전류전쟁, 진정한 승자는? 초고압직류송전(HVDC)에 관하여

전류전쟁, 진정한 승자는? 초고압직류송전(HVDC)에 관하여

 15기 양진호

 

 전기가 없어지게 된다면 우리는 어떻게 될까? 다양한 기능을 가진 핸드폰 사용은 물론이고 교통, 경제, 산업 등 사회 전반에 막대한 피해를 입을 것이다. 이렇듯 우리에게 소중한 가치를 안겨주는 전기는 에디슨(T.A.Edison, 1847~1931)과 테슬라(T.Nikola, 1856~1943) 두 발명가의 선물이다. 이 둘은 전력시스템의 국제표준을 정하기 위해 전류전쟁이라 불릴 정도로 치열한 공방전을 벌였고, 끝내 테슬라가 승리하여 교류전력이 전력시스템의 국제표준이 되어 현재까지 사용 중이다. 하지만 최근 초고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current transmission system)이라는 새로운 송전체계가 부상하고 있다.

 

[사진 1. 내륙~제주 HVDC 서제주변환소]

출처 : 한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!

 

초고압직류송전이란

 발전기에서 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 송전하는 방식이다. 이는 전력 운용의 안전성 및 효율성을 확보해 국가적 대정전 사태 사전 방지와 전력수급 안정화를 위한 핵심 기술이라 할 수 있다. 또한 최규하 한국전기연구원 원장은 "HVDC 기술은 전기분야 가운데서도 가장 크고 복잡한 시스템으로 세계 최고 기술을 보유한 굴지의 기업들만 보유하고 있다”고 언급한 바 있다.

 

[그림 1. 초고압 직류송전 개념도]

출처 : 매일경제

 

왜 HVDC가 떠오르는가?

가장 큰 두 가지 이유는 다음과 같다.

1. 동북아시아 지역을 하나의 전력망으로 연결하자는 논의가 활발해지면서 HVDC에 대한 관심이 높아졌다. 국가 간 연계 등 장거리 송전시 HVDC가 전력손실을 최소화하는 최적의 방식으로 평가를 받았기 때문이다. 즉 에너지 이용효율을 높인 국가간 전력공급체계를 구성하는 슈퍼그리드(SG, Super Gride)의 가능성을 보았기 때문이다.

 

2. 태양광, ESS, 연료전지와 같이 터빈을 돌리지 않고 고정된 극성으로 직류전력을 생산, 활용하는 자원의 증가와 더불어 데이터센터, 전기차 충전소와 같은 직류전력만을 소모하는 수요자원이 등장하면서 직류전력시스템이 빠르게 확산되고 있기 때문이다.

 

 부가적으로 언급하자면

-HVDC는 기존의 HVAC(초고압교류송전, High Voltage Alternating Current transmission system) 보다 초기 투자비는 많지만 40km 이상의 해저 지중 케이블, 400km 이상의 장거리 송전의 경우 경제성이 있다. 또한 전력손실을 줄여 송전효율과 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 

 

-HVDC는 전압 및 전류가 일정하므로 이론적으로 전자기파 유도가 발생되지 않아 전자기파 간섭(EMI, Electro Magnetic Interference) 문제가 있는 대도심에 용량 증설 용도로도 적합하다.  HVDC는 최근 심각성이 대두되고 있는 송전선 건설과 이로 인한 지역주민의 갈등 문제를 해결하기 위해 기존의 HVAC가 아닌 전자파로부터 자유로운 HVDC를 도입을 통한 고압 송전의 지중화만이 유일한 대안으로 제시되고 있다.

 

-3면이 바다라는 지형적 특징을 활용하여 대규모 풍력 단지, 태양광발전 단지를 바다 위에 건설하고 해저 송전 선로를 통해 송전하면 신재생에너지 활용도를 높일 수 있다.

 

-북한에 전력 공급시, 북한 측의 전기사고나 열악한 설비에 의한 전기적 악영향이 남한에 파급되는 것을 고려할 때도 전력의 통제가 용이한 직류송전은 최적의 송전 기술이다.

 

HVDC 기술의 추세와 시장 전망은?

 1954년 세계 최초로 스웨덴 본토와 고트랜드(Gotland) 섬을 HVDC 송전체계를 구축한 이후 현재 약 160개, 150GW 이상 용량의 프로젝트가 건설되어 운영 중이다. 또한 HVDC 기술을 이용한 아프리카, 아시아, 유럽 등 전 세계적으로 이러한 이웃 국가 간 계통연계로 전력 융통(Electric Power Swapping)을 통한 전력계통 신뢰성과 경제성을 확보하는 슈퍼그리드 기술이 최근 세계적 흐름을 주도하고 있다. 2050년까지 전 세계적인 슈퍼그리드 구축 예정이며 특히 유럽 중심의 해저케이블 국가 간 HVDC 계통연계에 대한 투자가 집중될 것으로 전망되며 국가별 신재생에너지를 최대한 활용하고 신뢰도 향상과 세계적인 통합 전력 네트워크 구축을 위해 HVDC 신기술 연구 및 투자가 점차 활성화되고 있다. 특히 유럽의 Desertec 프로젝트는 2050년까지 사하라 사막의 태양열 발전, 지중해 및 북해 연안의 대규모 풍력, 수력 발전으로 생산한 전력을 연계하여 유럽에서 소비하는 전력의 100%를 충당한다는 계획으로 진행 중에 있다.

 이러한 국가간 계통 및 대규모 신재생에너지 연계를 위해 HVDC 다단자망(MTDC, 3개 이상의 HVDC 컨버터 연계 기술)과 전압형 HVDC 관련 기술 개발이 활발히 추진되고 있으며 그리드 구성을 위한 직류차단기 개발이 병행되어 진행되고 있다. DC 차단기의 경우 ABB, GE 등의 업체에서 활발히 개발이 진행 중이며 중국의 Zhoushan MTDC(DC 5개소 연계)에 실제 적용되어 운영 중에 있다.

