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DC 마이크로그리드의 부상

Published Date
Author Alan Yoon

효율성, 구현, 그리고 규제의 진화

이미지 출처: malp/Stock.adobe.com

아담 킴멜(Adam Kimmel), 마우저 일렉트로닉스

2024년 11월 15일

 

재생 에너지와 전기화의 시대가 도래했다. 이로 인해 교류(AC) 전력보다 직류(DC) 전력 부하가 차지하는 비중이 높아졌다. 미국에서는 주거 및 상업용 전력 부하의 60~75%가 DC 방식을 사용하고 있으며, 이는 전기 자동차와 DC 모터를 사용하는 HVAC 장비의 도입으로 인해 촉진되었다. 이 비율은 2019년 기준으로 기본 DC 부하가 약 32%를 차지했던 과거 AC 부하 수준과 극명한 대조를 이룬다.[1]

이 글에서는 애플리케이션 분야 간 DC를 전송하는 새로운 인프라인 DC 마이크로그리드의 장점에 대해 살펴본다. 또한 DC 마이크로그리드 구현과 관련된 과제 및 해결책을 살펴보고 마이크로그리드 도입을 둘러싼 진화하는 규제 프레임워크를 분석한다.

 

재생 에너지 사용 확대에 따른 DC 마이크로그리드의 이점

마이크로그리드는 전력 흐름 관리에 대한 스마트 그리드의 이점과 소규모의 분산형 에너지 생산을 결합한 신기술이다. 이 같은 접근 방식은 특히 원격 지역 사회에서 전력 생산지를 소비지에 더 가깝게 옮겨 에너지 독립성을 촉진하는 보다 회복성 있고 지역화된 옵션을 제공한다.

 

에너지 효율과 전력 품질

DC 마이크로그리드는 기존 AC 전력 시스템에 비해 유의미한 이점을 제공한다. 가장 유용한 이점 중 하나는 AC-DC 변환 손실을 제거하여 에너지 효율이 향상된다는 점이다. 이 같은 이점은 DC 전력을 AC로 변환하지 않고 생성하는 태양광(PV) 전지와 같이 재생 에너지원에 크게 의존하는 시스템에 특히 유용하게 작용한다. AC 부하와 전체 DC 부하 간에 여러 번 변환할 필요가 없으므로 시스템에서는 에너지 손실이 줄어들고, 이로 인해 전력 분배 효율이 높아지는 것이다.

또한 DC 마이크로그리드는 향상된 전력 품질을 제공한다. DC 배전 시스템은 전압 레벨을 조절하고 전력 품질을 개선한다. 전압 및 주파수 안정성이 변동하는 AC 시스템과 달리 DC 시스템은 일정한 전압을 유지하여 보다 안정적인 전력을 공급하는 것을 목표로 한다. DC 마이크로그리드는 더 높은 전력 품질 덕분에 높은 신뢰성과 예측 가능한 고품질 전력이 필요한 민감한 전자 장치와 중요 시스템을 갖춘 애플리케이션에 적합하다.

 

재생 에너지와의 통합

DC 마이크로그리드는 태양광 및 배터리 스토리지와 같은 재생 가능한 DC 에너지원은 물론, 일부 소규모 풍력 및 수력 발전소와도 궁합이 좋다.[2],[3] 재생 에너지 발전기는 재생 에너지를 DC 마이크로그리드에 통합하여 안정성과 지속 가능성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 대부분의 재생 에너지원은 이미 DC 방식을 사용하며, 공급 전력과 수요 전력의 유형을 일치시킨다. 이 같은 전력 일치와 통합 용이성으로 인해 DC 마이크로그리드는 재생 에너지가 주요 전력원인 환경에 이상적이다.

 

상업 및 주거용 애플리케이션

DC 전원 장치의 비율이 높을수록 사용자 효율성과 지속 가능성이 높아진다. DC-DC는 마이크로그리드를 통해 기업이 탄소 배출 순 제로와 같은 지속 가능성 목표를 달성하고 소비자와 건물 소유주의 비용을 절감할 수 있도록 지원한다.

