V2G

V2G

V2G(Vehicle To Grid)는 자동차에서 전력망으로 전기를 이동하는 것을 의미한다. 전기차에 저장한 배터리를 에너지저장장치(ESS)처럼 활용해 전력계통에 연계하는 기술이다.

개요

V2G는 이산화탄소의 배출을 줄이면서 친환경적이고 경제성을 갖추어 지속 가능한 성장을 이어갈 수 있는 산업 모델이다. 향후 V2G 사업자와 수요관리 사업자 등, V2G를 활용하여 피크 절감 효과뿐 아니라 선진국과 같은 전력 계통 주파수 조정, 신재생에너지 발판 등 다양한 전력보조서비스와 부가 가치를 창출하는 것이 목표이다. 운영 방식은 전력 요금이 저렴한 심야에 충전해두었던 전력을 필요한 만큼 쓰고, 남은 전기는 에너지 수요가 몰리는 전력 피크 시간대에 반대로 전력 회사에 판매(역송전)한다. 예를 들면, 차를 주로 이용하는 직장인은 전력가격이 저렴한 새벽에 전기차를 충전해두었다가 회사 주차장에 전기차 전력을 그대로 방치할 것이 아니라 낮 시간대(전력 수요 피크)의 전력 계통 안정화를 위해 유휴 전력을 다른 곳에 공급하는 것이다. 이는 국가적으로 에너지를 좀 더 효율적으로 사용할 수 있는 방법이면서도, 저렴하게 충전했던 전력을 피크시간대에 비싸게 팔 수 있어 차주는 금전적 이득을 보고 한국전력공사는 전력 수급의 안정화를 얻는다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 자동차는 주로 도심지역에서 움직인다는 특징은 대한민국 도심 지역 근처에 발전소를 짓기 어려운 현실을 보완해 준다. 주로 바닷가 쪽으로 밀집되어 있는 발전소 입지 특성상, 주 전력 사용처인 도심지까지의 전력 이동 거리가 매우 길다. 전력 수요 피크 타임에는 송전선이 막히는 문제도 발생하기도 한다. 하지만 전기차를 활용한 V2G 기술이 있다면, 도심에 주차되어 남아도는 전기차 유휴전력을 짧은 시간 안에 전력을 공급할 수 있음으로 에너지 네트워크의 원활한 흐름을 유지하는 이점도 얻게 된다. 전력을 충전하고 유휴 전력은 다시 되파는 이 모든 과정은 각 전기자동차의 전력 저장장치(배터리)를 연결하는 전력망으로 가능하다. 그렇기 때문에 V2G를 구현하기 위한 조건으로 양방향 충전기(On Board Charger)는 가장 필수적인 요소라고 할 수 있다. 내연기관차들이 주유소에서 경유나 휘발유 등의 에너지원을 공급받듯이, 전기차들은 양방향 충전기를 통해 전기를 공급받는다. 다만 양방향 충전기는 전기차 배터리의 에너지저장장치 기능과 스마트그리드 기술이 결합되어, 전기차 배터리의 남은 전력을 예비 전력 수요처로 송전할 수 있는 기능이 추가되는 것이다. V2G와 결합한다면, 전기차는 전력을 소모하는 기기이면서 전력을 보충하는 '이동성 소규모 발전기'의 기능도 수행한다고 볼 수 있다.

구조

서버

서버는 효율적이고 지능적인 V2G 서비스를 위해 다양한 데이터를 다양한 프로토콜을 이용하여 수집하고, 이를 토대로 V2G 운영에 필요한 정보를 생성해야 한다. V2G 서버는 3가지 서버로 구분될 수 있다.

• 수집 서버(Collection Server) : 다양한 데이터를 수집하고, 필터링된 데이터를 데이터베이스에 저장한다. 수집된 일부 데이터는 상태 유지 및 관리를 위해 즉시 관리 서버에 전달된다. 이러한 목적을 달성하기 위해 수집 서버는 각 장치와 서버들 간의 연결에 따라 또는 사용 목적에 따라 다양한 프로토콜을 사용할 수 있다.
• 관리 서버(Management Server) : 데이터베이스로부터 또는 수집 서버로부터 직접 전달된 데이터를 이용하여 효율적인 V2G 관리를 수행한다. 서버는 상시적으로 미래의 연결 상태를 고려하고, 대처할 수 있는 능력을 가져야 한다. 예측 및 평가된 정보는 모니터링 서버를 통해 화면에 현시하고, 모니터링 서버로부터 전달된 지시를 수집 서버를 통해 각 충전기에 전달한다.
• 모니터링 서버(Monioring Server) : 모니터링 서버는 수집되고 평가된 정보를 관리자의 화면 또는 사용자의 화면을 통해 현시하기 위한 것이다. 또한, 화면에 위치한 제어 버튼을 이용하여 원격지에서 충전기를 제어한다.

