Techno-economic Energy Management of Water-Integrated Multi- microgrid System using Dynamic Demand Response Programs

현대 사회에서 전기와 물은 종종 별개의 유틸리티로 취급되어, 각기 다른 파이프와 전선을 통해 가정과 사업장으로 흐릅니다. 하지만 이 둘은 깊게 얽혀 있습니다. 전기를 생산하는 데는 냉각을 위한 막대한 양의 물이 필요한 경우가 많으며, 물을 펌핑하고 처리하는 데는 상당한 전력이 소모됩니다. '워터-에너지 넥서스(water-energy nexus)'라고 알려진 이 연결 고리는, 한 자원을 관리하는 것이 필연적으로 다른 자원에도 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 지역 사회가 거대한 중앙 발전소를 대체하기 위해 태양광 패널이나 풍력 터빈 같은 지역 전력원을 점점 더 많이 의존함에 따라, 과제는 단순히 충분한 에너지를 생성하는 것에서 실시간으로 공급과 수요를 조절하는 것으로 변화하고 있습니다. 태양이 빛나지 않거나 바람이 불지 않을 때, 지역 그리드는 전력 부족을 겪거나 멀리 떨어진 전력선에 비싸게 의존해야 하는 상황에 처할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 독립적으로 운영될 수 있는 작고 자립적인 에너지 네트워크인 '마이크로그리드'를 개발하고 있습니다. 목표는 이러한 지역 시스템을 더욱 스마트하게 만들어, 마치 가계에서 돈을 아끼기 위해 불을 끄는 것처럼, 사용 가능한 자원에 따라 소비량을 조절함으로써 마을 전체가 원활하게 돌아가도록 하는 것입니다.

이란 콤 공과대학교(Qom University of Technology)의 연구원 하미드 카리미(Hamid Karimi)는 식수를 공급하는 책임까지 맡고 있는 세 개의 마이크로그리드 네트워크를 위한 새로운 관리 시스템을 설계함으로써 이 복잡한 균형 잡기 문제를 다루었습니다. 그의 연구에서 그는 이 지역 그리드들이 태양광 패널, 풍력 터비, 디젤 발전기, 배터리 저장 장치와 함께 우물, 해수 담수화 장치, 저장 탱크를 갖춘 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 그의 작업의 핵심은 이러한 시스템을 운영하는 데 따르는 경제적 현실과 기술적 현실을 모두 다루기 위해 설계된 2단계 계획 프로세스였습니다. 첫 번째 단계는 순수하게 경제성에 초점을 맞추어, 언제 메인 그리드에서 전력을 구매할지, 언제 지역 발전기를 사용할지, 그리고 언제 전기가 저렴한 시간대로 물 생산을 옮길지를 결정함으로써 시스템을 운영하는 가장 저렴한 방법을 계산했습니다. 두 번째 단계에서는 이 가장 저렴한 계획을 바탕으로 '자급률 지표(self-sufficiency measure index)'라는 특정 독립성 척도를 개선하기 위해 계획을 미세 조정했습니다. 이 지수는 시스템이 메인 그리드에 의존하는 대신 지역에서 자체적으로 전력을 생산하는 것에 보상을 주는 것으로, 이는 에너지 손실을 줄이고 지역 전압을 안정적으로 유지하는 데 도움이 됩니다.

