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1. 에너지 전환

더 나은 미래는 우리 모두가 꿈꾸는 삶이다. 현재를 살고 있는 인류는 새로운 미래를 생각하며 앞으로 나아갈 것이다. 이러한 노력은 과거에도 이루어졌고, 그 대표적인 분야가 에너지이다.

인류는 과거에서 현재까지 새로운 혁신을 이어오며 성장해 가고 있다, 문명화 초기에 불을 사용하여 음식을 만들거나, 토기를 제작하는 문명부터 전기 에너지로의 전환에 이르기까지 인류의 삶을 윤택하게 하기 위한 에너지의 혁신은 지속되어 왔다. 18세기 영국을 중심으로 시작된 1차 산업혁명은 유럽·북미로 확산되었고, 단순한 불, 에너지의 사용을 뛰어넘어 증기기관을 통한 기계적 동력을 이용하는 변화를 이루었다. 노동을 중심으로 성장해 오던 산업은 증기기관을 활용한 기계와 경쟁하였으며, 수요에 비하여 낮은 생산성은 소비자의 구매 수요를 충족할 수 있는 만큼의 생산성 향상을 이루었다. 전기 에너지의 사용은 우리가 살고 있는 현재까지 이어졌고, 가장 큰 혁신의 물결이 되었다.

당시 획기적인 증기기관을 사용하기 위해 선택한 에너지는 석탄이었다. 나무보다 에너지 효율성이 높은 석탄은 훌륭한 에너지였으며, 더 강력한 경쟁자인 석유의 활용으로 이어졌다. 화석연료는 현재에 이르기까지 사용되고, 그 수요는 지속적으로 확대되었다. 특히 석탄·석유·천연가스로 이어지는 화석연료의 개발과 함께 기술의 발전으로 활용성이 높아지고, 효율성도 향상되어 1900년대 후반 석유 자원 고갈 등의 걱정에서 멀어져 갔다.
2차 산업혁명은 전기의 사용이 될 것이다. 1879년 에디슨의 백열전구 발명으로 전기 에너지의 필요성과 함께 1882년 최초의 상업용 발전소(뉴욕발전소)가 세워지고 전기의 시대를 열었다. 전기 에너지가 우리의 생활에 들어온 획기적인 사건이 될 것이다. 백열전구를 사용하기 위해 시작된 전기의 사용이 우리에게 가장 필요한 에너지로 자리집게 될 것이라고는 절대다수가 상상하지 못했다.

에너지의 전환은 새로운 기술의 출현과 함께 이루어졌으며, 현재에 더 발전해 가고 있다. 1900년도부터 이어진 에너지 수요는 1950년대 이후 급속도로 성장하였다. 산업화의 중심에 있던 석탄에 이어 석유와 천연가스가 성장해 왔으며, 1956년 세계 최초의 상업용 원자력 발전이 가동하면서 일부의 에너지원으로 자리하였다. 이렇게 에너지의 수요는 인류의 성장과 함께 그 필요성이 현재까지 이어졌다.

우리가 편리하게 사용해 왔던 화석연료는 원자력 발전으로 이어졌고, 에너지에 대한 변화와 전환의 기회를 만들어 가고 있다. 100여 년 동안 편리하게 사용했던 에너지가 우리의 환경과 안전을 위협하고 있지만, 안전하고 깨끗한 에너지 활용이 높아지고 있다. 1992년 유엔기후협화협약, 1997년 교토의정서 채택으로 선진국들을 중심으로 수량적인 온실가스 감축 의무화에 대한 노력을 진행했고, 이러한 노력을 위해서는 탄소배출량이 많은 과거의 화석연료에서 새로운 청정에너지의 필요성이 확대되었으며, 재생에너지로의 전환이 이어지게 된다.

또 2011년 동일본 대진으로 인한 쓰나미 발생으로 후쿠시마 원전 사고를 접하면서 청정하면서 안전한 에너지에 대한 새로운 전환점을 맞이하였다. 재생에너지는 지금까지 사용해 온 에너지에 비해 편리함은 부족하다. 하지만 에너지 생산, 저장 기술의 결합화, 에너지 활용을 높이기 위한 인공지능, 빅데이터, 분산에너지 기술 적용을 통해 이를 극복하고 있다.

2. 친환경 산업의 성장과
태양광 발전

산업화 이후 오늘에 이르기까지 끊임없이 변화했고, 인구·이산화탄소 배출량·지구 온도·산업 규모 등은 비슷한 기울기를 보이며 가파르게 상승하고 있다. 에너지 소비량 또한 비슷한 성장을 지속하고 있으며, 에너지 소비를 원활하고 저렴하게 사용하는 것 또한 하나의 복지로 자리잡았다. 일본의 원전 사고(2011년 3월 11일, 도후쿠 대진지으로 후쿠시마 원전 파괴) 이후 안전한 청정에너지에 대한 관심과 개발의 중요성이 높아지고 있다. 태양광 발전은 공해가 적은 무한한 에너지원이며, 20년 이상 제품 수명을 보장하며 개발 및 생산하고 있다. 즉 친환경, 저렴한, 오래 쓰는 에너지로, 중요한 자원으로 인식이 확대되고 있다.

