4차 산업혁명하에서 제조업이 서비스화 되고, 클라우드 컴퓨팅과 빅 데이터 및 인공지능 등 데이터 집약적인 산업이 확대됨으로써 에너지 집약도의 증가는 전력 수요를 높이는 요인으로 작용할 것으로 전망된 다. 반면, 에너지 수요 부문의 기술혁신은 총체적 에너지 사용 최적화 및 효율화를 추구하며 EMS(energy management system)를 중심으로 통 합되는 경향을 보이고 있다. 이는 에너지 흐름 및 사용의 시각화와 최 적화를 위한 관리 시스템으로 가정(HEMS), 빌딩(BEMS), 공장(FEMS) 뿐만 아니라 상위이면서 종합적인 계층이라고 할 수 있는 커뮤니티
(CEMS)에도 적용되고 있다. 이러한 최적화와 효율화 추세는 에너지 수
요를 낮추는 요인으로 작용할 것으로 전망된다.
가. 공장에너지관리시스템(FEMS)
국내 에너지 소비의 절반 이상을 차지하는 산업부문의 수많은 공장 들에서는 설비의 운전 상황과 시장에서의 에너지 수급 패턴을 모니터 링 하면서 효율적으로 에너지를 분배하여 비용을 절감할 필요가 있다. 4차 산업혁명과 함께 화두가 되고 있는 스마트 공장(Smart Factory)의 개념에서는 공정 자동화와 ICT 기술을 접목한 품질 관리 및 생산성 향
상을 추진하여, 에너지 비용의 절감으로 제조원가의 최소화를 이룰 수 있게 된다. 물론 이를 위해서는 공장 내의 모든 설비에 센서들이 ·설비 들의 상태에 대한 많은 정보들이 네트워크를 통해(5G) 실시간으로 수
집(Cloud)할 수 있어야 한다. 또한 이를 통해 이상 징후를 스스로 발견
하고(Big data), 이에 대한 대응체제를 마련(AI)하여 제품 및 프로세스의
품질을 유지해야 함은 물론이고, 에너지 부하(load)의 최적 관리를 위한 기술 기반(EMS)이 마련되어야 한다.
국내외의 여러 기업들이 FEMS(Factory EMS) 시장에 대한 관련 기술 개발과 실제 적용에 속도를 내고 있으며, 이를 통해 전 산업분야의 에 너지 사용량 절감과 효율성 제고를 통해 원가 비용이 줄어드는 등 비 약적인 생산성 향상이 다시 한 번 이루어질 것으로 보고 있다.
[그림 2-12] 스마트·디지털 공장에 적용되는 기술 예시
자료: 유석현(2017, p. 20)
[그림 2-13] 두산중공업의 발전소 IoT 적용 및 SW 개발 현황
자료: 유석현(2017, p. 15)
구체적으로는 공장 전체의 에너지 사용을 실시간으로 감시하며 동시 에 전기·수도·가스의 사용 패턴 모니터링을 통해 종합적인 첨두부하 제 어를 위한 공정 통합제어가 가능해 지는 것이다. 또한, 정해진 스케줄 에 따라서 구간이나 설비별 에너지 자동 제어와 휴게실 등에 재실 감 지 센서를 적용한 자동 절전 등을 실현할 수 있다.
이러한 기술들의 적용은 스마트 공장의 점차적인 확산과 더불어 제 조 공정상의 생산효율성 향상과 품질 개선을 가져올 것으로 기대되고 있다. 특히 현재 보유하고 있는 비효율적인 조명과 설비들을 IoT가 적 용된 고효율 설비로 교체하면 사물인터넷 기기들과의 연결을 통해 에 너지효율 최적화를 시스템적으로 달성할 수 있게 된다.
