[기고] 스마트 시티의 에너지 과제-아이씨엔매거진

데이터와 기술, 그리고 시민 참여로 실현하는 도시 탈탄소화 전략

스마트 시티의 탈탄소화는 데이터 기반의 스마트 에너지 시스템을 통해 증가하는 도시 에너지 수요를 효율적으로 관리하면서도, 기술·사회·보안적 과제를 넘어 지속가능한 도시 미래를 실현하려는 복합적인 노력이다. 이 글에서는 스마트 에너지 시스템이 번창하는 도시의 증가하는 전력 수요를 충족하는 데 얼마나 큰 가능성을 지니고 있는지 설명하고, 이러한 인프라를 구현하는 데 따르는 과제를 살펴본다. [편집자 주]

글_ 푸르니마 압테(Poornima Apte)
제공_ 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

스마트 시티의 탈탄소화 추진은 단순히 탄소 배출을 순제로로 만드는 것에 그치지 않고, 에너지를 현명하게 소비하는 것과도 관련이 있다. 스마트 시티는 센서 정보가 의사결정 과정을 안내하는 데이터 기반 환경이다.

예를 들어 텍사스주 오스틴시는 스마트 그리드 인프라에 투자해 실시간 수요에 따라 에너지를 역동적으로 전달하고 분배할 수 있기를 기대하고 있다^[1]. 이러한 스마트 에너지 모델의 핵심은 유틸리티 고객에게 있으며, 고객은 애플리케이션을 사용해 자신의 에너지 사용을 모니터링하고 관리함으로써 적극적인 역할을 할 수 있다.

이러한 효율성은 더 이상 미룰 수 없는 시점에 도달했다. 도심 지역은 이주와 인구 증가라는 이중의 압박에 시달리고 있다. 세계은행에 따르면 2050년에는 10명 중 7명이 도시에 거주하게 된다^[2]. 극한 기상 현상은 문제를 더욱 악화시켜 에너지 공급에 차질을 빚고, 그로 인해 가혹한 환경에서 에너지에 대한 긴급한 수요가 발생한다. 도시는 이러한 증가된 수요를 감당하기 위해 스마트 에너지 시스템이 필요하다. 이 글에서는 스마트 에너지 시스템이 번창하는 도시의 증가하는 전력 수요를 충족하는 데 얼마나 큰 가능성을 지니고 있는지 설명하고, 이러한 인프라를 구현하는 데 따르는 과제를 살펴본다.

스마트 에너지 시스템으로 효율성 향상

스마트 에너지 시스템은 어떻게 더 효율적일까? 지속적인 모니터링을 통해 반응적이기보다 능동적으로 대응하기 때문이다. 에너지 배분은 분산되고 양방향으로 이루어지며, 마이크로그리드를 포함한 여러 그리드가 분산 에너지 시스템에 전력을 공급한다. 동시에 그리드는 주거용 태양광 패널이나 풍력 발전소 같은 재생 가능 에너지원이 시스템에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 이러한 시스템의 입력과 출력은 모두 복잡하며 주로 사물인터넷(IoT) 센서에서 나오는 데이터를 기반으로 한다. 이처럼 복잡성이 따르지만, 적절한 전략과 도구를 통해 해결할 수 있다.

스마트 시티 구축에는 복잡함이 따른다

스마트 에너지는 증가하는 도시 인구를 위한 해결책이 될 수 있지만, 그에 도달하기 위해서는 도시들이 여러 장애물을 극복해야 한다. 기술과 관련된 병목 현상 외에도, 가장 큰 과제 중 하나는 정부가 규제를 제정하고 수년이 걸릴 수 있는 프로그램에 자금을 지원하려는 공공의 의지를 확보하는 것이다. 기술 측면에서 스마트 시티가 직면한 문제로는 새로운 에너지 소비 및 생산 패턴, 노후된 인프라의 한계, 사이버 보안 취약성이 있다.

