도시혁신방안으로 주목받고 있는 스마트시티에서 탄소중립, 4차 산업혁명 등을 위한 에너지인프라와 기계설비 적용동향을 살펴보는 세미나가 개최됐다.

대한설비공학회(회장 김민수) 2021년 하계학술발표대회 기간 중 지난 24일 ‘스마트시티 에너지인프라·기계설비시스템 적용동향’을 주제로 개최된 ‘칸kharn 특별세션’은 △대한민국 스마트시티 추진전략(김강문 국토교통부 도시경제과 사무관) △부산 에코델타시티(EDC) 스마트시티 국가시범도시 사업현황 및 스마트빌리지 조성계획(조해진 K-water 스마트시티처 차장) △에너지자립 스마트시티 R&D 실증현황(김민휘 한국에너지기술연구원 선임연구원) △스마트시티 에너지자립 건설기술(차희운 GS건설 책임연구원) △AMI 빅데이터 플랫폼 추진동향 및 향후 전망(이창훈 한국스마트그리드사업단 사무국장) △스마트시티 지열·수열·연료전지 인프라 확대방안(이재하 지엔원에너지 책임연구원) 등으로 구성됐다.

이번 특별세션은 국내 스마트시티의 전반적인 추진체계·정책 및 전략을 살펴보고 부산EDC 스마트시티 시범도시를 중심으로 스마트시티의 에너지인프라의 개념을 구체화했다.

이어 부산EDC 시범도시에 추진되고 있는 에너지거래플랫폼 실증계획, AMI 빅데이터 플랫폼 구축 연구사례 등을 살펴봄으로써 플랫폼·빅데이터 등 IT인프라의 구축 필요성과 동향을 공유했다.

또한 도시의 에너지자립 실현을 위한 계획 프로세스와 에너지소비 부하의 상당부분을 차지하는 신재생열에너지의 보급활성화 방안을 살펴봄으로써 스마트시티의 에너지자립을 실현할 수 있는 구체적인 프로세스 및 제도의 필요성을 제시했다.

강용태 대한설비공학회 하계학술대회 조직위원장(차기회장)은 환영사에서 "스마트시티는 기계설비의 기술적인 부분에서 핵심적인 분야"라며 "이번 칸kharn 특별세션은 에너지자립, 빅데이터 플랫폼, 신재생에너지원의 다양화 등 3개 키워드를 제시하고 있다"고 밝혔다.

이어 "스마트시티에서는 어떤 에너지원을 스마트하게 적용하는가가 에너지자립과 지속가능성 확보, 탄소중립사회 실현을 위해 중요한 내용"이라며 "이러한 관점에서 3개의 화두에 대해 발표자와 참석자들이 소통하는 장이 되길 바란다"고 밝혔다.

김강문 국토부 사무관은 ‘대한민국 스마트시티 추진전략’ 발표를 통해 “급속한 도시화에 따라 인구와 자원소비가 도시에 집중되면서 미세먼지, 교통혼잡, 물부족, 재난안전 등 각종 사회문제가 발생했다”라며 “지속가능성 위기에 빠진 도시문제 해결을 위해 세계각국은 4차산업혁명 기술을 활용해 전방위적 노력을 경주하고 있으며 시범도시, 리빙랩, 데이터 플랫폼 등 다양한 방식으로 스마트시티 정책을 추진 중”이라고 밝혔다.

스마트시티는 혁신기술로 시민의 삶의 질과 도시의 지속가능성을 제고하며 새로운 산업을 육성하는 플랫폼을 의미한다. 우리나라는 세계적수준의 ICT인프라 및 혁신기업을 보유하고 있으며 높은 인터넷 활용률, 교육수준, 참여의식을 비롯해 급속한 도시화 과정에서 신도시·인프라를 건설한 경험을 축적하고 있어 스마트시티분야에서 앞서나갈 수 있는 경쟁력을 갖췄다고 평가된다.

이에 따라 국토부는 △맞춤형 도시모델 조성 △스마트시티 기반구축 △혁신생태계 조성 △글로벌 네트워크 구축 등 4가지 추진전략을 바탕으로 세계 스마트시티 시장선도를 도모하고 있다.