기업 주요 내용 GE
∙생산 현장에 산업용 사물인터넷 적용 및 빅 데이터 분석을 통해 공정 및 설비관리 최적화
∙불량 및 오류 감소, 설계 시간 단축, 비용절감 등의 성과 달성
Intel ∙사물인터넷을 통하여 생산공정 사전검증 및 실시간 설비 관리
∙특정 품목에의 시범 적용으로 연간 300만 달러의 원가 절감 Siemens
∙고성능 자동화 설비와 시스템 간의 실시간 연동체계 구현
∙다품종(1,000가지) 생산 및 고수율(불량률 0.001%) 달성
∙기존 공장에 비하여 30% 정도의 에너지 절감
Adidas
∙정부 지원 및 산학 협력을 기반으로 제조 혁신 과제 추진
∙산업용 로봇 적용 등으로 생산 자동화, 소비자 맞춤형 신발 생산 체계 구축
Toyota ∙기존의 JIT(Just in Time) 체계를 고도화하여 부품 공급사, 물류업체 등 전체 공급망 정보와 통합 관리
LS산전 ∙스마트 생산 라인을 구축, 부품 공급부터 조립, 시험 및 포장 등 전체 라인에 걸쳐 완전 자동화를 구현
<표 2-1> 국내외 스마트공장 추진 사례
자료: 삼정KPMG 경제연구원(2017, p. 13)
나. 빌딩에너지관리시스템(BEMS)
한편, 국내 에너지 수요의 3분의 1 정도를 차지하는 건물부문에서는 에너지의 효율적 관리를 위한 사용 패턴 분석과 조정으로 비용을 최소 화하고자 BEMS(Building EMS) 기술의 개발과 적용을 통해 스마트 빌 딩(Smart Building)으로 변신 중이다. 냉난방 설비, 콘센트, 조명, 각종 기기 등 건물 내에서 에너지를 소비하는 기기들에 계측 장비를 붙이고 동시에 통신망으로 연계하여 최적의 효율적 관리를 도모하는 것이다. 이러한 접근을 통해서 온실가스 배출을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 정전과 같은 유사시에 능동적인 대응이 가능해진다. 또한, 효율적 에너
지 사용으로 비용 절감은 물론이고, 사무의 능률을 향상시킬 수 있는 보다 나은 업무 환경을 제공할 수 있다.
[그림 2-14] 빌딩에의 EMS 기술 적용을 통한 효율성 제고 사례
자료: 손장익(2017, p. 4),
국내에서는 건물과 건물에 적용되는 관련 기술들에 대하여 부하 절 감과 설비의 고효율화, 그리고 제어 및 운영 등 3개 정도로 구분하여 연구개발이 추진 중이다. BEMS에서 주요 에너지 절감 대상이 전력 분 야이므로 건물의 전력 소비에 대한 절감 기술들이 다양하게 개발되고 있다.
다. 가정에너지관리시스템(HEMS)
마지막으로 HEMS(Home EMS)는 일반 가정 레벨에서의 에너지 관리 시스템이다. 이는 에너지 절약뿐만 아니라 고객과의 접점을 이용한 다
양한 서비스를 제공할 수 있는 플랫폼으로써 가치가 높은데, 공동 주택 형태인 아파트를 짓는 건설사들뿐만 아니라, 통신사들도 관련 기술을 개발하여 시장을 확대해 가고 있다.
우리나라에서 높은 비중을 차지하고 있는 공동 주거 형태인 아파트 의 경우, 다수 세대들과 주민 공동이용 시설, 그리고 상가 등이 포함되 어 있고 단지 차원으로 주민공동체가 구성되어 운영되고 있으므로 에 너지 수요관리 기술을 적용하기에 용이한 것으로 나타나고 있다. 특히 동일한 전기 공급 체계를 갖고 있기 때문에 개별 세대의 에너지 소비 패턴을 파악하여 수요관리 기술을 개발하는 것이 다른 건물 집단을 대 상으로 하는 경우보다 유리하다. 이와 관련하여 이미 국내에서도 AMI 를 비롯하여 프로토콜 등은 표준화가 진행 중이다.
[그림 2-15] 국내 가전 업체에서 제공하는 HEMS의 개념도
자료: 이상봉(2017, p. 5)
HEMS를 적용하면, 기본적으로 거주 공간을 보다 쾌적한 환경으로 만들 수 있을 뿐만 아니라, 생활 편리성 또한 더해진다. 하지만, 이를 위해서는 가정에서 사용하고 있는 가전기기들에 IoT 및 AI 기술이 조 합되는 등 보다 많은 기술적 진보가 이루어져야 하며, 이러한 움직임이 국내외 가전회사 등을 중심으로 시도되고 있다.
이처럼 HEMS 기술은 4차 산업혁명하에서의 ICT 분야 기술 혁신에 따라 빠르게 성장하고 있으며, 정보의 시각화 및 분석을 기반으로 제공 하는 서비스와 그 범위를 확대하는 방향으로 비즈니스 모델이 변화하 고 있다.
라. 단일 기기의 고효율화 및 친환경화
각 에너지 소비기기별로 살펴보면, 작업자 및 경영자들이 설비에서 제공하는 필요 정보들을 파악하고 분석하여 에너지 최적화를 달성하기 위한 의사결정 환경을 제공해야 하는 바, 대부분 설비나 기계들이 네트 워크로 연결되고 양방향 통신이 가능한 방향으로 진화하고 있다. 또한, 이러한 설비들의 에너지 사용 현황을 가정 및 빌딩 등 최소 단위별로 관련 자료를 수집 및 모니터링 할 수 있는 기기들이 보급되고 있고 표 준이 제정되고 있는 등 에너지 분야의 소비 효율 제고를 위한 인프라 구축이 전 세계적으로 진행되고 있다.
제2절 에너지사용 기기의 4차 산업혁명 핵심기술 융복합 추세