[기고] 전력 IT로의 변화 위한 태양광의 미래
[기고] 전력 IT로의 변화 위한 태양광의 미래
  • 이승훈 가천대학교 에너지IT학과 교수
  • 승인 2018.09.19 09:48
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

지속 가능한 지구를 위해

[에너지신문] IT(Information Technology)는 이제 어느 곳에서나 마주칠 수 있다. 하지만 전력산업에의 IT는 아직은 생경한 단어이다. 많은 산업 영역에서 인터넷을 기반으로 한 다양한 플랫폼과 서비스가 등장했던 것과는 달리 전력 서비스는 여전히 굳게 문이 닫혀져 있는 느낌이다.

그 이유는 무엇일까? 아마도 첫 번째는 전력사업이 갖는 필수, 핵심, 전략, 국가 인프라적인 특성일 수 있을 것이고 또 하나는 한국전력이라는 공기업, 독점 사업자의 존재에 기인할 것이다. 인터넷을 기반으로 하는 변화는 ‘개방(Open)’과 ‘공유(Share)’라는 가치에 근거해 만들어져 왔다.

서비스나 재화의 생산자와 소비자 양측이 모두 자신의 정보를 개방하고 공유함에 따라 혁명적인 변화들이 만들어진 것이다. 지식이나 미디어 거래 시장에서의 변화는 우리 모두가 인지하듯이 괄목할 만하다.

전력 서비스가 이런 변화를 가지지 못했던 이유는 생산자도 소비자도 자신의 정보를 공유할 수 있는 환경이 만들어지지 못했기 때문이다. 대규모 생산, 분배 그리고 수동적인 소비라는 단순한 전력 서비스의 가치사슬 구조가 이를 어렵게 만들었을 것이다.

하지만 이러한 전력 서비스에 작은 변화가 생겨나기 시작했다. 재생에너지 보급의 필요성이 증대되면서 중소형 태양광 특히, 가정용 태양광이 주목을 받기 시작했다. 가정용 태양광의 보급으로 개개의 가구들이 전력의 생산자이자 소비자가 되는 구조가 만들어지기 시작했고, 이를 통해 전력생산과 전력소비에 대한 정보가 개방되고 공유되기 시작한 것이다.

태양광 발전이 어떻게 전력 IT 변화의 시작점이 되고 있을까? 이 질문에 답하기 위해서는 전력 IT가 궁극적으로 생각하는 바가 무엇인지를 먼저 답해야 한다. 전력이라는 영역에서 IT가 적용된다는 것은 전력생산에 대한 정보와 아주 많은 소비자의 전력 사용에 대한 정보가 개방되고 공유돼서 전력 공급자와 소비자 모두의 편익이 증대되는 그런 결과를 의미할 것이다.

보다 구체적으로 이야기하면 전력 IT가 지향하는 바는 전력의 소비자는 자신의 전력 사용행태나 자신이 사용하고 있는 전력장치들의 정보 혹은 통제를 개방함으로써 안정적인 전력의 공급을 보장 받으면서 낮은 전력 사용 대가를 지불할 수 있게 되는 것이고, 전력의 생산자는 소비자의 전력 사용 정보를 알거나 혹은 통제할 수 있어서 전력 생산과 공급을 보다 효율적으로 할 수 있는 그런 모습을 의미하는 것이다.

이러한 바람을 위해서는 많은 변화를 필요로 한다. 하지만 현재의 전력시스템은 수문을 가진 댐과 같아서 전력이 단 방향으로 공급되는 그런 단순한 구조를 갖고 있었기에 지금껏 위에서 언급한 이상적인 개방과 공유가 이루어지는 것이 불가능했다.

보다 쉽게 설명하기 위해 미디어를 예로 들면, 과거 미디어는 기존의 방송사(KBS, MBC)가 콘텐츠를 만들어서 단방향 주파수를 사용해 송출하는 것과 같은 1:N의 방식이었다. 그와 같은 방식에서는 지금의 전력시스템과 마찬가지로 개방과 공유가 이루어지는 것이 불가능했다.

하지만 네트워크가 발달하고 모바일이 등장하면서 이러한 방식과 사람들의 인식에 변화가 생겼다. 그리고 유튜브나 페이스북 등과 같은 서비스가 등장하면서 누구나 콘텐츠를 제작하고 소비할 수 있는 N:N의 방식으로 변화하는 혁신이 이뤄졌다.