먼저 맞춤형 도시모델 조성은 신도시, 기존도시를 대상으로 스마트시티 솔루션을 접목한다는 전략이다. 신도시는 백지상태의 부지에 4차 산업혁명의 각종 첨단기술을 집약한 미래 스마트시티 모델을 지세하는 것으로 세종 5-1생활권, 부산 EDC가 해당한다.

이러한 국가시범도시에는 AICBM기술을 활용해 △모빌리티 △헬스케어 △교육 △에너지 △거버넌스 △문화 △일자리 △로봇 △물순환 △안전 등 혁신요소를 도입해 시민의 일상을 바꾸고 자연과 사람이 어우러진 도시를 조성함으로써 도시문제 해결과 삶의 질 제고에 나선다.

기존도시에는 스마트챌린지를 통해 각종 솔루션을 발굴, 적용함으로써 스마트화를 도모한다. 스마트챌린지는 △시티챌린지 △타운챌린지 △솔루션확산 △캠퍼스챌린지 등 4가지 사업으로 구분되며 민간기업을 중심으로 지자체·시민수요를 반영해 창의적 아이디어를 제시하고 실증·확산하는 과정을 거친다. 현재 28개 도시에서 125개 스마트솔루션이 실험되고 있다. 향후 스마트시티 전국확산을 위해 지자체·민간기업 주도로 지역의 신규·재개발지구를 스마트거점으로 조성하는 ‘지역거점 스마트시티’가 신규 도입될 예정이다.

스마트시티 기반구축전략은 통합플랫폼 보급, 혁신성장동력 R&D 추진, 데이터허브 확산, 인재육성 등으로 구분된다.

통합플랫폼은 교통·방범 등 각종 정보를 취급하는 ‘도시통합운영센터’를 구축하고 기반 소프트웨어인 스마트시티 통합플랫폼을 보급한다는 것이다. △방범 △방재 △환경 △교통 △신규서비스 등을 아우르며 대전시에 시범적용한 결과 범죄발생 6.2% 감소, 소방차 7분 내 출동시간 15.4% 단축, 긴급 재난상황지원 438건 등 성과를 나타낸 바 있다. 2020년 기준 전국 108개 지자체에 보급완료했으며 향후 서비스·적용도시를 확대할 방침이다.

또한 정부는 2018년부터 2022년까지 데이터와 인공지능 기반의 스마트시티 구축을 위해 기술개발 및 실증을 결합한 혁신성장동력 R&D를 추진하고 있다. 9대 국가전략프로젝트의 하나로 이 기간동안 총 76개 기업·대학·연구기관이 참여해 1,287억원을 투입, 데이터허브 기술개발, 실증, 비즈니스화 및 확산을 추진한다.

데이터허브는 각종 도시데이터를 수집, 융합, 분석해 교통·환경·에너지·복지 등 다양한 분야의 공공서비스를 제공하는 시스템이다. 스마트도시교통, 도시에너지 통합관리 등을 구현한다. 또한 국토부는 다양한 분야가 융복합된 스마트시티 수요에 능동적으로 대응하기 위해 석·박사자원, 특성화교육 등 대학과 연계한 혁신인재 육성사업도 추진하고 있다.

스마트시티 구현을 위한 세 번째 추진전략인 ‘혁신생태계 조성’을 위해 정부는 △법제 정비 △거버넌스 구축 △융합얼라이언스 운영 △산업생태계 구축 등을 추진하고 있다.

규제샌드박스를 전국으로 확대하는 등 다양한 혁신산업 육성을 위해 규제개선을 지속 추진하고 있으며 정부·기업·시민이 협력할 수 있도록 체계를 마련하고 있다. 이와 연계된 융합얼라이언스는 기존 정부·연구기관·기업의 협력체계에서 지자체·학계를 포함토록 확대개편을 추진한다. 또한 중소·스타트업 육성을 통한 산업생태계 활성화를 위해 청년창업을 지원하고 개발제품의 판로확보를 지원하기 위해 창업자 자금·교육·마케팅 지원, 온라인 솔루션마켓 구축, 스마트시티 공공구매 혁신 등을 추진한다.

