제공 : 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
신재생 에너지가 아무리 친환경적이고 좋은 것이라 해도 안정적이지 못하다면 우리에게 결코 유익하다고 할 수 없을 것이다.
신재생 에너지원을 통합하면 더 많은 비중의 녹색 에너지로 이산화탄소 배출량을 줄이고, 기업의 자산 활용도를 높이며, 에너지 생산에 있어 탄력성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 하지만 사람들은 일관적이고 경제적이면서 고품질의 전력을 제공하는 여러 에너지원을 필요로 할 것이다.
이러한 에너지원의 예로는 풍력, 태양열, 광전지, 연료 전지, 배터리와 같이 기존에 알려진 신재생 에너지원을 비롯해 산업용 녹색 수소 연료 전지와 같은 신기술 에너지원, 그리고 V2G(Vehicle-to-Grid), 태양광 충전, 주행 중 충전 등과 같은 창의적인 방식의 에너지원을 들 수 있다.
많은 에너지 기술 기업들은 자신들의 솔루션이 신재생 에너지에 대한 최종적인 해결책인 것처럼 광고한다. 하지만 이 모든 에너지원들이 매끄럽게 통합된다면 보다 실용적이고 광범위한 녹색 에너지 생산이 가능해질 것이다. 뿐만 아니라 적은 비용으로 많은 양의 에너지를 생산하여 에너지원을 극대화하려는 시도가 지속적으로 이어짐에 따라, 모든 형태의 에너지원의 생산에 있어서 효율성은 중요한 성능 측정 수단으로 자리잡게 됐다. 이 글에서는 신재생 에너지의 생산 효율을 높여줄 전력 통합의 세 가지 방법인 HVDC(high voltage DC), AC-DC 및 DC-DC 변환에 대해 살펴보고, 이어 송배전 인프라 확대에 대해 알아보고자 한다.
HVDC(고압 직류 송전)
니콜라 테슬라가 주장한 AC 송전 방식은 AC 변압기에서 송전 손실을 없애지는 못해도 최소화할 수 있는 변전(변압) 기술을 확보했기 때문에 에디슨이 주장했던 DC 송전 방식과의 경쟁에서 우위에 설 수 있었다. 이 같은 특성은 AC 송전 방식을 배전 방식에 있어 매우 적합한 시스템으로 만들었다. 하지만 이제는 DC 전원을 비롯한 신재생 에너지원이 주목받게 됨에 따라, AC 송전 방식의 일부 특성은 더 이상 이점을 제공하지 못하게 되었다. 또한, 엔지니어들은 신재생 전원과의 통합을 위해 DC 송전 방식을 합법화하고자 다양한 첨단 반도체 제품을 활용하며 새로운 변환 방식을 개발해냈다.
AC 송전 방식의 경우에는 송배전된 전력에 대한 전압 강압을 가능하게 하지만, 전원 주파수와 일치시키기 위한 소스 동기화가 필요하다. 또한, 점점 더 많은 DC 전력량을 필요로 하는 스마트 디바이스가 급증함에 따라, 결국 사용 시점에는 DC로 변환되어야 하기 때문에 AC 전원은 전반적으로 효율성이 떨어지게 된다. AC-DC 변환은 90% 이상의 효율을 자랑하는 등 비교적 효율성이 높은 편이지만, 변환 단계가 많아질수록 결국 총 손실은 커지기 마련이다.
오늘날에는 보다 많은 DC 전원 장치가 시장에 도입되고 있기 때문에, 전압을 높이면 각 애플리케이션에서 필요로 하는 만큼의 전력을 공급할 수 있게 된다. 또한 HVDC는 향상된 제어와 변환, 송전 손실 측면에서 이점을 제공할 뿐만 아니라 풍력, 태양열 및 기타 신재생 에너지원 등을 통합해 먼 거리에서도 에너지 효율을 향상시킨다.
도시 계획가들은 더 많은 전기차(EV)가 판매되고 있다는 점을 감안하여 전력망에서 전력 부하가 발생하지 않도록 지역 내 고전압 충전에 대한 수요를 고려해야 할 것이다. 또한 고전압 애플리케이션은 더 높은 온도를 방출한다. 이를 해결하고자 엔지니어들은 고속 충전으로 인한 열 손실을 견뎌낼 수 있는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET이나 첨단 IGBT와 같은 기술을 개발했으며, 그 결과 열 손실을 최소화하고 효율성을 높일 수 있게 되었다. 결국 HVDC는 레벨3 DC 급속 충전을 가능하게 하는 기술로 자리잡았으며, 이는 향후 내연기관차의 주유 시간과 근접한 수준으로 충전이 이루어지게 하는데 크게 일조할 것이다.
