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에너지 수확용,재생용 It융합기술의 개발 동향

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  • 1. IT 기획시리즈 IT 기획시리즈 에너지 수확용/재생용 IT 융합기술의 개발 동향 박승창 ㈜유오씨 수석연구위원 scpark39@naver.com 1. 서론 2. 전기에너지 수확기술 동향 3. 에너지 IT 융합기술 동향 4. 에너지 IT 기술개발 방향 5. 결론 1. 서론 각국의 화석에너지 생산기업들이 지표와 해저지면을 채굴해서 풍족하게 소비자들에게 공급했던 석탄, 원유, 천해(Shallow Water) 석유가스 외에도 (그림 1)과 같은 셰일가스 (Shale Gas)가 있다[1]. 그것의 채굴 장비와 수단에 IT 기술이 융합됨으로써 수심 12,000ft 의 심해저에서 석유나 천연가스를 채굴하기가 더 정확하고 고효율적이며 간편해져서 각국 은 신재생에너지산업을 전략산업으로 지정하여 경쟁적으로 육성하고 있다. 셰일가스는 총 매장량을 볼 때, 전 세계가 향후 60 년 동안 사용할 수 있는 막대한 규모로서 중국이 1 위, 미국 2 위, 아르헨티나 3 위, 프랑스가 12 위 를 차지하고 있다. 그러나 2011 년 SERI 자료 (<표 1> 참조)에서도 대한민국은 순위의 바깥 에 놓여 있는 에너지자원의 빈국이다. 한편, 공해를 유발하고 지구온난화를 촉진 하는 화석연료와 달리 전기에너지는 무공해이 지만, 전기에너지를 발전하기 위한 화력발전 소에서는 지구온난화의 온실가스들을 배출하 는 경우가 있고, 폐열의 재활용에 대한 IT 융합 (그림 1) 셰일가스의 경로 * 본 내용과 관련된 사항은 ㈜유오씨 박승창 수석연구위원(☎ 070-8291-9979)에게 문의하시기 바랍니다. ** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 정보통신산업진흥원 15
  • 2. 주간기술동향 2013. 9. 18. (단위: 조m3) <표 1> 국가별 셰일가스 매장량 규모 순위 국가명 셰일가스 예상매장량 순위 국가명 셰일가스 예상매장량 1 중국 36.10 7 캐나다 10.99 2 미국 24.41 8 리바아 8.21 3 아르헨티나 21.92 9 알제리 6.54 4 멕시코 19.28 10 브라질 6.40 5 남아공 13.73 11 폴란드 5.30 6 호주 11.21 12 프랑스 5.10 <자료>: EIA, 2011 년 신기술의 연구 개발이 더욱 요구되고 있다. 또한, 전기에너지의 대량 생산 후 대량 소비하 는 산업사회의 패러다임을 변경하여, 지역별 다품종 소량 생산 후 소량 소비하는 지혜로 운 생태계 보존형 지구촌 사회와 국가/지방/지역 사회로의 발전이 주목되고 있다. 이런 가운데 지난 1978 년 운전을 시작한 고리 1 호기 이후 국내 원전은 23 기까지 확 보했지만 전력 공급량이 여전히 부족한 상황으로, 전력사용량이 연중에 가장 적다는 4 월 에도 2013 년에는 예비전력이 450 만 kw 이하로 떨어져 전력수급 경보 준비단계를 발령 할 정도였고, 산업체 생산시설이 한창 돌아가는 시간대에 한때 400 만 kw 이하로 내려가 전력수급의 저지선이 위협받기도 했다. 한국정부는 공공기관 전력의 20% 감축, 피크시간 대 요금의 3 배 할증, 절전 인센티브의 지급, 실내 냉방온도 제한규정을 위반하거나 냉방 기를 켠 채 문을 열고 영업하는 업소에 대해 최대 300 만 원의 과태료를 부과하는 고육지 책을 시행하고 있다. 에너지IT 융합기술의 관점에서 2013 년 4 월 17~18 일까지 중국 베이징에서 IDTechEx 가 주최하는 ‘에너지 수확 및 저장기술 유럽 2013(Energy Harvesting & Storage Europe)’ 이 최근 주목을 받았다. 전기에너지의 수확 및 저장 기술의 용도에 초점을 맞춘 이번 컨퍼 런스가 건물 내부 에너지수확기술 솔루션과 무선 센서 솔루션 관련 기술개발, 통합화를 위한 노력과 도입 사례 등에 대해 논의하면서 스마트 빌딩 및 스마트시티에 대한 방향을 제시하였다. 