이처럼 미디어 영역에서 이루어진 이와 같은 변화와 혁신이 전력시스템에서도 이루어지기 위해서는 먼저 현재 가장 단순하며 수동적인 전력소비자들이 수동적인 전력수요자의 입장에서 벗어나야 한다. 즉 전력소비의 주체들이 일정수준의 생산 역할을 확보해야 한다. 그리고 여기서 태양광이 등장한다.

주택용 태양광 보급이 가장 활발히 이루어지고 있는 미국의 경우를 보면, 가정집 지붕 위에 설치된 태양광 발전을 통해 전력의 소비자가 전력생산자로서의 역할을 확보하게 돼 수동적 소비자의 모습에서 조금씩 변화가 이루어지고 있음을 알 수 있다.

전력생산에 참여함에 따라 자신이 생산하는 전력을 가장 효과적으로 사용하거나 판매하고자 하는 의지가 생겨나기에 자신의 전력소비 및 생산에 대한 정보를 공유하기 시작하는 것이다. 전력회사 혹은 보조금을 지급하는 정부를 대상으로 어떻게 전력을 생산하고 어떻게 소비할 것인가의 정보를 공유함에 따라 전력 사용에 소요되는 비용을 대폭 절감할 수 있기 때문이다. 그 결과 기존에 무감각하게 사용했던 전력소비를 보다 현명하게 할 수 있는 방법이 다양하게 나타나기 시작했다.

▲ 전통적인 옥상 설치 시스템.

예를 들어 지붕에 3kW 용량의 가정용 태양광을 설치하고 매일 3.4시간 정도의 발전을 해서 10kWh의 전력생산이 가능해졌다고 가정하면, 물론 이 생산한 전력을 저장할 수 있는 10kWh 용량의 가정용 전력저장장치(ESS)도 설치가 됐다고 가정해야 보다 다양한 선택이 가능해진다.

한국의 가구당 평균 월 전력 사용량이 300kWh 수준이라 가정하면, 매일 생산한 10kWh를 가지고 자신의 전력수요를 충당할 수 있게 된다. 하지만 이는 단순한 전력생산과 소비에서의 독립만을 의미하는 것이 아니다.

전력의 생산은 많지만 소비는 적은 한낮의 경우 생산되는 전력은 전력저장장치에 저장되거나 계통에 판매하게 되고, 생산은 되지 않고 소비만 이루어지는 저녁시간 대의 경우는 가능한 저장된 전력을 소비하거나 계통에서 전력을 공급받아 사용하게 된다.

현재 사용용량에 따른 누진제를 감안해 자신이 계통으로부터 공급받는 전력량을 누진제의 구간에 맞춰 운영하게 되면 지불되는 전력비용은 획기적으로 절감이 가능해진다. 단순한 소비자에서 이제 구간을 통제할 수 있는 발전이라는 권한이 생겼기에 전력 소비자는 더욱 더 현명해진다는 의미이다.

물론 이러한 방식이 단순히 소비자 편익만이 발생시키는 것은 아니다. 전력생산자의 경우도 소비자가 현명해짐에 따라 다양한 제안을 소비자에게 할 수 있는 여지가 생기게 됨을 의미한다. 예를 들어 계통한계가격인 SMP는 그 순간 전력생산에 참여한 발전소들 중 발전단가가 가장 높은 발전소를 기준으로 정해지는데 발전단가가 높은 발전소를 가동하기 전에 조금 더 좋은 가격으로 가정으로부터 전력을 구입할 수 있다면 SMP를 보다 낮게 유지할 수 있을 것이다.

그리고 현재 25% 수준을 유지하고 있는 전력 공급 예비율의 경우에도 그 비율의 일부를 가정으로부터의 연계를 고려해 낮출 수 있다면 전력생산자의 입장에서도 이익을 보다 높일 수 있을 것이다.

현재 한국의 경우는 태양광을 장려하기 위해 자가 사용보다는 기존전력 계통으로의 판매에 인센티브를 더 지불하고 있다. 그러나 정부의 장려정책이 일몰되고 태양광 발전 단가가 하락되면 미국의 가정용 태양광과 같은 환경이 만들어질 것으로 보인다. 그렇게 된다면 전력 시스템은 분산되고 스마트해질 것이다. 본 고에서는 태양광 발전의 기술 진화에 있어서 최근 중소형 태양광에서 나타나고 있는 가장 큰 변화인 분산화에 대해 이야기 해보고자 한다.

