2018년 4월 25일 수요일

IoT 기반 스마트시티 구축동향 ①


IoT 기반 스마트시티 구축동향

서론

일반적으로 생각할 수 있는 에너지 신산업은 일반적으로 알고 있는 신재생(태양광, 풍력 등)에너지 발전소 모니터링 시스템 및 4차 산업혁명과 관계되어 있는 스마트 팩토리에서의 통신과 관제 시스템 등을 대표적인 예로 들 수 있을 것이다. 이러한 산업들은 이미 관련 전문 업체들이 준비중이며 개발 및 신규 아이템들이 쏟아지고 있다. 더 나아가 각 산업 분야에서는 고도화된 유/무선 이동통신망을 활용하여 기존보다 훨씬 복잡하며 진보된 복합 통신 서비스를 추진해야 할 것으로 판단된다. 따라서 고도화된 유/무선 통신망 서비스의 가장 많은 트래픽을 차지하는 도심지에서의 에너지의 수급에 관련된 미래 기술에 대해 생각할 수 있으며 작게는 사물인터넷으로 출발하여 좀 더 광범위한 범주의 스마트 시티에서의 역할 및 사업화 전략에 대해 생각해 볼 수 있다. 사물인터넷은 KT의 기가지니, SKT 누구, 네이버의 웨이브 등 벌써 몇몇 기업들이 인공지능 스피커 서비스를 통해 시장을 선점하고 있고 많은 얼라이언스들과 연계하여 사물 인터넷 기반 시장에 정착 발전 하고 있다. 이에 비해 스마트 시티에 관련된 준비가 아직 되어 있지 않고 있다. 스마트 시티는 이미 시범사업중인 국가 및 도시들도 있으며 특히 금년도 CES2018 에서 주요 테마로서 주요 가전, 자동차, 업체들이 커다란 테마를 가지고 홍보 전시중이었으며 가천대 에너지연구소의 연구인력 또한 전시회를 참관하였다.
따라서 본 글에서는 스마트 시티에 대한 기본적인 개념과 각각의 요소기술, 그리고 선진국 및 각국의 현황에 대해 살펴본다. 또한 스마트 시티를 구축하고 있는 도시들에 대해 각각의 스마트 시티가 어떠한 컨셉과 방법으로 구성되는지 알아보고 마지막으로 국내에서의 첫 스마트 시티로 결정된 세종특별자치시와 부산광역시에서 추진될 내용에 대해 살펴보고 고찰하는 것으로 글을 마치도록 한다.

스마트시티의 개념

스마트 시티라는 용어는 그 의미가 매우 광범위하게 사용되어 현재 국제적으로 통일된 정의는 존재하지 않지만, 일반적으로 스마트 시티는 “ICT 기술을 활용하여 도시 거주자 삶의 질과 도시 경쟁력을 향상시키는 보다 친환경적이고 지속 가능한 도시라고 정의할 수 있으며, 첨단 기술을 활용하여 도시관리의 효율성을 높이고 탄소저감 및 생태 환경을 개선하는 미래도시(환경을 중시하는 생태도시를 포함) 조성을 의미하고 있다주요 연구기관에서 스마트시티를 정의할 때 포함하고 있는 주요 키워드는 위와 같다. 대부분의 저명한 국제기관과 연구소에서는 스마트 시티를 정의함에 있어 스마트 에너지/환경, 스마트 교통, 스마트 건물, 스마트 안전, 스마트 행정, 스마트 의료, 스마트 교육 등 7가지 요소를 검토하고 있음을 알 수 있다.

