구출을 위한 커뮤니티 미크로그리드

원문 : https://www.theearthandi.org/post/community-microgrids-to-the-rescue

지역 에너지 생산으로 지속 가능한 동네를 건설합니다

안정적인 전기 에너지는 점점 더 기본적인 인권으로 여겨지고 있으며, 이러한 관점은 전기 에너지의 생성, 전송, 사용 방식에 상당한 변화를 가져오고 있습니다.

기후 변화와 극심한 기상 현상은 매우 개인적인 결과를 초래하는 전력 서비스 중단을 증가시킬 수 있습니다. 한 극단에서는 안정적인 전력망에 연결되지 않을 때 정전이 일상 생활에 영향을 미치는 반면, 다른 극단에서는 노후화된 전력망 인프라에 대한 전기 수요 증가로 정전 위험이 커집니다.

이러한 과제와 함께 다양한 사회경제적 문제와 불평등에 따른 전기 사용자의 다양한 인간적 요구 와 태도가 있습니다  . 저소득 가구의 전기 고정 비용 불균형, 전기 자동차(EV) 충전 수요 증가, 중요한 지역 사회 시설(예: 병원, 소방, 수처리 및 학교), 취약한 제조 시설, 탄소 발자국을 줄이기 위한 다양한 가정 및 지역 사회 약속 등이 그 예입니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 공유된 지역적 요구에 맞춰 구성된 커뮤니티 마이크로그리드가 필요할 수 있습니다.

커뮤니티 미크로그리드

미크로그리드는 지역 공급원을 사용하여 정의된 경계 내에서 전기 수요를 충족하는 작은 전기 그리드입니다. 이 정의된 전기 경계에는 전기 사용자가 함께 살고, 일하고, 서비스를 수행하는 동네, 캠퍼스, 마을, 도시 또는 그 다중이 포함될 수 있으며, 이 경우 미크로그리드는 커뮤니티 미크로그리드로 확장됩니다.

오늘날, 미크로그리드는 재생 가능 에너지 자원과 저장된 에너지 자원을 효율적으로 사용하여 탄소 배출을 줄여야 하는 지역 사회의 요구를 해결할 수 있습니다. 그리드에 연결되거나 분리되어("섬화") 작동할 수 있습니다.

에너지 빈곤이 생존에 영향을 미치는 외딴 지역에서는 커뮤니티 마이크로그리드가 가능한 해결책으로 등장했습니다. 예를 들어 인도에서는 산간, 사막, 섬에 있는 마을에 마이크로그리드를 배치하는 것이  이러한 커뮤니티를 국가 전력망에 연결하려는 정부의 노력을 앞지르고 있습니다.

에너지 공급 소유권에 대한 감각

지역 사회 마이크로그리드는 참여자에게 에너지 공급에 대한 통제력과 소유권을 부여하며, 개별 가구뿐만 아니라 지역 사회의 요구도 충족시킵니다.

가장 큰 이점은 가구가 미크로그리드와 상호 작용하는 방법을 배우고 일상 습관이 에너지 사용에 어떤 영향을 미치는지 알게 됨에 따라 얻을 수 있습니다. 이웃 미크로그리드는 전기 에너지 소비자가 생산자 또는 프로슈머 이기도 한 "미터 뒤"(준 오프그리드)로 , 개인 및 집단적으로 사용자에게 순이익을 제공합니다. 이러한 시스템은 참여 가구에 분산된 옥상 태양광 및 에너지 저장 장치의 협력 사용을 강제하는 스마트 그리드를 달성합니다.

가장 유리한 이웃 미크로그리드 구현을 위한 요인 중 참여 가구 수가 핵심입니다. 사례 연구에 따르면 현재 유리한 효과는 20~200가구에 이릅니다. 날씨와 지리적 위치도 역할을 하며 지중해 기후에서의 구현이 가장 유리합니다 . 

이웃 미크로그리드 과제

그럼에도 불구하고, 순전히 "계량기 뒤" 또는 이웃 미크로그리드의 실현 가능성은 인간적 요소와 가장 중요한 질문인 설치 및 유지 관리 비용을 누가 부담할 것인가를 감안할 때 어렵습니다. 순 에너지 계량에 대한 규칙은 미크로그리드의 규모(및 수혜자)에 제약을 가합니다. 공익사업은 공익사업 그리드와 부정적인 방식으로 상호 작용하는 가능한 열악한 구현의 결과를 처리해야 하며, 규칙은 캘리포니아 와 같이 주마다 다릅니다 .