전력 IT 적용, 공급자와 소비자 모두의 편익 증대

소비자의 전력 생산 참여, 권한 늘고 현명해져

▲ 마이크로 인버터와 파워옵티마이저 연결방식.

◆ 기술의 진화, 중앙 집중에서 분산으로

분산화라는 기술은 태양광 발전이 중소형 시장 혹은 다양한 변수를 가진 시장에 진입하며 나타난 단순한 기술적 변화라 볼 수 있다. 하지만 개념적으로 좀 더 넓게 생각하면 중소형 태양발전이 이루어지는 그 자체를 분산화라 할 수 있다.

수많은 발전소가 만들어진다는 것은 전력발전의 권한이 분산됨을 의미하며, 그 추세는 기존에 분산발전이라는 개념과는 다른 차원의 전력 서비스에서의 진보를 의미한다. 전력 서비스에서의 시장독점적 지위를 바꾸는 작용을 하기 때문이다. 여기서 살펴보는 분산화 기술은 인버터와 같은 전력통제장치의 진화를 통해 기존의 중앙집중형 태양광의 설치가 어려웠거나 경제성을 확보하지 못했던 지역에 대한 태양광의 진입을 가능하게 한다.

발전소가 분산화로 가는 것은 중소규모의 태양광 발전시장의 성장과 상관관계가 있다. 초기의 태양광 발전소들은 광활한 개활지에 대형 규모로 건설됐다. 그러다 보니 주민참여형이라기보다는 기업형에 가까웠다.

하지만 정부의 적극적인 재생에너지 보급 의지로 인해 관련된 혜택들이 증가할수록 그 혜택이 지역 주민들에게 돌아가는 것이 아니라 투자에 참여한 기업에 돌아간다는 불만들이 제기되기 시작했다. 게다가 환경적인 문제도 지속적으로 증가했다.

대규모로 건설하다 보니 빈번하게 생태계가 파괴되고 그로 인한 주민피해가 속출했다. 이렇게 사회적, 환경적인 문제로 인해 대규모의 태양광 발전소의 건설이 어려워짐에 따라 중소규모의 태양광 발전에 대한 수요가 만들어지기 시작한다.

2017년 정부에서 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 보더라도 국민 참여 방식으로 재생에너지 보급을 확대한다는 전략이 주를 이루고 있다. 태양광 발전 기술에 있어 분산화는 이러한 맥락에서 주목 받기 시작한다. 그리고 이 분산화 기술의 중심에는 인버터라는 일종의 통제 장치가 존재한다.

인버터는 전기 컨버터의 일종으로 출력 전원이 교류인 경우를 의미한다. 즉 한국전력과 같은 계통(Grid)에 전기를 전달하기 위해 태양광 패널이 만들어 낸 직류(DC)전기를 교류(AC)전기로 바꾸는 역할을 한다. 기능적으로는 크게 태양광 패널에서 발생된 낮은 DC 전력을 필요한 수준으로 변경하는 DC/DC 컨버터와 그리드로 계통 연계를 위해 AC로 변환하는 DC/AC 컨버터의 결합으로 구성돼 있다.

전통적인 태양광 발전소는 여러 장의 패널을 하나의 인버터와 직병렬로 연결한 중앙집중식 발전소의 형태를 가지고 있었다. 이러한 방식에 사용된 인버터를 센트럴 인버터(Central Inverter)라고 한다. 이러한 중앙집중식 구조는 비용 효율적이지만 전체 패널을 하나의 인버터와 연결하기 때문에 구름이나 나뭇가지 등 주변 지형지물들로 인한 그림자로 일부 패널의 발전량이 감소하면 전체 패널의 전력량도 같이 감소하게 된다.

다시 말하면, 발전량이 가장 낮은 패널을 기준으로 모든 패널의 전기 생산량이 같이 감소하게 되기 때문에 하나의 패널 고장은 전체 패널의 고장이 된다. 이런 이유로 중앙집중식 구조는 주변 물체로 인해 패널에 부분 그늘이 지거나 하나의 패널이라도 고장이 나게 되면 급격하게 발전량이 떨어지며 때로는 시스템 전체가 작동을 멈출 수 있다. 그리고 하나의 인버터로 전체 패널의 DC 전기가 모이게 되므로 높은 DC 전압이 가해져 안전 문제나 인버터의 수명 문제 또한 크다.

