분산형 전력망 - 에너지 보안의 미래

많은 사람들이 분산형 전력망을 에너지 안보 강화를 위한 최선의 선택으로 생각합니다. 이러한 네트워크는 중앙 발전소와 더불어 지역 사회 기반 에너지 자원을 활용하여 기존 전력망 인프라를 강화합니다. MIT 엔지니어 팀이 분산형 전력망을 개선하고 미래에도 가정에 전기를 공급할 수 있도록 지원하는 방법을 소개합니다.

정전 증가

보고서에 따르면 전 세계적으로 정전이 증가하고 있는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 유지 관리가 부족하여 시스템이 노후화되고 많은 지역에서 성능이 저하되었습니다. 또한 과거보다 심각한 기상 조건이 발생할 가능성이 높아져 오래된 인프라에 대한 스트레스가 더 커지고 있습니다.

많은 사람들이 전혀 생각하지 못하는 정전에 기여하는 또 다른 요인은 재생 에너지로의 전환입니다. 태양광 패널은 저렴한 에너지를 제공하지만 아무것도 생산할 수 없는 시간과 시나리오가 있는 시스템의 대표적인 예입니다.

야간이나 장기간 흐린 날씨에는 태양광 시스템이 지역 사회에 필요한 에너지를 공급할 수 없습니다. 기존의 정전과는 달리, 재생에너지 발전의 예측 가능한 격차(예: 흐린 날이나 태양광 발전의 야간)는 그리드 엣지 장치를 조정하여 실시간으로 소비 및 분배를 조정함으로써 완화할 수 있습니다.

정전 통계

2023 미국 주택 조사 에너지 위기가 얼마나 심각한지 조명했습니다. 이 보고서는 적어도 70가구 중 6가구가 작년에 정전을 경험했다고 밝혔습니다. 또한 인터뷰에 응한 사람의 XNUMX% 이상이 XNUMX시간 이상 정전을 경험했다고 밝혔습니다.

흥미롭게도 통계에 따르면 농촌 지역 사회는 장기 정전을 경험할 가능성이 더 높습니다. 그러나 디트로이트와 같이 열악한 인프라와 기타 요인으로 인해 비정상적으로 높은 정전에 시달리는 특정 도시를 강조했습니다.

세계적 우려

전 세계적인 정전을 살펴보면 이 문제가 기하급수적으로 확대되는 것을 알 수 있습니다. 국가 전체가 며칠, 심지어 몇 주 동안 암흑에 빠진 사례가 많습니다. 한 사건으로 쿠바의 노후화된 전력망이 마비되어 10천만 명 이상이 며칠 동안 정전되는 사태가 발생했습니다.

지역 전력망의 진화

지역 전력망을 생각해 보면 중앙 발전소, 변전소, 송전선을 떠올릴 가능성이 큽니다. 이 인프라는 여전히 가장 일반적이지만 가전제품의 발전으로 인해 몇 가지 주요 변화가 있었습니다.

출처 – MIT

그리드 엣지 장치

그리드 엣지라는 용어는 중앙 전원 공급 장치에서 멀리 떨어진 장치를 말합니다. 이러한 장치는 종종 발전, 저장 및 튜닝이 가능한 고급 기능을 갖추고 있습니다. 그리드 엣지 장치에는 주거용 태양광 패널, 배터리, 전기 자동차, 히트 펌프, 온수기 및 IoT(사물 인터넷) 장치가 포함됩니다.

분산 에너지 자원(DER)

분산형 에너지 자원의 사용 증가는 시장에 새로운 기회를 창출합니다. 이러한 스마트 기기는 모니터링, 제어, 통신 및 작업 실행 기능을 제공합니다. MIT 엔지니어 팀은 이러한 유연성을 활용하여 그리드 복원력 향상, 사이버 공격 차단, 네트워크 안정화를 위한 최신 전략을 개발하고자 했습니다.

분산형 전력망 연구

최근 미국 국립과학원 저널에 게재된 "신뢰할 수 있는 IoT 조정 자산을 통한 전기 그리드의 회복력"¹ 다양한 시나리오에 대한 그리드 회복성을 확보하기 위해 엣지 장치를 활용하는 새로운 프레임워크를 소개합니다. 새로운 시스템은 조정된 그리드 엣지 장치를 활용하여 네트워크를 재조정하거나 지원합니다.

IoT 기기

이 연구의 핵심은 IoT(사물 인터넷) 기기 활용입니다. IoT 기기로 인정받으려면 센서를 탑재하고 인터넷으로 데이터를 전송할 수 있어야 합니다. 특히 현재 전 세계적으로 수십억 대의 스마트 기기가 사용되고 있습니다. 따라서 연구진은 향후 5년 이내에 엣지 기기의 대부분을 차지할 것으로 예상되는 IoT 기기 활용에 집중했습니다.

이 전략은 주택 소유자가 지역 시장에 가입하는 것을 보게 될 것입니다. 이 가입은 IoT 기기를 마이크로 그리드에 적합하게 만들 것입니다. 승인되면 신뢰할 수 있는 기기는 독점 알고리즘 엔지니어가 개발한 전력 소비와 분배를 조정할 수 있게 될 것입니다.

