4차 산업혁명과 에너지시스템

2017. 11. 23

에너지경제연구원에너지수요관리연구실소진영연구위원(Ph.D.)

목차

1. 4차 산업혁명

2. 4차 산업혁명과 에너지 수요

3. 4차 산업혁명과 지능형 에너지시스템

4. 에너지시스템 전환을 위한 정책 방향

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4차 산업혁명World Economic Forum (Jan. 2016)

“…4차산업혁명은 3차산업혁명을기반으로디지털, 생물학, 물리학분야의융합을통한기술혁신인동시에실제와가상을통합하여사물을자동·지능적으로제어하는사이버물리시스템(CPS)의혁명…”

출처: WEF (2016), 현대경제연구원 (2016), 김지효(2017)에서재인용

물리학

디지털 바이오

무인운송수단, 3D 프린팅, 첨단로봇공학, 신소재, 로보틱스등기계와직접적관련이있는기술

인간게놈프로젝트, 합성생물학, 바이오프린팅등

사물인터넷, 인공지능, 빅데이터, 상황인지기술등

3

산업혁명사

1차 산업혁명(기계 혁명)

2차 산업혁명(전기 혁명)

3차 산업혁명(정보 혁명)

4차 산업혁명(지능 혁명)

시작연도 1750~1760년 1850~1870년 1945~1960년 ?

주도국가 영국 독일, 미국 미국, 일본 ?

주력부문수력, 증기력,

기계적 생산설비분업, 전기, 대량생산

전자공학, 정보기술, 자동화 생산

CPS(Cyber-physical

system)

주요산업 직물, 철강강철, 화학, 전기,

자동차ICT, 자동차 ?

에너지원 석탄 전기, 석유 전기, 석유 전기 (신재생)

출처: WEF (2016), STEPI (2017), 제레미 리프킨 (2011), 김태유 (2012), 이민화 (MBC 100분 토론, 2017. 5. 30), 김지효(2017)에서재인용

농업사회

산업사회

지식기반사회1, 2차 산업혁명 3, 4차 산업혁명

4

4차 산업혁명의 기술 동인

장윤종, 김석관 (2017), “제4차 산업혁명의 경제사회적 충격과 대응 방안”

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층위

미시-요소기술 중간-시스템 거시-트렌드

명칭

5대 핵심기술 주변기술 적용분야 기술데이터 기반 가치

창출 시스템디지털 전환의 심화

내용

5대 기술 상호연결광범위한 활용

→ 범용기술

적용범위 한정기술적 가능성 불확실

Driver가 아니고Destination타 분야 적용 어려움 데이터를 매개로

가상세계와 현실세계를 결합하여 공정, 제품, 서비스, 비즈니스 모델 등을 혁신하고 새로운 가치를 창출하는 시스템

디지털 전환: 산업과 사회의 각 부문이디지털화되고 ICT 기술이 적용되어, 생산성을 높이고, 새로운 비즈니스를 창출하며, 소비자 편익을 증진시키는 현상

4차 산업혁명은 1970년대부터 시작된디지털 전환이 5대 핵심기술의 발전으로 더 심화되는 것

사물인터넷클라우드 컴퓨팅빅데이터 분석인공지능로봇

가상/증강현실드론블록체인3D 프린팅나노/신소재

유전자 분석유전자 편집줄기세포, 재생의료신경과학신재생에너지

4차 산업혁명을 추동하는 핵심 기술 동인3개층위: 미시-요소기술, 중간-시스템, 거시-트렌드

• 디지털전환이 5대핵심기술의발전으로더욱심화되는과정.

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장윤종, 김석관 (2017), “제4차 산업혁명의 경제사회적 충격과 대응 방안”

4차 산업의 전형적 과정: 시스템의 가치창출 단계5대핵심기술은데이터를매개로가상세계/현실세계결합

• 현실세계데이터 → 가상세계분석 → 연속적과정에서다양한혁신창출

4차 산업혁명의 기술 동인

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자료: 이지효(2016), 장윤종, 김석관(2017)에서 재인용

