배터리 전기차로 전환하는 것은 분산 전력 에코시스템으로 어떤 변화를 가져올 것인가?

자동차 시스템 전기화는 자동차의 “연료 재보급” 프로세스를 변화시킬 뿐만 아니라 에너지 공급을 안정화하고 효율을 높이는 데에도 기여할 것이다. 이것을 현실로 가능하게 하는 기술이 전기차(EV) 충전 시의 동적 부하 관리(DLM)이다.



동적 부하 관리는 어느 애플리케이션이 전력을 가장 필요로 하는지 결정함으로써 전세계가 에너지 사용에 관한 사고를 재고하도록 만들고 있다. DLM이 다중의 충전기들에 걸쳐서 전력 부하를 지능적으로 밸런싱함으로써 EV 충전을 좀더 빠르게 하고 전력을 좀더 효율적으로 활용하도록 한다. 이것은 에너지 비용과 에너지 소모 둘 다를 낮추도록 한다. 결과적으로 DLM은 전력망에 대한 부담을 낮추고 에너지 그리드 인프라로 회복성을 높인다.

전세계적으로 EV 비중이 계속해서 높아짐으로써 충전 기술이 중요한 관건이 되게 되었다. 이 글에서는 EV 충전과 관련해서 동적 부하 관리의 충전 전략, 메커니즘, 과제, 미래에 대해서 알아본다.

EV 충전과 V2G 기술

DLM이 전력망과 EV 충전에 미치는 영향을 이해하기 위해서는 먼저 EV 충전과 V2G(vehicle-to-grid) 기술에 대해서 이해하는 것이 필요하다.

EV 충전기의 구성 요소

EV 충전 시스템은 다음과 같은 하드웨어 및 소프트웨어 요소들로 이루어진다:

- 소스 전원과 EV 모두로 충전 포트
- 커넥터
- 인버터
- 제어 보드
- 사용자 인터페이스

소프트웨어와 충전 관리 시스템이 충전기를 그리드와 전기차로 연결하고 전력을 밸런싱한다. 실시간 그리드 성능을 연동해서 충전 프로세스를 명령하는 것이 DLM의 이점이다.

충전 전략

업계는 3개 충전 레벨을 정의하고 있다. 레벨 3이 가장 빠른 것이다. 충전 속도는 배터리로 들어가는 전기 양과 연관된다. 전력 양이 많을수록 전력을 더 빠르게 전송한다(킬로와트 단위).

고속 및 저속 충전

레벨 3은 가장 빠른 충전 레벨로서, 높은 전력 및 전압을 사용해서 충전 시간을 단축한다. 이 레벨은 사용자에게는 더 편리하나, 과도한 발열로 배터리를 손상시킬 수 있는 위험성을 높인다(최적 온도는 25℃~35℃). 다만 최신 EV들로는 이러한 위험성이 낮다. 고속 충전은 약 30분이 걸리는데, 레벨 1 및 2 저속 충전은 적어도 10시간이 걸릴 수 있다. 그러므로 사용자 경험은 크게 달라지는데 배터리는 더 잘 보호한다.

스마트 충전

스마트 충전은 스마트 그리드의 중요한 요소로서, 효율적으로 에너지를 관리하고 EV를 통합할 수 있도록 한다. 스마트 충전은 그리드 조건, 에너지 가격, 사용자 선호에 따라서 충전 레이트를 동적으로 조절함으로써, 에너지 활용과 그리드 안정성을 극대화한다. 스마트 충전은 또한 양방향 EV 충전을 가능하게 한다. 이것은 차가 그리드로부터 전력을 인출하기도 하고 그리드로 되돌려 보낼 수도 있는 것이다. 이 기능은 그리드 회복성을 높이고, 분산 전력 자본 비용을 낮추고, 전반적인 전력 수요를 낮춤으로써 탄소 배출을 줄이도록 한다.

동적 부하 관리에 대한 이해

부하 관리의 한 예로 EV 충전기의 그리드 전력 인출을 보충하는 것을 들 수 있다. DLM이 이용 가능한 혹은 여분의 전력을 EV 충전기들 사이에 분배한다. 그러므로 이미 생산된 전기를 충전한 것을 “재활용”해서 전력망에 대한 부담을 덜도록 한다. 



V2G가 어떻게 부하 관리를 지원하는가?