새로운 에너지 소비 및 생산 패턴
전통적인 에너지 공급 모델은 중앙 발전기에서 배전 시스템을 거쳐 주거 및 상업 단위로 에너지가 흐르는 방식이지만, 스마트 시티는 더 효율적인 관리를 위해 분산형 에너지 시스템을 사용한다. 기존의 그리드는 태양광 발전소 같은 공급원에서 그리드로 전력이 유입되는 것을 처리하도록 설계되지 않았다. 그리드는 새로운 전력원과 함께 작동할 뿐 아니라 이러한 전력의 양방향 흐름에도 적응해야 한다.

고급 그리드 관리 시스템은 센서와 같은 여러 출처로부터 실시간 데이터를 처리해 공급과 수요를 동적으로 조정해야 한다. 소규모의 국지적인 마이크로그리드는 메인 그리드의 부담을 줄이고 중요한 지역에 에너지를 효과적으로 전달한다.

노후 인프라와 사이버보안 문제
수백만 개의 IoT 장치가 스마트 미터나 다른 장치에 연결되고, 이들이 다시 그리드에 연결될 때, 단 하나의 취약한 연결 고리만으로도 중요한 유틸리티가 손상돼 도시가 마비될 수 있다. 특히 노후 인프라를 사용할 때는 정보기술(IT) 시스템과 운영기술(OT) 시스템의 통합(IT/OT 융합)으로 인해 보안상의 허점이 생기기 쉽기 때문에 사이버보안이 특히 어렵다.

지속적인 네트워크 모니터링, 암호화된 통신, 제로 트러스트 정책이 스마트 에너지 인프라를 보호하는 데 도움이 된다. 도시는 탐지 관리 및 대응 서비스를 사이버보안 전문가에게 외주로 맡기고, 보안 프로토콜의 무결성을 확인하기 위해 정기적으로 ‘소방 훈련’을 시행할 수 있다.

중단 없는 서비스 보장

안타깝게도 사이버 공격만이 전력망을 마비시키는 유일한 방법은 아니다. 극심한 기상 현상이 점점 더 빈번해지면서 전력망을 수 시간, 길게는 며칠 동안 마비시킬 수 있다. 또한 태양광과 풍력처럼 특정한 기상 조건에 의존해 전력을 생산하는 재생 가능 에너지원에 실시간으로 의존하는 것은 위험할 수 있다. 전기차(EV)로의 전환도 특히 많은 사용자가 하루가 끝난 후 동시에 차량을 충전하려고 할 때 전력망에 부담을 준다. 게다가 기후가 더워짐에 따라 에어컨 사용이 늘어나면서 전력망에 추가적인 부담을 준다.

이러한 요인들이 함께 작용해 서비스가 중단될 위험을 높이고 정전 가능성을 증가시킨다. 이러한 서비스 중단은 특히 병원, 공항과 같은 필수 서비스에 치명적인 피해를 줄 수 있다.

도시가 배터리 뱅크를 에너지 저장 솔루션으로 활용하는 것은 실행 가능한 해결책 중 하나이며, 이를 통해 재생 에너지 생산이 줄어들 때 전력을 공급할 수 있다. 이 솔루션과 함께, 소비자들이 비피크 시간대에 에너지를 사용하도록 유도하는 인센티브를 제공해 전력 부하를 줄일 수 있다.

인공지능(AI)도 방대한 데이터를 분석하고 소비자와 그리드의 행동을 예측하는 데 중심적인 역할을 할 수 있다. 이러한 예측을 통해 스마트 시티는 에너지 문제에 반응적으로 대응하기보다 능동적으로 대응할 수 있다. 많은 스타트업과 기업들이 스마트 시티에서 에너지 공급의 여러 측면을 해결하고 있다. 예를 들어, 영국에 본사를 둔 옥토퍼스 에너지는 고급 AI를 사용해 에너지 생산자로부터의 에너지 분배를 최적화하며^[3], 스마트 그리드 플랫폼이 부하를 균형 있게 조절해 효율적인 에너지 공급을 보장한다. 옥토퍼스 에너지는 스마트 인프라를 완성하기 위해 스마트 미터, 전기차 충전기, 히트 펌프도 설치한다. 한편, 몬트리올에 본사를 둔 브레인박스 AI는 AI를 사용해 HVAC 기술을 최적화해 건물을 더 스마트하고 친환경적으로 만든다^[4].