EURIEKA(효율적이고, 매우 탄력적이며, IoT 조정 자산)

EURIEKA 알고리즘은 엔지니어 연구의 핵심입니다. 이 알고리즘은 네트워크에서 참여 엣지 장치를 검색합니다. 그런 다음 사전 설정된 기준에 따라 전력망을 보완할지 또는 IoT 장치의 전력 소비를 줄일지 결정합니다. 이 알고리즘이 효과적인 이유는 각 지역 전력 시장을 기반으로 하기 때문입니다.

운영자

지역 시장 운영자는 이 접근 방식에서 중요한 역할을 합니다. 각 시장에는 그리드 참여자 및 다른 운영자를 관리하고 통신하는 업무를 맡은 운영자가 있습니다. 이들은 EURIEKA 알고리즘을 시작하고 올바르게 기능하도록 보장하는 노드입니다.

신뢰 구축

이 과정의 첫 번째 단계는 신뢰를 구축하는 것입니다. IoT 기기가 매우 많기 때문에 보안 위험을 방지하기 위해 시스템이 검증되고 승인된 기기만 사용하는 것이 매우 중요합니다. 알고리즘은 신뢰할 수 있는 IoT 기기를 독립적으로 검증하고 승인하여 정전을 효과적으로 완화하고 시스템을 안정화하는 데 가장 적합한 조합을 결정합니다.

지역 전기 시장

이 전략의 일환으로 IoT 참여자들이 노력에 대한 보상을 받을 수 있는 지역 에너지 시장을 조성합니다. 시스템은 각 참여자의 활동을 자동으로 추적하고 에너지 기여도에 따라 수익을 지급합니다. 특히, 엔지니어들은 네트워크 참여자들이 직접 지불부터 청구서 크레딧까지 다양한 보상을 받을 수 있는 방법을 고안했습니다.

분산형 전력망 테스트

MIT 엔지니어들은 다양한 장치와 알고리즘을 활용하여 새로운 접근 방식을 테스트합니다. 구체적으로, 엔지니어들은 유틸리티 친화적 시뮬레이터, 실시간 하드웨어 인더루프 검증 및 공동 시뮬레이션 플랫폼을 사용했습니다.

전력망 알고리즘

테스트에는 전력 손실 상황에 따른 여러 시나리오가 포함되었습니다. 시나리오는 시스템의 모든 레벨에서 발생한 장애를 고려했습니다. 어떤 경우에는 손실이 5%에 불과했습니다. 다른 경우에는 네트워크에서 최대 40%에 달하는 치명적인 장애가 발생했습니다.

그리드 공격 시나리오

연구원들은 이 시스템을 주요 사이버 공격에 대해 테스트했습니다. 이 시나리오에서 팀은 스마트 온도 조절기가 해킹당하는 것을 예상했습니다. 해킹된 기기는 그런 다음 전력망에 가해지는 스트레스를 위험한 수준으로 증가시키기 위해 크랭크업되었습니다. 증가된 스트레스로 인해 기존 전력망이 고장날 것입니다. 그러나 그리드 엣지 시스템은 회복력이 있는 것으로 입증되었습니다.

자연 재해

이 팀은 또한 기상 현상에 대한 네트워크를 테스트했습니다. 그들은 송전선의 상당 부분이 손상되는 주요 자연 재해를 예상했습니다. 이 시나리오는 주요 자연 재해가 더 빈번해짐에 따라 전 세계적으로 일반적입니다.

분산형 전력망 테스트 결과

알고리즘을 테스트한 결과, 그리드 에지 장치 네트워크가 다양한 공격으로 인한 에너지 손실을 보완할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 이 시스템은 그리드 토폴로지를 조정하여 그리드를 성공적으로 재안정화했습니다. 또한, 새로운 알고리즘은 어떤 장치가 신뢰할 수 있는지와 그 기능을 자동으로 판단할 수 있습니다.

분산형 전력망의 이점

분산형 전력망은 시장에 많은 이점을 가져다줍니다. 첫째, 각 장치의 전력 소비를 고려하여 효율성을 제공하는 맞춤형 전력 생산을 제공합니다. 이 시스템은 현상 유지에 대한 더 녹색이고 지속 가능한 대안입니다.

IoT 장치는 어디에나 있습니다

또 다른 이점은 IoT 기기를 사용하는 것입니다. 전 세계적으로 수십억 개의 이러한 장치가 있으며, 전력망을 안정화하는 데 도움이 될 잠재력이 있습니다. 이 전략은 이러한 장치의 기능을 고려하여 함께 사용하여 극한 조건을 실패 없이 처리할 수 있는 더욱 강력한 전기 그리드를 만듭니다.

재생 에너지 격차를 메웁니다

풍력 및 태양광 발전과 같은 기술은 깨끗한 에너지를 만드는 데 매우 좋습니다. 그러나 가정에 전력을 공급하는 데 필요한 전기를 생산할 수 없는 경우가 있습니다. 이러한 시나리오에서 엔지니어는 그리드 엣지 장치가 추가 작업 부하를 처리하기 위해 나설 것으로 예상합니다.