양방향 AC-DC 및 DC-DC 변환
AC-DC 변환
사물 인터넷(IoT)의 보급 확대로 DC 전원 사용은 늘고 있는 상황이지만, 대부분의 경우에는 송배전에 있어 여전히 HVAC(고압 교류 송전) 방식이 사용된다. 신재생 DC 전원을 기존의 AC 전력망에서 송출되는 전력과 통합하는 일은 수요 충족, 탄력성 확보, 이산화탄소 배출 감소에 있어 매우 중요한 일이다. 따라서 전력망이 신재생 에너지원으로부터 전력을 끌어오거나, 또는 반대로 신재생 에너지원이 전력망으로부터 전력을 공급받을 수 있도록 하는 것은 전력 통합에 있어 중요한 목표라 할 수 있다.
신재생 전력이나 전자 장치들은 DC 방식으로 작동하기 때문에, AC-DC 변환은 신재생 전력을 IoT 환경에 통합하는 데 있어 매우 중요하다. 또한 DC 방식은 더 높은 효율을 자랑하기에, 변환 손실이 효율성 이득보다 크지 않은 이상 AC-DC 변환은 에너지 효율성에 있어 만족스러운 결과를 나타낼 수 있다. 이 같은 전력 통합 기술은 AC와 DC 간 전력을 변환하여 전력수요 피크에 대비하고, 신재생 에너지원에서 생기는 간헐적 단전 문제를 완화할 수 있게 해준다.
DC-DC 변환
DC-DC 변환은 전기차의 다중 전압 소스 간 전력을 통합할 때 매우 중요하다. DC-DC 변환의 적용 사례로는 EV 배터리의 12V/48V 이중 전압 아키텍처를 들 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터는 배터리 간 전력을 변환할 수 있으며, 이로 인해 더 적은 공간을 차지하면서 더 높은 효율성을 제공할 수 있게 된다. 이를 통해 시스템 제조사들은 최적화된 크기에서 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이와 동시에 신뢰성 향상을 통해 비용을 절감할 수 있다.
송배전 인프라 확대
송배전 인프라의 최신화 및 개선 작업이 지체되면 에너지 효율을 크게 저하시키는 요인이 생기기 마련이다. 한 데 모은 재생 에너지가 기존의 전력망에서 생산되는 에너지와 얼마나 효율적으로 통합될 수 있는지는 레거시 장비, 위치, 송전 길이, 배전 경로 모두로부터 영향을 받는다.
앞서 설명한 것처럼 전기차 보급이 확대되어 피크 전력이 늘어남에 따라 기존 인프라에 더 많은 에너지 수요가 몰리게 되면, 이는 과부하나 정전으로 이어질 수 있다. 신재생 에너지원과 송전 방식의 효율성을 극대화하기 위해 인프라를 신설하거나 기존의 인프라를 최신화하는 작업은 엄청난 효과를 낼 수 있다.
하지만 효율성 극대화에 급급한 나머지 현재 가동 중인 인프라의 최신화 작업을 너무 서두르느라 전력망이 차단되었다가 재가동되는 사태가 발생할 경우, 오히려 효율성이 크게 떨어질 수 있으며 탄력성 또한 잃을 수 있다. 이 같은 방법 대신, 인프라 측에서는 전력 피크의 수요를 줄이고, 신재생 에너지원의 간헐적 단전 문제를 완화하며, EV 충전으로 늘어나는 부하를 흡수하도록 다양한 에너지원의 송배전 방식을 최적화해야 한다.
맺음말
가장 큰 전력손실은 발전, 송전, 배전, 실제 사용으로 이어지는 과정에서 발생하며, 이는 에너지 효율성에서 한계를 드러낸다. HVDC, 양방향 AC-DC 및 DC-DC 모두의 양방향 변환, 그리고 송배전 인프라의 개선(확대)은 효율성 향상을 위한 전체 단계 중 첫 세 단계를 담당하며, 디바이스와 최종 제조사들은 네 번째 단계를 담당한다. 이렇듯 다양한 전력원을 효과적으로 통합한다면 효율성을 향상시킬 수 있다.
하지만 에너지 효율을 향상시키기 위해 전력 통합을 추진함으로써 얻을 수 있는 이점은 기후적인 측면 외에도 무궁무진하게 많다. 예를 들어, 25 ~ 30% 효율의 탄소 에너지에 대한 의존도에서 벗어나 최적화된 신재생 에너지 통합 프레임워크로 전환한다면 에너지 비용의 감소, 탄력성 증가, 지역 내 대기질 향상 등의 이점을 누릴 수 있게 될 것이다.
▶ 저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 그는 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 교장이다.