고효율 전력을 공급하면 히트 펌프와 같은 전기 구동 기술로부터 얻을 수 있는 혜택이 커진다는 또 다른 이점도 따른다. 히트 펌프는 주로 소비된 1개 단위에 대해 2~4개 단위의 출력 전력을 제공하지만,[4] 이 기술의 지속 가능성은 공급 전력에 따라 달라진다. 따라서 고효율 전기를 사용하여 히트 펌프를 구동하면 지속 가능성을 높일 수 있다.

 

DC 배전 시스템의 과제와 솔루션

안정적인 DC 마이크로그리드를 구현하는 것은 특히 전압 관리 및 부하 분산과 관련하여 몇 가지 과제를 제시한다. AC 시스템에서 변압기는 전압 변화를 관리한다. 하지만 DC 시스템 엔지니어는 전압 레벨을 조절하고 시스템이 효율적으로 작동하도록 하기 위해 DC-DC 컨버터에 의존해야 한다. 또한 이 같은 DC 배전 시스템의 부하 분산은 여러 에너지 생성 및 소비 지점이 있는 분산형 네트워크에서 작동하는 경우가 많기 때문에 복잡할 수 있다.

 

안정성을 위한 핵심 기술

전력 흐름 관리는 DC 마이크로그리드의 안정성과 효율성을 유지하는 데 필수적이다. 전기 흐름을 적절히 관리하면 전력 생산과 소비 사이의 안정적인 균형을 유지할 수 있다.

  • DC-DC 컨버터: 이 컨버터는 마이크로그리드의 여러 부분에 걸쳐 전압을 조절하는 것을 용이하게 해준다. 수요에 맞춰 전압 레벨을 높이거나 낮추면 마이크로그리드 내의 다양한 부하에 효율적으로 에너지를 공급할 수 있다.

  • 에너지 저장 시스템: 배터리로 구동되는 에너지 저장 시스템을 사용하면 재생 에너지 가용성이 낮은 기간에 사용하기 위한 여분의 재생 에너지를 저장할 수 있다. 이 접근 방식은 재생 가능 에너지의 변동성에도 불구하고 지속적인 전력 가용성을 보장함으로써 마이크로그리드를 안정화하고 신뢰성을 향상시킨다.

  • 전력 관리 IC: 스마트 전력 관리 집적 회로(PMIC) 및 센서는 마이크로그리드 내의 에너지 흐름을 모니터링하고 제어한다. 이와 같은 시스템은 부하 분산을 최적화하고 과부하를 방지하며 소비 패턴에 따라 실시간으로 조정할 수 있다.

 

마이크로그리드 설계 모범 사례

DC 마이크로그리드를 설계하려면 효율성과 확장성을 보장하는 몇 가지 모범 사례를 따라야 한다:

  • 부하 프로파일링: 마이크로그리드에 연결된 장치 및 시스템의 특정 전력 소비 패턴을 이해하는 것이 중요하다. 정확한 부하 프로파일링은 엔지니어가 최대 부하를 처리하고 안정적인 작동을 보장하도록 마이크로그리드를 설계하는 데 도움이 된다.

  • 하이브리드 시스템: 경우에 따라 AC 및 DC 인프라를 통합하는 마이크로그리드(즉, 하이브리드 마이크로그리드)가 필요할 수 있다. 이와 같은 시스템은 기존 AC 장비와 최신 DC 기술을 모두 수용한다.

  • 모듈성 및 확장성: 모듈성을 고려한 마이크로그리드를 설계하면 에너지 수요의 변화에 따라 확장할 수 있다. 이 기능은 전력 수요가 높은 부하 수준에서 시간이 지남에 따라 변동될 수 있는 상업 및 산업 환경에서 특히 중요하다.

 

DC 마이크로그리드에 대한 규제 및 표준화 요구 사항

많은 신기술과 마찬가지로 규제는 지역에 따라 도입을 촉진할 수도 있고 방해할 수도 있다. 마이크로그리드 도입을 고려할 때는 오늘날의 규제 환경과 향후 규제 요건에 대한 이해가 필수적이다.

