전력수요 대응 위한 전력계통 설비용량 확보 이슈 부각
에기연, 에너지기술 연구개발·실용 보급 확대 지속 추진

[김병기 한국에너지기술연구원 선임연구원]

[에너지신문] 최근 정부의 저탄소 친환경 사회 전환 정책 추진으로 신재생에너지원과 친환경 전기차의 보급이 급격히 증가하고 있는 추세다.

하지만, 이러한 에너지원과 전기차가 안정적으로 확대 보급되기 위해서는 신재생에너지원의 간헐성 및 변동성을 해결하고, 전기차로 인해 증가되는 전력수요를 안정적으로 공급할 수 있는 전력계통의 설비용량 확보가 중요한 이슈로 부각되고 있다.

또한 최근 ESS 및 신재생에너지가 전력계통에 확산됨에 따라 기존의 전력 공급자 중심의 중앙 집중형 전력 공급시스템에서 수요자 중심의 분산형 전력공급 시스템으로 전력산업이 재편될 것으로 예상된다.

▶수요자 중심의 전기차 충전인프라 운영기술 연구
태양광, 풍력 등의 신재생에너지 및 CO2를 줄이기 위한 친환경적인 전기차의 보급이 점차 확산됨에 따라 기존의 전력공급시스템의 개편은 가속화 되고, 이에 따른 가상발전소(Virtual Power Plant, VPP) 등의 전력 프로슈머간의 거래 역시 더욱 활발하게 될 것으로 전망하고 있다.

하지만 전기차의 보급 확대로 인한 전기 충전부하가 기존 전력계통에 더해짐으로 인해 기존 전력계통의 증설을 통한 용량의 확보가 필요하게 됨에 따라 전기차 보급 확대에 커다란 걸림돌로 작용할 수 있다는 문제점이 대두되고 있는 상황이다. 이에 신재생에너지원과 ESS를 결합해 기존 전력계통의 용량 증설 없이 전기차를 충전할 수 있는 인프라가 보급되고 있는 상황이다.

현재 보급되고 있는 전기차 충전시스템은 전기차 충전기, 신재생에너지 그리고 ESS가 결합된 충전시스템으로 기본적인 모니터링과 시간에 따른 ESS의 충전과 방전만을 수행하는 구조이기 때문에 충전부하 및 신재생에너지 발전량에 따른 전압의 불안정성에 대한 능동적인 대응이 불가능한 한계를 지니고 있다. 또한 최근 ESS는 화재로 인해 안전성에 대해서도 많은 이슈가 있는 상황으로 ESS를 활용한 전기차 충전시스템의 확대에 커다란 걸림돌로 작용하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 한국에너지기술연구원은 신재생에너지원의 확대 보급 및 전기저장장치의 안전을 확보하는 동시에 전력계통의 안정성 확보와 부담을 최소화 할 수 있는 수요자 중심의 전기차 충전인프라 운영기술을 연구하고 있다.

▲ 하이브리드형 전기충전인프라 실증 사이트

에너지연에서 연구하고 있는 수요자중심의 전기차 충전인프라의 정의는 저압배전 계통 단위로 에너지 자가소비 효율을 높여, 커뮤니티 단위에서 발생되는 전력의 불안전성을 해소하고 에너지자립화를 통한 계통의 유연성을 확보할 수 있는 제반기술을 의미한다.

먼저 수요자 중심의 전기차 충전인프라 개발을 위해 전력의 불안전성 문제 중 하나인 전압변동 문제점을 해결하기 위해 수학적 모델기반의 예측 제어기술을 개발하고, 2017년에 구축된 30kW급 다기능 모의 전력운영평가시스템을 이용한 사전검증을 통해 제어기술을 고도화하고 있다.

최근에는 40kW급 분산전원-ESS 융합형 전기차 충전시스템 실증사이트를 구축하고 개발된 제어기술을 적용하여 불규칙한 전기차 충전부하와 신재생에너지의 발전량에도 불구하고 안정적인 전압을 유지하는 기술의 Track record를 확보하고 있다.

