도심 에너지원 재생에너지로 전환하는 도시 구현법

한국에너지기술연구원

건물 일체형 태양광 기술 등을 도입해 도심의 에너지원을 재생에너지로 전환하는 도시를 구현하는 혁신적인 방안이 제시됐다. 게티이미지뱅크 제공

건물 일체형 태양광 기술 등을 도입해 도심의 에너지원을 재생에너지로 전환하는 도시를 구현하는 혁신적인 방안이 제시됐다. 

한국에너지기술연구원(에너지연)은 신재생시스템연구실, 에너지ICT연구단 공동 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 ‘도시 전기화(Urban Electrification)’를 실현할 핵심 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 

도시 전기화는 화석연료 사용을 줄이고 건물 일체형 태양광 기술 등을 도입해 도심의 에너지원을 재생에너지로 전환하는 것을 목표로 하는 기술이다. 국내에서는 생소한 개념이지만 미국과 유럽은 탄소중립 실현과 지속 가능한 도시 환경 조성을 위한 핵심 전략으로 추진하고 있다.

도시 전기화는 한계를 갖고 있다. 전통적인 도시 모델은 전력 수요에 따라 화석연료를 이용해 에너지 공급을 쉽게 조절할 수 있다. 반면 도시 전기화가 진행된 도시는 재생에너지에 대한 의존도가 높아 날씨 변화에 따라 에너지 공급의 변동성이 크기 때문이다. 이는 건물별 전력 수요 불일치를 유발하고 전력망의 안정적 운영을 어렵게 한다.

특히 급격한 한파, 극심한 폭염 등 극단적인 기상 현상에 의한 '저확률 고영향 이벤트(LPHI)'는 급격한 에너지 수요 증가와 에너지 생산 제한을 유발해 대규모 정전을 일으키는 등 도시의 전력망 안정성을 크게 위협할 수 있다. LPHI는 발생 가능성은 낮지만 발생하면 큰 영향을 미치는 사건을 의미하며, 예측하기 어렵고 발생 시 경제·사회적으로 큰 피해를 초래할 수 있는 현상을 말한다. 

연구팀은 우선 LPHI의 패턴을 AI 기반 클러스터링으로 분석하고 영향을 정량화했다. 건물일체형 태양광(BIPV) 기술의 대규모 도입에 따른 계절별, 시간대별 에너지 생산 패턴과 전기화된 냉난방 시스템의 실제 운영 데이터 분석 및 전력망 영향 등을 분석했다. 사람의 행동 패턴, 재생에너지 설비 규모와 운영 상황 등 복잡한 변수가 전력망에 미치는 영향을 파악했다. 

연간 단 1.7일에 불과한 LPHI가 전체 전력망의 안정성과 운영 비용에 결정적인 영향을 미친다는 새로운 점도 밝혀냈다. 

분석 결과를 토대로 연구팀은 도시 전기화를 위한 에너지 관리 최적 알고리즘을 개발하고 시스템으로 구현했다. 개발된 알고리즘은 건물 간 에너지 공유를 최적화하고 피크 수요와 피크 발전을 효과적으로 관리한다. 일상적인 에너지 균형 유지뿐만 아니라 LPHI에도 대응해 극단적인 상황에서도 전력망의 안정성을 확보할 수 있다.

시스템을 도시 전기화 환경을 재현한 커뮤니티 단위에 적용한 결과, 자급자족률 38%, 에너지 자가소비율 58%를 달성했다. 이를 통해 전기 요금을 기존보다 18% 절감할 수 있으며 전력망의 안정성도 크게 개선됐다. 에너지 자가소비율은 건물이 생산한 잉여 전력을 전력망으로 내보내지 않고 직접 사용하는 비율을 말한다. 이 비율 값이 클수록 전력망의 안정적 운영에 기여한다. 

특히 실증에 적용된 연간 에너지 소비량은 107메가와트시(MWh)로 해외 선진기관의 시뮬레이션 기반 연구보다 7배 큰 규모로 진행돼 실제 도시 환경 적용 가능성을 높였다.

연구를 이끈 한광우 에너지연 에너지ICT연구단 선임연구원은 "이번 연구 결과는 AI를 활용해 도시 전기화의 효율을 높이고 전력망 안정성 문제를 해결할 수 있다는 점과 LPHI 관리의 중요성을 보여준 결과“라면서 ”향후 다양한 도시 환경에 적용해 에너지 효율을 높이고 전력망의 안정성을 개선하여, 궁극적으로 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것“이라고 전망했다.
 

[이채린 기자 rini113@donga.com]