에너지
분산 전력망 – 에너지 안보의 미래
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Many see decentralized power grids as the best option for improving energy security. These networks enhance traditional grid infrastructure by utilizing community-based energy resources alongside centralized power stations. Here’s how a team of MIT engineers seeks to improve decentralized power grids and help keep homes energized in the future.
전력 중단 증가
보고서에 따르면 전 세계적으로 전력 중단이 여러 이유로 증가하고 있습니다. 유지보수 부족은 시스템 노후화와 많은 지역에서 성능 저하를 초래합니다. 또한, 과거보다 심각한 기상 조건이 더 자주 발생하여 오래된 인프라에 추가적인 스트레스를 가하고 있습니다.
많은 사람들이 생각하지 못하는 전력 중단의 또 다른 원인은 재생 에너지로의 전환입니다. 태양광 패널은 저비용 에너지를 제공하는 대표적인 예이지만, 전혀 생산할 수 없는 시간과 상황이 존재합니다.
밤이나 장시간 흐린 날씨가 지속될 경우, 태양광 시스템은 지역 사회를 지원하는 데 필요한 에너지를 제공할 수 없습니다. 전통적인 전력 중단과 달리, 재생 에너지 생산의 예측 가능한 공백(예: 흐린 날이나 태양광의 야간) 은 그리드 엣지 장치를 조정하여 실시간으로 소비와 배분을 조절함으로써 완화될 수 있습니다..
전력 중단 통계
2023년 미국 주택 조사(American Housing Survey)는 에너지 위기의 심각성을 밝혀냈습니다. 보고서에 따르면 지난 1년 동안 미국 가구의 4분의 1 이상이 전력 중단을 경험했으며, 인터뷰 대상자의 70% 이상이 6시간 이상 정전됐다고 밝혔습니다. 흥미롭게도 통계는 농촌 지역이 장기간 정전을 겪을 가능성이 더 높다는 것을 보여줍니다. 그러나 디트로이트와 같이 열악한 인프라와 기타 요인으로 인해 비정상적으로 높은 정전이 발생하는 특정 도시도 강조되었습니다.
전 세계적인 우려
전 세계 정전을 살펴보면 이 문제가 기하급수적으로 확대되는 것을 알 수 있습니다. 전체 국가가 며칠, 심지어 몇 주 동안 어둠에 빠지는 사례가 많이 있습니다. 한 사건에서는 쿠바의 노후 전력망이 고장 나며 1천만 명 이상이 며칠 동안 전기가 끊겼습니다.
지역 전력망의 진화
지역 전력망을 생각하면 중앙 발전소, 변전소, 송전선 등을 떠올릴 것입니다. 이 인프라는 여전히 가장 일반적이지만, 가정용 전자기기의 발전으로 인해 큰 변화를 겪었습니다.
출처 – MIT
그리드 엣지 장치
그리드 엣지라는 용어는 중앙 전원 공급원에서 멀리 떨어진 장치를 의미합니다. 이러한 장치는 전력 생산, 저장 및 조정과 같은 고급 기능을 갖추고 있습니다. 그리드 엣지 장치에는 가정용 태양광 패널, 배터리, 전기차, 히트 펌프, 온수기 및 IoT(사물인터넷) 장치가 포함됩니다.
분산 에너지 자원 (DERs)
분산 에너지 자원의 사용이 증가함에 따라 시장에 새로운 기회가 생겨났습니다. 이러한 스마트 장치는 모니터링, 제어, 통신 및 작동 기능을 제공합니다. MIT 엔지니어 팀은 이러한 유연성을 활용하여 그리드 탄력성을 향상하고 사이버 공격으로부터 보호하며 네트워크를 안정화하는 최신 전략을 구상했습니다.
분산 전력망 연구
최근 미국 국립과학원(National Academy of Sciences) 저널에 발표된 연구인 “신뢰할 수 있는 IoT-조정 자산을 통한 전력망 탄력성”은 엣지 장치를 활용하여 다양한 시나리오에 대비한 그리드 탄력성을 확보하는 새로운 프레임워크를 소개합니다. 새로운 시스템은 조정된 그리드 엣지 장치를 활용해 네트워크를 재균형하거나 지원합니다.
IoT 장치
연구의 핵심은 IoT(사물인터넷) 장치의 활용입니다. IoT 장치로 인정받기 위해서는 센서를 갖추고 인터넷으로 데이터를 전송할 수 있어야 합니다. 현재 전 세계에 수십억 대의 이러한 스마트 장치가 존재합니다. 따라서 연구진은 향후 5년 내에 엣지 장치의 대부분을 차지할 것으로 예상되는 이 장치들을 활용하는 데 초점을 맞췄습니다.
