새로운 전력설비 감시 및 직류배전 기술 개발
[일렉트릭파워 이재용 기자] 한국전력 기업부설연구소로 1961년 출발한 한국전력 전력연구원은 전력 에너지 분야의 기술개발을 책임지고 있는 한국전력의 핵심 브레인으로 ‘전력기술의 새 지평을 열어가는 세계 정상의 연구원’이라는 비전을 갖고 전력기술의 발전과 이를 통한 전력산업과 국가경제 발전을 견인하고 있다.
전력연구원은 국내 산업과 경제발전을 위한 안정적 전력공급 기술을 개발하고 이를 통해 제4차 산업혁명의 실현과 전력산업의 지속가능한 신성장동력 창출을 위한 연구개발을 수행하고 있다.
전력연구원은 기존 전력산업과 정보통신 등 다른 산업과의 융복합으로 기후변화 대응, 에너지 안보강화, 에너지 효율 향상 등 전력 에너지 분야 핵심 이슈를 해결하고 새로운 비즈니스 모델을 창출하는데 연구역량을 집중하고 있으며, 마이크로그리드, 에너지저장장치(ESS), 전기차 충전 인프라, 에너지 수요관리(EMS), 수요자원 거래, 이산화탄소 포집(CCS), 초고압직류송전(HVDC), 스마트시티 등 전력 에너지 산업의 미래를 책임질 새로운 사업 기술을 개발해 오고 있다.
또 보유기술의 해외 실증을 통해 이제 국내 전력산업을 발전뿐만 아니라 글로벌 전력산업의 제4차 산업혁명을 선도하고 있다. 본지에서는 전력연구원에서 개발한 4차산업 연구과제들을 소개해본다.
드론·로봇을 이용한 전력설비 감시
전력연구원은 지난 5월 송전선을 자동으로 점검하기 위한 ‘드론을 이용한 송전선로 자동 감시운영기술’을 국내 최초로 개발하고 시험비행에 성공했다.
송전선로용 드론 운영기술은 지상에 설치된 1대의 제어시스템에서 비행 중인 여러 대의 드론을 동시에 제어하며, 자체 개발한 GPS 좌표측정기와 지상제어시스템을 이용해 선로 점검을 위한 비행경로를 생성하면 여러 대의 드론이 생성된 경로를 따라 자동 비행하면서 송전선로를 보다 효율적이고 안전하게 점검 가능하다.
또 전력연구원은 정밀한 위치 데이터를 이용해 실시간으로 원격측정이 가능한 드론의 특성을 이용해 해상풍력 및 화력 등 신재생에너지와 발전단지 주변 해역에서 빠르게 변화하는 해양환경을 실시간으로 모니터링하기 위한 해수 수온모니터링 기술을 개발 중이다.
화력발전소 운영에도 로봇 적용을 추진하고 있다. 대표적으로 원격자장 로봇스캐너를 이용해 보일러 튜브의 결함을 평가하는 기술로, 현재 육안검사와 튜브의 두께측정검사 등 인력을 통해 수행하고 있는 검사의 단점인 느린 검사 속도와 인력의 접근성 문제를 개선하기 위해 검사로봇을 개발함으로써 검사시간은 기존 66%로 줄이면서 검사의 정확성은 2배 이상 개선할 예정이다.
전력망을 통한 초연결사회
4차 산업혁명의 키워드 중 하나인 ‘초연결사회’란 사람, 사물 등 모든 것이 네트워크로 연결되고, 연결된 모든 것에서 정보가 생성되고 공유되며, 이런 정보들이 다양하게 활용되는 사회를 의미한다.
우리가 매일 스마트폰으로 뉴스를 보고, 위치정보를 활용하여 각종 서비스를 받고 있는 것이 초연결사회의 한 면이다. 전력망도 마찬가지로 모든 설비가 연결되고 디지털화된 정보를 주고받으며 지능화된 시스템은 이런 정보를 통해 새로운 정보와 서비스를 제공한다.