글로벌 네트워크 구축전략은 한국형 스마트시티의 해외진출 모델을 확산하기 위한 것으로 지난해 처음으로 진행된 ‘K-City Network’가 핵심이다. 국제공모를 통해 해외 프로젝트에 우리나라 경험·기술·솔루션을 지원하는 프로그램으로 지난해 12건, 올해 11건의 협력사업이 선정, 추진되고 있다.

이와 함께 글로벌 이슈를 선도하기 위해 동아시아 최대의 국제행사로 스마트시티 글로벌 엑스포인 ‘WSCE(World Smart City Expo)’를 육성한다. G2G, B2B, 국민소통 등을 주요 테마로 올해 행사가 9월8일부터 열흘간 경기도 고양시 킨텍스에서 개최될 예정이다.

조해진 K-water 차장은 ‘부산 EDC 국가시범도시 사업현황 및 스마트빌리지 조성계획’ 발표에서 “부산EDC는 지리적으로 부산, 울산, 경남을 연결하는 중심부에 위치해 있으며 바다·하늘·육지를 연결하는 동남권 교통 요충지로서 높은 접근성을 보유하고 있다”라며 “부산EDC 스마트시티 국가시범도시는 부산EDC 내 2.8㎢ 규모에 조성되며 현재 첫마을인 스마트빌리지가 성과를 보이고 있다”고 밝혔다.

부산EDC 스마트시티 시범도시에는 △스마트홈 △스마트학교 △스마트빌리지 △스마트혁신센터 △스마트쇼핑 △스마트병원 △공공혁신클러스터 등 핵심 앵커시설이 계획돼 있다. 이를 중심으로 시민의 삶에 가치를 더하기 위해 △제로에너지 △로봇활용 생활혁신 △배움·일·놀이 융합사회 △도시행정·관리 지능화 △스마트워터 △스마트교육·리빙 △스마트 헬스케어 △스마트교통 △스마트안전 △스마트공원 등 10대 혁신기술을 도입할 방침이다.

현재 LG CNS컨소시엄이 스마트시티 건설을 위한 SPC 우선협상대상자로 지정됐으며 민간부문 66%, 공공부문 34% 비율로 자금을 출자한다. 국비지원, SPC 출자금, 부동산 개발이익, SPC 운영수입 등을 재원으로 필수·선택·자유제안 서비스와 신규서비스를 발굴·도입하는 체계로 진행된다.

SPC는 최소 15년간 시범도시 혁신서비스 등을 구축·운영하며 결과에 따라 시범도시, 부산시 전역, 전국으로 확대적용을 추진한다.

이러한 스마트시티 추진계획의 첫 성과로 첫마을인 스마트빌리지가 성과를 내고 있다. 미래생활과 신기술을 미리 만나볼 수 있는 실증단지인 스마트빌리지는 시민들이 거주하면서 기술·서비스를 경험해보고 피드백하는 실험적 공간이다.

스마트빌리지는 단독주택 56세대로 구성돼 오는 12월 입주를 목표로 추진 중이며 1차사업은 K-water, 신동아건설 등이 참여해 2~3인이 1세대를 구성하는 소규모주택 19세대를 구축하고 2차사업은 삼성물산이 시행사로 참여해 4인 이상이 1세대를 구축하는 다가구형태의 37세대를 구축한다.

지난해 7월30일 착공, 9월23일 혁신기술 공모를 완료했으며 지난해 11월 입주자모집공모가 완료됐다. 국내 최초로 에너지효율 1+++ 및 제로에너지 1등급 주택단지로 조성되며 △첨단도시 홍수관제시스템 △수질개선 및 친수정보 플랫폼 △스마트정수장 및 SWM △하수재이용시설 △비대면 원격진료센터 △스마트팜 등이 도입된다.

김민휘 한국에너지기술연구원(KIER) 선임연구원은 ‘에너지자립 스마트시티 R&D 실증현황-저탄소 에너지 고효율 건축기술 개발’ 발표에서 “지구·도시의 지속가능성 확보를 위해 에너지전환 이니셔티브가 요구되고 있다”라며 “이러한 상황에서 부산EDC가 스마트시티 국가시범도시로 지정, 스마트빌리지를 중심으로 지속가능한 스마트 에너지공유 커뮤니티 구축과 비즈니스모델 창출로 에너지복지 생태계를 조성하기 위한 전략이 추진되고 있다”고 밝혔다.

