직류 전쟁

직류 전쟁

대학생신재생에너지기자단 22기 류나연, 24기 박선혜, 이우진

 

[DC로 변화하는 전력계통]

[자료 1. 19세기 전류 전쟁]

                                                              출처 : 한국 전기연구원 블로그

‘전류 전쟁’을 들어본 적 있는가? 1880년대 토머스 에디슨과 니콜라 테슬라가 전원공급 기술의 표준을 직류(DC)로 할 것인가, 교류(AC)로 할 것인가를 두고 벌인 싸움을 ‘전류 전쟁’이라 칭한다. 19세기 당시 반도체 기술 부족으로, 테슬라가 주장한 교류전원이 직류전원보다 효율적으로 송배전, 전력 변환 등에 저렴하게 전기를 공급할 수 있었기 때문에 전류 전쟁의 승리자는 교류전원이 되었다. 결국 현재까지 전력 계통에서 교류가 쓰이고 있다.

하지만 최근 DC 계통이 주목받고 있음을 올해 4월 3일에 개최된 2024 스마트그리드 엑스포에서 확인할 수 있었다.

[자료 2. DC로 구성된 수용가]

출처 : ©24기 이우진

[자료 3. DC로 구성된 가정집]

출처 : ©24기 이우진

매년 엑스포에서 선보여지는 기술은 해당 분야의 최신 동향을 방증한다. 다시 말해, DC 계통은 전력 계통 분야에서 현재 주목하고 있는 이슈이다. 재생에너지 등 직류 형태 발전원의 유입 증가와 ESS, 전기차 등 신기술의 발전으로, 미래 산업에서 DC가 주목받고 있다.  

 

[전류전쟁의 패배에서 다시 돌아온 DC]

[자료 4. DC 공급 방식과 AC 공급 방식의 차이]

출처 : ©22기 류나연

DC 전원 공급 방식과 AC 전원 공급 방식의 차이는 위 사진과 같다. DC로의 회귀 바람이 부는 현재, 반도체 기술의 발전과 함께 장거리 송전에 필요한 기술적 한계를 극복하고 있다.

최근 직류 발전기에 대한 연구가 활발하다. 2021년 2월, 성균관대는 박남규 화학공학·고분자공학부 교수와 김상우 신소재공학부 교수 공동연구팀이 직류 마찰 발전기를 개발했다고 밝혔다. 마찰 전기 나노 발전기는 마찰에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 일반적으로 마찰에 의한 발전은 교류 방식으로 이뤄져, 컨버터나 인버터 등의 전류 변환기를 사용해야 하는 불편함이 존재했다. 따라서 전자기기에 응용할 경우 에너지 장치의 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

연구뿐만 아니라 사업 간의 논의도 이루어지고 있다. 지난 4일, 한전 아트센터에서 ‘직류(DC)배전 발전 포럼’이 개최됐다. 이날 포럼에는 한국전력공사, LS 일렉트릭, HD현대일렉트릭, 효성중공업 등 80여 명의 임원들이 참석했다. 또, △한전의 MVDC/LVDC 추진 현황 △MVDC 개발 동향 및 DC 산업 편익 △LVDC 실증사례 소개 △에너지 전환을 위한 직류배전 솔루션 △국내·외 직류 배전망 기술 표준·정책·제도 고찰 △직류배전의 경제성 분석 및 기대효과 등 총 6개의 주제 발표가 있었다.

 

[발전에서의 DC]

기존 화석연료 발전에서는 AC 발전기를 사용한 것과 달리, 재생에너지는 일정하지 않은 발전량을 이유로 DC 발전기를 사용한다. AC 전력은 주파수와 전압, 위상을 정확히 맞춰야 하는데, 안정적인 발전시스템이 아니면 불가능하다. 하지만 재생에너지는 시간의 흐름에 따라 발전량의 변화량이 커, AC 발전기를 작동시켜 전력을 안정적으로 송배전망에 연결하는 것이 거의 불가능하기 때문에 DC 발전기를 사용한다. 

[자료 5. 직류발전기의 모식도]

출처 : 네이버 지식백과

태양광발전(모듈), 연료전지, ESS는 모듈과 전지에서 생산되는 전기가 DC이다. 반면, 터빈을 사용하는 재생에너지 발전(풍력, 바이오, 태양열 등)은 다른 에너지를 직류 발전기를 사용해 전기 에너지로 변환한다. 코일이 외부 토크에 의해 강제 원운동 하면, 코일 안의 자유전자가 코일을 따라 강제로 운동하면서 전류를 형성하고 로렌츠 힘을 받게 된다. 여기서 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 기전력이 형성되는데, 이것이 전기 발전이다.

