천연가스, 원전
2019.12.11 수 19:06
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新기후체제 선제적 대응·신산업 기술개발 역량 강화
신산업 선순환 생태계 조성·해외시장 개척 '본격화'
2017년 01월 23일 (월) 12:54:27 전력경제 epetimes@epetimes.com

   
 전력연구원 전경이다

▲초임계 CO₂ 발전기술
 
   
 
 
초임계 CO₂ 발전의 응용 범위 
초임계 CO₂발전기술은 석탄화력발전의 작동유체가 증기인 것을 이산화탄소로 대체하는 개념을 통해 기존의 석탄화력 발전소 대비 발전효율을 향상시키고 터빈의 크기를 소형화할 수 있다.

뿐만 아니라, 넓은 온도 범위에서 활용가능하고 화력발전·신재생에너지·원자력·폐열 등과 연계해 다양한 분야에서 응용이 가능하다는 게 장점이다.

전력연구원은 현대중공업과 함께 2019년까지 ‘디젤 및 가스엔진 폐열’을 이용해  2MW급 초임계 CO₂발전 시스템 개발을  진행 중이다. 육상발전 플랜트와 선박엔진의 폐열을 단기 목표 시장으로 겨냥하고 있다. 향후 열원과 용량 다변화를 통해 신재생에너지·분산전원·대용량 석탄화력 분야에도 연계, 기술개발을 추진할 계획이다.
 
▲이산화탄소 활용·자원화 기술
   
이산화탄소 고부가화 기술 개념도
이산화탄소 활용기술(CCU, Carbon Capture & Utilization)은 화력발전소·시멘트· 석유화학공장 등과 같은 대규모 배출원에서 발생되는 온실가스를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환해 활용하는 기술이다.

이 기술은 기존의 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, CO₂Capture & Storage)과 비교해 처리 할 수 있는 이산화탄소의 양은 적지만 이산화탄소 활용에 따른 경제적 이익창출과 온실가스 감축의 두 가지 목표 달성이 가능한 장점으로 인해 최근 에너지 신산업 측면에서 많은 주목을 받고 있다.

현재 한전등 전력그룹사는 이산화탄소를 활용한 탄소 자원화기술에 대한 중요성이 증대됨에 따라 2013년 이후 관련 기술개발을 위해 많은 투자를 하고 있다. 이중 전력연구원이 진행 중인 이산화탄소 활용기술로는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술, 산업체에서 발생하는 부산물과 이산화탄소를 활용한 탄산칼슘 제조기술 등이 꼽힌다.

이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술은 이산화탄소 탄산화 공정과 염수 전기분해 공정을 결합해 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 별도의 포집설비 없이 바로 중탄산소다 등의 화합물로 전환시키는 기술이다. 이를 위해 전력연구원은 자체 개발한 고효율 이산화탄소 탄산화공정과 저에너지형 염수 전기분해 기술을 바탕으로 하루 10kg의 이산화탄소를 포집해 20kg의 중탄산소다를 생산할 수 있는 공정에 대한 성능시험을 마쳤다. 

이같은 성과를 바탕으로 2016년 8월, 하루 200kg의 이산화탄소 처리를 통해 연간 약 150톤 규모의 중탄산소다를 생산할 수 있는 이산화탄소 활용 고부가화합물 생산기술 개발에 착수했다.
이산화탄소 고부가화 기술 개념도

▲미세먼지 관리 및 제어 기술
   
발전소 굴뚝에서 채취한 미세먼지
전력연구원은 국내 최초로 충남 소재 3개의 화력발전소를 대상으로 발전소 배가스 계통과 발전소 주변 환경에서의 미세먼지 농도 및 거동 특성을 평가하고 정량적인 DB를 2016년에 구축했다.

국내 대규모 화력발전소인 보령화력·태안화력·당진화력의 총 6개 호기와 각 발전소 주변 반경 1, 5, 10, 20km 지점에서 채취된 미세먼지 시료를 대상으로 총먼지(TP), 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5)의 농도 및 거동 특성을 정량적으로 분석했다.

   
환경대기 중 미세먼지 측정 장치
국내 주요 화력발전소를 대상으로 탈질설비·열교환기·전기집진기·탈황 설비 등 주요 공정의 후단에서 배가스 시료를 채취, 공정시험법에 의거 미세먼지의 농도·화학성분·형상 등을 분석함으로써 각 계통의 미세먼지 거동 특성을 파악했다.