한전은 전력분야에 사물인터넷(IoT) 기술을 적용하기 위해 네트워킹과 플랫폼 운영 규격을 제정하고 개발용 시스템인 표준모델을 개발해 신규 디바이스 및 서비스를 검증, 실증할 수 있는 ‘전력 IoT 에너지플랫폼’ 표준모델을 개발했다.
전력연구원은 ‘전력 IoT 에너지플랫폼’의 통신규격 및 개발환경 등을 사물인터넷 관련 협의체인 SPIN 홈페이지를 통해 산업체에 공개하고, 전력연구원과 전력시험센터(고창) 및 창조경제혁신센터(나주)에 각종 시험장비 등이 설치된 ‘전력 사물인터넷 오픈랩’을 구축해 산학연 개발자가 설비 및 서비스 개발을 위해 사용할 수 있도록 했다.
빅데이터와 인공지능을 이용한 전력설비 진단 및 운용에도 전력연구원은 다양한 연구성과를 만들어냈다.
2020년까지 전국에 2,250만대가 설치될 스마트 계량기의 원격검침 데이터를 통합관리하고 실시간 처리를 통해 고객에게 계량데이터 서비스를 제공하는 AMI 계량데이터 통합관리 시스템을 개발했다.
하루 26억건 이상의 빅데이터 처리에 적합하게 분산·병렬처리 환경으로 구축해 스마트 계량기 확대보급에 유연하게 확장이 가능하며, 실시간으로 전국 계량데이터 수집과 유효성 검증 및 누락값 추정, 요금계산용 사용량 등 다양한 집계가 가능하다.
또한, AMI 설치고객에게 현재 사용량과 전기요금, 시간대별 사용량과 우리집 소비패턴, 누진단계 진입 알림과 전기사용 목표관리 서비스를 제공하는 스마트폰 앱 ‘파워플래너’를 통해 합리적 전력소비와 자발적 전기절약을 지원한다.
전력연구원은 스마트에너지 캠퍼스 내 다중 마이크로그리드를 통합 운영할 수 있는 운영규칙 및 제도 설계와 플랫폼, 응용 프로그램, 외부시스템 연계 등 마이크로그리드 운영시스템을 개발하고 있다. 또한 태양광발전기 등 신재생 발전원을 설치하고, 프로슈머인 대학과 한국전력 사이의 에너지 거래, 다중 마이크로그리드들의 이웃간 에너지 거래와 정산 등을 위한 웹 기반의 운영시스템 기술을 개발해 2019년까지 실증을 완료할 예정이다.
스마트 시티 구현을 위한 도시에너지 자원 통합운영 플랫폼과 서비스도 개발 중이다.
도시 단위의 에너지관리시스템을 개발하고, 도시지역의 가상발전소(VPP) 최적 운영기술을 포함해 실증할 예정이다. 이를 통해 스마트시티의 이산화탄소 배출량을 줄이는 동시에 에너지비용 및 전력피크를 절감하고, 도시의 에너지 자립율을 향상시킬 예정이다.
직류배전 기술의 개발과 세계 최대 규모 실증
전력연구원은 2014년 저압 직류배전의 실계통 적용 연구를 착수해 지난 9월 전남 서거차도에서 세계 최대 규모의 직류 배전망 구축 기공식을 개최하고 도서지역 직류배전망 실증사업인 서거차도 ‘DC 아일랜드’ 구축에 착수했다.
서거차도에 직류 배전선로를 구축하고, 200kW 태양광 발전, 100kW 풍력발전기, 1.5MWh 용량의 에너지저장 장치를 설치하는 한편, 서거차도 주민들에게는 전기카트용 직류 전기충전기, 직류 가로등 및 직류 가전제품을 보급할 계획이다.
또 직류배전용 13.2kV급 전력용 반도체 변압기 개발 및 원천기술을 확보하고, 효율을 98%이상으로 향상시키는 3상 AC/DC 전력변환기, 직류 대용량 수용가 연계 수배전시스템, 직류배전망 계통 및 기기 보호가 가능한 반도체 차단기 등 핵심기기를 개발 중이다.