카리미의 접근 방식에서 결정적인 혁신은 소비자가 신호에 반응하여 전기 사용량을 변경하기로 합의하는 전략인 '수요 반응(demand response)'을 다루는 방식이었습니다. 기존 연구들은 마이크로그리드가 마치 사람이 이미 배가 부른 상태인지 아니면 몹시 배고픈 상태인지와 상관없이 항상 똑같은 양의 추가 음식을 먹을 수 있다고 가정하는 것처럼, 언제든 부하를 일정 비율로 끊거나 추가할 수 있다고 가정하곤 했습니다. 카리미는 이것이 비현실적이라고 주장했습니다. 대신 그는 마이크로그리드의 실제 일일 습관을 살피는 동적 프로그램을 개발했습니다. 그는 전기가 저렴하고 수요가 낮은 오프피크(off-peak) 시간대에는 마이크로그리드가 물 펌핑을 늘리거나 배터리를 충전할 여유가 충분하다는 점을 인식했습니다. 반대로 모든 사람이 전력을 사용하는 피크 시간대에는 부하를 늘릴 여지는 거의 없지만, 줄일 수 있는 여지는 매우 큽니다. 이러한 한계치를 시간 단위로 계산함으로써 시스템은 훨씬 더 스마트한 결정을 내릴 수 있었습니다. 예를 들어, 모델은 이른 아침 시간대에 마이크로그리드가 물 펌핑을 최대 20%까지 늘릴 수 있는 반면, 저녁 피크 시간대에는 소비를 비슷한 비율로 줄일 수 있다는 것을 결정했는데, 이는 경직된 고정 세율 방식으로는 달성할 수 없는 유연성입니다.

카리미가 이 새로운 동적 방식과 전통적인 고정 세율 방식을 비교하여 시뮬레이션을 실행했을 때, 결과는 놀라웠습니다. 동적 시스템은 세 개의 마이크로그리드의 총 운영 비용을 약 20% 절감하여, 표준 방식에 비해 시뮬레이션된 하루 동안 700달러 이상을 아꼈습니다. 더 중요한 것은 시스템의 신뢰성을 획기적으로 향상시켰다는 점입니다. '미공급 에너지(energy not supplied)'라고 불리는 전력 미공급량은 1,300kWh 이상에서 440kWh 미만으로 3분의 2가 급감했습니다. 이는 동적 모델이 물 생산과 배터리 충전을 가격이 높고 스트레스가 심한 피크 시간대에 억지로 맞추려 하기보다, 재생 에너지가 풍부하고 가격이 낮은 시간대로 이동시킬 수 있었기 때문입니다. 또한 시스템의 자급 능력도 향상되어, 자급률 지표가 약 79%에서 86%로 상승했는데, 이는 지역 그리드가 메인 네트워크로부터 전력을 끌어오지 않고도 자체적인 필요를 더 많이 충족할 수 있었음을 의미합니다.

연구는 또한 물과 에너지 시스템이 예상치 못한 방식으로 서로 어떻게 영향을 미치는지 보여주었습니다. 시뮬레이션 결과, 마이크로그리드는 해수 담수화 장치를 가동하는 것보다 전기가 적게 드는 지하 우물에서 물을 펌핑하는 것을 우선시했습니다. 그러나 풍력과 태양광 출력이 높을 때, 시스템은 자동으로 그 과잉 청정 에너지를 해수 담수화 장치를 가동하는 데 돌려 나중에 사용할 수 있도록 저장 탱크에 담수를 채웠습니다. 이러한 조율은 일일 부하 프로필을 완만하게 만들어 전기 사용 곡선을 더 평탄하고 효율적으로 만들었습니다. 연구진은 이 매끄러움을 측정하기 위해 '소프트 부하 프로파일 지수(soft load profile index)'라는 새로운 지표를 도입했으며, 동적 모델은 정적 방식에 비해 이 점수를 약 4% 개선했습니다. 시뮬레이션이 끝날 무렵, 마이크로그리드는 실시간 조건에 대한 유연하고 지능적인 대응을 통해 물과 전기를 하나의 통합된 시스템으로 다루는 것이 지역 에너지 네트워크를 더 저렴하고, 신뢰할 수 있으며, 훨씬 더 독립적으로 만들 수 있음을 성공적으로 입증했습니다. 이 연구 결과는 지역 사회가 분산형 에너지로 나아감에 있어, 성공의 열쇠는 단순히 더 많은 태양광 패널이나 배터리를 보유하는 것이 아니라, 시스템의 물리적 한계를 존중하면서 수요를 이동시킬 수 있는 정밀한 시간 단위별 잠재력을 이해하는 데 있다는 것을 시사합니다.