에너지 부문의 주요 IoT 애플리케이션

에너지 산업은 큰 변화의 가장자리에 서 있습니다. 분석가에 따르면 2027년까지 해당 분야의 연결된 IoT 장치 수가 7,500만 개를 초과할 것으로 예상됩니다. 기업들은 디지털 혁신에 수십억 달러를 쏟아 붓고 있으며, 에너지 부문의 사물 인터넷은 유행하는 유행어일 뿐만 아니라 경쟁이 치열한 시장에서 생존을 위한 필수 요소가 되었습니다. 문제는 지난 세기에 구축된 에너지 시스템이 재생 가능 에너지원 통합부터 최대 부하 관리에 이르기까지 현대적인 과제를 더 이상 처리할 수 없다는 것입니다. 에너지용 IoT는 실시간 모니터링, 예측 분석, 프로세스 자동화를 통해 이러한 작업에 대한 솔루션을 제공합니다. 이 기사에서는 이미 업계를 변화시키고 있는 에너지 애플리케이션의 특정 IoT를 살펴보고 기존 접근 방식이 더 이상 작동하지 않는 이유를 알아봅니다.

스마트 미터 및 수요 관리

스마트 미터는 에너지 부문 구현에서 IoT의 첫 번째 대규모 물결이 되었습니다. 이러한 장치는 15~30분마다 전기 소비 데이터를 전송하여 공급자와 소비자 모두가 자원 사용량의 실제 상황을 볼 수 있도록 합니다.

이탈리아 회사 Enel은 2000년대에 3천만 개 이상의 스마트 미터를 설치하여 이 분야의 선구자가 되었습니다. 오늘날 선도적인 공급업체는 글로벌 기술 파트너의 에너지 기술 솔루션을 사용하여 계량기와 분석 플랫폼 및 부하 관리 시스템을 결합한 생태계를 만듭니다.

스마트 미터링의 주요 장점:

• 물리적 검침 없이 정확한 요금 청구
• 전력 손실 및 비인가 연결을 실시간으로 감지
• 시간대 및 그리드 부하에 따른 동적 가격 책정
• 소비자가 모바일 앱을 통해 자신의 소비를 추적할 수 있는 기능

영국에서는 SMETS(스마트 계량 장비 기술 사양) 프로그램을 통해 2025년까지 모든 가정에 스마트 계량기를 설치할 계획입니다. 규제기관 Ofgem의 계산에 따르면 이를 통해 소비자는 연간 약 £3억을 절약할 수 있습니다.

그러나 스마트 미터의 진정한 가치는 수요 관리에서 드러납니다. 수천 개의 장치가 소비 데이터를 전송하면 공급업체는 최대 부하를 예측하고 수요가 적은 시간으로 소비를 전환하도록 인센티브를 제공할 수 있습니다.

수요반응 프로그램

캘리포니아의 Pacific Gas and Electric은 최대 부하 동안 참가자의 온도 조절 장치를 자동으로 조정하는 SmartRate 프로그램을 시작했습니다. 더운 여름날 전력망에 과부하가 걸리면 시스템은 수천 가구의 온도를 동시에 몇도씩 올립니다. 소유자는 청구서에 대해 할인을 받고 전력망은 정전을 방지합니다.

에너지 인프라 모니터링 및 유지 관리

IoT 에너지 센서는 변압기, 전력선, 풍력 터빈, 태양광 패널에 설치되어 지속적인 장비 상태 모니터링을 수행합니다. 이는 유지 관리에 대한 접근 방식을 사후 대응에서 예측으로 변경합니다.

슈나이더 일렉트릭은 에너지 시설에 있는 수만 개의 센서로부터 데이터를 수집하는 EcoStruxure 시스템을 구현했습니다. 기계 학습 알고리즘은 진동, 온도, 음향 신호 및 전기 매개변수를 분석하여 향후 오작동이 발생하기 몇 주 또는 몇 달 전에 징후를 감지합니다.

변압기 상태 모니터링

변압기는 전력망에서 가장 비싼 구성 요소 중 하나이며 교체 비용은 수십만 달러입니다. 전통적으로 그들은 일정에 따라 서비스를 받거나 고장이 날 때까지 기다렸습니다. 이제 IoT 센서는 다음을 추적합니다.

• 오일 및 권선 온도
• 수분 수준
• 용존 가스 농도(DGA — 용존 가스 분석)
• 절연체의 부분 방전
• 실시간 로드

센서가 이상 현상을 감지하면 시스템이 자동으로 서비스 요청을 생성합니다. Duke Energy는 변압기에 대한 IoT 모니터링을 구현함으로써 예상치 못한 정전이 35% 감소하고 장비 수명이 15-20% 연장되었다고 보고했습니다.