그 행사 주제들 역시 ① 석유 및 가스, ② 빌딩 자동화 및 효율성 전략, ③ 산 업 프로세스 통제 전략, ④ 교통, ⑤ 에너지자율(Energy-Autonomous) 무선센서, ⑥ 압전 및 진동 에너지 수확 기술, ⑦ WSN(Wireless Sensor Network), RTLS(Real Time Location Service) 및 인터넷 관련 기술, ⑧ 배터리 관련 최신 기술, ⑨ RF(Radio Frequency) 에너 지 수확 기술, ⑩ Stretchable and Textile 전자공학기술, ⑪ 초저소비 전력기기, ⑫ 쌍안 16 www.nipa.kr
  • 3. IT 기획시리즈 정(Bi-Stable) 디스플레이 등이었다[2]. 여기에서 논의된 이슈들 중에서 에너지원 자체인 ① 석유 및 가스를 제외한 11 가지 항 목에는 모두 정보처리 기기인 개인용 컴퓨터와 디스플레이 기기를 비롯하여 MPU(Micro Processor Unit)/MCU(Micro Computer Unit, Micro Controller Unit)/DSP(Digital Signal Processor) 같은 핵심 중앙처리장치 CPU(Central Processing Unit) 부품들과 통신기기 인 유/무선 통신망 같은 액세스 포인트와 중계기, 기지국 장비 속에 Cable, Antenna, RF subsystem, MODEM, CODEC, Scrambler/Descrambler, Software, Firmware, Middleware 의 부품들이 투입되어 있다. 이렇게 내장된(Embedded) IT 융합기술들은 통신망 보안기술 의 암호화기와 정보보호기술의 DB 프로텍터 같은 요소부품들과 함께 작동함으로써 국제 표준화된 지능형 전력망(Smart Grid) 및 생태친화적인 에너지 수확기술과 재활용 기술을 구현하고 있다. 이에, 본 고는 에너지 수확용/재활용 IT 융합기술의 국내외 연구개발(R&D) 동향을 최근 사례들을 중심으로 분석한다. 2. 전기에너지 수확기술 동향 가. 국내 (1) 기술개발 2013 년 2 월 13 일 물과 같은 액체를 눌러서 전기를 발생하는 기술을 부산대 물리학 과 박혁규 교수팀이 구현하였다. 연구팀은 1g 의 물을 가지고 6 개의 LED 전등을 동시에 밝히는 데 성공했고, 이 원리는 세계 최고 과학전문지인 ‘네이처’(Nature)의 자매지 ‘네이 처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 최신호(2 월 12 일자)에 발표되었다. (그림 2)와 같이 물과 접하는 고체의 표면은 많은 경우에 특정한 전하를 가짐과 동시에 이 전하들과 반대의 극 도선 전극 을 가진 이온전하들이 접촉면 근처의 물속에 분포하 게 된다. 이렇게 물과 접하는 고체 표면을 경계로 반 전해질 분리막 대의 극을 띤 전하들이 마주보고 정렬된 모습이 축전 전해질 기(콘덴서)와 비슷해 ‘전기 이중층 축전기’(Electrical 전극 Double Layer Capacitor)라 부르며, 만일 외부에서 도선 힘을 가해 물과 고체 사이의 접촉 면적을 바꾸게 되 (그림 2) 전기 이중층 축전기의 구조 정보통신산업진흥원 17
  • 4. 주간기술동향 2013. 9. 18. 면 축전기의 전기용량이 변하게 되고, 이로 인해 전하의 분포가 변하면서 전류가 흐르게 된다. 이로써, 물과 고체 사이에 형성된 전기 이중층 축전기의 전기용량 변화에 의한 전류 유도를 이용하여 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸었다[3]. 다만, 이러한 기술이 상용화되기 위해서는 전기를 소비하는 기기의 구동전류량에 비해 공급되는 전류량이 기기 내부의 축전지에 저장된 후 미소량의 여유분 전류량(Margin)을 포함해서 약간 더 많아야 하고, 구동전압은 안정된 직류전압(DC)이면서도 빨간색 LED 는 1.8 V, 녹색 LED 는 3 V, 파란색 LED 는 3.2V 의 문턱 전압 값을 유지해야만 하듯이, 어 떤 발전용 전기에너지수확기의 내부 회로에 컨버터, 인버터, 축전지(Capacitor)의 기능이 필요에 따라 부가될 수 있다. (2) 표준화 2012 년 10 월 기술표준원은 국제전기위원회(IEC TC47) 내에 차세대 반도체와 응용 분야에 관한 국제표준을 논의하는 ‘인큐베이팅 작업반’(IWG)을 한국 주도로 설립하고, 작 업반 의장을 수임했었다. 