4차 산업혁명이 산업에 미치는 영향디지털화의확대와심화

• 기업내프로세스효율화에서공정/제품/서비스/비즈니스모델혁신과산업경계소멸

4차 산업혁명의 기술 동인

주요국 동향

• Industry 4.0 : ICT를활용한스마트공장구현목표• Platform Industry 4.0 : 빠른표준화, 중소기업의참여, 보안강화, 인력양성강화

• Society 5.0 (초스마트사회) : 산업을포함한경제사회전반의과학기술혁신추진• 제조업강점분야적극활용및데이터기반선순환형비즈니스모델추구• 핵심기술 (사물인터넷, 빅데이터, 인공지능, 로봇) ×부문별기술 ×데이터

자료: 최해옥 외(2017), 김승현 (2017), 김지효(2017)에서 재인용

• Advanced Manufacturing Partnership (`14) : 제조업혁신을위한 R&D 투자및인프라확충 , 국가제조업혁신네트워크발족

• New Strategy for American Innovation (`15) : 4차산업혁명관련기술혁신환경조성 (첨단제조, 정밀의료, 두뇌, 첨단자동차, 스마트시티, 청정에너지, 교육기술, 우주, 고성능컴퓨팅)

• 중국제조 2025 : 제조업의종합경쟁력을 2025년까지독일과일본수준까지향상, 하드웨어기반스타트업기업들의참여

• 인터넷플러스 : ICT 기술을기존제조업에적극융합하고활용, 소프트인프라중심정책

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디지털 vs. 전통적 기업 실적

자료: visualcapitalist.com, Mori(2017)에서 재인용

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세계 Pop 5 기업 디지털 지배세계경제도급속한디지털전환경험

• GDP 성장률(CAGR, ‘15 → ‘20): 디지털기업 5.1%, 전통적기업 2.3%• 디지털 GDP 비중(%, ‘15 → ‘20): 22.5% → 25%

세계 Top 5기업 변화 추이(market capitalization 기준, billion USD)

목차

1. 4차 산업혁명

2. 4차 산업혁명과 에너지 수요

3. 4차 산업혁명과 지능형 에너지시스템

4. 에너지시스템 전환을 위한 정책 방향

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4차 산업혁명과 에너지수요전력화현상 (Electrification)

“…Build-out of the electricity generation and electric power distribution systems that occurred in Britain, the United States, and other now-developed countries frim the mid-1880s until around 1950 and is still in progress in rural areas in some developing countries…”

전력수요 : 증가 vs. 감소?• 증가가설 : ICT의역할이커지고, 관련산업(제조업, 서비스업등)비중이증가하면서전력수요도증가할것이다.

“…지금속도로반도체사용량이늘어나면 2040년에는화력발전소 1억개가추가로지어져야필요한전력을댈수있다 …(황철성서울대재료공학부교수, 2017. 6. 8, 한국경제)”

“…4차산업혁명과관계가높은기계및수송기기, 상업및공공서비스부문의확대는에너지소비증가와에너지집약도악화를가져올것으로보인다… (이지순외, 2016)”

• 감소가설 : 지능화, 효율화로인해전력수요가감소할것이다.“…The internet appears to save electricity indirectly by making the whole economy more efficient…(Romm, 2002)”“…ICT can save energy by improving control and cooperation of systems, facilities, organizations, and even neighborhoods…(ACEEE, 2017. 4. 26)”

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자료: 김지효(2017)

경로의존적영향 (Path-dependent effect)

1st Path : Economic growth • 경제성장을촉진하여에너지수요 (또는전력수요)를증가시킴.

2nd Path : Electrification • 전력화현상을촉진하여에너지수요 (또는전력수요)를증가시킴.

3rd Path : Efficiency • 효율성을향상시켜에너지수요 (또는전력수요)를감소시킴.

4th Path : Structural change • 산업구조변화에따라에너지수요 (또는전력수요)가달라짐.

김지효외 (2014), Role of ICT capital on industrial energy demand: An international comparison

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4차 산업혁명과 에너지수요

4차 산업혁명과 전력 수요

자료: SIA/SRC(2015), “Rebooting the IT Revolution: A Call to Action”

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정보 처리를 위한 전력 수요 전망SIA/SRC(2015): “정보처리를위한컴퓨팅에막대한에너지필요”

• “… lower-edge system-level energy per one bit transition is ~10-14J …. For this …, computing will not be sustainable by 2040, when the energy required for computing will exceed the estimated world’s energy production.”