그럼에도 불구하고 캘리포니아의 "전기 전용 동네"와 같은 계획된 설비에 대한 동기는 의무적 건축법에서 비롯됩니다. 최근 Clean-Coalition 과 같은 대규모 커뮤니티 마이크로그리드 배치를 위한 촉진자들은 동네를 상업용 부지, 필수 커뮤니티 서비스와 연결하고 유틸리티 중심 파트너십을 포함하는 "미터 전면" 접근 방식을 옹호하고 있습니다 . 유틸리티 파트너십 또는 소유권을 통해 사용자는 유틸리티를 통해 전기 요금을 지불할 수 있으므로 마이크로그리드 소유권과 운영이 더 투명해집니다.

이웃 소유와 유지의 성공적인 사례는 플로리다 주 위마우마의 사우스쇼어 베이 주거 개발 단지에 설치된 37개 주택 시범 프로젝트입니다. 이 마이크로그리드는 공공 서비스 소유 및 운영이며 플로리다 주 탬파의 회사인 BlockEnergy 가 개발 및 설치한 전기 시스템을 기반으로 구축되었습니다 .

에너지 저장과 같은 가장 비싼 구성 요소가 공공 서비스 제공자 소유 이고  사용에 커뮤니티 서비스 제공자(예: 학교, 병원, 소방서 등)와 상업용 부동산이 포함될 때 동네 미크로그리드 설비는 더욱 보편화될 것입니다. 이런 식으로 비용과 혜택은 더욱 다양한 이해 관계자 그룹에 분산됩니다.

설치 에너지 보안

커뮤니티 마이크로그리드는 설비 에너지 보안을 달성하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다 . 에너지 보안은 신뢰성, 회복성, 효율성의 세 가지 기둥에 달려 있습니다(그림 1 참조).

능률

효율성  기둥에는 이미 언급된 내용이 포함됩니다. 환경 친화적 자원에서 생성된 전기 에너지를 보다 효율적으로 사용하면 극한 기상 현상을 통해 점점 더 드러나는 화석 연료의 해로운 영향을 최소화할 수 있습니다. 이는 커뮤니티 마이크로그리드를 필요한 솔루션으로 채택하는 속도를 가속화하며 , 여기서  다른 두 기둥이 작용합니다.

©R. Cuzner

신뢰할 수 있음 

신뢰성은 서비스나 제품 이 설계된 방식대로 사용되는 한  예상대로 기능하는 것과 관련이 있습니다 . 전력의 신뢰성은 전압 및/또는 전류가 설계된(정격 또는 공칭) 매개변수를 벗어나는 교란이 발생하지 않는 한 전기 사용자가 중단 없는 서비스를 받을 수 있음을 의미합니다.

그러나 "제품 수명 동안 " 이라는 단서가 있습니다 . 전기 그리드가 오래됨에 따라 케이블 절연, 회로 차단기 등의 구성 요소가 약해지고 신뢰성이 떨어집니다. 노후화된 전기 그리드 인프라, 업그레이드 비용, 증가하는 소비자 수요로 인해 그리드가 고객에게 안정적이고 깨끗한 전압 전력을 공급하는 능력이 약화됩니다.

전기는 특정 지리적 지역 내의 그리드를 통해 분배됩니다. 소유 및 운영 패턴은 국가와 전기 생산 및 분배에 대한 정부의 참여 수준에 따라 다릅니다. 미국에서 이 그리드는 지역 유틸리티가 소유하고 운영합니다. 분배 전압은 일반적으로 수만 볼트입니다. 때로는 발전원에서 멀리 떨어진 고객에게 전력을 공급해야 하며, 농촌 지역의 고객은 종종 분배 그리드의 약한 끝에 서게 됩니다.

약한 그리드 문제는 전압 강하와 스파이크를 유발하는 부하의 갑작스러운 변화로 인해 악화됩니다. 조명이 어두워지거나 윙윙거리거나 회로 차단기가 예기치 않게 작동하여 필수적인 생명 유지 서비스가 손실될 수 있습니다. 지역 중심의 커뮤니티 마이크로그리드는 그리드의 약한 끝에 있는 것을 싫어하는 커뮤니티를 위한 솔루션입니다 . 

회복력

설비 에너지 보안의 또 다른 기둥인 복원성은 전력이 즉시 제거되거나 시스템의 영향을 받거나 손상된 부분에서 분리되지 않을 경우 인간의 생명을 위협하거나 장비를 손상시킬 수 있는 모든 교란이나 사건을 처리합니다.

커뮤니티 마이크로그리드는 유틸리티 변전소를 통해 에너지 유틸리티 전기 전송과 인터페이스합니다. 전송은 훨씬 더 먼 거리에 걸쳐 전기 에너지를 전송하는 것과 관련이 있으며 전압 레벨은 수십만 볼트(고전압)입니다. 이는 미래의 커뮤니티 마이크로그리드가 이웃, 도시, 지방 자치 단체를 넘어 커뮤니티의 정의를 확장할 것이기 때문에 언급됩니다.