초대 의장에 차철웅 전자부품연구원 박사와 류호준 한국전자통 신연구원 박사가 선임된 IWG 는 앞으로 인체통신 반도체 인터페이스, 무선에너지 전송과 에너지 하베스팅(수확) 반도체, 플렉서블 반도체, 자동차용 반도체 등 차세대 반도체 기술 표준화를 주도하게 된다. 첫 IWG 회의에서 대한민국은 인체통신용 시스템온칩(SoC) 인터 페이스 표준안 3 건과 에너지 하베스팅(수확) 반도체의 소자특성 측정에 관한 표준안 2 건 등 모두 5 건의 표준안을 제안했고, 2013 년 5 개 표준안을 추가로 제안할 예정이다. 이렇 게 표준화 대상이 된 ‘에너지 하베스팅(수확) 기술’은 인체의 움직임처럼 버려지는 에너지 를 수확해 전기로 전환해주는 기술이다[5]. (3) 기술사업화 차세대융합기술연구원의 친환경전지기술연구센터 김연상 교수 연구팀이 용액형 무기 물 압전 반도체를 이용해 반복적으로 감거나 휘는 환경에서 안정적인 압전 특성을 나타내 는 패치형 압전 에너지수확소자를 처음으로 2012 년 11 월에 (그림 3)과 같이 개발했다. 이번 연구결과는 “친환경 소재를 이용한 패치형 압전 에너지수확소자 신기술 개발”이라는 제목으로 27 일자 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials)’ 24 권 45 호 인사이드 표지논문으로 게재되었다. 이번 연구는 교육과학기술부 한국연구재단의 기반형 융합연구사업 하이브리드 에너지 18 www.nipa.kr
  • 5. IT 기획시리즈 (그림 3) 패치형 압전 에너지수확소자 공정 모식도 및 전자현미경 사진 기술개발사업단과 글로벌 프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단 지원을 받아 수행되었다. 김연상 교수팀이 개발한 압전 에너지수확소자는 주변에 존재하는 진동이나 인체활동 중 반복적인 움직임으로부터 발생하는 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 변환 할 수 있는 자가 발전체이므로 지구 환경을 훼손하지 않으면서 안정적인 공급이 가능하고, 소형ㆍ경량화가 가능하다는 장점이 있어 세계적으로 연구가 활발한 분야이다[6]. 또한, 이번에 개발된 전기에너지 수확 기술은 사업화에 성공하도록 저가의 원료물질을 이용하여 공정비용이 높고 복잡한 압전 에너지수확소자를 대체할 수 있는 가능성을 열어 주었으며, 인체에 무해한 압전소재를 이용해서 반복적인 운동에너지를 전기에너지로 전환 함으로써 향후 의류형 압전패치 또는 모바일 기기 등에 적용되도록 적절한 기술보완이 요 구되는 것으로 분석된다. 나. 국외 (1) 기술개발 독일 자동차회사 BMW 와 벤츠는 자동차 머플러에 열전소자를 장착해서 폐열을 전기로 바꾼 다음, 엔진 보조 전기나 시트의 냉난방에 활용하는 기술을 개발하고 있으며, 원리적 으로 열전소자는 두 금속의 온도차에 의해 전류가 생기는 ‘제베크효과’를 이용해 전기를 얻는 소자이다. 또한, 미국 매사추세츠공대(MIT) 미디어랩은 신발 뒤축에 압전 물질을 붙 여서 사람이 걸을 때 발생하는 충격으로 1.3mV 의 전기를 발전하였고, 펜실베니아주립대 정보통신산업진흥원 19
  • 6. 주간기술동향 2013. 9. 18. 연구팀은 에너지 수확 배낭을 개발해서 보행 시마다 진동으로 에너지를 얻는데 성공하였 으며, 캐나다의 한 벤처회사는 무릎 관절에 압전 소자를 붙여 사용자가 무릎을 굽혔다 폈 다 할 때마다 전기가 발생하도록 개발하였다[7]. (2) 특허출원 에너지 수확 기술로 얻는 전류는 교류(AC)이다. 전자회로에 전기를 사용하기 위해서는 직류(DC)로 변환해야 하는데, 여기에 전기에너지가 소요된다. 전기로 충전되는 ‘스마트 옷’ 의 경우, 사람 등이나 가슴에 열전소자를 붙여 체온과 바깥 온도의 차이를 이용한 열전효 과나 무릎, 팔꿈치 등에 부착한 소자에서 발생하는 압전 효과로 얻을 수 있는 전기는 수 마이크로와트(㎼)에서 수 밀리와트(㎽)에 불과하다. 