마을 단위 에너지 자급자족 마이크로 그리드 재부상

마이크로 그리드(microgrid)는 기존의 광역 전력시스템으로부터 독립된 분산 전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템이다. 대학 캠퍼스, 병원 단지, 비즈니스 센터 또는 이웃과 같은 분리된 지리적 공간에 에너지를 제공하는 데 유리하다. 글로벌이코노믹은 차세대 전력체계로 다시 부상하고 있는 마이크로 그리드에 대해 두 번에 걸쳐 소개한다. [편집자 주]

마이크로 그리드 내에는 전력을 생산하는 하나 이상의 분산 에너지(태양광 패널, 풍력 터빈, 복합열 및 전력, 발전기)가 있다. 게다가 많은 새로운 마이크로 그리드들은 전형적으로 배터리로부터 에너지 저장고를 포함하고 있다. 몇몇은 현재 전기 자동차 충전소를 가지고 있다.

마이크로 그리드는 인근 건물과 상호 연결된 가운데 정교한 소프트웨어와 제어 시스템을 통해 고객에게 전기와 열과 냉각을 제공한다.

에너지 소비가 늘어나고 탄소 제로를 실현하려는 인류의 노력이 강화되는 가운데 최근 미국에서 처리를 준비하고 있는 인프라 법안에도 마이크로 그리드가 포함된 것으로 알려졌다. 이는 마이크로 그리드 확산의 추가 동력이 될 것으로 기대된다. 에너지 저감 산업이자 재생에너지 확산 대안으로 마이크로 그리드가 다시 조명을 받기 시작했다.

마이크로 그리드에 대해 어떤 사람들은 옥상 태양광 패널과 같은 간단한 분산 에너지 시스템을 설명하기 위해 이 용어를 사용한다. 중요한 차이점은 중앙 그리드가 고장 났을 때 마이크로 그리드가 전력을 계속 흐르게 한다는 것이다. 태양 전지판 자체는 그렇지 않다. 태양광 패널을 보유한 많은 주택 소유자들은 이 사실을 모르고 전력망 가동 중단으로 전력 공급이 끊긴다는 사실에 놀란다.

단순한 백업 발전기는 마이크로 그리드가 아니다. 시스템은 비상시에만 사용된다. 마이크로 그리드는 365일 연중무휴 24시간 가동되며 고객에게 에너지를 관리하고 공급한다.

미국 에너지부는 마이크로 그리드에 대해 단일 관리 가능한 실체로서 작용하는 명확하게 정의된 전기 경계 내에서 상호 연결된 부하 및 분산된 에너지 자원의 집단으로 설명한다. 마이크로 그리드들은 그리드를 연결하고 분리하여 그리드 연결과정에서 모두 작동할 수 있다.


우선, 마이크로 그리드는 로컬이다. 이것은 지역 에너지의 한 형태로 인근 고객들에게 에너지를 창출한다. 마이크로 그리드와 지난 세기 동안 우리 전기의 대부분을 공급했던 대규모 중앙집중식 그리드는 구분된다. 중앙 그리드는 송전선과 배전선을 통해 발전소에서 먼 거리에 걸쳐 전기를 공급한다. 먼 곳에서 전력을 공급하는 것은 비효율적이다. 왜냐하면 8-15%에 달하는 전기 중 일부가 운송 중에 방전되기 때문이다. 마이크로 그리드는 자신이 사용하는 전력에 가까운 전력을 발생시킴으로써 이런 비효율성을 극복한다. 발전기는 건물 근처 또는 건물 안이나, 또는 태양 전지판의 경우 지붕 위에 설치되어 있다.

둘째, 마이크로 그리드는 독립적이다. 마이크로 그리드는 중앙 그리드로부터 분리되어 독립적으로 작동할 수 있다. 이 기능은 폭풍이나 다른 재난이 전력망에 장애를 일으킬 때 고객에게 전력을 원활히 공급할 수 있게 해준다. 미국에서 중앙 송전망은 570만 마일 이상의 송전선과 배전선이 서로 연결되어 있기 때문에 특히 정전이 되기 쉽다. 2003년 노스이스트 블랙아웃(Northic Blockout of 2003)이라는 기간 동안 전력선에 떨어지는 나무 한 그루는 여러 주에서 전력을 차단할 수 있으며, 심지어 국제 경계를 넘어 캐나다까지 전력 공급을 차단할 수 있다. 마이크로 그리드는 이런 문제를 차단한다.