드론 검사

유틸리티 회사에서는 전력선 검사를 위해 열화상 카메라와 HD 비디오 카메라가 장착된 드론을 사용하기 시작했습니다. 에너지 시스템에 IoT를 탑재한 드론은 100km 선을 따라 자율적으로 비행하고, 수천 장의 사진과 비디오를 촬영하고, AI가 손상된 단열재, 기둥의 녹 또는 느슨한 패스너를 감지하는 클라우드 플랫폼으로 데이터를 전송할 수 있습니다.

American Electric Power는 드론을 이용해 4만 마일에 달하는 전력선을 검사합니다. 이전에는 지상과 헬리콥터에서 검사관 작업에 수개월이 걸렸던 작업이 이제 더 정확하고 안전하게 몇 주 만에 완료됩니다.

재생에너지 통합

태양광 및 풍력 발전소는 본질적으로 불안정합니다. 해가 지고 바람이 잦아듭니다. 이로 인해 전력망 안정성에 문제가 발생합니다. 에너지용 IoT는 센서와 예측 시스템의 분산 네트워크를 통해 이 문제를 해결합니다.

세계 최대 재생 에너지 생산업체인 NextEra Energy는 IoT 플랫폼을 사용하여 수천 개의 풍력 터빈을 관리합니다. 각 터빈의 센서는 풍속, 방향, 온도, 베어링 진동 및 기타 수십 가지 매개변수를 측정합니다. 데이터는 시스템이 향후 72시간 동안의 에너지 생산량을 90%의 정확도로 예측하는 제어 센터로 전송됩니다.

가상 발전소

VPP(가상 발전소) 개념은 에너지 부문 기술의 IoT를 통해 가정용 태양광 패널, 전기 자동차 배터리, 산업용 발전기 등 수천 개의 분산 에너지원을 단일 제어 네트워크로 통합합니다.

독일 회사인 Sonnen은 7만 개가 넘는 가정용 배터리 시스템으로 구성된 네트워크를 구축했습니다. 그리드에 추가 전력이 필요한 경우 VPP는 수천 개의 배터리에서 동시에 에너지 반환을 조정합니다. 배터리 소유자는 보상을 받고, 새로운 발전소를 건설하지 않고도 전력망은 안정적으로 유지됩니다.

Tesla는 또한 Powerwall 배터리로 VPP 방향을 개발하고 있습니다. 남호주에서는 수천 명의 Tesla Powerwall 소유자가 중형 가스 발전소에 해당하는 250MW 이상의 용량을 갖춘 가상 발전소로 통합되었습니다.

스마트 그리드 및 부하 관리

스마트 그리드는 현대 에너지의 신경계입니다. 에너지 부문의 사물 인터넷은 발전소에서 소비자까지의 단방향 전기 흐름을 각 그리드 구성 요소가 다른 구성 요소와 "대화"하는 양방향 통신으로 전환합니다.

풍력에서 전력의 50% 이상을 생산하는 덴마크에서는 스마트 그리드가 매우 중요합니다. 덴마크 전력망 운영업체인 Energinet은 풍력 발전소, 태양열 발전소, 산업 소비자 및 주간 연결의 데이터를 통합하여 실시간으로 전력망의 균형을 맞추는 IoT 시스템을 구현했습니다.

자동 중단 복구

전통적으로 전력선이 손상되면 배전 담당자가 수동으로 전력망을 전환하여 전력을 복원했습니다. 이제 IoT 센서는 자동으로 손상 위치를 감지하고, 문제 부분을 격리하고, 대체 경로를 통해 전기의 방향을 전환합니다. 이 모든 작업이 모두 몇 초 만에 이루어집니다.

시카고의 ComEd는 스마트 그리드를 구현한 후 평균 정전 복구 시간이 2시간에서 30분으로 단축되었다고 보고했습니다. 시스템은 영향을 받은 소비자 수, 문제가 발생한 정확한 위치, 수리를 위해 가장 가까운 직원이 누구인지 자동으로 결정합니다.

로드 밸런싱

IoT 플랫폼은 실시간으로 소비를 분석하고 한 시간, 하루 또는 일주일 전에 부하를 예측합니다. 이를 통해 운영자는 다음을 수행할 수 있습니다.