이를 위한 핵심기술은 ‘에너지공유 플랫폼’이다. KIER이 주관기관을 맡아 추진되는 ‘블록체인 기반 에너지공유 플랫폼 구현 및 생산·수요 에너지공유플랫폼 실증’ 연구과제는 지속가능한 저탄소 에너지공유 커뮤니티 구축을 위해 부산EDC 스마트시티(신도시)와 시흥시 스마트시티 커뮤니티(기축건물) 등 2곳을 대상으로 연구·실증이 추진된다.

실증에는 총 70억원이 투입되며 부산EDC 스마트시티의 △단독주택단지(스마트빌리지) △공동주택단지 △공공·상업건물(스마트정수장·어반테크) 등을 비롯해 시흥시 스마트시티 시범지구를 대상으로 진행된다.

이를 위해 △블록체인 기반 P2P 거래 알고리즘 △PV발전예측 알고리즘 △열·전기부하 예측 알고리즘 △ESS운영 알고리즘 △열설비 운영 알고리즘 등을 개발, 통합 최적화 알고리즘인 EMS 플랫폼을 개발한다. 이후 이를 물리적으로 구현한 TOC CEMS를 구현한 뒤 통합실증에 착수하는 과정을 거치게 된다.

이러한 에너지거래 플랫폼개발을 위해서는 에너지를 거래할 수 있도록 제로에너지, 플러스에너지를 통한 잉여에너지가 필요하다. 이를 위해 스마트빌리지의 에너지설비로 수열·지열시스템 도입, 냉난방·급탕열 중앙공급, P2H·PV+HP 열프로슈머 등 복합에너지시스템이 적용된다.

시뮬레이션을 통한 시스템분석 결과 이와 같은 복합에너지시스템을 통해 에너지효율향상 25%, 커뮤니티 에너지자립률 117%를 달성할 수 있을 것으로 나타났다. 현재 복합에너지시스템은 KIER 플러스에너지하우스에 테스트베드를 마련해 파일럿 실증이 추진되고 있다.

차희운 GS건설 책임연구원은 ‘스마트시티 에너지자립 건설기술’을 주제로 발표했다. GS건설은 스마트시티 에너지분야와 관련해 현재 ‘Smart ZEC’, ‘에너지공유 커뮤니티’ 등 실증사업화 국책과제를 기획·수행하고 있으며 부산EDC 스마트시티사업의 에너지 기본설계 및 다양한 도시개발사업에 참여하고 있다.

차희운 책임은 “급속히 성장하는 스마트시티 시장에서 스마트에너지분야의 점유율은 스마트정부·보안분야 36.8%에 이어 15.8%를 기록해 2번째로 나타났다”라며 “스마트시티 에너지분야는 도시의 지속발전 가능성 확보를 위한 주요 요소기술”이라고 강조했다.

도시단위의 에너지자립은 연간 에너지생산량과 공급량이 넷제로(Net Zero)인 상태를 의미하며 이러한 도시체계 구축을 위해서는 에너지인프라, 네트워크, 플랫폼과 함께 이를 서비스할 수 있는 계획이 필요하다.

이를 위해 도시의 개발방향에 대한 조사·검토와 함께 적용가능한 기술에 대한 평가를 통해 에너지자립을 위한 기본방안을 수립할 필요가 있다. 해당 도시의 지구단위계획 검토를 통한 에너지 수요분석과 함께 에너지자립 구현을 위한 수요감축 방안, 효율화 방안, 에너지공급방안 등 에너지분야 계획 방향을 제시해야 한다.

이를 기반으로 해당 도시의 전기, 열, 자원 등 효율적인 통합에너지 운영을 가능케 하는 도시에너지 운영 아키텍처를 설계·구축하는 것이 다음 단계다. 이후 이를 활용해 에너지시스템 운영, 에너지거래, 에너지사용량 검침 등 다양한 도시에너지서비스를 제공할 수 있는 모델을 개발할 수 있다.

