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구름이 몰려와 해를 가리면 광전지 시스템의 공급 전력은 50% 이상 떨어진다. 그리고 공기의 움직임이 멎으면 아무리 전력이 필요하다 하더라도 전력을 생산할 풍력을 구할 수 없다. 그렇다면 이들 두 가지가 각각 우리의 전력망에 신뢰할 수 있는 전원을 공급함에 있어서 서로 상대편의 약점을 보완하는 방법으로 둘을 조합하는 것보다 더 자연스러운 일이 무엇이겠는가? 독일 드레스덴(Dresden)에 있는 Belectric 회사는 이것을 인식하고 현재 정교한 하이브리드 발전소를 제시하고 있다. B&R 자동화 기술과 POWERLINK 통신 기술에 배터리 저장 장치를 추가하여 요구되는 안정성을 제공한다.

하나의 PV 시스템과 두 개의 배터리 저장 유닛으로 구성된 하이브리드 발전소의 모습. (출처 : Belectric)

에너지 공급원으로써 태양과 풍력은 축복이자 동시에 저주이다. 이들은 무한한 에너지 공급원이며, 또한 지속적인 기술 발전 덕분에 이제는 환경적으로 지속 가능한 에너지를 수용 가능하고 균형 잡힌 비용과 효율로 온 세상에 공급하는 데 있어서 결정적 역할을 한다. 그러나 동시에 태양광과 풍력은 휘발성이 높고 끊임없이 오르내리는 수요에 대한 응답성이 부족하다. 유틸리티 기업에게 있어서 이것은 전력망을 안정시키려면 상당한 기반구조 투자가 필요함을 의미한다. 공급 전력이 과도해지는 경우에 발전소는 반드시 이를 조절하거나 극단적으로는 공급을 차단해야 하는 경우도 있다. 이것은 이러한 발전소 운영자들에게 불만스러운 일이며, 전력을 공급하지 못하면 전혀 수익을 올릴 수 없기 때문이다. 반대의 경우에도, 에너지가 부족해지면 소위 피크 부하 발전소(peaking power plant)에 의해 매우 신속하게 전력 부족을 보상해야 한다. 피크 부하 발전소는 주로 가스 발전기로 운영되고 때로는 몇 분 이내에 가동해야 하기 때문에, 취약한 전력망에 광전지 시스템으로부터의 공급이 증가하고 있는 현실에서 문제가 될 수 있다.

소말리랜드(Somaliland)에 위치한 에너지 관리 및 배터리 제어 시스템을 위한 제어 캐비닛 컨트롤러와 안전 컴포넌트 및 SiteManager를 중심으로 구성되어 있다. (출처 : Belectric)

안정된 에너지 공급을 보장하는 하이브리드 발전소

Belectric Solar & Battery 개발자들은 이러한 문제점을 인식하고 매우 현명한 아이디어를 구현하였다. “기본적인 생각은 태양 에너지 발전과 에너지 저장 분야의 당사의 능력을 결합시킴으로써 전력망을 안정시킨다는 것입니다.” Lars Fallant는 설명한다. 그는 이 회사의 배터리 프로젝트 구현의 책임자이다. 이것은 풍력과 PV 시스템뿐만 아니라 열병합 발전소를 포함하는 다양한 전력 공급원을 고성능 배터리 저장 시스템과 조합시킴으로써 달성된다. 이들 시스템은 B&R 제어 기술과 POWERLINK 통신 기술을 이용하는 에너지 관리 시스템에 의해 조정된다. 이것은 현지 소비자들과 조합되어 적절히 설계된다면 장기간 자율적으로 운영되고, 과도한 에너지는 저장했다가 수요가 있으면 전력망이 공급하는 국지적 전력망으로 귀착된다.

연구 프로젝트: 미래의 PV 발전소

이러한 접근 방식은 지속 가능한 에너지 목표를 달성하는 데 있어서 대단히 중요하고, 바로 그러한 이유로 6개 기업과 2개의 연구 기관을 포함하는 8개의 동반자 단체들이 힘을 합쳐서 높아진 요구사항을 다루기 위해 인버터와 그 밖의 발전소 컴포넌트들을 갖춘 포괄적인 기술 솔루션을 개발해왔다. Belectric의 엔지니어들이 미래의 광전지 발전소를 개발하는 연구 프로젝트에서 선도적 위치를 차지한 것은 우연한 일이 아니다. “우리는 이 프로젝트로서 발전기 기반의 네트워크로부터 인버터에 의해 구동되는 네트워크로의 전환을 시작하기를 원합니다.” 배터리 저장 시스템 영업을 담당하고 있는 Vincent Ackermann은 이렇게 설명한다.

