[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 스마트그리드(Smart Grid)는 전력 공급자와 소비자가 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망을 말한다. 스마트그리드 생태계 내 핵심설비는 AMI(첨단 원격검침 인프라), EMS(에너지관리시스템), ESS(에너지저장장치) 등이 꼽힌다.

이 가운데 에너지관리시스템(Energy Management System) 영역에서 ICT 및 IoT 융합이 특히 활발하게 일어나고 있다. 에너지 수요‧공급에 대한 포괄적인 예측을 통해 공장, 건물 등의 에너지 관리 목표를 달성하겠다는 움직임이다. 사실 전 세계 에너지 소비량의 40%는 건축물에서 소비되고 있는 만큼, 이를 개선하는 것은 글로벌 트랜드인 ‘탄소중립’ 달성의 핵심 과제 중 하나다.

많은 관련 기술이 쏟아져 나오고 있는 가운데 국내에서 중소형 빌딩을 대상으로 한 ‘자율형 분산에너지관리시스템’(Autonomous Distributed Building Energy Management System, AdBEMS)이 개발됐다. ETRI, 한국표준과학연구원, 한국에너지기술연구원, 한국원자력연구원이 참여한 ‘KSB융합연구단’(이하 연구단)이 개발했으며, IoT 데이터를 기반으로 하는 AI를 사용해 제작한 자율형 에너지 수요관리 기술이다.

머신러닝 기술로 구역별 에너지 소비패턴을 분석해 구역별‧건물별‧커뮤니티별 에너지 수요관리에 효과적이다. 스마트시티 구축에도 확대 적용이 가능한 기술로, 현재 기업으로 기술 이전이 가능한 실증까지 완료된 상태다.

건물 이용자 재실패턴 분석, 새로운 접근법 선보여

현재 설치 운영중인 대부분의 건물에너지관리시스템은 대형 건물을 대상으로한 중앙 집중형 건물에너지 관리 방식이다. 하지만 이러한 중앙집중형 건물에너지 관리 방식으로는 건물에 부분적으로 일어나는 부하변동에 능동적으로 대처할 수 없다. 이 같은 문제인식 속에 연구단은 새로운 접근법을 선보였다.

먼저 집중한 부분은 사람의 재실패턴이다. 해당 연구 책임자인 한국에너지기술연구원 에너지ICT융합연구단 송유진 책임연구원은 “기존의 건물에너지관리시스템은 대부분 모델기반 에너지 수요예측 및 최적관리 기술이 적용되고 있다”면서, “하지만 건물의 에너지 소비는 외부 환경 이외에도 사람의 에너지 소비패턴에 의해 결정되는 부분이 크다”고 설명했다.

연구단은 실제 건물에 센서를 설치하고, 조명 및 냉난방에너지 사용량을 체크해 사람의 재실상태에 따라 에너지 사용패턴이 달라지는 것을 확인했다. 사람의 재실상태 등 사용자의 행위정보를 무시한 기존 기술은 제한된 성능을 가질 수밖에 없다는 뜻이다.

이에 재실패턴 파악과 에너지 수요예측, 제어 등 3가지 부분에 AI 기술이 적극 활용됐다. 송유진 연구원은 “스마트플러그를 활용한 재실상태 분석으로 에너지 사용량 예측 정확도는 약 93%를 기록했으며, 에너지 비용과 사람의 실내 쾌적도를 가지고 강화학습을 적용했다”고 밝혔다.

상반되는 에너지 비용과 실내 쾌적도가 리워드로 적용된 AI는 강화학습을 통해 밸런스를 맞춰갔고, 최종 성적표로 보수적으로 잡아도 15~20% 정도의 에너지절감 효과를 얻었다. 통상 기존 에너지관리시스템의 절감 비용인 5~10%에 비교해 확연히 드러나는 수치다.

이번 연구를 통해 연구단은 분산에너지관리 플랫폼, 재실정보 모니터링 기술, 에너지 수요예측 기술, 에너지 최적관리 기술, 클라우드 기반 에너지 수요관리 서비스 기술 등의 개발 성과를 얻었다.

송유진 연구원은 “특히 분산에너지관리 플랫폼은 저가의 임베디드 제어보드에도 설치 가능한 멀티 에이전트 기술을 이용해 플러그 앤 플레이가 가능하도록 개발했다”고 강조했다. 다양한 에너지 기기 및 센서가 많은 양의 데이터를 실시간으로 수집이 가능해야 하므로 확장성에 주안점을 뒀다는 취지다. 이에 분산에너지관리 플랫폼은 Pub/Sub 방식의 메시지버스를 채용했고, 다양한 통신 프로토콜을 지원한다.

건물을 에너지 스토리지로 정의하다

연구단은 중소형 건물에 적용하기 위해서, 다시 말해 건물주가 에너지관리시스템에 투자하기 위해 페이백 기간을 단축하기 위해서도 고민했다. 송유진 연구원은 “중소형 건물들은 “페이백 기간을 단축하기 위해 건물을 하나의 에너지 스토리지로 생각했고, 복수 건물을 대상으로 한 커뮤니티 레벨로 접근했다”고 밝혔다. 사업자 입장에서 복수의 건물을 에너지 수요관리 자원으로 놓고, 에너지 수요관리를 해 나갈 수 있다는 뜻이다.

송 연구원은 “현재 상황속에서 중소형건물들이 자발적으로 에너지관리시스템을 적용해 에너지절감을 하기 위해서는 페이백 기간을 당기지 않으면 사실상 어렵다고 생각했다”면서, “커뮤니티 레벨로 에너지 관리 건물들을 확장할 수 있도록 확장 가능성을 염두에 두고 개발했다”고 밝혔다. 이에 ‘자율형 분산에너지관리시스템’은 커뮤니티(지역) 내 에너지관리시스템(CEMS)으로 응용할 수 있어 향후 스마트시티 구축에도 확대 적용이 가능하다.

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