결국 재생에너지 발전 비율 확대, 연료전지와 ESS와 같은 신기술 시장 확대 등의 이유로 DC 발전원의 중요성이 더욱더 대두되고 있다.

 

[송배전에서의 DC]

앞서 언급한 바와 같이, DC 발전원은 계속해서 증가하는 추세이고, DC 부하 또한 그렇다. 하지만 이러한 경우에서 DC로 발전된 전력을 AC로 변환해 송전하고 다시 DC로 바꾸게 될 경우 전력 변환 과정에서 큰 손실이 발생한다. 따라서 DC로 발전된 전력을 그대로 DC 형태로 송전하고 DC 부하에 사용하게 된다면, 불필요한 손실이 발생하지 않는다. 이런 이유로 현재 AC 위주로 구성되어 있는 계통에 DC 송배전망 도입을 위한 연구가 적극적으로 진행 중이다.

DC 송배전 기술은 전압 레벨에 따라 HVDC, MVDC, LVDC 크게 3가지로 나눌 수 있다.

[자료 6. 전압 크기별 DC 시스템 분류]

출처 : Korea science

HVDC는 주로 장거리 송전망에서, MVDC는 배전망 수준에서 사용되며 LVDC는 수용가 측에서 주로 사용된다. 이 중 연구가 가장 많이 이루어지고 있는 기술은 HVDC이다. 그렇다면 HVDC는 AC 송전망과 비교해 어떤 것이 다를까?

먼저 AC 송전의 경우, 송전선로에 있는 리액턴스 성분으로 인해 거리가 길어짐에 따라 전달되는 전력에 손실이 크게 발생한다. 하지만 DC의 경우 무효전력이 발생하지 않으므로, 송전 거리에 영향을 받지 않고 일정한 전력의 공급이 가능하다. 

[자료 7. 거리에 따른 DC 송전망 경제성]

출처 : LS ELECTRIC

또한, 일정 거리 이상부터는 교류 대비 직류가 더 많은 양의 송전이 가능하게 되어 직류 송전이 경제적으로 유리하다. 뿐만 아니라, DC 전압의 최대치가 AC 전압 대비 낮다는 것도 큰 이점을 가져온다.

[자료 8. AC와 DC의 실효치 비교]                      

출처 : Electronics Tutorials

위 자료와 같이 AC와 DC를 240V라는 같은 전압으로 송전한다고 가정해 보자. AC의 경우, 240V는 실횻값에 해당하므로 전압의 최댓값은 240V보다 약 1.4배 높게 형성된다. 하지만 DC의 경우, 최댓값이 240V에 가깝게 형성된다. 따라서 AC 송전에 비해 DC로 송전할 때 더 낮은 절연 능력이 요구되어, 훨씬 경제적인 송전 선로 구축이 가능한 것이다. 전압의 최대치는 철탑의 높이에도 영향을 미친다. 철탑의 높이는 송전 되는 전압이 높을수록 높게 형성된다. DC 전압의 최대치가 더 낮기 때문에, 기존보다 낮은 높이의 송전탑 건설이 가능하다. 송전탑 높이가 낮아지면 그만큼 건설비를 절감할 수 있으므로, 송전망 구축을 훨씬 경제적으로 할 수 있다.

또한, AC 송전망의 경우 3상 기준 최소 3개의 선로가 필요하다. 하지만 DC의 경우 1개의 선로로 대체가 가능하기 때문에 훨씬 경제적이다.

송전망 건설 과정에서 지역 주민들과 충돌이 발생하는 이유도 AC와 관련이 있다. 높은 전압의 AC가 흐르게 되면 주변에 자기장이 형성되며 전자파가 발생하는데, 이것이 인체에 유해하다는 주장이 꾸준히 제기되고 있기 때문이다. 반면 DC는 전자파가 거의 발생하지 않으므로 이러한 문제가 생기지 않는다. 물론 송전탑 자체가 기피 시설임은 AC만의 문제는 아니지만, 전자파가 문제시되지 않는 것만으로도 큰 이점을 가진다.

이렇게 HVDC로 송전 된 전력은 MVDC를 통해 배전되어 LVDC로 수용가에 공급된다. 이후 DC 형태로 DC 냉난방, DC 조명 등 DC 부하에 그대로 공급된다. 하지만 HVDC에 비해 MVDC와 LVDC는 아직 연구 및 실증 단계에 놓여 있다. 작년 3월 한전은 나주 에너지신기술연구원에 MVDC 실증시스템을 구축하였고, 판교에 위치한 현대 GRC 건물에 LVDC 시스템을 도입하여 운영 중이다.