우리가 알고 있는 친환경 산업은 재활용 분리 수거를 통한 석유 제품, 금속 제품에 대한 재활용 기술로 알려져 있으나, 에너지 분야의 친환경 산업은 신재생에너지로 말할 수 있다. 신재생에너지는 바람·태양에너지·수소 등을 활용하여 전기를 생산할 수 있는 기술이며, 기후변화에 대한 글로벌 국가 간 노력으로 조금씩 성장해 왔다.
태양광 산업은 2007년 이후 국내외 다수 기업들이 생기고 제조를 중심으로 확대되면서 세상에 나타났다. 초기 태양광 발전은 초기 비용이 높게 작용하여 금융의 역할이 중요하게 작용하였으나 유럽발 금융위기, 미국의 서브프라임 사태 등의 글로벌 금융 위기에 직면하면서 산업 초기부터 어려움을 겪어 왔다. 하지만 기업들의 생존을 위한 기술 개발과 제조 혁신은 가장 경쟁력이 있는 재생에너지로 자리매김했다. 에너지의 발전단가를 알 수 있는 균등화발전단가(LCOE)는 2010년에 비해 95%가 감소하여 2023년 5% 수준으로 낮은 발전 단가를 확보할 수 있어 기존의 에너지와 경쟁을 가속화하고 있다. 균등화발전단가가 가장 낮게 평가되는 화력 발전과 가격 경쟁이 가능한 수준으로 기술의 혁신을 이어 왔다.

글로벌 태양광 산업은 태양광 기술이 만들어진 이후 2009년까지 설치 용량은 약 14GW 수준에 불과했으나, 2023년 연간 설치 용량 477GW(자료 : IEA PVPS 2024)에 도달하여 글로벌 에너지로서의 위치로 성장하였다. 앞서 언급한 바와 같이 균등화발전단가의 경쟁력이 충분한 경쟁력을 확보했음을 다시 한번 입증한 것이다. 태양광 발전 시스템에 대한 누적 설치 용량은 10년 만에 약 100GW에서 2023년 약 1,600GW(1.6TW)로 급격하게 성장하였다. 성장은 지속적으로 이어질 것이며, 2030년 누적 설치량 5TW 이상의 성장이 예상된다.

기후변화 대응, ESG 경영, RE100 캠페인 등의 경영환경 변화는 재생에너지에 대한 높은 수요로 이어지고 있고, 태양광 발전 산업에 대한 성장에 긍정적 환경으로 작용할 것이다.

3. 분산에너지와 디지털의 융합

대규모 중앙집중식 발전소는 (대규모 전력 생산설비로 분산시켜) 전력 생산 비용을 낮춘다는 점에서 소규모 분산형 발전소에 비해 경제적 이점이 있다. 중앙집중식 발전소에서 소비자까지 전력을 공급하기 위해서는 송배전 설비·변전 인프라가 필요하며, 높은 사회적 비용이 발생한다. 우리나라를 비롯해 전 세계의 발전과 송배전 방식은 중앙집중식을 중심으로 이루어지고 있다.

분산 발전(DG : Distributed Generation)은 전력 수요 인근 지역에 설치 가능한 소규모 발전 설비를 이용해 수요자에게 필요한 전력을 공급하는 방식이며, 원거리에 위치한 대형 발전 설비로부터 송전에 의해 공급되는 중앙 집중형 발전(Centralized power generation)의 반대되는 개념으로 장거리 송전에 따른 전력 손실을 줄이고, 수요처에 따라 다양하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

안정적인 분산 발전을 위해서는 기술적 뒷받침이 돼야 한다. 신재생에너지 중심의 분산 발전이 급격하게 늘어나면 전력망 운영이 불안정해질 수 있고, 이를 극복하기 위해 활용 기술이 요구된다. 또 태양광 발전이 많은 지역에서는 순간적으로 전력 생산량이 줄어들거나 늘어남에 따라 전압이 적정치를 벗어나면 전력 품질에 이상이 생길 수 있다. 최근 이런 문제에 대비하기 위해 전력망 안정화 대응 ESS을 설치하거나, 분산 발전에 스마트 인버터를 설치해서 전력 품질을 관리하는 방안을 확대해 가고 있다. 분산 발전은 다른 표현으로 마이크로 그리드로 표현하기도 한다.