마이크로 그리드들은 독립적으로 운영될 수 있지만 중앙 그리드가 없거나 신뢰할 수 없는 외딴 지역에 위치하지 않는 한 대부분 그렇지 않다. 대신에, 마이크로 그리드들은 일반적으로 중앙 그리드에 연결되어 있다. 중앙이 정상적으로 작동하고 있는 한 일종의 공생관계에서 기능한다.

셋째, 마이크로 그리드 지능적이다. 마이크로 그리드(특히 첨단 시스템)는 지능적이다. 이런 지능은 시스템의 중앙 두뇌인 마이크로 그리드 제어기로 알려진 것에서 발산되는데, 제어장치는 발전기, 배터리, 그리고 근처의 빌딩 에너지 시스템을 고도의 정교함으로 관리한다. 컨트롤러는 마이크로 그리드 고객이 설정한 에너지 목표를 충족하기 위해 여러 가지를 조정한다. 최저 가격, 가장 깨끗한 에너지, 가장 큰 전기 신뢰성 또 다른 결과를 얻기 위해 노력한다. 지휘자가 최대한의 효과를 위해 다양한 음악가들에게 악기를 높이거나 낮추거나 연주 중단을 요구하는 것과 마찬가지로 제어기는 마이크로 그리드 자원 또는 그런 자원의 조합의 사용을 증가시키거나 감소시킴으로써 이 목표를 달성한다.

소프트웨어 기반 시스템인 컨트롤러는 다양한 방법으로 에너지 공급을 관리할 수 있다. 예를 들어, 고급 제어기는 중앙 그리드에서 전력 가격의 실시간 변화를 추적할 수 있다. 도매 전기요금은 전기 수급에 따라 지속적으로 변동한다. 만약 에너지 가격이 어느 시점에서든 저렴하다면, 그것은 자체 태양 전지판으로부터 에너지를 사용하기 보다는 고객들에게 서비스를 제공하기 위해 중앙 그리드로부터 전력을 구입하는 것을 선택할 수 있다. 마이크로 그리드 태양 전지판은 대신 배터리 시스템을 충전할 수 있다. 나중에 그리드 전력이 비싸지면 마이크로 그리드는 그리드 전력을 사용하기보다는 배터리를 사용할 수 있다.

마이크로 그리드에는 이런 순열에 더 큰 복잡성과 뉘앙스를 더하는 다른 에너지 자원(열과 전력, 풍력, 왕복 엔진 발전기, 연료 전지)이 포함될 수 있다.

복잡한 알고리즘을 통해 함께 일하면서 마이크로 그리드 자원은 그 부분의 합보다 더 큰 전체를 만들어낸다. 그것들은 시스템 성능을 그 어느 누구도 혼자서는 할 수 없는 수준의 효율성으로 이끈다. 모든 오케스트레이션은 거의 즉각적으로 자율적으로 관리된다. 사람이 개입할 필요가 없다.


마이크로 그리드는 새로운 것이 아니다. 수십 년 동안 존재해왔다. 최근까지 대학 캠퍼스와 군대에서 주로 사용되었다. 교정시설, 소방서, 식료품점 체인 등은 정전 취약성을 줄이기 위해 마이크로 그리드를 수시로 설치했다. 그래서 마이크로 그리드 수는 점점 더 늘어나고 있다.

마이크로 그리드는 기존 전력공급 체계와 상호보완을 통해 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 전력 공급을 가능하게 한다.

기업의 관리, 기술, 위험 분야 경영 자문 및 컨설팅 전문회사인 가이드하우스는 2028년까지 시장이 394억 달러에 육박할 것으로 전망했다.

그러나 심각한 폭풍과 사이버 공격, 기타 위협으로 인해 에너지 가격이 상승하고 전기 신뢰성에 대한 우려가 높아짐에 따라 설치 속도가 빨라졌으며 시장규모는 더 크게 증가할 것으로 예상된다.

가이드하우스는 2019년 3480.5MW에서 2028년까지 전 세계 마이크로 그리드의 용량이 1만9888.8MW에 이를 것으로 예상하고 있다. 이 연구소는 북미와 아시아 태평양을 성장의 중심지로 보고 있다. 미국에서는 2020년 9월 기준 1639개의 마이크로 그리드가 가동되고 있으며 고객들을 위해 11GW 이상의 전기를 생산하고 있다.

2020년에는 마이크로 그리드 80%가 화석연료로 지원됐지만, 재생에너지를 우선시하는 흐름이 확산되면서 재생에너지 생산 그리드 비중이 늘어나고 있다.