또한 신재생에너지의 단점인 간헐성을 극복하기 위해 인공지능을 이용한 신재생에너지 발전량 예측과 에너지저장장치의 운영 및 전기차 충전기의 제어를 통해 에너지 자가소비가 가능한 에너지자립기술을 개발했으며 현재 신재생에너지의 발전량 및 전기자동차 충전패턴을 분석해 알고리즘 최적화를 위한 실증을 진행하고 있다.

▲ 30kW급 다기능 모의 전력운영평가시스템

▶ESS 상태진단·예측기술 개발로 신뢰성 향상 필요
한편 수요자 중심의 전기차 충전 인프라가 안정적으로 운영되기 위해서는 전기차 충전 인프라에 적용되는 ESS의 안전 문제, 전기차 충전기의 고장문제의 해결이 필요하다.

이 중 ESS는 최근 화재로 인해 안정성 및 신뢰성 이슈가 국내 시장을 중심으로 부각됨에 따라 관련 산업의 활성화에 악영향을 미치고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 ESS 성능과 안전성 확보에 대한 대책이 시급히 요구되고 있는 상황이다. ESS의 상태진단 및 예측기술 개발을 통한 신뢰성 향상과 화재사고 방지를 위한 대책 마련이 이뤄져야 하는 상황이다.

전기차 충전 인프라에 적용되는 ESS의 성능·안전성 문제를 해결하기 위해서 한국에너지기술연구원에서는 배터리뿐만 아니라 시스템 단위로 현장에서 성능을 평가할 수 있는 SAT(Site Acceptance Test) 시험평가기술과 ESS의 화재 등 안전에 대한 평가기술 개발을 수행하고 있다.

보다 정확한 ESS의 상태진단과 예측을 위해서 필드의 운전환경을 고려한 시스템 단위에서의 측정과 시험을 진행하고 있다. 즉 필드단위에서 운영상 전기품질과 전기적, 비전기적 이상상태 비교 분석을 통해 성능과 안전에 대한 운영 및 평가가 가능한 전기차 충전 인프라용 ESS의 통합 안전관리기술을 개발에 집중하고 있다.

그리고 전기차 충전 인프라의 고도화를 위해, 전기차 충전기의 고장을 진달할 수 있는 고장진단기술 탑재형 전기차 충전기, 향후 전기자동차의 폐배터리에 대해서도 전기차 충전인프라 내에 전력제어용으로 적용할 수 있는 reuse기술, 외부 이상 시 시스템의 안정화 상태를 유지시킬 수 있도록 저압계통간의 보호협조체계에 대한 연구를 진행해 국내 전기차시장과 더 나아가서는 에너지 커뮤니티를 대상으로 실증 적용할 계획이다.

향후 안전과 신뢰성이 확보된 신재생에너지원-ESS 융합형 전기차 충전인프라가 커뮤니티단위로 적용된다면 에너지 자가소비뿐만 아니라 전력 보조서비스(Ancillary Service)용도로도 활용이 가능할 것이다. 이와 동시에 복수의 전기차 충전인프라들을 묶어 가상발전소로 활용한다면 프로슈머시장을 활성화 할 수 있는 ‘친환경 전기차 전주기(well-to-wheels)’ 완성이 가능할 것이다.

▲ KIER에서 개발한 이동형 현장평가시스템

한국에너지기술연구원은 기후변화 대응기술 확보를 위해 다양한 에너지 기술의 연구개발과 실용 보급을 확대하기 위한 노력을 지속적으로 추진하고 있다.

특히, 프로슈머단위에서의 전력 안정화기술은 향후 급속한 도입 증가가 예상되는 신재생에너지원과 전기차 충전인프라의 효율적 도입을 위해 반드시 필요한 기술 분야로 에너지의 성능과 안전을 확보하고 더 나아가 에너지 자가소비 관련 기술이 융합돼 수요자 중심의 전력계통의 개편을 위한 미래의 연구에서 그 적용 분야가 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다.

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