충전기

충전기는 사용자 또는 서버로부터 전달된 내용을 화면에 표시하거나, 제어를 수행하기 위한 역할을 수행한다. 이를 위해 충전기는 2개의 에어전트로 분리된다.

• 인증 에이전트(Authentication Agent) : 인증 에이전트는 다양한 방식의 인증방식을 도입하기 위한 것으로 자체적으로 제공된 인증 카드 또는 스마트 카드를 활용하는 것이 가능하다. 또한, 전기자동차에 저장된 계약 도구를 이용하여 충전기에 전달하는 것이 가능하다. 인증 에이전트는 계약에 필요한 문서를 교환하고, 계약이 완료되면 EVCE 에이전트를 호출한다. 이러한 인증과 계약 과정에서 연결 지속시간 또는 출발 시간, 충전 전력량등과 같은 정보를 요구할 수 있다.
• 충전기 관리 에이전트(EVCE Manager Agent) : 충전기 관리 에이전트는 충/방전시 충전기를 관리하는 기능과 주기적으로 충전기의 상태를 전달하는 기능을 가진다. 충전기는 국제 표준인 IEC61851-1와 호환성을 유지하고 추후 추가적인 표준을 만족시키기 위해 확장성을 고려하였다. 충전과 방전 시 스케쥴은 상태 관리자(State Manager)가 담당하고, 이웃한 충전기의 상태 정보를 관리하기 위해 이웃 충전기 관리자(Neighborhood Manager)를 두었다. 이웃 충전기 관리자는 논리적으로 이웃한 충전기를 묶어 하나의 네트워크를 생성하고, 네트워크 대표로 정보를 교환한다. 이로 인해 서버와 충전기 간의 송수신 패킷량과 제어의 복잡성 및 메모리 사용량을 줄일 수 있다.

운영 사례

국내

한국전력공사는 2009년부터 꾸준히 '제주도 스마트그리드 실증단지'를 구현하기 위한 노력을 해 왔고, 전기차 배터리로 가상 전력 시장의 피크 상황에서 부하 감축을 위한 목표로 실증 사업이 실행되었다. 실증 사업 시행에 앞서, 국내 최초로 전기차 충전기 표준규격을 설정하기 위해 50kwh급 급속충전기와 7.7kwh 급의 완속 충전기가 제작되었다. 이와 더불어, 전기차 충전 전력 요금의 표준화와 전기 공급 기준까지도 설정하여, 제주도 18곳과 고속도로에 전기차 전력 보급 인프라를 건설했다. 제주도 스마트그리드 실증단지 사업으로 전기차 충전 시스템의 밑바탕이 어느 정도 마련되었지만, 전기차 시장의 활성화, 양방향 충전기 도입, 높은 배터리 가격, 국제표준에 부합하는 충전기 개발 등 여러 문제점들도 발생했다. 앞서 발생했던 문제들을 중점으로 개선하고자 2015년에 산업부의 주도로 'V2G 실증용 전기차 충전소'를 설립하였다. V2G 실증용 전기차 충전소 설치를 위해 산업부는 광주과학기술원, 서울대학교, 사기업인 현대자동차㈜와 기아자동차㈜의 참여를 이끌었고 광주과학기술원의 창조경제혁신센터와 서울대학교 공과대학을 V2G 실증사업 테스트베드로 선정했다. 해당 테스트베드에서는 10대의 전기차와 충·방전이 가능한 V2G 설비를 설치되었고 한국전력공사의 참여로 차량 이용 패턴을 추가 파악하여 V2G의 경제적 운영 체계를 갖추고자 하였다. 2017년에는 ㈜케이티(KT)의 주도로 경기도 성남시 분당이 V2G 테스트베드로 선정되어 전기차의 배터리를 활용한 전력수요 관리(EV-DR) 실증 사업이 진행되었다. 이렇게 국내에서 V2G의 실증사업은 국가 주도뿐만 아니라 관련 사기업들도 활발히 실증사업에 참여하고 있는 모습을 확인할 수 있다. 관련 업계는 V2G 실증 단지 계획뿐만 아니라 양방향 충전기 개발에도 힘써오고 있다. 현대모비스㈜는 2015년 한국전력공사가 추진한 V2G 실증 사업에 참여하여 2017년에 국내 최초로 전기차에 탑재 가능한 '탑재형 양방향 충전기' 개발에 성공했다. 이에 한국전력공사는 현대모비스가 개발한 양방향 충전기를 가지고 여러 가상 전력 시나리오와 실시간 전력 데이터를 기반으로 두 차례의 실차검증을 진행했다. 최근 2019년에는 6.6 킬로와트급 충전기를 추가 개발하여 V2G의 상용화 가능성을 더욱 높였다. 현대모비스 측은 해당 양방향 충전기를 통해 전기차 4대의 배터리 전력을 약 20가구의 하루 분량의 에너지로 전환할 수 있다고 밝혔다.

