앞으로도 에너지 수요량은 계속해서 증가할 것이므로 전력망 인프라는 현대화를 하지 않고서는 추가적인 수요를 지원하지 못하는 심각한 과제에 직면하고 있다. 뿐만 아니라 환경을 보존하기 위해서 CO2 배출을 감소시키는 등 복잡한 문제들을 해결해야만 한다.

인피니언의 추정에 따르면, 통상적인 가정의 가전 및 조명 등의 부하로 85W를 공급하기 위해서는 220W의 에너지를 필요로 한다.

이 대부분의 손실은 에너지 발전 중에 발생되는 열 손실(CO2 방출)이지만 또한 전송 과정과 AC에서 DC 및 역으로 변환하는 과정에서 상당한 양의 에너지가 낭비된다. 또한 가정용 전자기기의 AC/DC 및 DC/DC 변환 중에 또 다른 손실이 발생한다. 결국 평균적으로 60W만이 가정용 전자기기를 구동하고 제어하는 회로들에 도달한다.

에너지 피크 통제 위한 스마트 미터의 필요성

지구 온난화와 CO2 오염을 줄이기 위해서는 태양광이나 풍력발전 같은 신재생에너지 자원을 이용하면 CO2 배출을 거의 일으키지 않으면서 전기를 발생시킬 수 있다. 하지만 재생에너지 소스를 통합하는 것은 기존 전력망의 또 다른 해결 과제가 되고 있다. 가장 큰 해결 과제들은 다음과 같다.

- 에너지 발전량이 낮과 밤 시간에 따라서, 그리고 기상 조건에 따라서 크게 차이가 남으로써 전력망으로의 가용 에너지가 크게 변동적이다.

- 통상적으로 전력 발전이 에너지가 소비되는 지역으로부터 멀리 떨어진 곳에서 이루어짐으로써 에너지를 긴 거리에 걸쳐서 전송해야 한다.

- 전력망의 전반적인 패러다임이 단방향 에너지 흐름(거대 에너지 플랜트에서 사용자에게로)에서 분산적인 에너지 발전 소스들(가정집 지붕 위의 태양광 패널 등)을 통합한 마이크로 그리드(Micro-grid)로 변화하고 있다.

발전량 변동의 문제를 해결하기 위해서는 에너지 저장, 에너지 피크 레벨링, 수요 대응 인프라와 같은 새로운 기술들을 적용해야 한다.

피크 발전 시간대에 배터리와 에너지 저장소로 여분의 전력을 저장함으로써 에너지 변동을 줄일 수 있다. 발전량이 적은 시간대에는 저장된 에너지를 전력망으로 되돌려 보낸다. 모든 에너지 저장 프로세스가 AC/DC 및 DC/AC 변환 과정을 포함하므로 IGBT, CoolMOS, SiC 디바이스와 같이 효율이 뛰어나고 고도로 혁신적인 반도체 솔루션을 이용하면 효율이 98%를 넘는 거의 손실이 없는 컨버터 디자인을 구현할 수 있다.

전력망은 정전을 일으키지 않으면서 피크 소비량을 충족할 수 있을 만큼의 규모가 되어야 한다. 특대 규모의 에너지 피크가 발생하는 일은 흔하지는 않으나 이와 같은 피크가 발생했을 때는 통상적인 가동과 비교해서 전력망이 최고 30~40%까지 더 많은 에너지를 공급해야 한다.

에너지 피크를 방지하기 위해서는 에너지 사용자의 행동에 영향을 미치는 조치가 필요하다. 스마트 미터를 이용하면 에너지 피크를 통제하고 스마트 그리드 및 마이크로 그리드를 밸런싱할 수 있다. 스마트 미터는 양방향 정보 흐름이 가능하므로 에너지 회사들이 에너지 피크를 방지하기 위해서 사용자들로 하여금 전자기기의 사용을 자제하고 전력 소비를 줄이도록 하는 기법들을 개발할 수 있다(또는 극단적인 경우에는 부하를 차단할 수도 있다). 에너지 회사들은 또한 요금을 시간대별로 다르게 부과함으로써 사용자들의 행동에 영향을 미칠 수도 있다.

또한 에너지를 긴 거리에 걸쳐서 전송해야 하므로 전송 손실을 줄이고 기존 전력망의 용량을 극대화하기 위해서는 고전압 DC 전송이 매우 중요한 요소이다. 또한 DC 전류는 근해의 풍력발전 단지에서 내륙의 발전소로 에너지를 좀 더 실용적으로 전송할 수 있도록 하며, 해저 케이블에서 손실을 최소화할 수 있도록 한다. 이러한 경우들에서 AC에서 DC로, 그리고 역으로 전압 변환 시에 효율과 신뢰성이 뛰어난 전력 반도체를 이용하는 것이 중요하다.