. 주요 기관별 스마트 시티 정의시 핵심 구성요소
출처: 국토교통부, Gartner, IDC, IBM, Cisco, NIPA

스마트 시티 등장 배경과 의미

(1) 도시화 진전과 도시 인프라 부족 심화

2010년 기준 전 세계 도시화 율은 52%, 도시화는 앞으로도 빠른 속도로 진전되어 2050년에는 전 세계 인구의 약 67%가 도시에서 살게 될 것으로 전망되고 있다(*도시화 율이란 한 국가의 총 인구에서 도시 인구가 차지하는 비중
세계적으로 인구 1,000만 명 이상의 메가 시티는 1975년만 해도 전 세계에서 3개에 불과했지만, 2013 24개로 늘어났고 2025년에는 30개 이상으로 확대될 것으로 전망된다2050년까지 전 세계적으로 30억명 이상의 인구가 도시로 유입될 것으로 전망(UN 세계 도시화 전망 보고서. 2014), 특히 아시아, 아프리카에서 도시화가 급속도로 진행 될 것으로 예상되어, 이에 따라, 향후 20년간 매년 30만명 규모의 신도시가 250개 이상 건설 해야 하는 수요 발생 전망된다이처럼 도시화가 진전되어 도시에 거주하는 인구가 늘어나게 되면 이에 비례하여 각종 도시 인프라와 자원 부족 현상이 더욱 심화될 것으로 예상됨으로써 새로운 대응전략이 필요해졌다대표적으로, 도시인구 급증에 따라 에너지소비량의 급격한 증가, 교통 혼잡, 인프라 노후 등 다양한 문제가 발생한다. IBM(International Business Machines Co.)은 2012 10억대의 차량이 2020 20억대로 증가하며, 주택과 건물이 전 세계 에너지의 1/3을 소비 할 것으로 내다봤다.

(2) 자원 부족 및 지구 기후변화 대응

자원, 특히 매장량이 한정된 화석연료는 앞으로 점점 더 비싸지고 공급 부족현상이 심화될 것으로 전망되고 있다세계 화석 에너지 부존량을 추정했을 때, 앞으로 석유는 52.9, 천연가스는 55.7, 석탄은 109년 채굴이 가능한 것으로 조사되고 있으며, 태양광/풍력/바이오연료/지열 등 신 재생에너지는 여전히 생산비가 비싼 편으로 한계가 있다또한, 에너지 소비 증가로 인해 이산화탄소 배출량이 급증함에 따라, 지구 온난화 현상이 지구 생태계의 지속가능성을 위협하면서 범국가적인 기후변화 대응전략의 마련이 요구되고 있다이에 세계 각국은 다양한 친환경에너지절감 정책들을 추진하고 있으며, 도시에서 신 재생에너지 생산을 늘리고 에너지 효율을 높이기 위한 스마트 그리드를 적극 도입 중이다.


그림주요국 에너지원별 에너지 소비 비중

출처: ‘BP Statistical Review of World Energy,’ BP ‘International Energy Outlook 2013,’ U.S. Energy Information Administration



(3) 차량 증가와 교통문제

도시화는 필연적으로 교통문제를 야기 시킴. 좁은 국토에 상대적으로 차량 수가 많은 우리나라의 도로보급률은 국토계수당 도로보급률[1] 1.49 OECD 34개국 가운데 30위 수준으로 OECD 국가 중 하위권으로 평가된다. 한국 교통연구원에 따르면, 우리나라의 교통 혼잡비용은 2010년 기준 28.5조 원으로 추산되고 있으며, 지속적으로 증가하는 추세로 나타나고 있다교통문제는 도시문제의 중요한 과제로 부상하고 있으며, 선진국에서는 도로설치를 지양하고 효율을 높이는 정책의 도입으로 전환하고 있으며, 국내에서도 신규도로 설치보다는 속도 하향조정, 차량의 도심 진입을 줄이는 방향으로 나아가고 있으며, 차량공유 서비스 등 미래 자동차 이용 환경 조성에도 노력하고 있다.


출처: 국토교통부, 2013
그림. OECD 국토면적. 차량수 대비 도로 길이

 (4) 인구 증가와 의료비 지출

도시화의 진전은 전 세계적인 인구증가와 관계가 높으며, 인구 증가율이 떨어진 선진국은 고령화라는 또 다른 유형의 인구 문제를 안고 있다. 선진국의 경우 2030년부터 본격적인 고령화 시대에 접어들 전망이며 출산율 저하와 기대수명 증가가 함께 진행 중인 우리나라의 65세 이상 인구 비중은 2010 11.1%에서 2030 23.4%까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 이는 세계적으로 유례없이 빠른 초고령 사회로 진입하고 있다고령화 사회의 중요한 문제는 의료비 증가를 야기한다. 1990 3.9%, 2000 4.3%를 기록했던 우리나라의 GDP 대비 의료비 지출 비중은 2010년에 7.3%로 크게 증가한 것으로 나타났으며 고령화에 따른 만성질환[2]자의 증가는 의료비 지출 증가를 촉진하고 있다. 미국의 경우 전체 인구 중 약 45% 1 3,300만 명이 만성질환의 영향을 받고 있다고 추정되며, 미국 총 의료비 지출 가운데 75% 이상이 만성질환 치료에 소요하고 있는데, 고령화가 진전될수록 만성질환자 수는 더욱 늘어날 것으로 전망된다.

