로그리드 사업 및 가스발전 IPP(Independent Power Producer) 사업 등의 전망이 아주 밝은 국가 중 하나이다. 또 기간전력망이 취약하여 송배전망이 고립지역으로 확장되기 어렵기 때문에 농촌 혹은 오지마을에 적용할 수 있는 전화사업 모델의 필요성이 절실하다.
본 사업을 추진하기 위해 지난 2월 모잠비크 현장조사를 실시했고 현지의 송배전계통 미연계지역의 전화(電化)사업 에너지기금청(FUNAE)의 도움과 지자체의 승인을 거쳐 4월 시범사업 대상지역을 최종 선정했다. 대상지역으로 선정된 마하냐니(Mahanhane)는 모잠비크의 수도인 마푸토에서 약 2시간 정도 떨어진 마을로 아프리카의 일반적인 마을이 소규모로 넓은 지역에 흩어져 있는 것과 다르게 약 700여 가구가 모여 살고 있는 마을이며, 향후 확장성과 마을주민 및 이장의 유치의지와 자립의지가 높아서 최적의 실증 마을이다.
대상지역은 마을과 협의를 통해서 약 50가구를 1차적으로 전기를 공급하기로 결정했다. 50가구에 전력을 공급하기 위해 약 50㎾의 태양광 발전패널, 100㎾h의 배터리 에너지저장장치를 설치하고 백업용으로 바이오연료를 이용할 수 있는 바이오 디젤 20㎾를 추가했다. 신규 저압배전선로는 태양광발전 패널과 배터리 에너지저장장치가 설치되는 지역으로부터 호수까지 약 1.5㎞의 거리에 구축되고 이 선로를 따라 주변의 50여 가구의 주민과 학교, 지역 커뮤니티 센터 등에 전력을 공급하게 되도록 설계했다. 여기에 추가로 정수설비, 물 펌프 및 곡식 가공기 등을 추가로 설치해 전기를 이용한 생산활동의 영위에 도움을 줄려고 했다. 마이크로그리드 기술을 통해 마을 주민의 에너지 자급자족과 삶의 질을 크게 향상시키고, 에너지 자립형 표준 해외 사업모델을 개발하여 모잠비크 타 지역 및 아프리카 인근 국가에의 사업 확산이 가능할 것으로 생각된다.

성공적인 해외진출을 위한 제언
‘The future is already here. It's just not widely distributed yet’라고 한 윌리엄 깁슨의 말처럼 마이크로그리드 기술은 이미 우리의 곁에 성큼 다가와 있다. 전통적인 방식인 대규모 발전소와 송전선로를 통한 중앙 집중형의 전력망에서, 전력을 생산한 곳에서 소비하고 공유하는 분산 자율형의 전력망으로 진화하는 패러다임 변화의 중심에 바로 마이크로그리드가 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 마이크로그리드를 상업화하고 확산하기 위해서는 몇 가지 해결해야할 과제도 남아있다. 현재의 기술로도 마이크로그리드 구축은 얼마든지 가능하지만, 초기 투자비용 절감을 통한 경제성 확보가 무엇보다 중요하고 시급하다. 또한 마이크로그리드의 소유와 운영주체를 어떻게 합리적이고 효율적으로 구분하는가 하는 점과 이러한 규칙과 관련된 제도와 규제개선이 뒤따라야 할 것이다. 두 가지의 문제를 해결하는 노력과 더불어 수익을 창출할 수 있는 사업화 모델의 검증이 뒤따라야 하겠다.
그럼에도 불구하고 최근 몇몇 기업·기관에서 각각 개발되어 현장 실증이 미흡한 마이크로그리드 시스템의 해외수출이 다소 무분별하게 추진되고 있어 자칫 세계시장에서 우리나라 마이크로그리드 기술수준에 대한 전체적인 신뢰도가 저하되지 않을까 하는 우려의 목소리가 나오고 있다.
이보다는 전력계통 운영자인 한전이 실선로 실증을 통해 타겟별로 구분 개발한 다양한 맞춤형 마이크로그리드 사업모델을 기반으로 관련 기자재 제조, 운영 시스템 기술개발·구축 등 여러 분야의 국내 전문 중소기업과 긴밀히 협력해 공동 사업, 기술 이전 등을 통해 보다 전략적으로 접근함으로써 세계시장에 함께 진출하는 것이 더 효과적으로 시너지를 창출할 수 있는 방법이 될 것으로 생각한다.
첫째로, 개발도상국의 미전화(未電化) 지역을 대상으로 국제 원조기금을 활용한 전력공급 지원사업에 참여해 신시장 진출 교두보로 삼기 위해 태국, 미얀마, 인도네시아 등에 원격감시, 수동제어 위주의 ‘기본형 마이크로그리드’ 모델을 수출하는 한편 둘째로 상태 추정, 자동 제어, 경제 급전 등이 가능한 에너지 관리 시스템을 적용한 ‘기술집약형 마이크로그리드’를 표준모델로 UAE, 중동국가 등의 섬이나 내륙 고립지역에 대한 독립형 마이크로그리드 구축 프로젝트 참여 확대를 통해 사업실적을 쌓아야 할 것이다.
셋째로 능동형 배전망 관리 시스템을 채택한 ‘미래시장형 마이크로그리드’ 모델을 바탕으로 캐나다, 핀란드 등 북미․유럽 선진국 기업과 기술협력을 통해 계통연계형 마이크로그리드 실증사업 및 DC 마이크로그리드 기술 개발 등 국제 공동연구를 추진하자는 것이다.
모쪼록 관련업계가 서로 윈-윈 할 수 있는 길을 모색해 국내 우수한 기술수준과 실증실적을 기반으로 함께 협력함으로써 마이크로그리드가 대표적인 에너지 신산업 분야로서 잠재력이 무한한 미래 세계시장을 앞장서 개척해 나가는 첨병 역할을 해 국가 경쟁력과 신인도를 한층 더 높일 수 있는 또 하나의 시발점이 되기를 기대해 본다.

한국전력신문의 다른기사 보기  
ⓒ 한국전력신문(http://www.epnews.co.kr) 무단전재 및 재배포금지 | 저작권문의  

     
전체기사의견(0)  
 
   * 200자까지 쓰실 수 있습니다. (현재 0 byte/최대 400byte)
   * 욕설등 인신공격성 글은 삭제 합니다. [운영원칙]
전체기사의견(0)
신문사소개기사제보광고문의불편신고개인정보취급방침청소년보호정책이메일무단수집거부
우) 137-060 서울 서초구 방배동 935-12번지 제보 및 문의 02-561-3524 | 팩스 02-522-0130
상호 : (주)한국전력신문사 | 사업자등록번호 : 215-86-22032 | 개인정보책임자 : 신홍주 | 청소년보호책임자 : 신홍주
Copyright 2006 한국전력신문. All rights reserved. mail to webmaster@epnews.co.kr