해외

미국

미국은 V2G 기술의 선도국이며 대학, 국가 연구소, 공군기지, 학회 등, 민·관·군에 걸쳐 V2G에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다. 그러나 아직 대규모로 실증이 이루어지고 있는 단계는 아니며 시험실 설비들을 통하여 실증을 수행하고 있는 수준이다. 1977년 태양광 에너지 연구소(SERI, Solar Energy Research Institute)로 설립되어 1990년 국가 연구소로 승격된 미국 에너지부(DOE, Department of Energy) 산하 신·재생에너지연구소인 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 VTIF(Vehicle Testing and Integration Facility)에서는, 전기자동차 충전 옵션 시험, 통신 시스템을 포함한 스마트 충전, 전기자동차 계통 통합, 전기자동차와 신·재생에너지의 통합, 양방향 충전 시험 및 실증 등을 수행하고 있다. 또한 18kW 수준의 태양광 어레이를 설치하여 전기자동차에 직접 충전하는 설비를 갖추고 있다. 향후 마이크로그리드 단위로 태양광 에너지 설비를 확대할 예정이며 대부분의 신·재생에너지원이 계통에서 이용 가능할 때, 소비자에게 낮은 전기(충전) 요금을 제공하는 그린 시그널(Green Signal) 기술을 개발하고 있다. 2012년, 미국 캘리포니아 주는 150만 대의 무공해 자동차(ZEV, Zero Emission Vehicles)를 2025년까지 보급한다는 계획을 발표했다. 이 프로젝트는 캘리포니아 에너지 커미션(California Energy Commission)이 주도하여 총 300만 달러가 투자되었으며, 공군기지 설비들의 계통 안정성을 제공하는 것을 주요 목적으로 하고 있다. 20216년에 총 42대의 플러그인 전기자동차(PEV)(세단 19대, 픽업트럭 5대, 밴 13, 중형듀티트럭 4대, 버스 1대)들을 이용하여 V2G 실증을 수행했다.

일본

일본에서는 2011년 3월 11일 발생한 동일본 대지진 이후, 가정용 배터리 사용에 대한 관심이 크게 증가했다. 그러나 최신 리튬이온 배터리의 가격은 1kWh 당 수백∼수천 엔에 이르기 때문에 현실적으로 활용하기 매우 어려운 문제점이 있다. 따라서 가정용 배터리로써 전기자동차 배터리는 이러한 문제를 해결하기에 매우 적합하다고 인식되어, 일본에서는 V2H 기술에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 일본은 스마트시티(Smart City)라는 이름으로 시티 오브 요코하마(City of Yokohama), 토요타 시티(Toyata City), 게이한나 교토(Keihanna Kyoto), 시티 오브 기타큐슈(City of Kitakyushu) 총 4곳의 테스트 베드를 구축하여 전기자동차 V2X 시스템을 실증하고 있다. 먼저, 토요타 시티 내의 실증 가정에 설치된 5kWh 용량의 가정용 배터리는 HEMS(Home Energy Management System)을 통해 연결되어 있다. 그러나 이 용량은 하루 동안 최대 부하를 삭감(peak cut)하기에는 충분하지 않으므로 전기자동차(Toyota 社 Prius)에 연결된 V2H 시스템을 통해 가정으로 전기를 공급한다. 배터리 전압이 감소할 경우, 전기자동차의 가솔린 엔진이 자동적으로 동작하여 배터리 전압을 유지함으로써 지속적인 전기 공급을 가능하게 한다. 교토에 위치한 게이한나 에코시티에서는 V2X 실증을 수행하고 있으며, 미쓰비시 전기 및 미쓰비시후소(Mitsubishi Fuso)에서 공동으로 운영하고 있다. 이 실증 단지는 계통 및 가정에 전력을 공급하는 것(V2G, V2H) 뿐만 아니라 소단위 지역, 공장 및 사무실에 연계하는 것까지 고려하여 구축되었다. 기타큐슈 실증 단지는 수소연료 자동차(FCV, Fuel Cell Vehicle)로부터의 전력 공급을 통하여 해당 지역의 전력 수요 균등화와 최대 전력 감소를 주요 목적으로 운영되고 있다. 총 수요 전력이 약 10,000kW인 히가시다 지역에서, 1,000대의 수소연료 자동차를 통해 최대 전력 감소의 효과를 입증했다. 이 결과로부터, 전기자동차 및 수소연료 자동차의 확대를 통해 신뢰할 수 있는 최대 전력 감소(4.5kW/FCV)를 달성했다.