따라서, 국외의 기업-연구소-대학교 역시 전류의 중간저장 장치를 만들어 에너지를 수확하는 아이디어로 회로를 만들어 특허 를 출원하고 있다. 또한, 직물형 에너지 수확 소자, 저진동 에너지 수확 소자, 체열 에너지 수확 소자, 저손실 에너지 전달 및 저장 회로 관련 신기술들이 특허로 등록되고 있다. (3) 식물전기수확 미국 워싱턴 주립대 연구진은 큰잎단풍나무들이 최고 수백 밀리볼트(mV)의 전기를 생 산한다는 사실을 발견하였으며 이것을 에너지로 전환하는 장치도 개발해서 전기전자엔지 니어연구소가 발행하는 ‘나노기술회보’ 최신호에 발표했다. 나무가 전기를 전도할 수 있다 는 사실은 이미 알려진 것이며, 앞서 매사추세츠공대(MIT) 연구진은 나무가 최고 20mW 의 전력을 축적할 수 있다는 사실을 발견하였다. 또한 감자 배터리나 레몬 배터리 등을 통 해 식물과 두 종류의 금속 간 반응을 일으킴으로써 전류를 만들어낼 수 있다는 사실도 이 미 잘 알려져 있다. 그러나, 연구진이 개발한 에너지 전환 장치는 이와는 다른 것으로 이들은 나무에 연결 된 부스트 컨버터로 20mV 의 약한 전기까지 붙잡아 저장함으로써 전력 소모량이 적은 센 서용 1.1W 의 전력을 생산할 수 있었다. 연구진은 나무 전기가 태양 에너지처럼 실용성이 높은 것은 아니지만, 이를 확대해 적은 비용으로 나무 센서에 동력을 공급하는 장치를 만 들면 주변 환경 평가나 산불 감지 등에 활용될 수 있을 것으로 전망하였다. 또한, 나무의 발전량을 조사하면 나무의 건강 상태도 알 수 있어 나무 관리와 진단 용도로 사용될 수 있음을 발표하였다[8]. 20 www.nipa.kr
  • 7. IT 기획시리즈 (4) 기술사업화/상품화 미국 ‘뉴에너지 테크놀로지스’ 회사의 모션파워 기술은 하이브리드, 차세대 전기 및 화 석연료차량 등이 감속하거나 정차하는 장소에 설치하여 가속 시에 필요한 에너지를 뺏기 지 않도록 고안되었다. 실제로 모션파워 장치는 차량 감속을 돕고, 이 과정에서 브레이크 마찰열로 에너지가 손실되기 전에 에너지를 수확해 청정 에너지로 전환한다. 기술의 상품 화를 위해 이 회사는 모션파워 장치를 이상적인 교통 밀집장소에 설치하여 노동절 연휴 기간에 내구성 검사를 실시하였다. 승용차와 소형트럭을 대상으로 1 단계 시제품 검사를 실행한 결과, 움직이는 차량을 통해 청정 전기를 생산하는 최초의 기술을 성공적으로 상 용화 하기 위해서 이 회사가 추진 중인 엔지니어링 접근방식, 재료선별 전략, 제품개발 계 획 등이 모두 중요한 요소임을 확인하였다. 모션파워 장치는 수백만 대의 승용차, 트럭, 대형화물차가 하룻동안 쉴새 없이 감속하 거나 정차하면서 버리는 에너지를 활용하여 가치있는 청정 에너지로 변환한다. 최적화 완 료 후 설치가 이루어지면, 모션파워 장치는 도로표지, 가로등ㆍ건물 조명, 비상전원 저장 시스템 또는 가전제품, 애플리케이션, 심지어 가정ㆍ사무실용 장치에 필요한 기존의 전원 공급을 증대하거나 대체하는데 사용될 수도 있을 것이다. 현재까지 ‘뉴에너지 테크놀로지 스’는 차량의 역학 에너지로부터 전기를 생산하는 혁신적인 자사의 모션파워 기술을 보호 하기 위해서 미국 특허청(United States Patent and Trademark Office: USPTO)에 9 건 의 특허출원을 신청하였다[9]. 3. 에너지 IT 융합기술 동향 가. 국내 (1) 에너지 효율 제고용 IT 융합기술 2013 년 5 월 한화케미칼이 석유화학 공정에 IT 기술을 융합한 신사업을 통해서 대표 적인 에너지 소비 산업인 석유화학 사업부문 에너지 효율을 높인다는 계획을 발표하였다. 이 회사는 산업통상자원부가 주관하는 “IT 기반 ESCO(Energy Service Company, 에너 지서비스기업) 시범사업”에 사업자로 선정되어 그룹 내의 IT 계열사인 한화에스앤씨(S&C), 에너지관리 전문업체인 아텍에너지와 컨소시엄을 구성해서 에너지 이용 효율성 향상 프로 정보통신산업진흥원 21