유리한

이 전략의 잠재적 이점 중 하나는 참여자들이 기여에 대한 보상을 받을 수 있는 더욱 역동적인 지역 전기 시장입니다. MIT 연구원들이 이 개념을 제안하고 있지만, 공과금 크레딧이나 납부금과 같은 구체적인 재정적 인센티브는 시장 구현 및 규제 체계에 따라 달라질 것입니다. 한 달 전 스마트 냉장고와 온도 조절기가 전력망 안정에 기여했기 때문에 한 달 동안 무료로 전기를 사용할 수 있다면 좋을 것입니다.

분산형 전력망 연구원

분산형 전력망 연구는 MIT 엔지니어 팀이 제안했습니다. 이 논문은 주요 저자로 Vineet Nair와 John Williams를 나열합니다. 이 연구는 Anu Annaswamy와 공동으로 작성되었습니다. 주목할 점은 Indian Institute of Technology, National Renewable Energy Laboratory, US Department of Energy, MIT Energy Initiative에서 자금을 지원받았다는 것입니다.

이 연구는 적응 제어 이론 분야에서 수석 연구원인 나이어의 기존 연구를 확장한 것입니다. 적응 제어 이론은 인간의 개입 없이 문제를 감지하고 자동으로 수정할 수 있는 시스템을 만드는 것을 중심으로 합니다. 이 최신 프로토콜은 이러한 연구의 연장선상에 있으며, 언젠가는 가정에 연중 내내 전기를 공급하는 데 도움이 될 것입니다.

에너지 솔루션 분야를 선도하는 기업

시장에 가장 회복성 있는 에너지 솔루션을 제공하기 위한 경쟁으로 인해 몇몇 주요 기업이 등장했습니다. 이러한 회사는 시장 전체에서 에너지 생산과 전달을 개선하기 위해 수백만 달러의 R&D를 투자했습니다. 다음은 모든 전력망 개선을 활용할 수 있는 이상적인 위치에 있는 한 회사입니다.

듀크 에너지 공사

듀크 에너지 공사 (DUK ) 1904년 Catawba 강에 위치한 수력 발전소로 시장에 진출했습니다. 이 회사는 James Buchanan Duke와 Benjamin Newton Duke가 설립했으며 노스캐롤라이나 샬럿에 본사가 있습니다. Duke Energy Corporation은 출범 이후 상당한 성장을 보였습니다. 오늘날 미국에서 가장 큰 전력 회사 중 하나입니다.

듀크 에너지는 수십 년에 걸친 인수, 그리고 시장 변동을 통해 시장 지배력을 확대해 왔습니다. 1997년에는 팬에너지(PanEnergy Corporation)와 합병하여 제품 및 서비스를 강화했습니다. 2005년에는 시너지(Cinergy Corporation)를 인수하여 주요 주에서 시장 침투율을 확대했습니다.

오늘날 Duke Energy는 에너지 생산 부문에서 시장 리더로 남아 있습니다. 이 회사는 고객에게 안정적이고 저렴한 에너지를 제공하기 위한 전략의 일환으로 계속해서 혁신하고 새로운 기술을 통합하고 있습니다.

Duke Energy는 그 위치와 역사를 통해 그리드 엣지 연구 결과를 통합하여 제공 사항을 개선할 수 있습니다. 따라서 DUK는 모든 포트폴리오에 강력한 추가 사항으로 간주됩니다.

Duke Energy Corp의 최신 소식

분산형 전력망 미래

엔지니어들이 성공하기 위해 극복해야 할 많은 도입 장애물이 여전히 있습니다. 우선, 이 시스템은 클라이언트와 기업이 네트워크에 가입하도록 요구합니다. 그런 다음, 시스템이 네트워크에 다시 전력을 공급하고 노력을 추적할 수 있도록 특정 하드웨어를 통합하는 데 동의해야 합니다. 이 모든 단계에는 대중을 교육하고 저렴하고 접근 가능한 솔루션을 제공해야 합니다.

전력망 회복력 달성

이 틀에서 벗어난 사고방식을 가진 팀에게 그들의 독특한 접근 방식을 인정해야 합니다. 그들의 개념은 쉽게 구할 수 있는 그리드 에지 장치를 활용하여 전체 시스템을 안정화하는 데 도움이 되었습니다. 이 전략은 합리적이며, 막대한 비용이나 네트워크 변경이 필요하지 않으며, 오늘날 시행 중인 거대한 IoT 네트워크를 활용합니다. 따라서 분산형 전력망에 대한 추가 연구가 앞으로 진행될 것으로 예상할 수 있습니다.

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연구 참고문헌:

^{1. VJ Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, PS Sarker, A. Srivastava, LD Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, HV Poor, & AM Annaswamy, 신뢰할 수 있는 IoT 조정 자산을 통한 전력망의 탄력성, Proc. Natl. Acad. 과학. 미국 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}