이 전략은 주택 소유자가 지역 시장에 가입하도록 합니다. 이 구독을 통해 그들의 IoT 장치는 마이크로그리드에 참여할 자격을 얻게 됩니다. 승인되면 신뢰받는 장치는 엔지니어가 개발한 독점 알고리즘에 따라 전력 소비와 배분을 조정할 수 있습니다.
EURIEKA (효율적, 초고탄력성, IoT-조정 자산)
EURIEKA 알고리즘은 엔지니어 연구의 핵심입니다. 이 알고리즘은 네트워크에서 참여하는 엣지 장치를 스캔합니다. 그런 다음 사전 설정된 기준에 따라 전력망을 보조할지 IoT 장치의 전력 소비를 줄일지를 결정합니다. 알고리즘이 효과적인 이유는 각 지역 전력 시장을 기반으로 하기 때문입니다.
운영자
지역 시장 운영자는 이 접근 방식에서 중요한 역할을 합니다. 각 시장에는 그리드 참가자 및 다른 운영자와 소통하고 관리하는 책임을 가진 운영자가 있습니다. 이들은 EURIEKA 알고리즘을 시작하고 정상 작동을 보장하는 노드입니다.
신뢰 구축
이 과정의 첫 단계는 신뢰를 구축하는 것입니다. IoT 장치가 너무 많아 시스템이 검증되고 승인된 장치만 사용하도록 하는 것이 보안 위험을 방지하는 데 중요합니다. 알고리즘은 신뢰할 수 있는 IoT 장치를 독립적으로 검증·승인하여 전력 고장을 효과적으로 완화하고 시스템을 안정화하는 최적의 조합을 결정합니다.
지역 전력 시장
이 전략의 일환으로 IoT 참가자들이 노력에 대한 보상을 받을 수 있는 지역 에너지 시장을 구축합니다. 시스템은 각 참가자의 행동을 자동으로 추적하고 에너지 기여도에 따라 수익을 지급합니다. 엔지니어들은 직접 지급부터 청구서 크레딧까지 다양한 보상 방식을 구상했습니다.
분산 전력망 테스트
MIT 엔지니어들은 새로운 접근 방식을 테스트하기 위해 다양한 장치와 알고리즘을 활용합니다. 구체적으로 엔지니어들은 유틸리티 친화적인 시뮬레이터, 실시간 하드웨어‑인‑루프 검증, 그리고 공동 시뮬레이션 플랫폼을 사용했습니다.
전력망 알고리즘
테스트에는 전력 손실 상황을 포함한 여러 시나리오가 포함되었습니다. 시나리오는 시스템 모든 수준의 고장을 고려했습니다. 경우에 따라 손실이 5% 수준에 불과했으며, 다른 경우에는 네트워크가 최대 40%의 대규모 고장을 겪었습니다.
그리드 공격 시나리오
연구진은 주요 사이버 공격에 대해 시스템을 테스트했습니다. 이 시나리오에서 팀은 스마트 온도조절기가 해킹되는 상황을 상정했습니다. 해킹된 장치는 전력망에 위험 수준까지 스트레스를 가하도록 작동되었습니다. 이 증가된 스트레스는 전통적인 전력망을 붕괴시킬 수 있지만, 그리드 엣지 시스템은 탄력성을 보였습니다.
자연 재해
팀은 또한 기상 이벤트에 대해 네트워크를 테스트했습니다. 대규모 자연 재해가 발생해 전송선의 상당 부분이 손상되는 상황을 상정했습니다. 이러한 시나리오는 주요 자연 재해가 빈번해지면서 전 세계적으로 흔히 발생합니다.
분산 전력망 테스트 결과
알고리즘 테스트 결과, 그리드 엣지 장치 네트워크가 다양한 공격으로 인한 에너지 손실을 보완할 수 있음이 입증되었습니다. 시스템은 그리드 토폴로지를 조정하여 성공적으로 그리드를 재안정화했습니다. 또한, 새로운 알고리즘은 신뢰할 수 있는 장치와 그 능력을 자동으로 판단할 수 있습니다.
분산 전력망의 이점
분산 전력망이 시장에 제공하는 이점은 많습니다. 첫째, 각 장치의 전력 소비를 고려한 맞춤형 전력 생산을 제공해 효율성을 높입니다. 이 시스템은 현 상황에 비해 더 친환경적이고 지속 가능한 대안입니다.
IoT 장치는 어디에나 존재합니다
또 다른 이점은 IoT 장치의 활용입니다. 전 세계에 수십억 대의 이러한 장치가 존재하며 전력망을 안정화시키는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 전략은 그들의 능력을 고려해 함께 활용함으로써 극한 상황에서도 고장 없이 견딜 수 있는 보다 견고한 전력망을 구축합니다.