• 꼭 필요한 경우에만 추가 발전기를 시작하십시오.
• 가격이 저렴한 순간에 시장에서 전기를 구매하세요
• 개별 그리드 섹션의 과부하 방지
• 다양한 유형의 발전소 운영 조정

뉴욕의 Con Edison은 IoT 시스템을 사용하여 미국 최대 규모의 도시 그리드를 관리합니다. 수백만 개의 센서가 13만 개의 변압기와 95,000마일에 달하는 케이블을 통해 에너지 흐름을 추적합니다. 여름철 무더위 기간 동안 수백만 대의 에어컨이 가동되면 시스템은 자동으로 부하 균형을 맞춰 정전을 방지합니다.

석유 및 가스 시설 모니터링

석유 및 가스 산업에서는 유정, 파이프라인, 압축기 스테이션 및 정유소를 모니터링하기 위해 IoT 에너지 솔루션이 적용됩니다. 이러한 시설은 전통적인 모니터링이 어렵고 비용이 많이 드는 원격지에 위치하는 경우가 많습니다.

BP는 북해의 유정에 수천 개의 IoT 센서를 설치했습니다. 센서는 압력, 온도, 장비 진동, 부식 수준 및 추출 속도를 추적합니다. 데이터는 위성 통신을 통해 엔지니어가 물리적으로 방문하지 않고도 수십 개의 유정을 동시에 제어할 수 있는 분석 센터로 전송됩니다.

누출 감지

파이프라인 누출은 심각한 환경적, 경제적 문제입니다. 파이프라인을 따라 설치된 IoT 압력 센서는 압력 변화로 인한 작은 누출도 감지할 수 있습니다. 음향 센서는 가스나 오일이 빠져나가는 소리를 "듣습니다".

북미에서 가장 긴 파이프라인 시스템을 운영하는 Enbridge는 IoT 조기 누출 감지 시스템을 사용합니다. 센서가 이상 현상을 감지하면 밸브가 손상된 부분을 자동으로 차단하여 유출량을 최소화합니다. 이 시스템은 기존 방법에 비해 누출을 10배 빠르게 감지합니다.

추출 최적화

우물의 IoT 센서는 저수지 특성, 생산성 및 장비 상태에 대한 데이터를 수집합니다. 알고리즘은 이 데이터를 분석하여 추출 모드를 최적화합니다(강도를 높이거나 낮출 때, 유지 관리가 필요할 때).

Shell은 실제 IoT 센서로부터 데이터를 수신하는 가상 모델인 디지털 트윈 우물을 사용합니다. 엔지니어는 실제로 적용하기 전에 디지털 환경에서 다양한 시나리오를 테스트할 수 있습니다. 회사에 따르면 이로 인해 추출량이 5~10% 증가하는 동시에 비용이 절감되었습니다.

건물 에너지 관리

상업용 및 산업용 건물은 전 세계 전력의 약 40%를 소비합니다. IoT 빌딩 관리 시스템은 조명, 난방, 환기, 공조 및 기타 장비의 통합을 통해 소비를 최적화합니다.

Honeywell은 건물 에너지 관리를 위한 Forge 플랫폼을 개발했습니다. 이 시스템은 조도 센서, 인간 존재, 온도, 공기 질로부터 데이터를 수집하고 이를 일기 예보, 작업 일정 및 전기 요금과 통합합니다.

실제로 작동하는 방법은 다음과 같습니다.

• 존재감 센서는 빈 방의 조명을 끄고 온도를 조절합니다.
• 이 시스템은 전기 요금이 가장 낮은 시기를 분석하고 그 시점에 정확하게 에너지 집약적인 프로세스를 실행합니다.
• 알고리즘은 일기예보를 기반으로 냉난방 수요를 예측하고 사전 설정을 조정합니다.
• 달력과의 통합으로 더 많은 방문객이 예상되는 시기를 알려주고 그에 따라 시스템을 준비합니다.

세계에서 가장 스마트한 건물로 선정된 암스테르담의 The Edge는 28,000개의 IoT 센서를 사용하여 건물의 모든 측면을 관리합니다. 에너지 소비는 표준 사무실 건물보다 70% 낮으며, 지붕 태양광 패널은 건물이 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생성합니다.

블록체인 및 P2P 에너지 거래

에너지용 IoT와 블록체인을 결합하면 분산형 전력 거래를 위한 새로운 기회가 창출됩니다. 태양광 패널 소유자는 스마트 계약을 통해 잉여 에너지를 이웃에게 자동으로 판매할 수 있습니다.