  • 8. 주간기술동향 2013. 9. 18. 젝트를 진행하고 있다. 여기에 적용된 IT 기술은 ‘스팀관리정보 시스템’으로 각 공정에 투 입되는 스팀 사용 현황을 초단위로 파악하여 공급량을 실시간으로 제어할 수 있어서 최적 의 공급량으로 과잉 공급되거나 전달 과정 중 발생하는 손실을 방지한다. 한화케미칼은 이 기술을 우선 여수공장에 적용하는데, 특히 여수공장의 전체 에너지 사용량 중 15%에 달하는 스팀에너지에 이 시스템을 구축할 계획으로, 한화케미칼은 스팀 에너지 사용량의 5.3%가 절감될 것으로 기대하고, 연간 1,800TOE(Ton of Oil Equivalent, 석유환산톤)의 에너지 절감은 물론 온실가스 감축효과까지 예상하고 있다. 석유화학업계 는 한화케미칼의 에너지 효율성의 향상이 원가경쟁력 강화로 이어져 실적에 긍정적으로 작용할 것으로 분석하였다. 최근 중동산/미국산의 저가 제품이 유입되면서 원가경쟁력 확 보는 어느 때 보다 중요해지고 있기 때문이다[10]. (2) 스마트 그리드 보안용 및 에너지 관리용 IT 융합기술 WIS2013 전시회에서 고려대 스마트그리드보안연구센터는 국가 기반시설 제어시스템 해킹, 스마트폰을 이용한 자동차 해킹을 재현하고 이에 대한 보안기술을 개발하였다. 산업 제어시스템의 사이버 공격 대비책을 마련하는 실험 환경을 구축하고, 국가 주요 기반시설 제어시스템을 공격한 스턱스넷(Stuxnet) 악성코드 재현을 시연하였다. 악성 스마트폰 앱 을 이용한 원거리 자동차 무선 해킹도 직접 경험할 수 있었다. 실제 자동차와 운전자가 스 마트폰을 이용한 원거리 무선 자동차 해킹을 시도한 바 있다. 이 밖에도 스마트 미터기 개 발 암호화 보드 등을 전시하였다. 또한, 국민대학교 에너지-IT 융합연구센터 역시 “에너지-IT 융합 핵심기술 연구” 성과 물을 공개하였으며, 우선 클라우드 기반 전기자동차 충전 시스템 HIL(Hardware-In-theLoop)을 시연하고 전력선과 가시광을 이용한 홈 네트워킹을 시연하면서 RFID/USN 기술 과 에너지 기술 간의 IT 융합 결과물을 전시하였다. 전력수급 불균형 시 중앙 관리시스템 을 이용하여 연결된 마이크로그리드(Micro Grid) 내의 분산 전원 반응을 조사해서 부하를 조절하는 “VPP(Virtual Power Plants)에 기반을 둔 마이크로 그리드 관리시스템”도 공개 하였다[11]. 2013 년 1 월 한국전자통신연구원은 국가 에너지 소비의 40%를 차지하는 주거 및 상 업용 건물에 대한 에너지 효율을 최적 관리하는 에너지-IT 융합형 “스마트 플레이스 (Smart place) 에너지관리 플랫폼 기술”을 개발하였다. 이 기술은 세대 내 기기별 에너지 22 www.nipa.kr
  • 9. IT 기획시리즈 소비 정보와 온도/습도/조도 같은 환경센서 정보, 보일러/에어컨을 포함한 각종 가정 기기 의 홈네트워크 정보 등을 통합 수집 관리하여 사용자에게 종합적으로 제공한다. 또한, 세 대별 에너지 정보는 에너지 관리 단지 서버와 연동, 불필요한 에너지 소비를 관리하는 서 비스도 제공할 수 있고, 건물의 에너지 소비 패턴, 기상정보 등을 종합적으로 교차 분석해 서 빌딩군, 빌딩, 층, 존(Zone)마다 최적화된 에너지 관리 서비스를 제공한다[12]. 나. 국외 (1) 스마트그리드와 전기차용 에너지 IT 융합기술 2012 년 7 월 미국 하니웰의 스마트그리드 솔루션 사업부는 수도/전기/가스와 같은 유 틸리티와 고객들을 연결하는 End-to-End 프로그램을 제공함으로써 노후화된 전력 기반 시설의 정체성 해소, 신재생에너지 활용, 에너지 수요 관리 방안 등에 대한 솔루션을 출시 하였다. 스마트 그리드 솔루션 사업부 편성은 에너지 소비와 수요 반응 서비스 증가를 전 략적으로 반영하였다. 파이크리서치 보고서에 따르면 부하 감소 서비스가 3 분의 2 를 차 지하는 ‘수요 반응 서비스’ 매출액은 2012 년 13 억 달러에서 2016 년까지 61 억 달러로 성장할 전망이다. 하니웰은 수십년 동안 구축한 유틸리티를 대상으로 수요 반응 및 에너 지 효율화 프로그램과 스마트 그리드 솔루션을 가지고 중국 최초 스마트그리드 수요 반응 프로젝트에 참여해서 톈진 내 정부기관, 상업 및 산업시설을 포함한 지정 건물에 구축하 고 있다[13]. 