Total number of binary transitions required for computing

Total energy of computing

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자료: LBNL(2016), “United States Data Center Energy Usage Report”

미국 데이터센터 전력 수요 사례LBNL(2016): “에너지효율개선으로최근 5년간전력수요를안정적으로유지”

• “… data center electricity use would be significantly higher without these energy efficiency improvements.” “… there are additional energy efficiency strategies and technologies that could significantly reduce data center electricity use…”

미국의 모든 데이터센터의 총 전력 소비량 추이 및 시나리오별 전망

4차 산업혁명과 전력 수요

국가별 GDP와 전력 수요 관계

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0.00 10,000.00 20,000.00 30,000.00 40,000.00 50,000.00 60,000.00

Elec

tric

ity c

onsu

mpt

ion

(200

0=10

0)

GDP per capita (USD, PPP)

AUS AUT BEL CAN CHL CZE DNK EST FIN

CHN FRA DEU GRC HUN ISL IRL ISR ITA

JPN KOR LUX MEX NLD NZL NOR POL PRT

SVK SVN SWE CHE TUR UK US OECD Non-OECD

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자료: 김지효(2017)

목차

1. 4차 산업혁명

2. 4차 산업혁명과 에너지 수요

3. 4차 산업혁명과 지능형 에너지시스템

4. 에너지시스템 전환을 위한 정책 방향

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에너지시스템의 전환

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에너지시스템 전환의 주요 트렌드분산형에너지시스템과스마트한에너지수요관리시스템

• 기후변화대응에대한국제사회의동참강화에따른신기후체제출범과 4차산업혁명기술융복합으로세계에너지시스템의전환이진행중

에너지시스템의 전환: Energy 4.0EERC (2015)

• “…Energy 4.0은 Industry 4.0과비슷한개념으로, 재생에너지를활용하는시대(Energy 3.0)에서더나아가지능적제품생산과스마트한에너지사용이가능해지는것…”

• 초연결 (hyper-connected), 초지능화 (hyper-intelligent), 분산화 (decentralized)

PAST PRESENT FUTURE

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에너지공급시스템 전환

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국내외 환경 변화

기존에너지공급시스템의한계• 2015년파리협약체결에의한신기후체제출범준비.• 석탄화력미세먼지, 원전안전성등이슈대두.

에너지공급시스템 전환

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중앙집중형에서 재생에너지 중심의 분산형 에너지시스템으로 전환

신재생에너지장기보급목표상향조정• 산업부: 4차신재생에너지보급목표조기달성(‘35 → ‘25).• 문재인대통령: 2030년까지발전량의 20% 재생에너지보급.

신재생에너지 보급 목표 달성을 위한 이행 계획

1. RPS• RPS 의무비율상향조정

2. RE 프로젝트• 해상풍력등대규모 RE 프로젝트활성화

3. 지역역할강화• 농촌태양광빌리지등지역단체참여강화

4. 전력계통• T&D 개선, 백업전원확보등계통안정성을위한투자확대

5. 수요관리와연계• 스마트그리드인프라확대등에너지수요관리부문의효율성강화

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에너지공급시스템 전환

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간헐성을 고려한 계통안정성 보완 대책 필요

간헐적재생에너지계통통합한계및 DER증가로계통운영의어려움• 2030년재생에너지 53GW 신규설비보급, 약 80%를태양광과풍력으로보급.• BTM에 DER 급증으로계통운영의복잡성증가.

* BTM(behind the meter)

* DER(distributed energy resources): 수요반응(DR), 재생에너지, ESS, 자가발전, 전기자동차 등

에너지공급시스템 전환

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4차 산업형 시스템 도입을 통한 에너지공급 시스템 구축

재생에너지+DER의통합운영에최적화된시스템구축으로계통안정성강화• SG, VPP 등에 IoT, 빅데이터등기술적용으로 4차산업형에너지공급시스템구축• 전력산업의 IoT, 빅데이터, 인공지능등핵심기술도입을통한민간영역의자발적혁신과비즈니스모델확산

스마트그리드 개념도 VPP 개념도

에너지공급시스템 전환

에너지 수요관리시스템의 전환

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에너지 수요관리의 역할 증대

에너지수요관리목표강화• 2차에기본수요관리목표(‘35년 BAU 대비): 최종에너지 13.3%, 전력 15% 절감.• 문재인정부국정과제 37: 친환경·스마트에너지인프라구축, 핵심분야별수요관리강화.