뉴욕의 Brooklyn Microgrid는 최초의 P2P 에너지 거래 프로젝트 중 하나입니다. 태양광 패널을 보유한 지역 주민들은 블록체인 플랫폼을 통해 이웃에게 전기를 판매합니다. IoT 스마트 미터는 자동으로 거래를 등록하고 스마트 계약은 중개자 없이 결제를 실행합니다.

호주의 Power Ledger는 이 개념을 확장했습니다. 이 플랫폼은 이웃 간뿐만 아니라 서로 다른 마이크로그리드 간 에너지 거래도 가능하게 합니다. IoT 센서는 생성과 소비를 추적하고, 블록체인은 거래 투명성을 보장하며, 알고리즘은 자동으로 최적의 가격을 찾습니다.

IoT 시스템 에너지 사이버 보안

수백만 대의 장치가 연결되면 사이버 공격 위험이 커집니다. 에너지 인프라는 해커와 국가 행위자의 최우선 목표입니다. 2015년 전력망에 대한 공격은 시스템 취약성을 보여주었습니다.

에너지 부문 플랫폼의 최신 IoT는 다단계 보호를 구현합니다.

• 장치, 전송 중, 저장 중 데이터 암호화
• 암호화 인증서를 통한 장치 인증
• 네트워크 분할 — 인터넷에서 격리된 중요 시스템
• 비정상적인 장치 동작에 대한 지속적인 모니터링
• 취약점 패치를 통한 자동 펌웨어 업데이트

Siemens는 산업용 IoT 시스템을 위한 "설계에 의한 보안" 개념을 개발했습니다. 각 장치는 생성 후 추가되는 것이 아니라 설계 단계에서 보안 감사를 받습니다.

데이터 분석 및 인공 지능

IoT 센서는 매일 페타바이트 규모의 데이터를 생성합니다. 실제 가치는 의사 결정을 위해 이 데이터를 분석할 때 드러납니다. AI와 머신러닝을 갖춘 클라우드 플랫폼은 원시 데이터를 유용한 통찰력으로 변환합니다.

Microsoft Azure Energy와 AWS Energy는 에너지 기업을 위한 전문 서비스를 제공합니다. 이러한 플랫폼에는 다음이 포함됩니다.

• 대용량 IoT 데이터를 저장하고 처리하기 위한 스토리지
• 수요 예측 및 이상 탐지를 위해 미리 만들어진 기계 학습 알고리즘
• 대시보드 생성을 위한 시각화 도구
• 기존 시스템과의 통합을 위한 API

미국 최대 전력 공급업체 중 하나인 Exelon은 AI를 사용하여 500만 개의 스마트 미터에서 수집된 데이터를 분석합니다. 알고리즘은 소비 패턴을 감지하고, 그리드 부하를 예측하며, 소비자에게 맞춤형 에너지 절약 권장 사항을 제공합니다.

수요 예측

정확한 수요 예측은 매우 중요합니다. 전기는 대량으로 저장할 수 없으므로 발전은 밀리초마다 정확하게 소비량과 일치해야 합니다. AI 모델은 과거 소비 데이터, 일기예보, 달력(근무일, 공휴일), 경제 지표 및 기타 수백 가지 요소를 분석합니다.

영국의 National Grid는 전력 수요 예측을 위해 AI 시스템을 사용합니다. 예측 정확도는 98%에 달해 예비 용량 비용을 연간 £1,000만 절감할 수 있었습니다.

일반 사람들이 실제로 액세스할 수 있는 것: 지금 다운로드할 수 있는 소비자 에너지 앱

스마트 계량기, 예측 유지 관리, 가상 발전소 등 우리가 이야기해 온 모든 인프라에 대해 사람들이 자신의 에너지 요금을 이해하지 못하거나 소비에 대한 기본적인 결정을 내릴 수 없다면 아무 것도 문제가 되지 않습니다. 실망스러운 현실은 대부분의 국가의 유틸리티가 백엔드 기술을 제대로 구현하지 못했다는 것입니다. 뒤처지는 것은 소비자를 대면하는 측면이다.

그렇다면 특별한 장비를 구입하거나 독점 시스템에 가입하지 않고도 일반 사람이 실제로 무엇을 다운로드하여 사용할 수 있습니까? 놀랍도록 유용한 생태계가 이미 존재하며, 실제 행동 변화가 일어나는 곳이기 때문에 알 가치가 있는 것으로 나타났습니다.