발전소 계통뿐만 아니라 실제로 발전소가 주변 환경의 미세먼지 확산에 미치는 영향을 평가하기 위해 발전소 주변 환경에서 대기 시료를 채취, 미세먼지 농도·형상·화학성분 등 제반 특성을 분석해 발전소와의 연관 관계를 규명했다.

국내 석탄화력발전소를 대상으로 구축된 미세먼지 배출 및 거동자료는 앞으로 청정발전 운영기반을 구축하는 데 크게 기여할 것으로 보인다. 연구결과 축적된 화력발전설비의 미세먼지 관리 노하우는 신기후변화 대응기술의 하나로 전 세계 환경기술 시장을 개척하는 데 활용될 것으로 기대된다.

▲전력 IoT 기반기술
   
시스템 설계 및 네트워크 연동기술 
전력연구원은 정부의 사물인터넷 (IoT: Internet of Things) 정책에 부응하고 IoT기반 에너지신사업을 발굴하기 위해 전력 IoT 표준모델을 개발했다.

IoT 기술은 디바이스·네트워크·플랫폼·서비스로 구성되며 네트워크와 플랫폼을 기반의 창의적 아이디어로 개발된 디바이스와 신(新)서비스를 사업화해 오픈 이노베이션(Open Innovation)을 추구하는 대표적 미래유망기술이다.

전력연구원은 전력분야에 IoT기술을 적용하기 위해 유·무선 네트워킹(통신)과 플랫폼 운영 규격을 제정하고 개발용 시스템인 표준모델을 개발해 신규 디바이스 및 서비스를 검증, 실증할 수 있는 표준모델을 국산화했다.

전력연구원에서 개발한 전력 IoT 표준모델의 플랫폼은 OneM2M 기반의 국제표준을 따르며, 전력설비의 진단·감시를 위해 최적화된 스마트센싱 기술을 확보했다. 정보모델링 및 통신규약은 스마트센서의 고유번호를 할당하는 OID(Object Identifier)체계를 정립했고, 수km 이상 통신이 가능한 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 무선통신기술을 규정했다.

   
응용디바이스 설계 및 구현 
이와 관련된 플랫폼과 게이트웨이에 대해 한국정보통신기술협회(TTA : Telecommunications Technology Association)로부터 상호연동 인증을 취득했다. 스마트센서는 전력설비의 열화신호 또는 운영 시 발생되는 운전신호를 검출할 수 있도록 설계되어 방전光(UV-C)·방전音(초음파)·전류 자기장 등이 구비된 복합센서 형태로 개발됐다.

또한 무선센서의 배터리 문제를 해결하기 위해 에너지하베스팅 기술을 적용할 예정이다.
전력연구원은 전력 IoT 표준모델을 고창전력시험센터 모의시험선로와 연계하고 계통의 모의운전이 가능하도록 해 전력 IoT 신(新)디바이스 검증·인증시스템으로 활용할 계획이다.

전력 IoT 검증시스템은 Open Lab을 통해 보유기술·연구장비를 산·학·연에 공개하고 연구개발자와 협력함으로써 성능·가격 등에서 개발제품의 경쟁력을 확보하고, 빅데이터·인공지능·기계학습 등의 연계기술의 발전과 더불어 향후 복잡도가 증가되는 전력계통 운영을 위한 솔루션을 제시할 계획이다.

▲3D 및 AR 기반 송배전설비 운영관리기술
   
3D 증강현실 기술을 적용한 스마트웨어러블 시스템
최근 다양한 센서정보를 기반으로 하는 빅-데이터·IoT·증강현실 등 ICT 기술의 눈부신 발전과 더불어 전력설비 분야에서도 다양한 기술 적용이 시도되고 있다.

전력연구원이 수행하고 있는 스마트 웨어러블 디바이스와 3D 증강현실 기술은 가상의 이미지 혹은 정보를 실물과 결합해 작업자에게 직관적으로 보여는 주는 시각화 기술이다.

최근 BMW·SAP·EPRI 등 해외 대기업 및 연구기관에서 산업분야에 적용을 위한 다양한 연구가 수행 중이다.

특히, EPRI는 가공배전설비 관리시스템 프로토타입 개발 연구를 수행 완료하고, 후속으로 ‘Assessing Augmented Reality in Electric Utilities’ 과제를 추진 중이며 전력연구원은 현재 EPRI 과제에 참여하고 있다.