직류배전은 태양광 등 직류를 생산하는 신재생에너지와 배터리를 사용하는 에너지저장시스템 등과 직접 연결이 가능하며, LED 조명, 각종 디지털 기기, 전기자동차 등에 직접 직류를 공급할 수 있어 직류 부하 증가에 효과적으로 대응할 수 있으며, 배전용 교류의 변환과정을 없애 에너지효율이 10% 이상 향상될 것으로 기대된다.
VR·AR을 이용한 전력설비 관리 및 교육
가상현실(VR)과 증강현실(AR)은 빠른 기술발전 속도를 보이는 분야다.
전력연구원은 가상현실과 증강현실 기술을 전력산업에 적용하기 위해 표준화된 플랫폼을 개발 중이다. 저작도구, 콘텐츠 클라우드 서비스, 영상처리 기술개발 등의 기반 기술은 물론 설비 위치 네비게이션, 배전설비, 사물인터넷 등 전력산업의 컨텐츠 및 정보연계가 가능한 가상현실 플랫폼을 개발할 예정으로 이를 통해 공정관리, 자산관리, 재난대응, 유지보수, 대외사업, 직무교육 등 다양한 분야에서 관련 정보서비스 솔루션 및 소프트웨어개발 활성화를 유도할 것으로 기대한다.
또 전력연구원은 VR·AR 실증 실험실 구축과 보호계전기 시험훈련 등 컨텐츠를 개발해 전력산업 유지보수 인력의 교육에 활용할 예정이다. VR·AR 실증 실험실은 VR·AR의 주요 기술인 저작, 객체인식 및 트래킹, 상호작용, 그리고 시각, 청각, 촉각 등과 같은 인간의 감각을 이용한 인터페이스 등을 개발하고 테스트하는 공간으로 활용할 예정이며, 전력산업 종사자의 실무능력을 향상시키기 위해 전력설비 일상점검, 고장복구 시뮬레이션 등 전력산업에 특화된 교육훈련 컨텐츠를 개발하여 인재개발원을 통해 교육에 활용할 예정이다.
기후변화 대응을 위한 이산화탄소 포집 및 재활용
지난 2015년 파리협정을 통해 우리나라는 이산화탄소의 배출량을 37% 감축해야 한다.
세계 6번째, 인구 1인당 3위의 배출국가인 우리나라의 온실가스 배출량 중 화력발전은 약 36%를 차지한다. 따라서 발전소의 이산화탄소 배출을 줄이는 기술은 지속가능한 미래를 만드는 데 필수적이다. 전력연구원은 기존 기술대비 이산화탄소 포집비용 등을 절감한 혁신적 기술력을 확보했다.
습식 포집 기술은 10MW 이산화탄소 포집플랜트를 구축해 장시간 연속운전(5,000시간)에 성공했다. 개발된 흡수제는 90% 이상의 포집효율과 상용흡수제 대비 35% 에너지 절감을 보이며, 일일 180톤 이상의 이산화탄소를 포집한다. 이 기술은 중국에도 수출돼 실증을 위한 연구개발 중이다.
건식 포집 기술은 세계 최초·최대 규모인 10MW 이산화탄소 포집플랜트를 장시간(2,300시간) 연속운전기록을 확보했다. 세계 최고 성능인 80%이상의 이산화탄소 제거율을 자랑하며 포집된 이산화탄소는 99%이상의 고순도로 액화돼 재사용된다.
차세대 포집기술인 이산화탄소 분리막 기술은 세계 최초로 실증용 설비 및 성능평가 인프라를 운영 중이다. 저에너지형 분리막 공정 기본설계를 완료하고 세계 최대규모인 1MW 포집플랜트가 10월 준공됐다. 또 고효율 탄산화 공정 등을 통해 이산화탄소를 산업용 고부가 화합물로 바꿔 생산하는 원천기술을 확보했으며, 2018년까지 연간 150톤 규모의 중탄산나트륨 생산실증플랜트를 구축 예정이다.
최근에는 미생물을 이용해 이산화탄소를 천연가스의 주성분인 메탄가스로 전환해 천연가스 발전 등에 활용할 수 있게 하는 ‘이산화탄소 바이오메탄화 기술’ 개발에 착수했다.