(5) 성장산업이자 국가 경쟁력인 스마트시티

이미 선진국의 경우 전체 인구 중 80% 이상이 도시에 거주하고 있으며, 도시의 경쟁력이 곧 한 나라의 경쟁력이라고 해도 무방할 정도로, 문화 관광 등 산업에 미치는 영향력이 커지고 있으며, 개발 노하우는 또 다른 산업 경쟁력으로 신 성장산업으로 인식되고 있다글로벌 컨설팅 업체 PwC는 매년 ‘Cities of Opportunity’라는 세계 주요 도시경쟁력을 비교 평가하는 보고서를 발간하고 있는데, 2012년 조사에서 우리나라 서울시는 조사대상 27개 도시 가운데 14위를 기록했다.
(*서울시 순위: 12(2008) -> 8(2010) -> 16(2011) -> 14(2012))
따라서 세계 각국은 도시문제 해결뿐만 아니라 국가경쟁력 강화를 위해서 스마트시티와 같은 도시경쟁력 강화방안을 적극적으로 강구 중이며, 무엇보다 기존의 다양한 기술이 융복합되는 메가 산업으로서의 중요성을 인식하고 있다.




[1] 국토면적과 인구를 고려하여 도로보급률을 측정하는 지표
[2] 3개월 이상 지속되는 질병을 의미하며, 대표적으로 당뇨, 고혈압, 만성 폐질환, 심장질환, 암 등이 있음.

2018년 4월 18일 수요일

에너지 컴퍼니 테슬라 ②


에너지 컴퍼니 테슬라

언급했던 두 가지 문제 즉, 배터리 가격의 문제와 에너지 밀도의 문제에 대해서 테슬라는 상당히 적극적인 대응을 하고 있다. 테슬라를 자동차 회사가 아닌 에너지 회사로 재 정의해야 하는 이유는 여기에 있다. 주기적으로 이뤄지고 있는 테슬라의 전기차에 대한 발표는 시장에 많은 반향을 일으키고 있는데, 드러나고 있진 않지만 그 혁신의 대부분은 에너지 저장장치인 배터리에 있기 때문이다. 이제 전기자동차 회사가 아닌 에너지 컴퍼니 테슬라에 대한 이야기를 해보자.

테슬라의 미션은 “Accelerate the world’s transition to sustainable energy.” (세계의 지속가능 에너지 체제로의 전환을 앞당긴다) 이다. 고갈되어 가는 그리고 지구 온난화의 주범으로 인식되고 있는 화석에너지 중심에서 친환경에너지 체제로의 전환을 기업의 목표로 갖고 있는 곳이 바로 우리에게는 전기자동차 회사로 인식되고 있는 테슬라(Tesla)이다. 2012Model S라는 획기적인 전기차를 만들어냄으로 전기차가 단순히 친환경적인 차가 아니라 모든 면에서 우수한 차라는 평가를 만들어낸 기업이다. 그 기업의 미션이 바로 세계의 지속가능 에너지 체제로의 전환을 앞당기는 것이다. 때때로 미션은 조금 거창하기도 하고 현실과 동떨어지기도 한다. 물론 그런 핑계로 테슬라의 미션 역시 그럴듯한 멋진 말 정도로 치부해 버릴 수도 있을 것이다. 하지만 테슬라라는 기업을 조금 더 들여다보면 이 미션이 어떤 의미를 갖는지 정확히 알 수 있다


[그림 1] 솔라시티 비즈니스 모델

2016년 테슬라의 일론 머스크는 자신이 대주주로 있던 솔라시티(Solar City)Tesla에 합병한다. 솔라시티를 26억달러 가치로 산정하여 솔라시티 한 주 당 테슬라 주식 0.11주를 발행하여 솔라시티(SolarCity)를 테슬라(Tesla)의 일부분으로 만든 것이다. 물론 합병 전에도 솔라시티는 테슬라의 급속충전소인 슈퍼차저를 운영하였기에 사업적인 연관성은 존재했었다. 하지만 태양광 설치 및 임대사업을 영위한 솔라시티와 테슬라 간에 직접적인 사업적 연관성은 존재하지 않았다. 하지만 위에 언급한 테슬라의 미션을 보면 이 합병이 의미하는 바를 이해할 수 있고, 또한 이 합병에 배터리라는 아주 중요한 요소가 존재한다는 것을 알 수 있다.