[자료 9. 현대 GRC 빌딩의 LVDC 시스템]

출처 : 이투뉴스

앞으로 DC 송배전망은 계속해서 연구될 것이고 점차 성장해 나갈 것이다. 미래 송배전망의 모습은 이런 장점들을 가지고 있는 DC 송배전망과 기존의 AC 송배전망이 적절히 혼용하여 사용되는 하이브리드 형태로 구축될 것으로 보인다.

 

[직류 기반의 디지털 부하 증가]

우리가 생활 속에서 소비하고 있는 디지털 기기, 전기차, 태양광 발전 시스템은 주로 직류 전력을 사용한다. 최근 몇 년간 전기차의 보급 확대와 태양광 발전의 증가로 인해 직류 부하가 급격히 늘어나고 있다. 하지만 기존 전력 인프라는 주로 교류 전력을 이용하고 있기 때문에 교류를 직류로 변환하기 위한 전력 변환기가 사용되어 왔다. 그러나 전력 변환을 하는 과정에서 적지 않은 에너지 손실이 발생하게 된다. 이렇듯 직류시스템의 증가와 에너지 효율성 때문에 직류 전원의 중요성이 점차 증가하고 있다. 

 

[1MW급 직류 전원 시스템을 갖춘 DC 빌딩]

앞서 보았듯이, 직류 배전은 직류 부하에 직접적으로 직류전원을 공급하는 방식이다. 또한 교류 배전 대비 에너지 효율이 높고 계통 연계가 쉬워 차세대 배전 방식으로 주목받고 있다. 이러한 흐름에 맞춰 한전과 HD현대일렉트릭은 위에서 언급했던 LVDC 시스템을 1MW급 빌딩에 도입하여 대용량 직류 배전을 세계 최초로 성공하였다. 현재 GRC 내에 직류 부하는 DC LED, DC 냉난방 시스템, DC EV 충전기, R&D 설비로 이루어져 있다.

[자료 10. 현대 GRC 조감도]

출처: 뉴스웨이

현대 GRC에 설치되어 있는 DC LED는 총 260kW로 이루어져 있으며 8~19층의 전등의 75%가 DC이다. 또한 사무실에 분산 설치되어 운영 중이다. 이는 교류전원 공급 방식 대비 10% 이상 효율이 향상될 것으로 예상된다. DC 냉난방 시스템은 천장에 설치된 온돌을 통해 냉온수를 순환시키는 천장 복사 냉난방 방식을 도입했다.

DC빌딩 내에 구비된 배터리 전기차(BEV)의 DC 고속 충전기는 크게 LCR회로, DC-DC 컨버터, 출력 필터를 거쳐 작동되며 낮은 전압을 높은 전압으로 올려 전원 공급 장치가 고전압을 이용할 수 있게 만든다. 그러나 고전압을 만드는 과정에서 입력 전류와 커패시터의 충전 전류의 불연속적인 지점이 발생하는데, 이러한 단점을 보완하기 위해 DC-DC컨버터는 Buck-Boost converter의 변형된 유형 중의 하나인 Cuk 컨버터 방식을 사용한다. 한편 AC로 충전할 경우 200km를 달리기 위해서는 120분을 충전해야 한다. 하지만 DC 충전 방식을 이용하면 15분 안에 충전이 가능하다. DC 고속 충전기는 짧은 시간에 많은 양을 충전할 수 있기 때문에 장거리 운행에 유용하는 장점이 있다.

[자료 11. DC EV 충전기의 작동 원리]

출처: moreday

 

[미래의 전력 계통, 어떤 모습일까?]

우리나라의 대규모 재생에너지는 지형, 날씨를 고려했을 때 호남 지역이나 동해안에 설치될 수밖에 없다. 그렇지만 위의 지역들은 전력수요가 부족하기 때문에 송전선로가 턱없이 부족하다. 재생에너지를 설치하기에 매우 좋은 조건을 가지고 있지만 수요가 없어 설치할 수 없는 상황이다. 이는 현재와 같은 AC 전력계통으로는 해결할 수 없는 난제이다. 그렇기에 이를 해결하기 위한 방안으로 제10차 장기송변전설비계획에 따라 HVDC를 구축할 예정이다.