   
 
   
 

 

 

 

 

 

 

 

   
전력설비 증강현실 애플리케이션(지중관로, 전주H.I. 수목, 통신선 관리) 
   
 

 

 

 

 

 

 

 

 

이와 더불어 기존의 2D 기반의 텍스트 및 이미지 자료로 구성된 설비정보를 3D로 증강해 정보의 이해도를 높이고 다양한 업무를 수행할 수 있는 전력설비 운영관리시스템 및 애플리케이션 개발 연구를 주력과제로 추진하고 있다.
전력분야 3D 증강현실 기술은 지금까지 텍스트, 매뉴얼 방식의 사무실 중심 업무시스템에서 벗어나 현장 또는 언제 어디서나 전력설비 운영 및 관리업무를 3D 시각화해 공유할 수 있다.

특히 효율적 전력설비 운영 및 태풍과 같은 재난상황시 신속한 대처가 가능해져 안정적인 전력공급 및 작업시간 단축 효과가 기대된다. 현재 전력연구원에서는 전력설비 3D 데이터 구축 및 증강현실 운영관리기술 개발을 위한 연구개발을 추진하고 있으며, 올해부터 기존 설비정보를 3D화 할 수 있는 3D스캔 기술 및 객체인식기술 등 기반기술을 개발할 예정이다.
 
▲ 드론운용 플랫폼 개발
최근 각광받고 있는 드론은 관련기술의 급격한 발전으로 항공촬영·상품 배달·농약 살포·설비 감시 등 그 사용영역을 확장해 나가고 있다.

< 생체모방 드론 메커니즘 개념도 >

   
근접비행·감시 기능
   
선로 주행·비파괴검사 기능

 

 

 

 

 

 

 

 

 

한전에서도 배전 전주·배전 철탑 등의 점검에 적용한 바 있다. 하지만, 드론을 송전선로에 적용할 경우 송전선로의 철탑 높이가 높고 철탑 사이의 경간 거리가 너무 길어 사실상 육안조종이 어려워 드론의 자동비행이 필요하다.

< 드론 운용 플랫폼의 활용 >

   
순시계획 수립 → 자동순시 수행  →    취득데이터 수신 → 결과분석·보고
또 드론의 전력선 근접 비행시 활선 초고압으로 인한 자기장 간섭으로 자동비행에 필수인 지자기 센서가 오동작해 드론의  추락 가능성이 있다.

매우 긴 철탑 경간 거리로 인해 드론의 적용성을 높이기 위해서는 장시간 비행을 요구하나, 현행 상용드론은 보통 20분 정도의 단시간 비행만 가능하다.

송전선로 감시를 위해서는 고소(高所) 비행을 해야 하나 강풍·예기치 못한 돌풍 등의 환경 영향에 의해 드론이 송전설비에 충돌하거나 추락할 가능성이 상존하고 있다.

이에 전력연구원은 드론의 송전선로 적용시 문제점을 근본적으로 해결하고 송전선로 노후화와 점검인력 노령화에 대응하기 위해 초고압 활선선로의 감시진단이 가능한 생체모방 드론과 이를 운용하기 위한 드론 운용 플랫폼 개발에 착수했다. 전력연구원은 송전선로 활선 접근 위험성·돌풍 취약·짧은 비행시간 등의 제약요인을 극복하기 위해 생체모방 공학을 응용한 새로운 형태의 드론 메커니즘을 개발했다.

또한 생체모방 드론과 함께 이를 운용하기 위한 신개념 드론 운용 플랫폼을 개발 중이다. 드론 운용 플랫폼은 송전선로 순시 및 점검 비행계획 수립·드론으로부터 취득된 영상·센서 정보 등 빅데이터를 받아 데이터베이스에 저장해 비행이력 관리· 저장된 데이터를 인공지능 기반으로 자동 분석해 진단 결과보고서 생성·3D 지형 및 설비정보 모델링을 통해 구축된 가상현실 환경에서 드론 사용자 교육훈련을 지원하는 기능으로 구성된다. 

전력연구원은 불시정전 사고를 미연에 방지하는 적극적인 예방 정비 체계를 구축해 송전설비 진단의 안전성과 신뢰도를 향상시키고, 드론 운용 플랫폼을 활용해 취득한 데이터의 DB를 구축하면 객관적 운영자료 확보 및 향후 예측진단 기술 개발의 기반을 조성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.    

▲AMI 계량 빅데이터 통합관리기술 개발
 
   
< 분산·병렬처리 기반 MDMS 솔루션 개략도 >
전력연구원은 빅데이터 분야 오픈소스 분산·병렬처리 플랫폼을 활용해 전국의 스마트전력계량인프라(AMI) 계량데이터를 통합관리 할 수 있는 계량데이터 관리시스템(MDMS) 개발에 성공했다.