V2G 기술은 EV가 그리드로부터 전력을 인출하기도 하고 그리드로 전력을 공급하기도 하도록 함으로써 부하 관리를 향상시킨다. 시스템이 실시간 그리드 상태를 모니터링하고 충전이 필요할 때 중앙 충전소와 통신한다.
이와 같은 동적 접근법으로 충전기 숫자에 대해서는 둔감하다. 시스템이 지속적으로 애플리케이션을 최적화하고 충전 관리를 하므로, 첨두 부하와 최저 부하의 차이를 줄이고, 그럼으로써 전반적인 그리드 안정성을 높인다.

동적 부하 관리의 매커니즘

DLM 시스템은 지속적 최적화 루프를 기반으로 작동한다. 전체 전력 에코시스템으로부터 실시간 에너지 수요를 수집하고, 효율을 극대화하기 위해서 에너지를 어디로 어떻게 보낼지 결정한다. 총 그리드 및 디바이스 에너지 소모를 측정하고, AC 및 DC 충전기를 관리하고, 재생 에너지를 에코시스템으로 통합한다.

수치로 보는 DLM의 이점

미국 에너지부의 2018년 조사에 따르면, 에너지 최종 용도(자동차 등)의 3/4을 전기화한다면 2050년에 그리드 부하를 최대 38퍼센트까지 줄일 수 있다고 한다.[1] 피크 수요는 하루에 두 번씩 스파이크를 일으키므로, 전기 시스템들을 이 가장 높은 에너지 한도에 기반해서 용량을 정한다. DLM을 사용해서 피크를 낮춤으로써 복합적으로 지속가능성에 영향을 미칠 수 있다. 필요한 그리드 인프라 용량을 낮추고 전반적인 전기 전송 효율을 극대화하도록 한다.

스마트 기술 솔루션을 구현함으로써 비용을 상당히 절감할 수 있다. DLM이 훌륭한 예이다. 에너지를 덜 사용하도록 하면서 효율을 높이기 때문이다. 이것은 다음과 같은 점에서 소비자와 생산자 모두를 위해 비용을 낮추는 것으로 이어진다:

- 자본 지출 감소: 사업자들은 수요가 늘어나는 것에 따라서 전력 공급을 늘려야 할 필요성을 줄일 수 있다.
- 월간 에너지 지출 감소: DLM이 전반적인 에너지 수요를 낮춤으로써, 반복적 월간 에너지 비용을 낮출 수 있도록 한다(추가되는 EV 수요 비용은 현재 월간 약 18유로이다).[2]



EV 충전 부하 관리 시장의 주요 기업들

부하 관리가 중요해짐으로써 EV 충전 시장에서 경쟁이 치열해지고 있다. Ampeco, Etrel, Driivz, EVBox 같은 기업들이 기술 개발에 매진함으로써 V2X(vehicle-to-everything) 통신이 현실화되고 있다. 한편으로 DLM은 가정용 및 상업용 충전이 주를 이루고 있으며, EV 충전 소프트웨어 시장 규모가 2023년에 약 12억 달러에 달했고 2030년에는 75억 달러로 성장할 것으로 전망된다.[3]

동적 부하 관리의 미래 혁신

IoT 분야의 많은 애플리케이션이 그렇듯이, 스마트 충전과 DLM 시스템을 위해서도 AI가 중요한 역할을 할 것이다. 사용 패턴을 학습하고 예측함으로써 소프트웨어가 더 빠르게 최대의 효율을 달성하도록 할 것이다. 향상된 재생 에너지 수집과 공급은 이러한 “공짜” 에너지원의 효율을 높이도록 할 것이다. 에너지의 일부분을 재생 에너지로 전환함으로써 효율을 높이고, 비용을 낮추고, 지속가능성을 높이도록 할 것이다.

하지만 DLM이 널리 도입되도록 하기 위해서는 몇 가지 장벽이 존재한다. 첫째, 많은 새로운 기술이 그렇듯이, 현장 기술자의 전문지식과 규제 기관의 감독이 제품 개발을 따라잡지 못하고 있다. 뿐만 아니라 충전 장비를 인프라와 연결하기 위해서 표준화된 프로토콜이 정립되지 않음으로써 통합 옵션들을 제한하고 시스템이 충전을 흡수하고 재분배하는 능력을 제한할 수 있다. 이러한 장벽들을 극복하기 위해서는 정부 당국이 스마트 그리드 기술 개발 및 구현을 위해서 적극적으로 지원하고 투자해야 할 것이며 DLM을 스마트 그리드와 어떻게 안전하게 통합할 것인지 규정해야 할 것이다.