이중화된 제어 시스템은 기본적 요건

프로젝트의 초기 단계에서조차 독립형 발전소의 제어 시스템은 매우 까다로운 존재임이 분명하였다. “이러한 접근 방식으로 우리는 시스템 서비스 분야에 진입하고 있습니다.” Fallant는 말한다. “이러한 시스템에서는 주 컨트롤러에 고장이 발생하는 경우에 몇 CPU 주기 이내에 이중화 시스템으로 전환하는 것이 필요합니다. 하이브리드 시스템이 전체 전력망 공급을 책임지는 경우에는 1000분의 1초 하나 하나가 중요합니다.” 이 시점에서 B&R의 X20 컨트롤러 제품군의 장점은 결정적인 역할을 한다. 컨트롤러 네트워크 이중화는 오랜 동안 이 회사의 표준적인 포트폴리오의 일부가 되어 왔기 때문이다.

소말리랜드(Somaliland)의 하이브리드 발전소에 대한 웹 기반 원격 진단. (출처 : Belectric)

통합 안전성과 보안은 부차적 고려 대상이 되어서는 안 돼

발전소의 개발에 있어서 신뢰성과 안전이 높은 우선순위를 차지한다는 것은 말할 나위 없다. 한 편으로, 배터리는 반드시 안전하게 환기되고 감시되어야 하며, 여기에는 최소한 SIL 2에 대한 안전 제어 컴포넌트가 요구된다. 더욱이 중앙 컨트롤러와 블록 컨트롤러 사이의 필드버스는 엄격히 결정론적이어야 할뿐만 아니라, 외부 접근에 대한 보안도 갖춰져야 한다. 개발자들은 여기에 필요한 컴포넌트를 B&R 포트폴리오에서 발견하였다.

보안 원격 유지보수에 의한 현장 인원 대체

“우리 발전소는 완전 자율형이고 현장 인원 없이 운영됩니다.” Fallant는 또 다른 요건에 대해 언급하면서 이렇게 설명한다. “이것은 안정되고, 무엇보다도 보안이 갖춰진 데이터 링크를 우리 발전소에 유지할 필요가 있음을 의미합니다.” Belectric이 자주 이용하는 B&R의 보안 원격 유지보수(Secure Remote Maintenance) 솔루션에게 있어서 이것은 문제가 되지 않는다. 데이터는 암호화되고 인증서에 의해 보호되는 VPN 연결을 통해 발전소의 (통합된 방화벽이 포함된) SiteManager 유닛과 조작자 현장의 GateManager 유닛 사이로 고도의 보안을 갖추고 전송된다. “그 덕분에 모든 오류 메시지를 직접 서비스 제공자에게 전달하고 웹 기반의 HMI 인터페이스를 통해 시스템에 접근할 수 있습니다.” Ackermann은 덧붙인다.

다중 에너지 원과 배터리 저장 유닛의 조합은 전력망에 대한 안정된 공급을 보장한다. (출처 : Belectric)

B&R과 함께 설치된 94 MWh 배터리 용량

유럽 전역에 구현된 다수의 배터리 프로젝트 이외에도, 최초의 하이브리드 발전소 중 하나는 현재 아프리카에서 가동되고 있다. 아프리카 소말리랜드(Somaliland) 정보부(情報部: ministry of information)는 출력 500 kWp의 PV 시스템과 1,000 kWh 배터리를 이용하여 자체의 라디오와 TV 방송국을 운영하는 데 필요한 모든 전력을 생산한다. 보조용 300 kW 디젤 발전기는 야간과 낮 동안에 저장된 에너지가 불충분한 경우에만 사용된다.

“우리의 차기 프로젝트는 PV 시스템과 배터리 저장 장치와 함께 4기의 175 kW 고속 충전 칼럼(column)으로 구성되는 데, 전력망 연결에 대한 부하를 감소시키는 솔루션과 함께 전기 이동성(e-mobility) 하부구조를 향상시키기를 기대합니다.” Ackermann은 이렇게 말하며 장래 프로젝트에 대한 전망을 제공한다. 여기에서 B&R 시스템이 지속적으로 선호 선택 대상이 될 것임을 분명하다.

Lars Fallant

Belectric 배터리 프로젝트 부장

“우리 발전소는 전적으로 무인 현장 방식으로 완전 자율형으로 운영됩니다. B&R의 보안 원격 유지보수(Secure Remote Maintenance) 솔루션은 모든 오류 메시지를 직접 서비스 제공자에게 전달하고 웹 기반의 HMI 인터페이스를 통해 시스템에 접근할 수 있도록 합니다.”

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