근황

V2G 사업이 주목을 받기 시작한 때가 2010년이다. 떠오르는 에너지 서비스로 추앙하던 시기에, 세계 V2G 사업은 2020년에 266억 달러의 규모로 성장할 것으로 내다봤다. 2015년~2020년, 이 사이에 글로벌 V2G 제품 판매 수는 연간 59%가량 성장하여 2020년에는 판매량이 106만대에 이를 것이라 예측되기도 하였다. 2021년이 된 지금, V2G 사업의 동향은 어떤 상황일까? 실제 글로벌 V2G 시장은 2015년~2019년 사이에 매년 47%의 성장률을 나타냈다. 예측치보다는 다소 더딘 성장세를 보이고 있지만 꾸준한 성장을 이루고 있는 모습이다. 한편, 국내의 경우는 상용화 단계 직전에 들어섰다고 볼 수 있다. 앞서 언급했듯이, 여러 차례의 테스트베드 선정과 실증 사업을 통해 V2G 상용화를 위해 보완할 문제점들을 파악해왔다. 현대모비스 측에 따르면 V2G의 국내 상용화는 2020년경일 것으로, 이를 위해 양방향 온보드차저의 크기를 대폭 축소하고 에너지 손실률을 줄여 효율을 높일 것을 목표하고 있다. 2020년의 'V2G 상용화' 청사진을 그려나가기 위해서 전기자동차 시장의 성장세와 비슷한 속도로 성장해 나아가야 한다. 전기차의 단점 중 가장 해결이 시급한 것은 전기차 충전 시설을 충분히 확충하는 것과 낮은 배터리 효율이다. 이 두 가지와 연관되어 해결책이 되어 줄 기술은 V2G다. 전기차 시장 활성화가 먼저인지, 양방향 온보드차저 구축이 먼저인지는 중요하지 않다. 이 둘은 분명 함께 성장해야 하는 산업이다. V2G 사업의 활성화를 앞두고 아직까지도V2G 기술에 대해서 한 번에 다량의 전기차 충전할 때 발생할 수 있는 전력 과부하 문제, 충·방전에 의한 전압 변동 문제, 동일하지 못한 전력 품질 문제, 전력계통 안정도 문제 등 미흡한 부분이 존재하고 있지만, 지금까지의 실증 사업을 기반으로 꾸준한 연구를 통해 보완해야 할 것이다. 이와 더불어 국내 현실을 반영한 전력거래 기준과 V2G 설비 및 계통 연계에 대한 기술적 기준 및 규정 등 산업적 제도들을 마련하여 V2G의 상용화 뒷받침해줄 배경도 마련해야 한다.

참고자료

• 〈전기차와 V2G〉, 《저공해차 통합누리집》
• R.E.F 16기 이지윤, 〈2020년에 V2G 상용화 목표! 지금까지의 여정은?〉, 《에너지설비관리》, 2020-03-10
• 하태현 외 6인, 〈V2G 프레임워크 설계 및 핵심요소기술 개발〉, 《한국전기연구원》, 2014-01
• 이순정 외 2인, 〈V2G 시스템 국내·외 적용 및 설치 운영 사례〉, 《대한전기학회》, 2016년

같이 보기

• V2L
• 차량
• 그리드
• 한국전력공사
• 전기차

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