그럼에도 불구하고 중앙집중식 구조는 수십 년 동안 태양광 시장에서 널리 쓰여 왔다. 그 이유는 단순한 구조로 비용 면에서 가장 효율적이며, 운영지점(Point of Operation)이 센트럴 인버터 하나에 집중되는 이점을 가지고 있기 때문에 관리가 용이했기 때문이다. 수십만 평 되는 대규모 사이즈가 주를 이뤘던 과거의 태양광 발전소는 패널 개별의 발전 효율을 제어하기에는 불가능했고 대규모 발전소에서는 일부 그늘짐 현상이나 고장으로 효율이 떨어진 패널을 찾기 위한 시간과 비용 투자는 비효율적이었기 때문이다.

이러한 상황에서 중소규모 태양광의 수요가 나타나기 시작했다. 하지만 중소형 태양광 발전소는 대형 태양광 발전소와는 달리 발전을 저해하는 다양한 환경요소를 고려해야 한다. 발전소 주변에 존재하는 높은 빌딩이나 전신주, 전선 혹은 가로수와 같은 다양한 환경요소들이 태양광 패널에 음영을 만들어내기 때문에 기존 방식, 즉 센트럴 방식의 설계로는 충분한 발전 효율을 기대할 수 없기 때문이다.

이런 이유로 분산형 태양광시스템이 등장하게 된다. 여기에서 분산형이라는 단어는 발전이라는 측면에서 발전의 권한이 분산됨을 의미한다. 작게는 태양광 패널 하나하나가 발전주체가 되는 결과를 만들어내는 것이다. 그리고 이는 보다 의미 있는 관리의 필요성을 요구하게 될 것이다. 현재 소형화와 최적화를 추구하고 있는 기존의 전력공급시스템과는 사뭇 비교되는 모습이다.

한 개의 패널에 낙엽이 떨어져 50%의 음영이 발생했다고 가정하면, 중앙집중형은 전체 패널의 효율이 50%로 감소하는 반면, 분산형은 해당 패널의 효율만이 50% 감소해 전체적으로는 12.5%의 효율 감소라는 결과를 보인다. 이는 하나하나의 패널에 일종의 통제장치인 인버터를 부착했기에 가능한 결과이고, 이는 전력 생산이라는 측면에서 분산 관리를 의미한다.

분산형 시스템 구성을 위한 방법으로는 크게 스트링 인버터(String Inverter)를 사용하는 구성, 마이크로 인버터(Micro Inverter)를 사용하는 구성 그리고 파워 옵티마이저(Power Opimizer)와 DC/AC 컨버터를 함께 이용하는 방법 등이 있다. 우선 스트링 인버터는 분산형 인버터 중에 가장 비용이 저렴한 방식이다.

연결방식은 인버터에 다수의 패널을 연결한 것으로 센트럴 인버터와 혼동하기 쉽지만 결과적으로 완전히 다른 구조이다. 예를 들면 100장의 패널을 이용해서 태양광 발전소를 구성한다고 가정하면, 100장의 패널을 1대의 인버터로 연결한 것이 센트럴 인버터 구조이고, 10장의 패널을 하나의 스트링 인버터에 연결하는 방식으로 10개의 스트링 인버터 시스템을 구성하는 것이 스트링 인버터 구조라 설명할 수 있다. 물론 이 둘의 차이가 단지 하나의 인버터에 연결된 패널의 수가 줄어든 것과 사용되는 인버터의 개수가 늘어난 것만은 아니다.

전력 제어 역할을 분산하기 위해 패널과 인버터의 연결방식이 직렬구조에서 병렬구조로 바뀌면서 직렬구조에서 얻을 수 없었던 일정한 전압으로 유지되는 안정된 구조가 됐음을 뜻한다. 스트링 인버터의 경우 한 대의 인버터가 고장이 나거나 효율이 떨어져도 나머지 인버터들이 독립적으로 작동하기 때문에 센트럴 인버터보다 효율이 좋다.