재생 에너지 격차 메우기
풍력 및 태양광과 같은 기술은 청정 에너지를 생산하는 데 뛰어나지만, 가정을 전력 공급에 필요한 전기를 생산하지 못하는 시기도 있습니다. 이러한 상황에서 엔지니어들은 그리드 엣지 장치가 추가 작업을 수행해 전력을 보충할 것을 상정했습니다.
수익성
이 전략의 잠재적 이점 중 하나는 참여자들이 기여도에 따라 보상을 받을 수 있는 보다 역동적인 지역 전력 시장입니다. MIT 연구진이 이 개념을 제안했지만, 청구서 크레딧이나 지급과 같은 구체적인 재정 인센티브는 시장 구현 및 규제 체계에 따라 달라집니다. 전월에 스마트 냉장고와 온도조절기가 그리드 안정에 기여했으므로 한 달 전기의 비용을 무료로 받는다면 좋겠죠.
분산 전력망 연구자들
분산 전력망 연구는 MIT 엔지니어 팀에 의해 제시되었습니다. 논문은 주요 저자로 Vineet Nair와 John Williams를 명시하고 있으며, Anu Annaswamy도 공동 저자로 참여했습니다. 또한 인도 공과대학(IIT), 국가 재생 에너지 연구소(NREL), 미국 에너지부(DOE) 및 MIT 에너지 이니셔티브의 자금을 지원받았습니다.
이 연구는 Nair 주요 연구자의 적응 제어 이론 분야 이전 작업을 확장합니다. 적응 제어 이론은 시스템이 스스로 감지하고 인간 개입 없이 자동으로 문제를 교정하도록 하는 데 중점을 둡니다. 최신 프로토콜은 이 연구와 일맥상통하며 언젠가 연중 가정에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.
에너지 솔루션을 선도하는 기업들
가장 탄력적인 에너지 솔루션을 시장에 제공하기 위한 경쟁은 여러 핵심 기업들의 등장을 이끌었습니다. 이 기업들은 시장 전반에 걸쳐 에너지 생산 및 전달을 강화하기 위해 수백만 달러를 연구개발(R&D)에 투자했습니다. 다음은 전력망 개선을 활용하기에 이상적인 위치에 있는 기업입니다.
Duke Energy Corp
Duke Energy Corp (DUK )는 1904년에 카타와바 강에 위치한 수력 발전소로 시장에 진입했습니다. 이 회사는 James Buchanan Duke와 Benjamin Newton Duke에 의해 설립되었으며 노스캐롤라이나 주 샬럿에 본사를 두고 있습니다. 설립 이후 Duke Energy Corporation은 크게 성장했으며, 오늘날 미국에서 가장 큰 전력 회사 중 하나입니다.
Duke Energy가 시장 지배력을 확보한 과정은 수십 년에 걸친 인수와 시장 변동을 통해 이루어졌습니다. 1997년에 이 회사는 PanEnergy Corporation과 합병하여 사업을 확대했으며, 2005년에 Duke Energy는 Cinergy Corporation을 인수하여 주요 주에서의 시장 침투를 확대했습니다.
DUK 가격 차트
오늘날 Duke Energy는 에너지 생산 분야의 시장 리더로 남아 있습니다. 이 회사는 신뢰할 수 있고 저렴한 에너지를 고객에게 제공하기 위한 전략의 일환으로 지속적으로 혁신하고 새로운 기술을 통합하고 있습니다.
그의 위치와 역사는 Duke Energy가 그리드 엣지 연구 결과를 통합하여 제품을 개선할 수 있게 해줍니다. 따라서 DUK는 어떤 포트폴리오에도 강력한 추가 요소로 여겨집니다.
Duke Energy Corp 최신 소식
분산 전력망의 미래
엔지니어들은 성공을 위해 극복해야 할 많은 채택 장벽이 여전히 존재한다고 인정합니다. 우선, 시스템은 고객과 기업이 네트워크에 참여하도록 선택해야 합니다. 이후 시스템이 전력을 네트워크에 다시 공급하고 그들의 노력을 추적할 수 있도록 특정 하드웨어를 통합하는 데 동의해야 합니다. 이러한 모든 단계는 대중에게 교육을 제공하고 저비용·접근 가능한 솔루션을 제공해야 합니다.
전력망 탄력성 달성
이 독창적인 접근 방식을 제시한 이 팀에게 찬사를 보내야 합니다. 그들의 개념은 쉽게 구할 수 있는 그리드 엣지 장치를 활용하여 전체 시스템을 안정화했습니다. 이 전략은 타당하고 거대한 비용이나 네트워크 변경이 필요하지 않으며, 현재 존재하는 방대한 IoT 네트워크를 활용합니다. 따라서 앞으로 분산 전력망에 대한 추가 연구가 진행될 것으로 기대됩니다.
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연구 참고:
1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, 신뢰할 수 있는 IoT-조정 자산을 통한 전력망 탄력성, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).