맺음말

DLM은 분산 전력 에코시스템으로 EV 충전을 최적화한다. V2X로 차가 이동하는 발전소 역할을 함으로써 DLM은 다음과 같은 이점을 가져올 수 있다:

- 에너지 생산 및 분배 최적화
- 생산자와 소비자 모두를 위해서 자본 및 반복 비용 감소
- 그리드 안정성 향상
- 전력 회복성
- 지속가능성 제고

EV 기술이 빠르게 진보하고 있으며, 재생 에너지가 비용에 있어서 화석연료와 거의 어깨를 나란히 하게 되었다.[4] 모든 전력원을 관리하고 가장 필요한 곳으로 전력을 보내기 위해서는 DLM의 접근법, 기술, 현황, 미래를 이해하는 것이 중요하다. 이 시장이 성장하고 확대되는 것은 좀더 지속가능한 세상을 실현하도록 기여할 것이다.



  FAQ

Q. EV 충전으로 동적 부하 관리란 무엇인가? 

A. 동적 부하 관리(dynamic load management)는 다중의 EV 충전기에 걸쳐서 전력 분배를 실시간으로 조절하는 시스템으로서, 가용 전력을 최대한 활용하도록 하고 전력망 과부하를 방지한다. 다중의 EV, 충전소, 여타 장비들에 걸쳐서 충전을 많이 필요로 하는지 적게 필요로 하는지를 측정하고 가장 필요로 하는 곳으로 전력을 보낸다.

Q. 동적 부하 관리는 EV 충전으로 어떤 이점을 가져오는가?  

A. 반복 및 자본 비용을 낮추고, 지속가능성을 높이고, 전력 회복성을 높이는 것과 같은 이점을 들 수 있다. 또한 DLM은 사업자들이 계량기를 업그레이드해야 하는 필요성을 피하고, 충전을 “재활용”함으로써 에너지 비용을 낮추고, 전력망으로부터 더 적은 전력을 인출하도록 한다. 피크 시간대와 한가한 시간대에 부하를 밸런싱하고 차를 이동하는 발전소로 활용함으로써 전력 회복성을 높인다.

Q. 동적 부하 관리는 기존 EV 충전 인프라로 작동할 수 있는가? 

A. 그렇다. DLM 솔루션은 기존 EV 충전소로 매끄럽게 통합할 수 있도록 설계되었다. 또한 DLM은 하드웨어를 크게 변경하지 않고서 DC, AC, 태양광 DC 전력(태양광 소스)의 세 가지 전력 형태를 관리할 수 있다.

Q. EV 충전으로 동적 부하 관리의 전망은 어떤가? 

A. DLM은 다양한 기술적 진보와 매크로트렌드를 포용할 수 있을 것이다. 예를 들어서 AI를 활용함으로써 “스마트”한 능력을 더욱 더 끌어올릴 수 있을 것이다. 기후 변화가 전지구적으로 영향을 미치고 있기 때문에, 벽지 지역들로 탄력적인 백업 전력을 추가할 수도 있을 것이다. 또한 DLM은 재생 에너지를 뒷받침할 것이다. 풍력이나 태양광 같은 에너지원들은 특성적으로 간헐적이기 때문이다. 이러한 간헐적 특성에 대비한 피크 쉐이빙(피크 저감)은 재생 에너지 사용을 높이도록 하는 DLM의 중요한 이점 중의 하나이다.
 

출처
[1] https://waterfrontalliance.org/2024/02/22/the-critical-need-for-a-climate-ready-electrical-grid/
[2] https://blog.evbox.com/dynamic-load-balancing
[3] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ev-charging-management-software-platform-market-report
[4] https://www.irena.org/News/pressreleases/2023/Aug/Renewables-Competitiveness-Accelerates-Despite-Cost-Inflation


저자 약력
 
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 엔지니어, R&D 관리자, 엔지니어링 콘텐츠 저작자로서 20년 가까운 경력을 쌓고 있다. 자동차, 산업/제조, 테크놀로지, 일렉트로닉스 같은 분야들로 화이트 페이퍼, 웹사이트 카피, 사례 분석, 블로그 포스트를 저작한다. 화학 및 기계공학을 전공했으며, 엔지니어링 및 테크놀로지 콘텐츠 저작 회사인 ASK Consulting Solutions의 창립자이자 사장이다.