탄소중립을 목표로 캘리포니아 리치먼드에 있는 카이저 퍼머넌트 메디컬 센터는 2020년 재생에너지로 공급되는 마이크로 그리드를 구현해 디젤 연료로 구동되는 예비전력 시스템을 대체했다. 마찬가지로 2021년 10월 미국 에너지부의 아이다호 국립 연구소는 청결하고 재생 가능한 에너지원을 기존의 마이크로 그리드 및 새로 개발된 마이크로 그리드에 통합하는 넷제로 마이크로 그리드 프로그램을 시작했다.

심지어 전력회사들도 마이크로 그리드 사업에 뛰어들고 있다. 버몬트 최대의 유틸리티 기업이자 마이크로 그리드 선구자 그린 마운틴 파워(Green Mountain Power)는 중요 인프라에 비상 전력을 공급하기 위해 2014년부터 태양광 마이크로 그리드를 설치해왔다. 이 시스템은 고객 절감액과 뉴잉글랜드 그리드에 제공하는 서비스로부터 스스로 비용을 지불한다. 그린 마운틴 파워는 2021년 2월 가장 최근 마이크로 그리드 프로젝트를 발표했다.


마이크로 그리드 성장은 지난 10년 동안 풍력, 태양열, 배터리 기술의 급격한 가격 하락에 의해 촉진되었다. 캠퍼스에 있는 마이크로 그리드는 정부 규제를 덜 받는 반면, 여타 마이크로 그리드는 그리드에 연결된 다른 에너지 공급 업체들과 동일한 규제 체계와 공익사업 위원회 감시를 받는다. 많은 주에서 여전히 마이크로 그리드 특정 규정을 제정하는 과정에 있다.

미 연방에너지규제위원회(FERC)는 마이크로 그리드를 미국 에너지 시스템에 더 잘 통합하기 위해 2020년 전력회사들이 다른 대형 발전소처럼 마이크로 그리드가 그리드에 에너지를 제공할 수 있도록 하는 새 규정을 발표했다. FERC의 목표는 "경쟁력 강화, 그리드 유연성과 복원력 향상, 전력 산업 내에서의 더 많은 혁신을 통해 소비자의 비용을 낮추기 위한 것"을 목적으로 한다.

이런 가운데 바이든 대통령의 서명을 기다리고 있는 새로 통과된 초당적 인프라 법안에서도 마이크로 그리드 채택을 추진할 가능성이 있다. 이 법안은 복원력을 향상시키는 프로그램과 기술에 500억 달러, 그리드 개선에 650억 달러, EV 충전기의 국가 네트워크 구축에 75억 달러를 지원한다. 또한 항만에는 170억 달러, 공항에는 250억 달러가 예정되어 있는데 이 법안은 부분적으로 배기가스를 저감하고 전기화와 저탄소 기술을 가속화할 것을 요구하고 있다.

기업들도 돌발적 천재지변으로 에너지가 공급되지 않는 사고가 빈발함에 따라서 에너지 복원력에 큰 관심을 보이고 있다. 전력 사용처와 가까운 곳에 위치한 에너지를 찾고 있다


캠퍼스, 산업 또는 지역사회 전체의 대규모 마이크로 그리드 비용은 수백만 달러에 달할 수 있으며, 평균 비용은 210만~400만 달러에 이를 수 있다. 그러나 소규모 프로젝트는 수백 달러까지 낮을 수 있다.

이익이 비용을 초과하는지 여부는 최종 사용자의 요구에 따라 결정된다. 어떤 사람들에게 마이크로 그리드는 보험과도 같다. 특히 개발도상국에 필요한 안정적 전기 공급에 도움을 줄 수 있다.

전 세계적으로 7억7000만 명의 사람들이 전기를 사용하지 못한다. 더 중요한 것은 35억 인구가 신뢰할 수 있는 전기가 없어 교육, 인터넷, 그리고 다른 형태의 경제 발전 장벽에 봉착해 있다. 이들 대다수는 전력 공급에 너무 많은 비용이 드는 농촌 지역에 주로 살고 있다.

태양에너지에 의해 연료가 공급되는 마이크로 그리드에 투자하는 것은 개발도상국에서 신뢰할 수 있는 전기를 늘리기 위한 노력의 일환이다. 마이크로 그리드는 저소득 및 중산층이 화석연료 단계를 거치지 않고 청정 재생 전력으로 직접 도약할 수 있도록 돕는다.