 

 후발주자인 우리나라도 이에 발맞춰 가기 위해 1998년 제주-해남 간 HVDC 상용운전 이후 축적된 기술을 바탕으로 2009년부터 한국전력과 LS산전(변환기술), LS전선(해저케이블), 대한전선(케이블)이 공동으로 국산화 기술개발을 위한 합동연구에 착수하며 HVDC 사업을 본격화하기 시작했다. 제주도 지역의 안정적인 전력공급을 위해 해남-제주 및 진도 - 제주 간 초고압 직류송전 2회선을 운영 중이며, 2022년까지 3곳에 추가로 회선을 건설해 운영할 예정이다.

 

[사진 2. LS산전 직류용 변압기]

출처 : 조선비즈

 

 그리고 사업비 1243억 원을 투자하여 한국전기연구원은 전기·에너지 전문기관 및 기업들과 산업통상자원부 국책사업인 ‘전압형 HVDC 국산화 개발'을 위한 협력을 체결하였다. 전압형은 전류형 HVDC와 달리 다양한 전압 용량별 기술 개발 단계에 그치고 있어 해외시장에서도 경쟁이 가능한 분야이다. 이를 통해 우리나라에서도 '엔지니어링(전력계통 현황 분석) - 설계 - 제작'까지 이어지는 전반적인 기술 라인을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

 또한 한전 전력연구원은 해외업체가 독점하고 있는 HVDC 케이블 국제공인시험을 2020년부터 전력연구원이 직접 수행한다고 알렸다. 이를 위해 연구원은 전력케이블 국제시험기관인 네덜란드 KEMA와 양해각서를 체결했다. 결과적으로 매년 10억 원의 국내 케이블 국외검사 비용이 절감되는 성과를 이뤘다.

 

 한편 전 세계 HVDC 시장은 2020년 730억 달러에서 2030년 1430억 달러 규모로 성장이 예상되는 유망 분야다. 지멘스, ABB, GE 등 수십 년 전 관련 기술을 개발한 유럽 기업이 세계 시장의 95%를 차지하여 사실상 독점하고 있다.

 

[그래프 1. 세계 HVDC 시장 규모]

출처 : 매일경제

 

 그중 아시아 시장은 향후 전 세계 HVDC 시장의 약 49.5%를 차지할 것으로 예상된다. 특히 HVDC 도입에 가장 적극적인 중국의 수요가 약 25%에 이를 것이라는 전망이다. 중국은 경제발전으로 인한 전력수요를 충당하기 위해 산베이(三北, 동북, 화북, 서북 지역) 지역에서 생산한 신재생에너지 전력을 중동부 지역(베이징, 텐진 등)으로 확대 공급하는 정책을 추진하고 있다. 중국에서 추진된 HVDC 프로젝트의 58%가 3GW급 이상의 대용량 정격이며, 2001년부터 2010년 동안에만 23개 이상의 프로젝트가 진행되었다.
 유럽은 현재에도 수백 MW급 대규모 풍력단지 연계 프로젝트가 HVDC로 진행 중에 있으며 EWEA(European Wind Energy Association)의 계획에 따르면 2030년까지 건설될 약 350GW의 해상풍력발전단지 중 약 150GW 규모는 전압형 HVDC로 계통에 연계될 예정이다.
 이외에도 북미, 중동, 아프리카 등지에서도 전류형 프로젝트를 중심으로 전압형 HVDC 프로젝트가 지속적으로 확산되는 추세다.

 

 우리는 세계적인 전력산업의 급변(신재생에너지, 슈퍼그리드 등의 산업 활성화 등으로 인한)으로 HVDC 기술의 국산화가 시급한 상황이다. 신속히 입지를 다지려는 노력에도 불구하고 분야별 전문가와 인프라가 부족하여 기술개발 및 실용화에 많은 어려움을 겪고 있는 것이 사실이다. 그러므로 HVDC 기기 개발, 설치, 운영, 유지보수 등에 관해서도 종합적인 기술 완성도를 높이도록 지속적인 R&D 기획과 투자, 원천기술 확보 등의 노력이 필요할 것이다. 완전한 기술자립이 이루어진다면 우리의 세계적인 IT와 전력운영기술을 기반으로 전 세계 HVDC 시장에 상당한 영향을 줄 수 있으리라 예상한다.

 

참고

1. 한국전력도 주목하는 요즘 대세 직류! / 한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO! / 19.03.15

 

2. 초고압 직류송전 기술 개발 위한 1,243억 대형 프로젝트 펼친다 / Electric Power Journal / 19.03.14

 

3. 전기연구원, 초고압 직류송전 '전압형 HVDC' 기술 국산화에 도전 / 한국경제 / 19.03.21

 

4. [르포]’직류송전의 심장’ LS산전 부산사업장을 가다 / 머니투데이 / 19.09.01

 

5. 전력산업의 새로운 동력 HVDC ① 경제성에 환경성까지...국가간 연계 대규모 송전에 '딱' / 전기신문 / 19.01.11

 

6. ‘직류 VS 교류 백년전쟁’, 승자가 바뀌고 있다 / 전력경제 / 15.08.19

 

7. HVDC 국산화사업 성공 완수로 70조 글로벌 시장 장악 나선다 / 한국전력신문 / 11.11.08

 

8. HVDC케이블 국제인증시험, 국내서 이뤄진다 / 에너지신문 / 19.07.31

 

9. 초고압 송전설비 세계적 현황 및 미래 송전기술 / Journal of the Electric World / 14.08