현재 테슬라는 본래의 업이던 전기차 사업과 합병한 솔라시티의 태양광 사업, 두 가지 사업을 갖고 있다. 그 중 태양광 사업에 대해서 조금 더 자세히 알아보자. 미국의 태양광 시장을 보면2016년을 시작으로 태양광 발전은 전국 신규 전력용량 증설에서 30%를 차지함으로써 새로이 늘어나는 전력공급에서 태양광이 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 보조금의 영향이 있기는 하지만 2017 3분기에만 미국에서는 태양광 발전이 2GW가 늘어났다. 이는 8분기 연속으로 분기 용량증설이 2GW를 초과한 것으로 태양광은 이제 미국 신재생의 중심이 되고 있다. 비록 2017년을 기점으로 성장세가 다소 둔화되긴 했지만 자신의 지붕에 솔라패널을 설치하려는 사람들이 여전히 나타나고 있음을 의미한다.

이 시장에서 테슬라의 솔라시티는 전체 개인주택시장의 35%의 점유율로 리더의 자리를 차지하고 있으며 누적 기준 현재 약 3.2GW의 발전용량을 갖고 있다. 현재 한국의 전체 태양광 발전용량이 5.7GW 수준임을 감안하면 그 규모(한국 전체 태양광 발전양의 50%를 넘음)를 이해할 수 있다.

[그림 2] 미국 주별 태양광 발전단가 비교 그래프

신재생에너지 생산비용이 일반적으로 그리드에 연결하여 사용하는 전기요금보다 낮아지는 것을 그리드 패리티(grid parity)라고 하는데, 州별로 전기요금이 상이한 미국에서는 이미 20개 州가 그리드 패리티에 도달하였다. , 일조량이 충분한 州에서는 정부의 별도의 지원이 없이도 태양광이 발전원으로서 충분한 경제성을 지녔다는 의미이다.

[그림 3] 솔라루프를 지붕으로 채용한 주택 전경

이제 갓 상용화 단계에 진입한 테슬라의 솔라루프(Solar Roof)를 기준으로 간단히 경제성을 살펴보면 3만불의 투자로 매일 30kWh 전력을 생산할 수 있는 태양광 설비(일조시간을 6시간으로 볼 경우 5kW용량의 장비설치 시)를 설치할 수 있다. 미국 평균 가구의 월 전력 사용량인 900kWh를 감안하면 모든 전력소비를 태양광으로 충족시킬 수 있다는 결론이 나온다물론 2만불이라는 실질적인 투자비(현재 미국은 태양광 발전 시설에 대해 투자세액공제 30% 지원 정책을 운영하고 있음)는 최소 30년에 달하는 태양광 패널의 발전 보증 기간동안 원래 매달 지불해야 하는 전기요금과 비교해도 경제적으로 의미 있는 투자(미국의 평균 전기요금은 12.65센트/kWh이고 900kWh의 전력을 30년 동안 사용하면 총 전기요금은 약 41,000불임)이다.

문제는 전력을 생산하는 시간대와 소비하는 시간대가 상이하다는 문제와 태양광이 가진 예측 불가능성을 어떻게 극복할 것 인가이다. 이미 태양광이 보편화되기 시작한 미국의 캘리포니아에서는 전력수요의 피크타임이 기존의 낮 시간대에서 저녁으로 이동하는 모습을 보이고 있다.

[그림 4] Duck Curve 그래프 모습

이 그래프의 모양새가 오리와 비슷하여 Duck Curve라는 이름을 붙이고 있는데 이는 태양광 발전으로 인해 낮시간의 수요가 태양광 발전으로 소화되고 전력 수요가 저녁에 집중되기 때문이다. , 일반적으로 낮 시간대에 피크타임이 존재하여 이를 해결하기 위한 방안들이 이미 운영되고 있는 기존의 전기 발전에 대한 사고방식이 태양광의 도입으로 새롭게 변화해야 하는 상황이 발생하고 있다.

