직류송전은 초고압 케이블, 반도체 및 고도의 통신 기술 외에 많은 부품들이 집약된 기술로서 원거리 송전, 국가 간 전력연계 및 대규모 신재생에너지의 활용에 필수적이다. 교류를 대신해서 전 세계적으로 보급되기 시작하는 직류송전 기술은 전력산업의 새로운 시장을 열고 국가 성장 먹거리로 거듭날 것으로 보인다.

교류 vs 직류의 백년 전쟁

전기가 도입된 이래 우리가 쓰는 건 1초에 60번씩 전기의 (+)와 (-) 극성이 바뀌는 교류다. 100여 년 전 에디슨과 테슬라의 전기 표준에 관한 논쟁에서 에디슨이 패배한 뒤 니콜라의 교류 송전이 한 세기 넘게 세계적인 추세로 굳어져 왔다.

1880년대 후반, 미국에서는 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)와 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison) 사이에 교류(AC ; Alternating Current)와 직류(DC ; Direct Current) 중 어떤 것을 표준 전기 시스템으로 채용할지에 대한 치열한 주도권 싸움, 이른바 전류전쟁(War of Currents)이 벌어졌다. 

에디슨은 120V의 직류 방식으로 전기를 생산해 전압을 높이기가 어려운 반면 테슬라의 교류 방식은 직류 방식에 비해 전압을 높이기가 쉬웠다. 1893년 시카고 만국박람회장을 밝힐 25만 개의 전구를 감당할 기술로 결국 교류 전기가 첫 승리를 거둔 이후, 1896년 나이아가라 발전소에서 생산된 전기를 42km 떨어진 도시 버팔로로 수송하는 경쟁에서도 다시 교류의 승리로 귀결되면서 이후 100여 년간 교류의 전성시대가 활짝 열리게 된다.

그림 1. Thomas Edison(DC)과 그의 제자 Nikola Tesla(AC)

직류의 새로운 부상과 직류송전의 특장점

120여 년 후 교류에 밀려 한동안 주목받지 못했던 직류가 다시 부상하게 된다. 신재생에너지원과 분산전원, 전기에너지 저장장치 등의 DC 전원(電源)의 증가, 그리고 정보화 사회의 급속한 발전에 따라 직류전원을 소비하는 정보통신 관련 DC 부하 증가가 또 다른 하나다. 

교류는 변압기라는 설비를 이용해 손쉽게 전압을 바꾸어 먼 거리로 보낼 수 있지만 전력 전송 손실이 크고 지하 매설에 따른 거리 제한이라는 단점이 있다. 반면 항상 일정한 전압과 극성을 가지는 직류송전은 전력손실이 적고, 지하 또는 해저 매설에 따른 거리의 제한이 없다. 또 사고가 났을 경우 손쉽게 전력망을 분리해 운영할 수 있어 피해를 최소화할 수 있다. 

그러나 직류는 전압을 바꾸기 위한 특수한 반도체로 구성되는 전력변환설비가 필요해 송전설비 비용이 고가라는 단점이 있다. 하지만 최근 눈부시게 발달하고 있는 반도체와 정보통신 및 전력기술은 에디슨이 주장했던 직류송전을 100여 년 만에 기술적으로, 경제적으로 다시 가능케 하고 있다. 

왜 HVDC 기술인가?

HVDC 기술(High Votage Direct Current) 이란?
HVDC 기술은 기존의 고전압 교류전력(HVAC) 전송 방식에서 고전압 직류전력(HVDC) 전송 방식으로 변경(발전소의 발전기에서 만들어진 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 송전)함으로써, 전력 운용의 안전성 및 효율성을 확보해 국가적 대정전 사태 사전 방지와 전력시장의 수급 안정화를 위한 핵심 기술을 말한다. 

HVDC의 특장점
HVDC 송전 방식은 고압 교류송전 방식보다 초기 투자비는 크지만 40km 이상 되는 해저 지중 케이블이 적용되는 경우와 400km 이상 되는 장거리 송전의 경우 경제성이 있다. HVDC 방식은 교류송전에 따른 손실을 줄여 송전효율 향상, 계통분할 효과에 의한 사고 파급 예방 및 단락전류 억제 효과로 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 

특히 HVDC 송전은 전압 및 전류가 일정하므로 이론적으로 전자기파 유도가 발생되지 않아 전자기파 간섭(EMI, electro magnetic interference) 문제가 있는 대도심 용량 증설 용도로도 적합하다.  

우리나라는 전력설비 밀도(설비 밀도=설비 규모/면적)도 세계 최고 수준이다. 발전설비 증가와 전력설비 과밀은 변전설비 차단 용량 부족을 발생시킨다. HVDC는 최근 심각성이 대두되고 있는 송전선 건설 문제의 대안으로도 주목받고 있다. 즉 송전선 건설과 이로 인한 지역주민의 갈등 문제를 해결하기 위한 대안으로는 HVAC가 아닌 전자파로부터 자유로운 HVDC 도입을 통한 고압 송전의 지중화만이 유일한 대안으로 제시되고 있다. 

HVDC 기술을 활용하면 우리나라의 전력 계통을 더욱 안정적으로 운영할 수 있다. HVDC는 계통안정화 및 대용량 장거리 송전 등의 요구로 도입이 검토됐으나, 최근 해상풍력발전 등의 도입에 따라 신재생에너지 연계로 급속히 성장하고 있다.