탄소 제로를 위한 재생에너지 사용 증대는 시대적 대세이나 풍력과 수력, 태양광 등은 지속성이 떨어진다. 환경과 기후에 따라 에너지원이 작동을 하지 않을 수가 있다. 이 문제를 마이크로 그리드는 해결할 수 있다. 생산될 때 이를 저장하고 생산되지 않을 때는 저장한 전력을 사용하는 방식이다.

비용 절감 효과도 크다. 기존 발전소와 달리 마이크로 그리드는 최종 사용자에 더 가까이 위치해 고객에게 송전선을 구축하는 데 필요한 비용 및 시간을 추가하지 않고 그리드에 전기를 추가함으로써 모든 그리드 고객에 대한 전기 비용을 절감한다. 마이크로 그리드 배터리는 전기 가격이 낮을 때 전기를 저장하고 가격이 높을 때 그리드에 판매할 수 있어 그리드 전기 비용을 낮추고 마이크로 그리드 수익을 올릴 수 있다.

기후 복원력에도 도움이 된다. 분산형 그리드는 자연재해에도 더 잘 견딜 수 있다. 산불로 국토 삼림의 20%가 파괴된 호주 아웃백에서 농촌 사회는 복원력을 높이기 위해 마이크로 그리드로 눈을 돌렸다. 미국에서는 2000년 이후 기상 관련 사건으로 인한 대규모 정전사태가 67%나 증가해 마이크로 그리드에 대한 관심이 커지고 있다. 그리고 2017년 허리케인 마리아가 푸에르토리코 섬 전체를 강타한 후, 푸에르토리코 에너지 위원회는 그리드 재구성의 일환으로 마이크로 그리드 채택을 의무화했다.

마이크로 그리드는 자연 재해 중에 송전망이 완전히 차단될 경우 더 큰 송전망을 스타트하는 데 사용될 수도 있다.

청정에너지의 신속한 채택에도 기여한다. 대형 프로젝트가 소형 프로젝트보다 개발 시간이 더 오래 걸린다는 원칙에 따라 마이크로 그리드는 청정에너지로의 전환을 가속화할 수 있다. 탄소 배출량이 저감되고 환경에 미치는 영향이 줄어들면서 마이크로 그리드는 규제를 적게 받고 지역사회의 반발을 덜 받아 개발을 촉진한다. 동네나 지역 기업은 전력회사 규모의 태양열이나 풍력 프로젝트가 온라인화 되기를 기다릴 필요 없이 자체 그리드를 형성하고 청정에너지를 채택할 수 있다.

마이크로 그리드를 만드는 것은 캠핑 여행이나 정전 시 소량 전기를 제공하기 위해 소형 배터리를 충전하는 유연한 태양 전지판을 구입하는 것만큼 간단할 수 있다. 배터리 백업 기능이 있는 옥상 태양광 시스템은 또 다른 단일 마이크로 그리드다.

재생에너지의 간헐적 성질은 도전적일 수 있다. 깨끗하고 신뢰할 수 있는 전기를 얻기 위해서는 유틸리티와 마이크로 그리드가 디지털로 통신하는 스마트 그리드의 영역으로 들어가야 한다.

한편, 마이크로 그리드는 전기 자동차와 가정의 전기사용량을 충족시킬 수 있다.

2030년이 되면 전체 차량의 30%가 전기차가 될 예정이다. 그리고 95%의 충전이 가정이나 직장 등에서 이뤄진다.

운전자들은 정차할 때와 주차할 때 충전할 것이다. 가정과 건물은 더 많은 전기와 에너지가 필요하게 될 것이다. 건물들이 EV를 추가할 때, 그들은 최대 40% 더 많은 전기 소비량을 가져야 한다. EV를 구입하는 사람들은 탈탄소 전기로 연료를 공급하고 싶어한다. 이를 마이크로 그리드가 도와줄 수 있다.

또한, 가정용 전기 소비량은 2050년까지 두 배가 될 것으로 예상되며, 이를 마이크로 그리드가 깨끗한 전기로 충족시켜줄 수 있다. 미국의 일부 지역은 이미 100% 마이크로 그리드로 전력을 공급하고 있으며 이는 미국의 다른 많은 지역으로 확산될 수 있다.

끝으로 보안상 강점이다. 마이크로 그리드 주위에 구축된 보다 분산된 네트워크를 가지고 있어 더 많은 보안을 제공하므로 사이버 범죄자들이 단지 몇 개의 중앙 전력원을 공격해 전체 전기 네트워크를 취약하도록 하는 것을 제어할 수 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com