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중앙집중형 단방향 통신 수요시스템의 한계

에너지수요관리에서에너지소비자의역할제한• 에너지절약, 기기효율개선등소비자의수동적역할.

에너지 수요관리시스템의 전환

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스마트한 에너지 수요관리시스템 구축 필요

양방향통신과수요관리수단다변화로에너지소비자역할강화• IoT, 빅데이터분석을통한 BTM의 DER 자원량의실시간모니터링과자율적제어를통해소비자의능동적참여확대.

• 민간분야의수요관리자원시장진출을통한수요반응자원을활용하는연관산업활성화

에너지 수요관리시스템의 전환

ICT 융복합 기술과 에너지 인프라를 통합하여 에너지소비 최적화및 안정적 수급체계 구현

주요특징• 지역단위의분산형수급시스템 (신재생 + ESS + EMS + data analysis)• 에너지공급사는공급에서서비스까지포괄하는방향으로영역확대• 타부문 (ICT, 제조업등) 유입확대를통한경쟁활성화

기술적 Layer• Energy Storage System (ESS) : EV 포함• 분산형전원: 신재생, 소형열병합등• Energy Management System (EMS) : HEMS, BEMS, FEMS 등

서비스 Layer• 전력재판매, 수요반응서비스, 전기차충전서비스, 가상발전소, 에너지관리

서비스등

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에너지 수요관리시스템의 전환

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ICT 융복합 수요관리의 핵심 기술

에너지 수요관리시스템의 전환

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에너지수요관리에 ICT 활용 예시

House EMS Factory EMS

에너지 수요관리시스템의 전환

전력산업의 새로운 가치창출

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가치사슬 전단계의 디지털 전환 적용 분야

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WEF(2016)

“Digital transformation has immense potential to unlock $1.3 trillion of value for the electricity sector to be captured globally from 2016-2025”

전력산업의 새로운 가치창출

목차

1. 4차 산업혁명

2. 4차 산업혁명과 에너지 수요

3. 4차 산업혁명과 지능형 에너지시스템

4. 에너지시스템 전환을 위한 정책 방향

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에너지시스템 전환 촉진을 위한 정책에너지정책주요이슈: 민간부문참여활성화를중심으로…

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에너지 가격 규제1

에너지원별 시장 분할정보 독점

2

3 4

독점적시장

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지능형 에너지시스템 전환 가속화를 위한 정책 방향

4차산업혁명과에너지시스템의융복합촉진을위한전제• 경쟁적시장시스템, 다양한요금제및서비스, 정보공개및공유환경조성.• 결과: 지능형에너지시스템구축, 민간부문의부가가치창출, 소비자후생향상

에너지시스템 전환 촉진을 위한 정책

감사합니다.

4차 산업혁명과 에너지시스템��슬라이드 번호 24차 산업혁명산업혁명사4차 산업혁명의 기술 동인4차 산업혁명의 기술 동인4차 산업혁명의 기술 동인주요국 동향디지털 vs. 전통적 기업 실적슬라이드 번호 104차 산업혁명과 에너지수요4차 산업혁명과 에너지수요4차 산업혁명과 전력 수요4차 산업혁명과 전력 수요국가별 GDP와 전력 수요 관계슬라이드 번호 16에너지시스템의 전환에너지시스템의 전환: Energy 4.0에너지공급시스템 전환에너지공급시스템 전환에너지공급시스템 전환에너지공급시스템 전환에너지공급시스템 전환에너지 수요관리시스템의 전환에너지 수요관리시스템의 전환에너지 수요관리시스템의 전환에너지 수요관리시스템의 전환에너지 수요관리시스템의 전환에너지 수요관리시스템의 전환전력산업의 새로운 가치창출 전력산업의 새로운 가치창출 슬라이드 번호 32에너지시스템 전환 촉진을 위한 정책에너지시스템 전환 촉진을 위한 정책감사합니다.