게다가 그리드 패리티에 도달한 州가 점점 많아지면서 혜택에 대한 형평성의 문제도 이슈가 되고 있다. 즉 태양광에 너무 많은 혜택을 주고 있다는 주장이 제기되기 시작한 것이다. 이미 패널의 생산 비용이 충분히 저렴해져서 일부 州에서는 일반적인 그리드와 충분히 경쟁이 될만한 상황인데도, 여전히 투자세액공제나 넷미터링과 같은 혜택이 너무 많다는 지적이다. 넷미터링은 신재생으로 생산한 전기만큼 발전가구의 전기 사용미터를 거꾸로 돌려주는 방식으로 전기를 전력사업자가 매입해주는 방식을 의미한다.

위에서 간단히 계산한 솔라루프의 경제성 분석 결과 역시 태양광 패널을 통해 생산된 전력의 100%를 모두 사용했다는 것이 전제된 결과이므로 만약 넷미터링 제도가 사라지거나 세제 혜택이 줄어드는 방향으로 제도가 변경되면 태양광의 매력도는 크게 줄어들 것이기 때문이다.

피크타임의 변화와 넷미터링의 정책 일몰과 같은 시장의 변화를 수용하기 위한 가장 좋은 방법은 에너지 저장장치에 있다. 태양이 좋을 때 생산한 전력을 에너지 저장장치에 저장하여 태양이 없는 저녁에 사용하는 방법으로 특별한 제도의 혜택 없이도 스스로가 생산한 전력을 100% 소비할 수 있도록 하는 것이다. 즉 가정용 ESS의 적극적인 보급이 태양광의 보급의 성공에 필수적인 요소라고 할 수 있다.

테슬라는 이 문제의 해결을 위해 가정용 에너지 저장장치인 Powerwall을 만들어 공급하고 있다. 현재 공급하고 있는 14kWh 용량의 Powerwall 2는 소비자가격이 7,000불 수준(설치비 1,500불 포함)으로 인버터를 내장하고 있다고 하더라도 다소 부담스러운 수준이다. 하지만 솔라시티의 태양광과 전기자동차가 만나는 부분이 바로 이 지점이다. Powerwall 2의 가격에서 설치비를 제외하고 대략적인 인버터 가격 1,500불을 제외하면 배터리만의 가격을 대략 4,000불로 예상할 수 있다. , 1kWh당 가격은 285불 수준이 된다. 또한 테슬라의 전기자동차 역시, 현재 배터리 비용이 차량 전체 비용 중 대략 25~30% 정도로 알려져있기 때문에 1kWh 당 가격은 약 250불 수준이 될 것이다. 결국 배터리 가격이 하락해야 테슬라의 태양광 사업과 전기차 사업 모두 경쟁력을 가지며 소비자의 수용가능성을 높일 수 있게 된다는 의미다.

기가 팩토리

테슬라가 배터리 생산가격을 하락시키기 위해 선택한 방법은 규모의 경제이다. 배터리의 생산규모를 늘리면 자연스레 생산단가는 떨어질 것이라는 예측이다. 이 예측은 이미 리튬이온 배터리의 지속적 가격인하를 통해 증명되어왔다. 하지만 테슬라가 돌파해야 하는 구간은 그 효율이 이미 많이 올라간 구간이라는 것이 문제이다.

[그림 5] 건설 중인 기가팩토리 전경

20167월 테슬라는 네바다에 기가팩토리를 일부 오픈했다. 기기팩토리의 전체 21개 구획 중 14%3개 구획에 전기차를 위한 배터리팩 생산공정을 오픈하였다. 예상되는 전체 공장의 완공은 2020년으로 예상되며, 2020년 전체 공장의 완공을 통해 전기차와 Powerwall2에 사용되는 배터리의 가격을 30% 정도 하락시킬 수 있을 것으로 보고 있다. 2020년에 목표로 하고 있는 배터리 가격은 1kWh100불 수준이다. 2018년에 예상되는 배터리의 총 생산규모는 50GWh이며, 2020년 완공 시에 예상되는 생산규모는 150GWh이다. 2015년 기준으로 전세계 리튬이온 배터리의 생산량은 35GWh 수준임을 감안하면 어마어마한 수준이다.