 

오늘날의 규제 환경

DC 마이크로그리드의 상업적 채택이 직면한 주요 과제 중 하나는 연방 규정, 규격 및 표준이 상대적으로 부족하다는 점이다. 미국 연방 에너지 규제 위원회(US Federal Energy Regulation Commission, FERC)는 주 간 판매 및 요금을 규제하고 있으며, 2020년에는 마이크로그리드 사업자를 포함한 분산 에너지 자원(Distributed Energy Resources, DER)의 전력 시장 도입을 촉진하기 위한 명령 2222호를 발표했다.[5] 계량 및 전력 품질 표준이 확립되어 있는 교류 배전 시스템과 달리 현 시점의 DC 마이크로그리드는 소비량 측정 및 전력 품질 보장에 대한 통일된 규정이 부족한 실정이다. 이 같은 격차는 지역에 따라 규정 준수 요구 사항이 다를 수 있기 때문에 DC 시스템을 구현하려는 단체들에게 불확실성을 야기했다.

 

국제 표준 및 지역별 차이점

전 세계적으로 각지에서 DC 마이크로그리드에 대한 표준을 개발하기 시작했지만 진행 상황은 천차만별이다. 유럽에서는 규제 당국이 주로 상업용 및 산업용 애플리케이션을 중심으로 DC 시스템에 대한 표준을 정의하기 시작했다.[6] 반면 미국은 아직 DC 관련 규정 개발의 초기 단계에 머물러 있다. 이들 중 상당수는 국가 주도로 운영되며, 이는 전력 솔루션의 지역적 특성 때문일 수 있다.

미국 주정부 에너지공무원 전국연합(National Association of State Energy Officials, NASEO)과 미국 국가공익규제위원협회(National Association of Regulatory Utility Commissioners, NARUC)는 주 마이크로그리드 정책, 프로그램 또는 규정을 개발하기 위한 리소스 및 지침을 위한 보고를 만들었다.[7]

국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC) 및 미국 전기전자 기술자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)와 같은 국제기구는 DC 마이크로그리드에 대한 표준을 수립하기 위해 적극적으로 노력하고 있으며, 이는 구현을 간소화하고 규제 장벽을 줄이는 데 도움이 될 것이다.[8],[9]

 

향후 규제 요건

DC 마이크로그리드가 지속적으로 주목을 받는 가운데, 규제 기관들은 마이크로그리드와 관련된 추가적인 변수를 해결해야 한다:

  • 측정 정확도: DC 전력 소비량 측정에 대한 명확한 표준을 개발하면 정확한 에너지 사용량을 청구하고 모니터링할 수 있다.

  • 전압 및 전력 품질: 규제 기관은 DC 시스템에 대한 허용 전압 범위와 전력 품질 표준을 정의하여 안전과 신뢰성을 보장해야 한다.

  • 기존 인프라와의 통합: 규제 프레임워크는 하이브리드 시스템을 활성화하고 원활한 전환을 보장하기 위해 DC 마이크로그리드와 기존 AC 인프라의 통합을 촉진해야 한다.

향후 규제 조치의 대상에는 상호 연결 및 라이선스, 지속 가능성을 뒷받침하는 적절한 행동을 유도하는 관세, 소유권 지침, 규정 준수 보고 구조 등이 포함될 수 있다.

 

DC 마이크로그리드 애플리케이션 집중 조명하기: 에너지 하베스팅

재생 에너지원으로 작동하는 DC 마이크로그리드는 에너지 하베스팅의 이점을 누릴 수 있다. 재생 에너지 시스템이 해결해야 할 가장 큰 과제는 일조량이나 이상적인 바람 조건의 변동과 같은 에너지 생산의 변동성일 것이다. 배터리나 열 벽돌과 같은 에너지 저장 시스템은 나중에 사용할 수 있도록 여분의 에너지를 저장하여 이와 같은 문제를 일부 완화할 수 있지만, 에너지 하베스팅 기술을 마이크로그리드에 통합하면 안정성과 효율성을 높일 수 있다.