일본의 스마트그리드 정책이 급진전을 이루어 생활 곳곳에 적용되고 있다. FEMS, BEMS, FEMS 가 결합된 CEMS(Community Energy Management System)가 등장하고 있다. 특히, 방재시스템과 결합되어 ‘스마트시티(Smart City)‘로 구체화되고 있다. 특히, 에너지 IT 융합기술의 대표적 제품이 되는 저속전기차, 스마트 미터링(Smart Metering) 기기들이 대거 등장하였고, 기존 제품의 개량 모델이 등장하였다. 가령 전력공 급상황과 방재시스템의 작동 여부를 컴퓨터 화면을 통해 쉽게 파악할 수 있었으며, Power Conditioning 기능의 소프트웨어가 내장된 ESS(Energy Storage System)가 출시되어 태 양광발전만으로도 안정적으로 전기가 공급되었다. 또한 휴대용 태양광발전기, 독립형 여과 기, 독립형 수력발전기 등이 등장한 일본에서 오사카府, 사세보市, 도토리市 등이 앞다퉈 스마트그리드를 대규모로 설치 중이다. 정보통신산업진흥원 23
  • 10. 주간기술동향 2013. 9. 18. 일본의 기업들은 소비자의 수요에 부응하고자 기존 제품군들을 스마트그리드로 업그레이 드하였다. NEDO 는 스마트커뮤니티를 적용하는 정부기관과 기업, 전문가들을 JSCA(Japan Smart Community Alliance)로 묶어서 신재생에너지 기술 진흥을 추진하고 있고, 도요타 는 장거리 고속전기차 프리우스 PHEV(Plug-in Hybrid Electronic Vehicle)와 함께 한번 충전으로 60km/h 속도로 40km 정도 주행하는 저속전기 Concept Car 인 Smart INSECT 를 출시하였다[14]. (2) 국제핵융합실험로(ITER) 세계 최대 국제과학프로젝트라 불리는 ‘ITER’ 사업은 궁극적인 녹색에너지인 핵융합 에너지의 상용화를 위해 우리나라를 비롯한 EU, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7 개국 이 공동으로 국제핵융합로를 건설하고 연구하는 국제협력 프로젝트이다. 세계적인 국제협 력 프로젝트 ‘ITER’ 사업에서 국내 산업체들이 다양한 과제를 수주할 수 있었던 이유는 한국형 핵융합실험로 ‘KSTAR’를 건설한 기술력이 있었기 때문이다. 지난 2007 년 완공된 ‘KSTAR’ 건설 당시 국내 약 70 개 기업이 참여했으며, 대한민국이 국내외에서 취득한 관 련기술 특허가 200 개를 초과한다. 또한, ‘KSTAR’ 건설 단계에서 수많은 시행착오를 통 해 얻은 대한민국의 핵융합 장치 기술력은 현재 ‘ITER’ 사업에 참여하고 있는 다른 선진 국들로부터 높이 평가 받고 있다. 2012 년 3 차 실험을 통해 초전도토카막 장치로서는 세계 최초로 고성능 플라즈마 밀 폐상태를 구현해 낸 ‘KSTAR’는 다시 한번 기대 이상의 연구성과를 올렸고, 세계 핵융합 연구계의 관심을 받았다. 이러한 성과들은 국내 핵융합에너지 산업기술의 위상을 높이는 출발점이 되었다. 대한민국이 ‘KSTAR’ 개발을 통해 획득한 기술력 덕분에 ‘ITER’ 사업에 서 주도적인 역할을 수행할 수 있게 된 것이다[15]. 4. 에너지 IT 기술개발 방향 ETRI 는 IT 융합의 세계시장을 2010 년 1 조 2,000 억 달러에서 2020 년이면 3 조 6,000 억 달러로 3 배 이상 늘어날 것으로 전망하고 있다. 그 중에서 에너지 IT 융합의 대 표적인 ‘스마트그리드’ 세계 시장의 규모를 미국 리서치업체인 프로스트 앤 설리반(Frost & Sullivan)의 보고서를 통해서 보면, 세계 스마트그리드 시장이 2011 년 289 억 달러에 서 2017 년 1,252 억 달러로 연평균 28%의 높은 성장세를 기록할 것으로 전망되고 있다. 24 www.nipa.kr