EnergySmart(리투아니아 유틸리티 회사인 Ignitis가 개발함)가 아마도 가장 간단한 예일 것입니다. 다운로드하고 스마트 미터 계정에 연결하면 갑자기 한 달에 한 번 청구서를 받는 것이 아닙니다. 실시간으로 소비량과 가격 변동을 확인하고 앱은 실제로 온수 샤워 비용 또는 청구서의 몇 퍼센트가 난방비로 사용되었는지 알려줍니다. 지루한 작업도 처리합니다. EV 충전 비용을 추적하고 자동차를 연결하는 데 가장 저렴한 시간을 추천합니다. 여기서 요구 사항은 공급업체가 호환 가능한 스마트 미터 인프라를 사용해야 한다는 것입니다. 하지만 귀하가 북유럽에 있거나 점점 더 주요 EU 시장에 거주하고 있다면 이미 인프라를 갖추고 있을 것입니다.

HomeWizard Energy는 다른 접근 방식을 취합니다. 공급업체 인프라에만 의존하는 대신 소비자급 스마트 플러그 및 에너지 모니터링 장치에 직접 연결됩니다. 지붕에 태양광 패널이 있고 실제로 생성되는 양과 그리드에서 끌어오는 양을 확인하려는 경우, 이 앱은 해당 데이터를 숫자뿐만 아니라 소비 패턴을 보여주는 실제 그래프로 이해하기 쉬운 것으로 변환합니다. 소급해서도 작동합니다. 사람들은 새벽 2시에 냉장고가 조용히 전기를 소비하고 있거나 특정 시간 동안 난방 시스템이 매우 비효율적이라는 것을 깨닫기 위해 이를 사용합니다.

스칸디나비아에서 인기가 있는 핀란드의 älyenergia도 있습니다. 이 제품은 동일한 작업을 수행하지만 더 나은 가격 예측이 내장되어 있습니다. 도매 전기 가격이 어디로 향할지 예측하고 에너지 집약적인 작업을 언제 실행해야 할지 제안합니다. 정교한 AI 자료가 아니라 사람들이 최고 요금을 지불하는 것을 피하는 데 실제로 도움이 되는 실제 시장 데이터일 뿐입니다.

iPhone용 Hugo는 스마트 계량기와 함께 작동하며 전기와 가스를 모두 보장합니다. 화려하지는 않지만 지출 예산을 설정하고 기간별 소비 내역을 확인할 수 있습니다. 이는 사람들이 절대 사용하지 않을 기능이 포함된 복잡한 대시보드 대신 실제로 원하는 것입니다.

스마트 계량기에 전혀 접근할 수 없는 사람들을 위해 Consumption Tracker는 구식 수동 계량기 판독 기능을 사용합니다. 측정기 사진을 찍으면 OCR 기술이 숫자를 읽고 앱이 몇 달에 걸쳐 기록을 추적합니다. 이는 기본적이지만 지난 달의 급증이 실제인지 아니면 단지 청구서 변동인지 이해하려는 경우 실제로 유용합니다.

여기의 패턴이 말해주고 있습니다. 인프라는 정교하고 알고리즘은 강력하지만 실제로 사람들의 휴대폰에 설치되는 것은 일반적으로 가능한 가장 간단한 버전입니다. 숫자를 보여주는 앱. 조치를 취할 수 있게 해주는 앱입니다. 새로운 용어를 배울 필요가 없는 앱입니다. 난방 비용을 예측하기 위해 신경망을 기다리는 사람은 아무도 없습니다. 그들은 단지 너무 많은 비용을 지불하고 있는지, 그리고 이에 대해 무엇을 해야 하는지 알고 싶어할 뿐입니다.

결론

IoT는 에너지 부문을 사후 관리에서 예측 관리로 변화시키고 있습니다. 스마트 계량기, 자동화된 그리드, 가상 발전소, AI 분석은 더 이상 공상 과학 소설이 아니라 수십 개국에서 작동하는 현실입니다.

IoT의 가장 큰 영향은 재생 에너지 통합, 그리드 신뢰성 향상, 에너지 시스템에 대한 소비자의 적극적인 참여라는 세 가지 방향에서 나타날 것입니다. 태양광 패널과 전기 자동차 소유자는 수동적인 소비자에서 적극적인 에너지 시장 참여자로 변화하고 있습니다.

오늘 IoT 기술에 투자하는 기업은 내일 경쟁 우위를 확보하게 될 것입니다. 지연하는 사람들은 그 어느 때보다 빠르게 변화하는 업계에서 뒤처질 위험이 있습니다. 에너지의 미래는 스마트하고 연결되며 데이터 중심이 될 것이며 이미 현실이 되었습니다.