Management Science

전기자동차 V2G 서비스, 스마트그리드에 밝은 빛

103호 (2012년 4월 Issue 2)

Management Science
전기자동차 V2G 서비스, 스마트그리드에 밝은 빛

Based on “Estimation of Achievable Power Capacity From Plug-in Electric Vehicles for V2G Frequency Regulation: Case Studies for Market Participation“ by Sekyung Han, Soohee Han, Kaoru Sezaki, IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 2, No. 4, pp.632∼641, Dec. 2011


왜 연구했나

스마트그리드 체제가 진행되면서 전력산업과 자동차 산업이 융합되기 시작했다. 전기자동차는 전력시스템에 플러그인 형태로 접속해 전기를 충전할 수 있고(G2V·Grid-to-Vehicle) 전력시스템의 수요가 피크일 때는 반대로 전력시스템에 전기를 공급하는 배터리 역할을 수행할 수 있다(V2G·Vehicle-to-Grid). V2G 모델은 전통적인 G2V 모델에 반대되는 개념으로 자동차 쪽에서 전력계통으로 전기를 공급하는 개념이다. 전기자동차가 수동적으로 전기를 소비만 하는 주체가 아니라 전력시스템이 전기가 부족할 때는 되레 저장돼 있는 전기를 재공급할 수 있는 배터리 역할을 하게 되는 것이다. 이 논문은 플러그인 타입의 전기자동차(PEV·Plug-in Electric Vehicle)가 늘어날 경우 임의의 전기충전소에서 전기자동차의 도착패턴을 확률적으로 모델링하고 이를 통해 V2G 서비스의 기술적·경제적 최적용량을 결정하기 위한 수리적 모델링에 관한 연구다.


무엇을 연구했나

전기자동차 분야는 스마트그리드 연구 분야의 주요 키워드 중에 하나로서 우리나라 스마트그리드 국가기술 로드맵에도 주요 3개 부문(신재생에너지, 전기자동차, 스마트미터 및 관련 통신인프라) 중 하나로 설정돼 있다. 전기자동차는 산업적 파급효과가 가장 큰 분야 중 하나이기 때문에 많은 기업들이 관심을 가지고 있다. 전기자동차는 기존의 엔진 기반 자동차와는 달리 기계적 구조가 간단하기 때문에 진입장벽이 높지 않으며 상품으로서의 부가가치 역시 엔진을 중심으로 한 차체 하드웨어보다는 정보기술(IT)을 기반으로 한 서비스 중심으로 옮겨질 것으로 전망된다. IT에 기반해 충전소 안내 서비스, 배터리 관리 시스템, 다양한 정보 서비스 등이 제공돼야 하므로 기존 자동차 시장에 비해 IT 비용의 비중이 획기적으로 증가할 것이며 일부에서는 전기자동차가 고가의 가전 제품화될 것을 예측하기도 한다.

이러한 맥락에서 자동차 산업에서도 기존 업종 간 경계가 무너질 것이고 많은 기업들이 전기자동차 관련 시장에 진출할 것으로 예상된다. 정유회사나 전력회사도 전기자동차를 위한 충전시설을 구축하고 있으며 관련 비즈니스 모델을 발굴하기 위해 노력하고 있다. 본 논문에서 다루고 있는 V2G 모델은 새로운 비즈니스 유형의 하나로서 자동차가 전력시스템에 전기에너지를 판매할 수 있는 개념에 관한 것이며 이를 수리적으로 모델링해 향후 소프트웨어 프로그램으로 구현할 수 있도록 했다.


어떻게 연구했고 무엇을 발견했나

개별 전기자동차의 배터리 용량은 대규모 전력시스템 차원에서는 미미하기 때문에 이를 유의미한 수준으로 취합해 전력시스템에 공급하는 중간 사업자의 개념이 등장한다. 이를 위해서는 무작위적인 자동차의 도착 패턴을 예측하고 이러한 전기자동차 관련 정보를 실시간으로 변동하는 전력시장가격과 연동해 최적의 거래전략을 수립하는 과정이 필요하다. 이 과정에서 대기행렬이론(queueing theory), 확률최적화(stochastic optimization) 이론 등이 적용된다.