  • 11. IT 기획시리즈 또한, 지능형전력망협회(www.ksmartgrid.org)는 국내 스마트그리드산업이 2015 년까지 건설 분야는 2 조 3,000 억 원, 제조 분야는 4 조 6,000 억 원, 서비스 분야는 4,600 억 원 규모로 성장할 것으로 전망하고 있다. 대한민국 정부 역시 지식경제부(현 산업통상지원부)가 지난 2010 년 발표한 “스마트그 리드 국가로드맵”을 통해서 2030 년까지 스마트그리드 국내 시장의 규모를 총 123 조 1,000 억 원으로 전망하였다. 현재, 스마트그리드 정책이 수립된 국가는 미국, 프랑스, 독 일, 스페인, 영국, 중국, 일본, 한국, 브라질 등 9 개 국가로서, 향후 미국을 중심으로 유럽, 아시아 등이 성장을 주도해 나갈 것으로 예상된다. 바로 이러한 전망과 예상으로 에너지 IT 기술개발 방향을 분석하면, 차세대 에너지원의 확보를 위해 탐사, 발견, 채굴 외에도 수 송, 물류, 저장, 분류와 같은 공정과 다양한 규모의 처리시설에 혁신이 요구되고 있고, 스 마트그리드처럼 전기에너지의 발전-송ㆍ배전-판매의 단계로 이루어지던 기존의 단방향 전력망에 정보기술을 융합하여 경제성과 효율성을 최적화하거나 극대화하는 기술개발 방 향이 요구된다. 한편, 최근의 에너지원은 셰일가스, 가스하이드레이트, 원유와 같은 지구 화석연료의 고갈에 대비하여 전기를 무한대로 초장기간(거의 영원한 시간)에 걸쳐서 생산 분배-소비 할 수 있는 지구환경과 우주환경을 이용하는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다. 구체 적으로 보면, 현재 보편화되어 있는 ‘태양광 발전기 및 태양열 보일러’의 발전효율과 발열 효율의 개선 및 혁신 기술 외에도 지열 보일러, 풍력/파력/조력/압력/동력/수력 발전기, 화 력발전기 및 폐열 보일러, 원자력발전기, 인공태양 핵융합로, 낙뢰 축전기, 가축 분뇨의 발 효열 보일러, 전기 메기/뱀장어 축전기, 동굴 응축기, 개인용 대용량 초고속 충전기와 같은 새로운 에너지원의 발굴과 에너지 효율의 개량/개선 기술들이 개발되고 있다. 또한, 가스관/원유관/전력망 같은 에너지 공급망은 상하수도관처럼 도시를 구현하는 사 회간접자본으로서 2012 년 정부가 “지능형전력망 정보의 보호조치에 관한 지침”을 발표 ㆍ시행함으로써 스마트그리드 사업자가 준수해야 할 보호조치에 대한 세부적 기준을 마련 했듯이 국가에 대한 적대국이나 적대 무장세력의 전쟁 위협, 테러 감행 외에도 화재, 수재, 고장, 파손과 같은 각종 위험요소들로부터 보호 받아야 하는 기간시설이다. 따라서, 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 발표한 7 대 영역(전력시장, 전력운영, 서비스공급자, 발전, 송전, 배전, 소비자)의 스마트그리드 모델과 사이버보안 가이드라인(NIST IR 7628)을 참 정보통신산업진흥원 25
  • 12. 주간기술동향 2013. 9. 18. 조하여 국내 에너지설비관리 및 전기자동차 충전기기의 관리와 유지보수에도 전 국민이 정부와 함께 노력하고 만전을 기해야 할 것으로 분석된다. 특히, 전기를 소비하는 모든 기계의 전류소비량을 줄이고 전압수준을 낮추는 초저전력 소비기준을 각 기계별로 표준규제를 제정하는 한편, 상호호환(인정)체제를 구축하는 국제 적인 노력과 함께 그런 모든 전력소비기계에 필수적인 대기전력을 거의 0W(zero watt)로 만들면서 동시에 소비전력을 최소량으로 감축하는 전력/전류/전압 관리용 SoC(Systemon-Chip)와 SW 기술도 개발되어야 할 것으로 분석된다. 여기에, 전기에너지수확원으로서 압력, 가속도, 진동, 체열, 체온, 기온, 습도, 음파, 매체온도, 화학적 독성, 생물적 독성, 폐 기물/쓰레기의 소각발열과 폐열, 바람/물/유체의 이동과 동력차이증폭에 의한 에너지 수준 으로의 변환, 광(빛, 조명)의 전기로의 변환, 우주(방사)선의 전기로의 변환, 보온과 단열재 의 건축물을 비롯한 Green 신재생에너지기술의 연구 개발도 창조적으로 추진해야 할 것 으로 분석된다. 5. 결론 지금까지 전기에너지 수확용/재생용 IT 융합기술의 개발 동향들을 분석하였다. 고갈되 어 가는 화석연료인 각종 가스와 석유(원유)의 확보 및 판매 보급에 경제 전쟁, 무역 전쟁, 자원 전쟁을 불식시킬만한 획기적인 전기에너지의 수확과 에너지 재활용에 IT(정보통신) 기술의 융합이 요구되고 있다. 