반면 산업부는 AC/DC 하이브리드 혼용 배전망을 구축하기 위한 기술개발 사업을 진행 중이다. MVDC 선로와 기존 선로를 병행해 교류와 직류 혼용 배전망을 구축할 예정이다. MVDC 기술을 이용한다면 기존 배전망을 유지하며 선로 용량을 늘릴 수 있으며 재생에너지 연계 계통 용량을 무려 60%만큼 증가시킬 수 있다. 또한 전력 변환의 손실 감소를 통한 운영 효율성 향상, 전력망 신규 건설 시 뒤따라오는 수용성 문제 해결 등을 기대할 수 있다. 가정용 AC/DC 하이브리드 배전 시스템에 대한 연구도 진행 중인데, AC 커플링 기반의 기존방식에서 DC커플링 방식을 적용함으로써 기존 신재생에너지에서 발전되는 에너지의 전력 변환 손실을 줄이려는 것이 목적이다. 이는 직류 기술이 송·변전뿐만 아니라 배전계통에서도 널리 적용될 수 있다는 무궁무진한 가능성을 보여주고 있다.

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[전력계통에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기]

1. “[인터배터리 2024 견학기] 이제는 ESS에 주목하자”, 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.org/4418

[인터배터리 2024 견학기] 이제는 ESS에 주목하자

2. “전력망도 인공지능”, 24기 이우진, https://renewableenergyfollowers.org/4424

전력망도 인공지능

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[참고 문헌]

[DC로 변화하는 전력계통]

1. 박명석, “‘전류전쟁’의 패배에서 다시 돌아온 직류전원”, 기호일보, 2021.10.19, https://www.kihoilbo.co.kr/news/articleView.html?idxno=949986

[전류 전쟁의 패배에서 다시 돌아온  DC]

1. 김민수, “성균관대팀, 차세대 태양광 소재로 마찰 직류 나노발전기 개발”, 동아사이언스,  2021.02.08, https://n.news.naver.com/article/584/0000012714?sid=1052.

2. 정한교, “"직류(DC)는 에너지 대전환 시대의 흐름!" 한전, DC배전 발전포럼 개최”, 인더스트리 뉴스, 2024.04.05, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=52905

[발전에서의 DC]

1. “직류발전기”, 네이버 지식백과, https://m.terms.naver.com/entry.naver?docId=4389747&ref=y&cid=60217&categoryId=60217

2. "태양광발전”, 네이버 지식백과, https://m.terms.naver.com/entry.naver?docId=2457050&cid=46637&categoryId=46637

[송배전에서의 DC]

1. 김선용, “고전압 직류송전”, 쌍용건설, https://www.ssyenc.com/file/kor/tech/html/2015fi/14.%20TI6.pdf

2. 김진후, “‘미래형 전력망’ 중압직류송전 사업화되나”, 대한경제, 2023.06.11, https://m.dnews.co.kr/m_home/view.jsp?idxno=202306092035234110532

3. 한국전기산업연구원, “어느새 다가온 DC전원시대… 송배전선로 이어 가전까지”, 전기신문, 2018.11.06, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=167961

4. LS ELECTRIC, “HVDC : 초고압 직류송전시스템”,  https://www.ls-electric.com/ko/product/category/AAA009003

[1MW급 직류 공급 시스템을 가진 DC빌딩]

1. 선연수, “배터리 전기차용 150kW 고속 DC 충전기 만들기”, TECHORLD, 2020.03.26, 배터리 전기차용 150kW 고속 DC 충전기 만들기 ① < 뉴스레터 < 칼럼 < 오피니언 < 기사본문 - 테크월드뉴스 - 선연수 기자 (epnc.co.kr)

2. 황병우, “[지식재산이야기-159] HD현대일렉, 1MW급 빌딩용 DC배전 설비 세계 최초 상용화”, 파이낸셜신문, 2023.04.07, [지식재산이야기-159] HD현대일렉, 1MW급 빌딩용 DC배전 설비 세계 최초 상용화 - 파이낸셜신문 (efnews.co.kr)

3. MOREDAY, “EV 구조와 원리는 무엇입니까?”, EV 충전기의 구조와 원리는 무엇입니까? - MOREDAY (moredaydc.com)

[미래의 전력계통, 어떤 모습일까?]

1. 권선형, “정부, 2030년까지 교류(AC), 직류(DC) 혼용배전망 구축, 인더스트리 뉴스, 2022.12.12, 정부, 2030년까지 교류(AC)‧직류(DC) 혼용배전망 구축 - 인더스트리뉴스 (industrynews.co.kr)

2. 반충환, 김환구, 임승범, 김지수, 심훈, “DC 커플링 기반 가정용 AC/DC 하이브리드 배전시스템에 대한 연구”

3. 윤지로, “2030년까지 직류,교류 하이브리드 배전망 깐다”, 세계일보, 2022.12.12, 2030년까지 직류·교류 하이브리드 배전망 깐다 | 세계일보 (segye.com)