AMI 보급 확대 계획에 따라 2022년까지 전국에 2,200만호의 스마트계량기가 설치될 예정이다. 이에 따라 MDMS는 하루에 68억 건의 계량데이터를 수집하고 970GB 용량의 데이터를 저장해야 될 것으로 예상된다.

이러한 방대한 분량의 데이터를 수집·저장·관리하기 위해 외국의 상용 솔루션을 도입할 경우 수백억원 이상의 SW 구매비용이 발생할 뿐만 아니라, 연간 수십억원 이상의 유지보수비용이 발생된다.

이 분산·병렬처리 기반 MDMS는 전력연구원이 Hadoop, Spark, Flume 등 세계적으로 안정성 및 성능이 검증된 오픈소스 플랫폼을 활용해 한전KDN 등 국내 SW개발기관과 함께 개발한 것으로, 라이센스 도입비용이 전혀 발생하지 않는다. 이 시스템은 2017년 한전 본사 ICT통합센터내 운영서버에 설치돼 국내 AMI 사업에 적용될 예정이다.

최근 전력연구원이 개발한 분산·병렬처리 기반 MDMS는 계량데이터 수집관리 신뢰성과 처리성능 모두 세계 최고 수준이다. MDMS SW는 복수대의 중저가 HW 서버에 설치·운영이 가능하므로, AMI 보급확대에 따라 유연한 확장이 용이하다. 전력연구원의 분산·병렬처리 기반 MDMS의 데이터 수집 신뢰성은 100%, 처리성능은 최대 100,000(건/초)로, 2,200만호에서 AMI 계량데이터를 지연 없이 처리가 가능하다.

전력연구원은 이 기술의 특허 출원과 함께 처리성능을 120,000(건/초) 이상 추가 향상시키기 위한 연구를 진행 중이다. AMI가 확대되고 있는 중동·동남아 지역에 수출하기 위한 해외수출형 MDMS 개발도 추진 중이다.

▲에너지저장장치 운영 및 제어기술 확보
   
조천변전소 4MW/8MWh ESS 실증단지
에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)는 신재생 보급 확대와 스마트그리드 구축을 위한 핵심 기술이다.

전력연구원은 ESS 사업 분야 중 경제성이 우수한 주파수 조정 관련 기술 개발을 조기 추진하고 전력계통 주파수 조정용 통합 ESS 제어 알고리즘·운전 화면 및 방법·제어기·모의 검증 ESS 모델 개발 등 실증시험을 통해 기반 기술 확보에 주력했다.

2014년 제주시 조천변전소에서 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 실증을 완료하고 이를 바탕으로 2015년 서안성(28MW)·신용인(24MW) 변전소의 주파수조정
   
ESS의 구성
용 배터리 에너지저장장치에 연구원이 개발한 운영시스템을 적용, 상업운전에 성공했다.

2016년에는 신계룡변전소 등 8개소에 200MW 주파수조정용 ESS 사업을 준공하고 전력연구원의 운영시스템을 탑재했다.

전력연구원은 지속적으로 성장하고 있는 신재생에너지 출력 안정화를 위해 신재생 하이브리드(신재생 + ESS) 기술을 개발하고 있다. 서남해 해상풍력 출력안정화 및 피크저감 등 다목적 ESS 통합운영을 개발 목표로 28MW ESS를 2019년까지 실증할 계획이다.

   
FR ESS 사업추진현황
   
FR ESS 시운전

 

 

 

 

 

 

 

 

 



▲AC송전의 한계를 극복하는 HVDC 기술
   
제주 실증단지 전경
AC계통의 규모가 증가함에 따라 전력계통 운용의 안전성 및 효율성을 확보하기 위해 AC송전이 가지는 한계를 극복할 수 있는 대안으로 HVDC 송전에 대한 관심이 증가되고 있다.

고장전류 저감을 위한 계통분리·장거리 대용량 전력전송·비동기 전력계통 연계·해상풍력 연계 등의 프로젝트에 적용이 확대되고 있다.

전력연구원은 제주 HVDC 실증단지 구축을 위해 시스템 설계, 주요 변환설비인 변환용변압기·사이리스터 밸
   
DC 케이블 제어시스템
브·제어 및 보호시스템을 국산화해 제작하고 시험설비를 구축해 개발품의 성능시험 마쳤다.

이후 제주시 한림읍에 80kV 60MW급의 DC송전이 가능한 HVDC 실증단지를 2014년 준공 및 실증시험을 완료했다.