예를 들어, 소규모 에너지 하베스터는 태양열이나 풍력 에너지 생산량이 적을 때 주변 환경으로부터  에너지를 수집할 수 있다 . 이렇게 수집된 에너지는 마이크로그리드의 센서, 사물 인터넷(IoT) 디바이스 또는 저전력 통신 시스템에 전력을 공급할 수 있다. 보조 전력 복구 기능을 추가하면 저장된 배터리 전력에 대한 의존도를 줄이고 시스템에서 사용 가능한 에너지 사용을 극대화할 수 있다. 또한 DC 마이크로그리드의 분산형 특성은 AC-DC 전력 변환의 비효율성을 겪지 않고도 수확된 에너지를 필요한 곳에 직접 분배할 수 있다는 것을 의미한다.

에너지 하베스팅의 잠재력은 분명하지만, 엔지니어들은 이를 DC 마이크로그리드에 완전히 통합하려면 중요한 기술적 과제를 해결해야 한다. 가장 큰 과제는 이 같은 시스템의 비교적 낮은 전력 출력에 있으며, 주로 밀리와트로 측정된다. 이 같은 레벨은 센서 및 통신 시스템과 같은 저전력 애플리케이션에는 충분하지만, 더 큰 부하를 처리하기에는 충분하지 않다. 따라서 에너지 하베스팅은 주요 에너지원이 아닌 DC 마이크로그리드를 보강하는 보완 기술로 보아야 한다.

DC 마이크로그리드는 에너지 하베스팅의 통합을 지원하기 위해 수확된 에너지를 효율적으로 포집하고 분배할 수 있는 정교한 전력 관리 시스템을 필요로 한다. 또한 이러한 시스템은 수확된 전력, 저장된 전력, 그리드 전력 간의 원활한 전환을 보장하여 장치와 시스템이 중단 없이 작동할 수 있도록 해야 한다.

 

DC 마이크로그리드 및 재생 에너지의 통합을 위한 방향

DC 마이크로그리드는 엣지 컴퓨팅이 데이터 송신을 향상시킨 것과 마찬가지로 전력 분배를 혁신할 수 있다. 마이크로그리드는 상당한 효율성과 품질 향상을 제공하며, DC 전원 장치에 대한 수요 증가에 대응할 수 있는 실질적인 재생 에너지 애플리케이션을 포함한다. 이와 같은 시스템은 에너지 효율성, 비용 절감, 전력 품질, 재생 에너지원과의 통합 측면에서 주목할 만한 이점을 제공한다. 하지만 이와 같은 기술이 널리 채택되려면 기술적 과제를 극복해야 하며, 명확한 규제 프레임워크가 구축되어야 한다.

다양한 국가와 지역에서 DC 마이크로그리드를 규제하고 전력 시스템에 통합하는 방법을 개발함에 따라, 이를 활용하는 기술과 재생 에너지는 향후 몇 년 동안 비약적인 성장을 이룰 것이다.

  

출처

[1] https://www.usgbc.org/articles/new-leed-pilot-credit-encourages-energy-savings-dc-power-systems
[2] https://www.energy.gov/energysaver/microhydropower-systems
[3] https://windexchange.energy.gov/small-wind-guidebook
[4] https://www.energy.gov/energysaver/air-source-heat-pumps
[5] https://www.naruc.org/core-sectors/energy-resources-and-the-environment/der-integration-compensation/
[6] https://setis.ec.europa.eu/document/download/d312944b-df45-4ebb-b2bd-d8616d13bbf4_en?filename=SET-Plan-LVDC-Implementation-Plan-12sep2024-endorsed.pdf
[7] https://www.naruc.org/core-sectors/energy-resources-and-the-environment/microgrids/
[8] https://www.iec.ch/energies/minigrids-microgrids
[9] https://ieeexplore.ieee.org/document/9646866

 

저자 약력

아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 그는 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 아담은 화학 및 기계 공학 학위를 보유하고 있으며, 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.