센트럴이나 스트링 인버터처럼 다수개의 패널을 하나의 인버터에 연결하는 방식을 탈피, 개개의 패널별로 분산화를 시도해 설치 단순화와 안정성 그리고 효율성에 대한 솔루션을 확보한 인버터가 마이크로 인버터와 파워 옵티마이저 방식이다. 마이크로 인버터와 파워 옵티마이저는 기본적으로 패널 하나 당 인버터 하나를 병렬 연결한 1:1 방식이기 때문에 각 패널 별로 MPPT(Maximum Power Point Tracking: 최대전력점추종)가 가능해 실시간으로 패널별 최대 효율 제어가 가능하다. 이렇게 되면 일부 패널에 그늘이 드리워져도 그늘이 생기지 않은 패널에 전혀 영향을 주지 않아 발전 효율이 높아진다.

이 둘의 차이는 각각의 패널에서 출력되는 전력의 타입의 차이인데 마이크로 인버터는 인버터 기능 전체가 내장됐기 때문에 패널에서 생성된 DC전기를 곧바로 AC 전기로 바꾸어 출력하는 반면, 파워 옵티마이저는 인버터의 DC/DC 컨버터 기능만을 내장했기 때문에 DC전기의 전압을 조절해 DC로 출력한다.

그렇기 때문에 파워 옵티마이저를 사용하면 중앙에 DC/AC 기능만을 수행하는 보다 단순한 형태의 인버터가 별도로 필요하다. 즉 파워 옵티마이저는 패널과 인버터 사이에서 각각의 패널이 개별적으로 최대효율을 얻을 수 있도록 해주는 일종의 컨트롤러라고 보면 된다. 이처럼 파워 옵티마이저는 마이크로 인버터와 유사한 이점을 가지고 있으나 비용이 훨씬 저렴해 패널 별 분산화 시스템 구성에서 마이크로 인버터 대용으로 많이 사용되고 있다.

분산형 인버터는 중앙집중형 인버터 태양광시스템의 문제를 해결하기 위한 솔루션으로 등장했고 중소형 태양광 시장을 확장하는 기술적 계기가 될 것이다. 분산형을 선택함으로써 장기적으로 발전 효율의 증가와 관리비용의 감소를 통해 보다 높은 편익의 실현도 가능하다.

하지만 분산형 태양광 발전소의 등장이 갖는 가장 큰 의미는 태양광 발전이 보다 용이해지고 어느 곳에서나 설치될 수 있다는 가능성을 열었다는 것이다. 즉 이상적으로 이야기돼 왔던 국민 수요관리(Demand Side Management: DSM)가 이제 현실적인 수준에서 가능해졌다.

중앙집중식 구조, 관리 용이하나 분산관리 불편

태양광시장 자생력 확대, 국민 개개 인식변화 필수

▲ 재생에너지 보급을 통한 주택 미니태양광 설치 전경.

◆ 분산화가 진화된 새 시스템 낳을 것

현재 국내 태양광 시장은 정부의 재생에너지 3020 보급목표 달성을 위해 정책적으로 드라이브가 되고 있다. 하지만 정책적인 드라이브는 근본적으로 정책이 언제 일몰되거나 변경될지 모른다는 약점을 가지고 있다. 이로 인해 태양광 시장은 자생적인 보급과 확대가 기대만큼 이뤄지지 않고 있는 실정이다.

태양광 시장이 자생적으로 확대가 가능하기 위해서는 실제 그 혜택과 효과를 경험해야 할 국민 개개인들의 인식의 변화가 필수적이다. 분산화는 그러한 의미에서 국민 개개인들이 전력의 생산 주체가 돼 과거 수동적인 소비만을 행하던 행태에서 벗어나 적극적인 생산과 소비를 동시에 행하는 보다 진화된 객체가 되고, 이와 같은 객체들이 구성원이 되는 새로운 전력시스템을 구성할 수 있도록 만드는 계기가 될 것이다.

태양광 발전소는 여전히 많은 약점을 가지고 있다. 간헐성이라는 태생적인 약점을 비롯해, 국내의 경우는 여전히 상대적으로 비싼 발전단가 등도 그러하다. 태양광을 비롯한 재생에너지들이 여전히 주력 에너지원으로 인식되지 못하고 있는 이유도 그러한 약점들에서 찾을 수 있다.

하지만 직접적인 소비 주체인 국민들 하나하나가 동시에 발전 주체가 되며 시장이 자생력을 갖기 시작하면 규모의 경제에 의해 가격은 더욱 빠르게 하락할 것이고, 태생적인 약점이던 불안정성도 전력저장장치와의 커플링과 같은 다양한 시도를 통해 해결이 가능할 것이다. 드디어 전력서비스가 전력IT로 진화하는 것이다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.