최근에는 진동이나 소음, 사람의 움직임, 공장의 폐열, 달리 는 자동차의 엔진, 음악 콘서트장에 설치된 스피커, 가정에서 쓰이는 믹서기처럼 버려지는 역학적 에너지, 방사선이나 광(빛)처럼 눈에 보이지는 않지만 지구 환경과 개인 생활 속에 서 흔히 버려지는 에너지를 전기에너지로 바꾸려는 ‘에너지 수확기술’(Energy Harvesting) 이 주목을 받고 있다. 이러한 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 에너지수확기술 중에서 물을 이 용한 ‘전기 이중층 캐패시터 기술’ 역시 획기적인 발견이다. 또한, 이 기술을 사용하여 만 든 장치를 신발 밑창, 움직이는 팔, 쉬지 않고 뛰는 심장 근육 등 사람들의 몸에 부착하면 휴대용 전화기와 같은 소형전자장치에 계속해서 전기를 공급할 수 있기에 충분하다. 따라 서, 거대산업단지/기계/플랜트 같은 중화학공업 기반은 물론이고, IT 융합 인프라와 스마트 기기의 보급률까지 세계 최고로 갖추게 된 2013 년의 대한민국은 이러한 전기에너지수확 26 www.nipa.kr
  • 13. IT 기획시리즈 기술과 에너지 IT 융합신기술의 국내외 시장들을 잘 개발하여 육성하고, 국내 기업들이 무 역에서까지 대한민국의 경제적/문화적/사회적 가치를 창출하여 인류와 지구에 기여하도록 정부가 적극 지원해야 한다. 향후 10 년 이내에 “휘어지는 디스플레이와 신축성 있는 전자회로기판과 디스플레이” 외에도, 무발열 가전기기와 개인용 정보통신기기, 완전순환형 전기에너지수확기와 에너지 재활용기, 탄소포집장치와 각종 연료변환기, 온실가스흡수변환기, 지구환경의 오염 청소용 로봇, 3 차원 증강현실/모의실험 분석기, 입는 컴퓨터와 스마트 의류(옷, 신발, 모자, 장갑, 양말, 장신구, 등), LED 조명/LED 통신기기, 대기 중의 전하운동(벼락) 축전기, 전기자동차, 스마트 웨이(철도, 도로), 스마트 빌딩이 보급되어 최저 소비 전력량과 최적의 에너지원(전 기, 가스, 물) 소비량이 조절될 것이고, 모든 종류의 IT 융합부품들이 채용되어 전기에너지 발전설비들의 최적화 및 지능화 기기와 전기에너지수확기, 폐에너지 재활용기기들이 발명 될 것으로 전망된다. <참 고 문 헌> [1] 박영탁, ‘에너지자원 고갈, 기계산업은 뜬다’, 전자신문 전문가기고, 2013. 6. 9. [2] “에너지 수확 및 저장기술 유럽 2013’” 환경일보, 2013. 3. 29. [3] 문종균, 박혁규, “전기 이중층의 역학적 변조를 이용한 전력 생산”, 물리학과 첨단기술, APRIL 2013, pp.24-28. [4] “차세대 반도체 국제표준 한국이 주도”, 디지털타임스, 2012. 10. 29. [5] “융기원 연구팀 친환경 패치형 압전 에너지수확소자 첫 개발”, 전자신문, 2012. 11. 27. [6] “몸이 발전소…입고 다니면 전화충전되는 스마트 옷 연구”, 한겨레뉴스, 2013. 2. 4. [7] “<환경> 나무에서 전기 딴다”, 연합뉴스, 2009. 9. 16. [8] “뉴에너지 테크놀로지스, 차량 역학 에너지 이용한 에너지 생산 기술 버거킹서 시험해”, 네이버뉴스, 2009. 9. 11. [9] “한화케미칼, 석유화학 IT 융합기술로 에너지 줄인다”, NEWSTOMATO, 2013. 5. 29. [10] “[WIS2013]ITRC 시티 IT 그룹”, 전자신문, 2013. 5. 21. [11] “ETRI, IT 융합 건물 에너지관리 플랫폼 개발”, 충청투데이, 2013. 1. 23. [12] “하니웰, 스마트그리드 시장 진출”, 전자신문, 2012. 7. 1. [13] “스마트그리드 일본에선 이미 생활화”, 에너지경제, 2013. 6. 5. [14] 이경수, “미래 녹색에너지, 핵융합”, 2011. 1. 13. [15] 임용훈, “스마트그리드 보안 전략 및 보안 기술”, 전기신문, 2013. 6. 27. 정보통신산업진흥원 27

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