이와 같이 스마트시티 에너지자립은 수립된 에너지인프라·플랫폼 구축계획을 바탕으로 다양한 스마트 에너지솔루션·서비스를 적용·연계함으로써 달성할 수 있다. 이때 활용할 수 있는 솔루션·서비스는 열·전기 통합관리, 최적부하매칭, 도시에너지 최적설계, 양방향 에너지인프라, 통합플랫폼 구축, 에너지 최적운영 및 거래 등이 고려될 수 있다.

이창훈 스마트그리드사업단 사무국장은 ‘AMI 빅데이터 플랫폼 추진동향 및 향후전망’ 발표에서 “에너지자립도시 실현을 위해서는 에너지사용량 데이터 축적이 필수적이며 이는 부하예측, 에너지거래 등의 기반이 된다”라며 “제8차 전력수급 기본계획, 한국판 그린뉴딜 등 실현을 위해서는 AMI기반 전력 빅데이터 공유·개방확산이 가능한 환경조성이 필요하다”고 강조했다.

AMI(Advanced Metering Infrastructure)는 양방향 통신 기반의 디지털 계량기와 기타 전기사용정보 전달 및 제어장치로 구성된 기반 인프라를 의미한다. 이는 실시간으로 전력가격 및 사용정보를 소비자에게 전달해 수요반응을 가능케하고 공급자에게 더욱 정확한 수요예측 및 부하관리를 가능케 한다.

AMI보급을 위해 정부가 공동주택 AMI 500만호 보급사업을 추진하고 있으며 이를 기반으로 AMI빅데이터 구축이 필요하지만 경제산업적으로 개인정보 규제, 낮은 주택용 전기요금, 한전 빅데이터의 폐쇄성, 투자미흡 등이 장애물로 작용하고 있다. 또한 기술적으로도 빅데이터 분석 및 가시화도구의 에너지분야 적용이 미흡하며 전력 빅데이터와 타분야 정보기술 융합 역시 미흡한 실정이다.

현재 우리나라는 빅데이터 플랫폼 관련 기술수준은 낮은 편이지만 빅데이터 실시간 처리기술 상용화가 이뤄지고 있는 상황이다. 다만 빅데이터 예측·분석, 이종소스 분석 등 기술은 초기단계에 머물고 있으며 활용기술수준 역시 낮은 편이다. 주로 금융·통신산업에서 도메인 지식기반 빅데이터 기술을 활용하는 추세다.

시장성은 우수하다. 국내 빅데이터 및 분석시장은 2019년 기준 전년대비 10.9% 증가한 1조6,744억원을 기록했다. 정부는 2023년까지 빅데이터 활성화를 위해 약 7조7,500억원을 투입해 빅데이터 플랫폼 및 센터구축을 지원할 예정이다.

이에 비해 해외기술은 수집·저장과 관련된 오픈소스 소프트웨어 솔루션이 활발히 개발되고 있다. 분석기술은 글로벌 IT기업을 중심으로 빅데이터 분석플랫폼을 개발해 서비스하고 있으며 활용기술 역시 제조·유통산업관련 도메인 지식에 빅데이터 플랫폼 분식기술을 적용, 활발히 이용되고 있다.

국내 AMI 빅데이터 플랫폼 구축사례는 한전, 스마트그리드사업단, 한국에너지공단 등이 있다. 한전의 ‘전력데이터 개방 포털시스템’은 한전과 외부기관에서 보유하고 있는 공공재 정보, 소비자 요청정보, 민간수요정보 등을 종합해 제공한다. 전력 빅데이터 공유센터라는 별도 공간에서 학술 및 연구개발 등에 분석환경을 제공하고 있지만 서울 1개소에 불과해 이용편의성이 미흡하다.

스마트그리드사업단에서 운영하는 ‘SG 빅데이터센터’는 공동주택 개별세대 AMI 15만호 데이터를 가공·분석하는 것으로 유통을 추진 중인 시스템이다. AMI 빅데이터 생태계 활성화에 초점이 맞춰져 있으며 데이터유통을 비롯해 수요기관 모집, 교육 및 홍보 등을 병행하고 있다.