전력연구원은 전압형 HVDC의 성공적인 실증 운전을 통해 트랙 레코드(Track Record)를 확보하는 동시에 전력계통 송전망의 확보를 통해 전력의 안정적인 수급 및 운영신뢰도를 향상하기 위해 연구과제를 기획하고 있다.

또한 국내최초의 전압형 HVDC 시스템 개발·실증단지 구축 및 실계통 연계시험을 통해 국내 계통 적용을 통한 전력공급 안정화를 목표로 과제를 기획하고 있다.

▲마이크로그리드를 활용한 친환경 에너지자립섬 기술
   
가사도 독립형 MG 풍력/태양광 단지
마이크로그리드(MG, Microgrid)는 지역 내에서 풍력, 태양광 발전 등 신재생에너지원과 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System) 등을 에너지 관리시스템(EMS, Energy Management System)으로 제어해 외부의 전력망에 연결·운전하거나, 독립적으로 운전할 수 있는 배전 선로 규모(수MW 정도)의 계통망을 의미한다.

이에 따라 마이크로그리드는 독립 전력계통 구성을 필요로 하는 도서지역이나 지리적·경제적 여건으로 대규모 전력설비 건설이 어려운 일부 국가에서 새로운 대안으로 각광받고 있다.

전력연구원은 차세대 에너지관리시스템인 마이크로그리드를 개발해 전남 진도군 가사도에 친환경 에너지의 생산·저장·이용이 가능한 에너지 자립섬을 2014년 10월에 준공했다.

   
캐나다 마이크로그리드 준공
또한 지난 2015년 11월 모잠비크에서 태양광발전설비 50kW·ESS 100kWh·모터펌프 및 정수설비 등으로 구성된 마이크로그리드를 조성하고 마을의 약 50여 가구 및 학교·커뮤니티 센터 등에 전기와 물을 공급하는 최초의 해외 전화(電化)사업인 ‘모잠비크 MG 시범사업’의 준공식을 개최했다.

이같이 실증된 경험을 바탕으로 캐나다 파워스트림과 기술협력 양해각서를 체결하고 지난해 6월 온타리오주 페네탱귀신시(市)에 한전형 마이크로그리드 토탈 솔루션을 성공적으로 구축했다.

현재 정부는 독립형 마이크로그리드를 에너지 6대 신산업으로 육성하기 위해 한전이 관리하는 62개 도서지역을 대상으로 친환경 에너지자립섬 조성사업을 추진하고 있으며, 한전은 울릉도에 마이크로그리드를 구축할 계획이다.

전력연구원은 에너지자립섬의 성공적인 실증 운전을 통해 트랙 레코드를 확보하는 동시에 캐나다 마이크로그리드 사업을 기반으로 북미·아프리카·중동지역 등에 적합한 마이크로그리드 사업 모델을 수출할 계획이다.

▲전기자동차용 무선전력 충전기 개발
   
구성요소
무선전력전송기술은 전기자동차(EV)의 충전을 위해 별도의 충전케이블 없이 자동차에 부착된 무선전력 수신패드와 바닥의 무선전력 송신패드를 이용해 전기자동차가 정지하였을 때 무선으로 전기를 충전하는 기술로 운전자가 별도의 조작 없이도 전기자동차가 충전되는 편리하고 안전한 기술이다.

이 때문에 전 세계의 완성차업계와 미국의 WiTricity, Qualcomm 등은 EV용 무선충전 기술개발과 표준화에 박차를 가하고 있고 조만간 상용화를 앞두고 있다.

   
송수신패드 사이의 자기장 (85 kHz)
전력연구원은 지난해에 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 지원과제로 수행중인 ‘유도/자기공명 방식의 6.6kW급 전기자동차용 무선전력충전시스템 개발’과제를 통해 6.6kW 전력을 무선으로 AC전원에서 배터리까지 종합 전송효율 89%, 송수신 코일간 전송효율 95%이상으로 전송하는데 성공했다.

전력연구원은 개발된 6.6kW 무선전력전송시스템은 효율개선을 거쳐 국내에서 판매중인 전기자동차에 무선충전시스템으로 적용해 안전성과 실용성을 검증하고 기존 충전기와 함께 설치, 실증 후 플러그인 방식의 충전인프라와 병행해 적용할 계획이다.

또한, EV용 무선전력충전의 정밀한 성능평가와 효율적인 측정을 위해 3차원 무선전력전송 성능평가 시스템을 구축해 전송효율 측정의 정확도와 속도를 올리고 향후 다양하게 개발되는 전기차용 무선충전시스템의 특성평가에 활용돼 국제표준 및 국내표준 인증시험에 대응하며 안전하고 편리한 EV용 무선전력전송기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

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