스마트 그리드로 획기적인 변화 가능

전력망을 지속적이고 효율적인 방식으로 모니터링 해야 한다. 다수의 노드들로부터 라인 부하, 온도, 습도 등과 같이 중요한 정보를 라인을 관리하는 통제소로 지속적으로 제공해야 하며, 결함이 발생했을 시에는 대대적인 정전 사태를 방지하기 위해서 백업 에너지 경로를 가동해야 한다. 효과적인 전력망 모니터링을 위해서는 신뢰할 수 있는 센싱 기술과 통신이 요구된다.

분산적인 전력망 모니터링 및 제어의 필요성이 증가함에 따라서 사이버 보안 측면에서 새로운 문제들이 제기되고 있다. 스마트 미터는 가정으로의 에너지 차단을 결정할 수 있는 요금 계산기이다. 그러므로 사생활 침해 및 위조나 악의적인 공격 등을 방지할 수 있는 기능을 제공해야 한다. 스마트 그리드 장비의 적정한 보안 수준을 달성하고 전력망으로의 취약한 백도어 접근을 방지할 수 있도록 하기 위해서, 인피니언은 모든 스마트 미터 IC에 정교한 암호화 엔진을 통합했으며, 신용카드와 전자여권에 이용되는 것과 같은 보안 수준으로 스마트 그리드 보안 전용의 인증된 하드웨어 보안 모듈을 제공한다.

지능(Intelligence)은 기존의 전력망에서 스마트 그리드(지능형 전력망)로 전환하기 위해서 아주 중요한 요소이다. 하지만 지능만으로는 충분하지 않다. 효율적이면서 신뢰성이 뛰어난 전력 반도체, 보안 디바이스, 센서 역시 필요하고 중요하다. 인피니언은 스마트 미터와 전력망 통신을 경제적으로 구현할 수 있도록 포괄적인 유형의 MCU 및 IC 제품과 수 와트에서부터 수 메가와트에 이르기까지 모든 규모의 전력 애플리케이션에 이용할 수 있는 우수한 전력 반도체 제품들을 공급하고 있다. 이와 함께 다양한 유형의 센서 및 보안 디바이스 제품을 제공하므로 스마트 그리드에 이용하기 위한 포괄적인 반도체 솔루션을 제공한다.

스마트 그리드 덕분에 획기적인 변화가 가능하게 되었다. 그것은 바로 가정으로 85W를 공급하기 위해서 필요한 에너지를 220W에서 100W 미만으로 줄일 수 있다는 것이다. 하지만 우리는 이 단계에서 멈춰서는 안 된다. 다음 단계는 에너지를 더욱 더 효율적으로 사용하도록 하는 것인데, 필요한 부하를 85W가 아니라 50W로 줄일 수 있다.

그러면 그만큼 에너지를 덜 생산해도 되는 것이다. 평균 전력 소비를 낮추기 위한 여러 가지 구상들이 실행되고 있는데, 소위 말하는 스마트 시티와 스마트 홈 등이다. 고효율 조명, 전기차, 대중교통, 보안이 스마트 시티를 구현하는데 있어 가장 크게 기여할 수 있는 기술들이다. 이와 같은 다음 단계의 과제와 혁신을 이룰 수 있도록 하기 위해서, 그럼으로써 전력을 더욱 더 절약할 수 있도록 하기 위해서 인피니언은 앞으로도 계속해서 노력을 아끼지 않을 것이다.

세르지오 로시(Dr. Sergio Rossi)

인피니언 테크놀로지스 스마트그리드부문 부사장

필자는 이탈리아의 제노바 대학에서 전기공학 석사학위 및 마이크로전자공학 박사학위를 취득했으며, 1994년에 유럽 회사에서 설계 엔지니어로 경력을 시작했다. 2000년부터 2010년까지 STMicroelectronics의 자회사에서 프로그램 책임자를 거쳐서 이후에 사업부 책임자 및 총괄 책임자를 역임했다. 2010년부터는 뮌헨에 소재한 인피니언 테크놀로지스에서 근무하면서 스마트 미터 사업부를 신설했으며, 현재는 스마트 그리드 및 주변장치 애플리케이션 사업부의 책임자를 맡고 있다.

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