마이크로 그리드는 중앙집중식 전력망(Grid)에 의존해 전력을 일방적으로 공급받고 소비하는 것이 아니라 독립된 분산 전원을 중심으로 한 국소적인 전력 공급 시스템이다. 특정 지역이나 건물 등 전력이 필요한 곳에서 전력 생산과 소비가 함께 이루어지는 작은(Micro) 그리드이며, 마이크로 그리드 또는 스마트 그리드로 표현한다. 마이크로 그리드의 주요 기술로는 에너지저장장치(ESS), 지능형 원격검침 인프라(AMI), 에너지 관리 시스템(BEMS)을 들 수 있다.

에너지저장장치(ESS)는 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때 사용할 수 있고, 시간대별 전력 사용의 효율성 및 운영 최적화를 높여주는 역할을 한다. 지능형 원격검침 인프라(AMI)는 양방향 통신 기반의 디지털 계량기, 전기 사용 정보 전달 장치, 전력제어장치로 구성된 시스템으로 중앙통제실에서 실시간 전력 사용량을 모니터링하고, 중앙에서 원격으로 전력 수요를 조절할 수 있게 해주는 인프라이다.

에너지 관리 시스템(EMS)은 IoT 제어 기술을 활용해 전체 시스템 전반의 에너지 활용 및 최적화 운영을 위한 시스템으로, 전력 등 에너지 사용량과 생산량을 모니터링할 수 있으며, 에너지의 합리적 사용을 위한 설비 및 기기의 제어, 에너지저장장치의 제어를 수행한다.

전통적인 방식에서 디지털화로의 전환을 맞고 있다. 이는 기술 발전과 소비자 요구, 산업의 변화에 기인하고 있다. 과거 중앙집중식 전력 생산 및 공급 모델이 주를 이루었지만, 이제는 분산형 에너지 자원. 즉 태양광, 풍력 등의 재생에너지가 확대됨에 따라 전력 관리 시스템이 점차 복잡해지고 있다. 이러한 변화는 전력망의 유연성과 효율성을 요구하며 혁신적인 기술이 필요하게 되었다.

기존의 에너지 산업은 분산 발전 에너지, 에너지저장장치, 수요 예측이 추가로 연계되고 있으며, 다양한 에너지원의 복합적 운영으로 시스템의 복잡성이 더욱 높아지고 있다. 복잡한 시스템의 효율적 관리 및 운영을 위해서, 에너지 산업의 디지털 융합으로 다양한 서비스와 제품이 증가할 것이다.

단순한 기술적 개선부터, 전력 수요 및 공급의 패턴 분석과 이를 통해 비용 절감 및 고객 만족도를 높이는 것이 주요하다. 특히 IoT, AI(인공지능), 빅데이터 등의 기술이 결합함으로써 전력 시스템의 자동화 및 최적화가 가능해졌다. 클라우드 기반의 데이터 분석을 통해 사용자 에너지 사용 패턴을 분석하고, 최적화된 사용 방법의 필요성이 확대되고 있다. 분산에너지의 확대는 전기차 배터리 ESS 활용, 통합발전소(VPP, 가상발전소) 등과 같은 새로운 기술을 확대해 가고 있다.

전기차를 전력 계통 안정화를 위한 자원으로 활용하고, 계통 부담 최소화 및 경제적 이익 창출 기술로 확대하기 위한 기술 개발에 도전하고 있다. 기술을 적용하기 위해 전기차 양방향 충전기, V2G 통신 모듈, VGI 시스템, 인공지능 에너지 운영 시스템 등 디지털 융합 제반 기술 개발이 동반되고 있다.

가상발전소(Virtual Power Plant, VPP)는 소규모 신재생에너지 발전설비 등 여러 군데 분산된 전원을 클라우드로 통합해 하나의 발전소처럼 관리하는 시스템이다. 전력 수요가 높을 때는 가정과 기업의 전력 소비를 줄이고, 전력 공급이 풍부할 때는 전력 소비를 늘리도록 유도할 수 있다.

이러한 기술은 더 이상 선택이 아닌 필수 사항이며, 기업들의 수요에 맞추어 확대 요구되고 있다. 글로벌 ESG 경영 환경 변화와 RE100 캠페인 이행에 대한 수요의 증가는 기업의 에너지 소비 패턴 분석, 친환경 에너지 소비, 에너지 저장, 에너지 안정성 확보, 재생에너지 발전량 예측을 하고, 전체 시스템 내 센서를 장착해 실시간 상태 모니터링을 한다. 무엇보다 에너지 운영 및 사고 예방에 기술의 최적화가 핵심 기술로 자리잡고, 에너지 융합 기술의 활용성이 극대화되고 있다.

kkhong@korea.ac.kr