다양한 연구보고서에 따르면 하루 중 자동차가 운행되는 시간은 평균적으로 5% 정도 내외로 분석된다. 출퇴근 시간이나 특별한 용무가 있는 경우를 제외하고 전기자동차는 집이나 사무실에 주차돼 전력시스템과 접속된 상태를 유지할 것이며 이 경우 전기자동차는 쌍방향 배터리로 간주될 수 있다. 전기자동차가 충분하게 모이고 집합적으로 운영될 수 있다면 대규모 시스템과도 유의미한 수준으로 상호작용할 수 있는 저장장치로서 작동할 수 있다.

본 논문은 이러한 집합소(aggregator)에서 전력계통으로 보낼 수 있는 전력의 양을 확률적인 전기자동차의 도착패턴에 근거해 확률분포함수로 모델링하고 이에 기반해 이익함수를 수립, 기대이익을 극대화할 수 있는 계약용량을 구하는 최적화 문제로 모델링하고 있다. 이는 대기행렬이론에서의 대표적 사례인 은행 창구, 슈퍼마켓 계산대 등과 유사한 속성의 문제로서 들어오는 전기자동차의 수와 충전용량 등을 잘 예측해 충전시설의 규모 및 V2G 서비스 물량을 결정하는 것으로 이해할 수 있다.


연구 결과가 어떤 교훈을 주나

대부분의 국가들에서 전기자동차가 충분하게 공급되지 않았기 때문에 V2G 서비스는 아직 연구 단계에 머물고 있다. 그러나 향후 전기자동차가 충분히 공급되고 충전 인프라가 확충되면 전기자동차는 전력산업에서 주요한 플레이어의 하나로 등장할 것이다. 기존 전력산업의 가장 큰 약점 중 하나는 전기를 저장할 수 없다는 것이다. 이는 공급-수요의 불일치로 인한 대규모 정전의 원인이 되고 있으며 얼마 전 우리나라도 전국 단위 순환정전을 경험한 바 있다. 특히 스마트그리드 체제에서는 풍력이나 태양광 등 출력변동성이 심하고 예측이 어려운 신재생에너지원들이 더욱 증가할 것이기 때문에 이를 완화할 수 있는 저장장치와 각종 제어설비가 필요한데 전기자동차는 이러한 역할의 상당 부분을 담당할 수 있다.

전기자동차가 스마트그리드의 운영에 있어 저장장치로서의 기능을 다하기 위해서는 다수의 전기자동차를 하나의 유기적인 체계로 통합하고 관리할 수 있는 운영 알고리즘 및 체계가 필요하다. 본 연구는 기본적인 V2G 서비스에 대한 정량적 모델링을 시도해 본다는 차원에서 의의가 있다.


마지막 제안

향후 전기자동차는 고유가와 배터리 기술의 발전 등으로 경제적 타당성이 확보되면 급격히 증가할 것으로 예상된다. 그러한 시점에 대비해 전기자동차를 전력시스템의 중요한 요소로 인식하고 이를 시스템 운영에 통합할 수 있는 운영 알고리즘의 수립이 시급하다고 판단되며 이에 기반한 새로운 서비스 시장의 창출과 선점이 필요하다.


필자소개
박선주 연세대 경영대학 교수 boxenju@yonsei.ac.kr
박선주 교수는 서울대에서 컴퓨터공학과 학사와 석사 학위를 받은 후 University of Michigan에서 같은 분야로 박사 학위를 받았다. Rutgers University 경영학과 교수를 거쳐 연세대에서 경영과학 분야 교수로 재직 중이다.

강동주 전기연구원 연구원
강동주 연구원은 홍익대에서 전자전기공학으로 학사와 석사, 박사 학위를 받았다. 성신여대 금융정보대학원 경영학 석사를 거쳐 현재 한국전기연구원 스마트전력망연구센터 선임연구원으로 있다. 연세대 경영학과 박사과정 중이다.
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