테슬라가 배터리에 사운을 걸고 있는 것은 이미 설명한 것처럼 명백하다. 테슬라가 달성해야 할 과제가 단지 배터리 생산단가의 하락뿐만 아니라 한해 50만대의 전기차를 생산할 만한 수준의 생산능력을 갖춰야 하는 상황이기도 하기 때문이다. 규모의 경제를 통해 생산가격의 하락과 규모 그 자체를 확보해야 하는 것이다.

결론 및 시사점

이미 언급한데로 미국의 일반적인 가정은 매월 900kWh의 전기를 소비한다. 테슬라의 모델S1kWh 당 약 5km를 달릴 수 있다. 일반적인 월 주행거리를 1,500km 정도로 보면 전기차를 위해 추가로 필요한 전력량은 월 300kWh이다. 앞서 가정한 5kW 태양광 발전에 전기차 충전을 위한 2kW 용량을 추가해 지붕에 총 7kW의 태양광 패널을 설치한다고 가정하면, 월 생산하는 전력은 1,260kWh이 되어, 오로지 태양광만으로 자동차 운행과 가정용 전력소비가 가능하다.

[그림 6] 테슬라가 지향하는 에너지 자립 하우스 모습

테슬라의 생각을 한국에 적용해봐도 충분히 의미 있는 계산이 가능하다. 한국의 평균 일조시간은 약 3.6시간으로 미국의 절반 수준(미국 전체의 평균 일조시간은 6.8시간임)이다. 하지만 미국의 가정과는 달리 한국가정의 에너지 소비량은 가구당 평균 230kWh 수준으로 미국의 1/3 이하이다. 상대적으로 일조시간은 부족하지만 소비량은 그 차이보다 더 적기 때문에 유사한 태양광 설비의 적용이 가능하다. 즉 한국에서도 태양광만으로 가정용 전력수요 충족이 충분히 가능하다는 의미이다.

결론적으로 테슬라가 추구하는 지속가능한 에너지 체제는 아마도 에너지 소비의 상당 부분을 차지하는 자동차 운행(전 세계 전체 에너지 소비에서 Transportation 영역이 차지하는 비율은 약 35% 수준임)과 가정용 전력소비 모두를 재생에너지를 통하여 충당하는 모습일 것이다. 하지만 이러한 지속가능 에너지 체제를 앞당기는 것은 테슬라의 미션일 뿐 아니라 테슬라의 생존과도 같이 맞물려 있어 보인다. 테슬라는 전기자동차와 태양광이라는 두 개의 장기적 리턴이 예상되는 사업을 확장하고 있다. 전기차는 매년 50만대 생산이라는 원대한 목표를 설정하고 이의 달성을 위한 생산설비에 막대한 자금을 투입하고 있다. 솔라시티의 태양광 사업은 10년 내에 수익을 만들어내는 것이 불가능해 보이고, 여기에 솔라루프라는 신제품의 양산을 위한 기가팩토리2를 건설하기로 했다. , 테슬라는 매분기 거의 1조에 가까운 현금을 쓰고 있으며, 시장은 테슬라가 수익을 만들 때까지 최소 10조원 이상의 추가적인 투자가 필요할 것으로 보고 있다.

테슬라는 일런 머스크라는 천재적인 사업가의 기획과 실행력을 바탕으로 먼 길을 걸어가고 있다. 일반적인 기업가들의 시각에서는 미치광이의 놀음으로 밖에 보이지 않을 수도 있다. 하지만 누군가의 행동을 폄하할 때는 우선 그들이 무엇을 목표로 하고 있는지를 진정으로 이해하는 것이 필요하다. 테슬라가 추구하고 있는 전기차와 태양광이라는 두 가지 목표의 달성이 너무 멀지 않은 미래에 가시화 된다면 그들의 미션처럼 무언가 지속가능해질 것 같다는 생각이 들기 때문이다.  여전히 미치광이의 놀음으로 보일지라도 우선은 테슬라에게 조금의 시간을 더 주었으면 한다. 폄하는 그 뒤에 해도 늦지 않을 것이다. 지금 이러한 노력을 기울이고 있는 기업은 테슬라 뿐이니 말이다.