회복력에 대한 큰 필요성의 한 예는 남부 캘리포니아 해안선을 따라 70마일 떨어진 지역인 골레타 로드 포켓으로, 전력 손실에 매우 취약합니다. 골레타 로드 포켓을 따라 있는 지역 사회는 동일한 송전탑에 매달려 있고 40마일의 산악 지형을 통과하는 단 한 세트의 송전선에 의해 서비스를 받습니다.

이곳은 최근 몇 년 동안 극심한 기상 현상이 발생한 재해 발생 위험 지역 입니다 . Goleta Load Pocket Community Microgrid(GLPCM)라는 커뮤니티 마이크로그리드 솔루션이 제안되었는데, 이는 Goleta Load Pocket 커뮤니티의 계획된 마이크로그리드와 기존 마이크로그리드, 에너지 저장 및 태양광 PV 설비를 상호 연결하는 것입니다. 이 다중 도시 마이크로그리드의 개발은 아직 진행 중이며 Clean-Coalition의 노력 덕분에 적극적으로 진행되고 있습니다.

©R. Cuzner

그림 2는 지역 사회 내부의 직접적인 상호 연결이나 여러 지역 사회에 걸친 공공 변전소 연결을 통해 여러 설비를 상호 연결하는 탄력적 지역 사회 미크로그리드에 대한 개념을 보여줍니다.

이러한 모든 구현은 커뮤니티가 성장함에 따라 설치할 수 있는 표준화된 마이크로그리드 빌딩 블록 접근 방식과 같은 공통적인 기능을 공유합니다. 각 마이크로그리드 빌딩 블록은 환경에서 학습하고 시간이 지남에 따라 회복력을 높이는 사전 대응 기능을 갖춘 로컬 제어 및 통신을 갖추고 있습니다. 또한 자율 재구성 기능이 있어 정전이 임박한 경우 자동으로 전원을 다시 라우팅하여 조명을 계속 켜둘 수 있습니다. 

그림 3은 이 커뮤니티 마이크로그리드 개념이 없다면 서비스 지역의 대규모 구역에 전력 손실이 발생하는 극심한 기상 현상에 시스템이 어떻게 대응하는지에 대한 예를 보여줍니다. 이 시스템은 자체 학습 및 자체 복구가 가능합니다. 개별 마이크로그리드 구성 요소(마이크로그리드 변전소)는 네트워크의 나머지 부분에서 "섬"이 되거나 분리되어 수리가 진행되는 동안 서비스를 제공하는 커뮤니티의 일부에 확장된 전기 서비스를 제공할 수 있습니다.

시스템은 인접하게 연결된 하위 시스템과의 고속 통신을 통해 가장 가까운 이웃으로부터 정보를 수신하고 에너지 유틸리티와 협력하여 어떤 조치를 취할지 결정합니다. 통신 네트워크가 손상된 경우 시스템은 보유한 정보를 사용하여 어떤 스위치를 열 것인지, 참여자와의 연결을 어떻게 변경할 것인지에 대한 최상의 결정을 내릴 수 있습니다.

@R. Cuzner

채택 가능성 및 지속 가능성

공공 정책은 미크로그리드를 구축하는 데 중요합니다. Clean-Coalition은 최첨단 커뮤니티 미크로그리드 프로젝트를 설계하고 준비할 뿐만 아니라 이러한 설비를 시운전하고 그 가치와 실행 가능성을 보여주는 조직의 좋은 예를 보여줍니다. 또한 공공 정책에 대한 작업을 통해 장벽을 해결하고 이해 관계자를 모으는 데에도 참여합니다. 

동시에, 프로젝트 개발에서 유틸리티 중심 파트너십과 "미터 전면" 접근 방식은 장기적 지속 가능성을 다룹니다. 그렇지 않으면 개별 프로젝트 노력(그리고 커뮤니티와의 공공-민간 파트너십)이 이러한 시스템의 상업적 공급업체의 유지 관리 계약의 숨겨진 비용의 대상이 될 수 있습니다. 노후화도 문제입니다.  

물론, 미크로그리드 개발자는 필수적인 요소이지만, 이러한 시스템이 더욱 복제 가능하고 플러그 앤 플레이가 될수록 시장이 더욱 커질 것입니다. 기술 혁신, 파트너십 및 정책은 모두 지속 가능한 에너지 보안 커뮤니티 미크로그리드의 배치에 필수적입니다.

새로운 지역 사회 미크로그리드 프로젝트가 시작될 때마다 앞으로 나아갈 방향이 더욱 명확해집니다.

*Robert Cuzner is Richard and Joanne Grigg Associate Professor for the Electrical Engineering Department at the University of Milwaukee, Wisconsin (UWM), the Director of the Center for Sustainable Electrical Energy Systems (SEES), and the UWM Site Director for the GRid-Connected Power Electronic Systems (GRAPES) Industry/University Collaborative Research Center.