우리나라 전력계통의 특징은 발전 단지는 대규모로 해안가에 밀집돼 있는 반면 전력의 50% 정도는 수도권에서 사용한다. 3면이 바다인 우리나라에서 대규모 풍력 단지, 태양광발전 단지를 바다 위에 건설하고 해저 송전 선로를 통해 전력을 보내면, 신재생에너지 활용도를 높일 수 있다. 남서해안의 발전단지에 전기를 만들어 수도권에 공급하는 과정에서 북상 조류가 늘어 전력계통을 불안정하게 하지만 HVDC를 이용해 송전 제약을 해결할 경우 경제적 측면에서 큰 이익을 실현할 수 있다. 

또한 중국, 일본, 러시아 등과의 국제 전력망 연계 역시 장거리 송전 선로를 활용해야 하는데 이를 위해서도 직류송전은 필수적이다. 또 북한에 전력을 공급하는 데 있어, 북한 측의 전기사고나 열악한 설비에 의한 전기적 악영향이 우리에게 파급되는 것을 고려할 때도 직류송전은 최적의 송전 기술이다.

그림 2. 직류송전 개념도

직류 기술이 가져다 줄 새로운 변화들

우리가 사용하는 전기는 1초에 60번 극성(極性)이 바뀌는 교류다. 교류는 100여 년 전 에디슨이 발명한 직류보다 변압기로 손쉽게 변환되기 때문에 오랫동안 사용돼 왔다. 그러나 교류는 전력을 안정화시키기가 더 복잡하고, 전력 전송 손실이 크고 지하 매설에 따른 거리 제한의 단점이 있다.

일상생활에서 이용되는 컴퓨터 및 일반 가전에서부터 산업용 인버터와 향후 대량 보급될 전기자동차에 이르기까지 모두 직류를 이용할 때, 더 효율적이고 안정화시키기 쉽다. 요즈음 화두가 되고 있는 태양광, 풍력, 연료전지 등 다양한 신재생에너지원에도 직류가 더 적합하고 효율적이다.

따라서 현재의 전력시스템을 교류 중심에서 직류 중심으로 바꾸고자 하는 노력이 송전, 배전, 그리고 각 건물과 가정 내부 시스템에까지 확대되고 있다. 이러한 노력들은 현재와 미래 사회에 많은 변화와 새로운 발전 모델을 제시할 것으로 예상된다. 그러면 지금까지 사용하던 교류가 직류로 바뀌면 무엇이 달라질까? 

첫째, 전기 이용의 편리성이 증가할 것이다. 전기차, LED 조명, 일상생활의 가전제품들을 불필요한 변환 과정을 거치지 않고 전력망으로부터 직류를 직접 이용해 사용하는 날이 머지않은 미래에 현실화될 것이다. 

둘째, 전기를 전송하는 과정에서 발생하는 손실이 줄어들고 현재의 전력망에서 유발될 수 있는 대규모 순환 정전의 위험성을 줄여줄 것이다. 발전소에서 생산된 전력은 각 가정과 건물, 그리고 공장 단위까지 직류로 전달될 것이며, ‘전기 먹는 하마’로 알려진 인터넷 서비스용 데이터센터(IDC)의 전력 체계는 직류에 맞게 고쳐져 효율이 한층 높아질 것이다.스마트그리드의 확산과 함께 직류를 사용하는 건물 단지와 도서 지역도 생겨날 것이다. 직류를 가정과 건물에 공급하기 위한 전기부품과 전력기기 시장도 새롭게 창출될 것으로 예상된다. 

셋째, 송전탑 갈등과 같은 사회적 문제가 줄어들 것으로 기대된다. 직류는 교류에 비해 고조파와 전자파로 인한 문제가 적기 때문에 유해성 없는 질 좋은 전기 공급을 위한 해답을 제시한다. 직류를 발전소부터 가정과 건물까지 가져오기 위한 방법에서 새로운 기술 시장도 형성될 것으로 보인다.

그림 3. 제주와 해남을 연결하는 HVDC 송전 프로젝트

물론, 교류시스템를 당장 직류로 변화시키는 것만이 만능은 아니다. 이미 구축된 많은 전력 간접시설을 교체하기 위한 비용과 시간이 필요하다. 그러나 여러 가지 특장점을 가진 직류가 대세라는 점은 변함이 없으며, 많은 세계 유수의 연구자와 기업들이 직류 기술 개발에 몰두하고 있다. 

직류 기술의 흐름에서 뒤처지지 않고 성공적인 기술개발의 성공적인 결실을 위해서는 국제 표준화에 적극적인 참여와 정부의 개발 의지 그리고 산학연 연구 협력이 보다 활성화돼야 할 것이다. 현재 정부도 창조경제 산업엔진 프로젝트로 직류송전 기술을 적극 추진하고 있다.

직류송전은 초고압 케이블, 반도체 및 고도의 통신 기술 외에 많은 부품들이 집약된 기술로서 원거리 송전, 국가 간 전력연계 및 대규모 신재생에너지의 활용에 필수적이다. 교류를 대신해서 전 세계적으로 보급되기 시작하는 직류송전 기술은 전력산업의 새로운 시장을 열고 국가 성장 먹을거리로 거듭날 것으로 보인다.

정리 : 김혜숙 기자