에너지공단의 ‘빅데이터 기반 지능형 EMS’는 참여기업인 엑셈이 구축한 것으로 전기·가스 이용데이터와 5,000여개 에너지 다소비사업장에서 추출한 빅데이터를 분석할 수 있는 지능형 플랫폼이다. 한전과 연계된 실시간 수집 시계열 전력데이터를 수집·분석·활용할 수 있으며 유사업종 및 규모별로 비교분석 가능한 서비스를 구축하고 있다.

해외사례로는 △미국정부가 구축한 소비자 전력소비정보 제공 플랫폼 ‘Green Button’ △페이스북과 연계한 AMI데이터기반의 에너지러감 앱서비스인 미국 ‘OPOWER’ △AMI 빅데이터 분석을 통한 가전제품별 전력소비량 및 전기요금 정보제공 플랫폼인 미국 ‘bidgely’ △전기소비량 확인, 전년·월 소비량 비교분석 플랫폼인 영국 ‘centrica’ 등이 있다.

현재 스마트그리드사업단이 추진 중인 ‘AMI 빅데이터 플랫폼’은 전력·가스·열 3종의 주택 AMI 빅데이터 플랫폼을 구축하고 데이터기반 서비를 개발·제공해 소비자의 합리적 에너지소비 지원과 데이터이용사업자의 비즈니스 창출기반을 구축하기 위해 추진되는 과제다.

이를 위해 △에너지사용량 데이터 품질확보 △에너지사용량 데이터 표준정립 △데이터기반 에너지이용 효율화 △에너지빅데이터 생태계 조성 등이 추진 된다.

이재하 지엔원에너지 책임연구원은 ‘스마트시티 지열·수열·연료전지 인프라 확대방안’ 발표에서 “효과적인 온실가스 감축을 위해 열공급부문 신재생에너지 인프라 확대를 위한 전략적 목표 및 계획을 수립하는 방안을 고려할 필요가 있다”라며 “에너지전환 및 온실가스 감축목표를 경제적으로 달성하기 위해서는 발전부문, 수송용 연료부문, 열공급부문 등 각각의 신재생에너지 이용 비중목표를 별도로 설정해 각 특성에 적합한 보급전략을 마련해야 한다”고 강조했다.

열공급부문 신재생에너지 인프라 확대를 위한 보급제도마련 방안과 관련해 현재 국내에서는 발전용 RPS제도, 수송용 RFS제도 등이 추진되는 것에 비해 열공급 부문에 대한 보급확대 제도가 적극적으로 시행되고 있지 않아 관련산업 성장계기가 부족한 실정이다.

EU의 경우 전체 에너지활용 및 소비용도 중 열공급부문이 차지하는 비중에 주목해 해당분야에 대한 신재생에너지 비중확대목표를 수립, 관련 제도를 시행하고 있다. 2009년 처음 제정된 EU 재생에너지지침이 최근 개정돼 건축물 냉난방 등 열공급부문의 재생에너지비중을 확대하기 위한 조항이 신설되기도 했다.

또한 독일은 RHO, 영국은 RHI 등 열공급부문 신재생에너지 확대를 위한 제도가 시행되고 있다. 정부 재정지원 규모가 작은 시장 초기단계에는 보조금 지원성격의 RHI제도를 통해 사업자들의 진입장벽을 낮출 필요가 있으며 보급확대 시기에는 시장원리가 적용되는 RHO 제도로 대처하는 방향을 고려할 수 있다.

이와 함께 열공급부문 신재생에너지 인정범위를 확대하는 방안을 통해 신재생열에너지 보급을 확대할 수 있다. 자연온도차나 폐열 등 미활용 에너지원을 신재생 인정범주에 포함함으로써 보급활성화, 관련산업 육성 등의 계기를 마련할 수 있다.

예를 들어 현재 수열에너지는 ‘물의 열을 히트펌프를 사용해 변환시켜 얻어지는 에너지’로 명시하고 있으며 범위를 ‘해수 표층 및 하천수의 열을 변환시켜 얻는 에너지’로 규정함으로써 상당한 에너지원인 소양강댐 냉수 등 히트펌프를 사용하지 않는 수열은 신재생에너지로 인정되지 않고 있다.