직류 혁명은 진행 중인가

배전사업의 역사는 착오에서 비롯됐다. 천재 발명가 토머스 에디슨은 직류에 베팅했지만 패배했다. 하지만 오늘날, 직류는 전기의 발전, 배전, 소비 방식이 근본적으로 바뀌었기 때문에 새로운 후원자를 찾고 있다. 직류는 연결 기술을 비롯해 모든 산업 분야에 막강한 변화의 바람을 불러일으킬 것이다.

토머스 에디슨은 역사상 최고의 발명가 중 한 사람으로 인정받는다. 축음기와 전구를 발명한 그는 자신의 이름으로 1,093개의 특허를 갖고 있었다. 에디슨은 1882년 뉴욕 월스트리스트에 에너지를 공급했던 최초의 발전소를 시작했다. 이 발전소는 직류를 사용했으며 에디슨의 직원이었던 니콜라 테슬라는 발전기 개발에 성공했다. 그러나, 크로아티아 출신의 이 과학자에게는 또 다른 아이디어가 있었다. 직류 대신에, 테슬라는 교류를 중점적으로 연구했다. 에디슨과 말다툼 끝에, 테슬라는 에디슨의 라이벌 조지 웨스팅하우스와 함께 그의 연구를 계속했다. 교류는 분명히 여러 가지 장점이 있었다. 전압은 더 먼 거리까지 전달할 수 있는 변압기를 사용해 쉽게 조절할 수 있었다. 사용하는 케이블도 또한 더 얇고 따라서 비용도 저렴했다. 이러한 장점들을 인정하고 교류를 지지하는 대신에, 에디슨은 고집을 꺾지 않고 두 경쟁자를 깎아내리려고 애썼다. 에디슨은 당시 발명한 전기의자가 라이벌들의 기술로 작동된다는 사실을 근거로 그의 주장을 펼쳤다. 그의 메시지는 단순했다: 교류는 치명적이라는 것. 비록 그의 캠페인은 성공했지만, 에디슨의 승리는 그리 오래가지 못했다. 1893년 시카고 만국박람회는 교류로 작동됐고 20세기의 정복을 예견했다. 훗날 토머스 에디슨은 아들 앞에서 자신의 패배를 인정했다: “교류를 지지하지 않은 것은 내 인생의 가장 큰 실수라고 생각한단다.”

낡은 기술의 소생
에디슨 사망 이후 86년이 지난 지금, 이 위대한 발명가가 한때 믿었던 직류를 지지했던 것이 잘못된 것이 아니라는 것이다. 에디슨의 사고방식은 화려하게 부활했고 수많은 최신 개발품 덕분에 직류는 더 많은 인기를 끌고 있다:

- 발전: 과거에, 전기는 대규모 석탄이나 원자력 발전소에 있는 발전기뿐만 아니라 수력 터빈의 교류로 만들어졌다. 이 전기는 AC그리드를 통해 에너지를 배급한다. 변압기는 수백 볼트로 전압을 높이는 게 가능하고 케이블의 전류를 유지하면서 손실(loss)을 줄여준다. 한편, 대다수 공급회사는 이제 직류를 사용하는 그리드를 강하게 추진하고 있다. 여기에는 가령 점점 더 배터리나 전기화학 저장 장치의 도움을 받는 태양광발전 시스템도 포함된다. 직류를 교류로 불가피하게 변환하려면 손실이 따르기 마련이지만 이 공급회사들에게 직류 그리드가 더 좋은 선택이 되고 있다.

별 모양 배전부터 분산 배전까지
- 에너지 배급: 전기 그리드는 주변 지역에 별 모양으로 에너지를 배급하는 대규모 발전소가 오랫동안 지배해왔다. 그러나, 재생에너지의 등장으로 그리드는 점점 더 분산형이 되고 점점 더 지역적으로 돼 가면서 전기는 대개 발전된 장소에서 소비되고 있다. 교류의 장점은 여기서 쓸모없게 됐다. 한편, 심지어 더 넓은 지역에서라도, 교류는 이상적이지 않다. 전송 손실이 상당히 증가했기 때문이다. 이것이 바로 중국이 고전압 직류 전송(HVDC 전송으로도 알려짐)에 기반을 둔 복잡한 그리드를 구축하고 있는 이유인데 이 그리드는 국가 내륙의 수력 발전소에서 나오는 막대한 양의 전기를 연안의 대도시에 전송한다. 독일도 마찬가지로, 정부는 남부 연안의 과도한 풍력 에너지를 전송할 수 있는 두 전기 링크를 계획하고 있다. HVDC 전송 선로는 정식 시스템으로 구축하는데 두 배 정도 비용이 비싸다. 하지만 전기 손실이 적기 때문에, 이 투자는 약 400킬로미터 또는 해상풍력단지의 경우 최소한 60킬로미터의 거리에서 비용 이상의 가치가 있다. 고성능 전자 기술 덕분에 변압기 없이 직류를 800,000볼트 정도로 변환할 수 있는 에너지전환의 발전이 가능해졌다.

- 에너지 소비: 가정과 공장의 전기는 플러그 소켓이나 삼상 전류 연결을 통해 저압망으로 배급된다. 점점 더 늘어나는 전기 제품은 직류가 필요하다. 컴퓨터, LED 램프, 기타 전자장치는 직류로 작동되는데 과거에는 변환용 정류기가 필요했다. 앞으로 다가올 미래에는 전자 장치로 전기 자동차가 추가될 것이다. 산업용 기계류는 속도를 조절할 수 있는 DC 링크가 장착된 주파수 변환기를 점점 더 많이 사용하고 있다. 중앙 전압 전환이 가능한 직류 그리드 때문에 이 모든 변압기가 무용지물이 됐다. 전체 생산시설이 오로지 직류만 공급받는 자동차 사업의 경우에는 이미 시험사업이 진행 중이다. 또한 단기 에너지 저장용 배터리도 나와 있다.

늘어나는 손실
이 변화와 관련해서 가장 설득력이 있는 주장은 효율이다. 석탄 발전소와 원자력 발전소가 교류로 그리드를 공급하고 전구나 진공청소기가 직접 이 교류를 소비할 때, 소비자의 효율은 약 65%에 달한다. 다른 말로 바꾸면, 전기 에너지의 1/3이 가령 열 손실을 통해서 손실된다는 의미다. 오늘날 이 상황은 눈에 띄게 심해졌다. 배터리 사용 증가와 더불어, 태양광발전 시스템과 발전소 때문에, 더 많은 전기가 먼저 직류를 교류로 전환(이로 인해 손실이 발생된다)해야 하는 그리드에 공급되고 있다. 소비자들도 똑같은 일을 겪고 있다. 어댑터가 뜨거워지는 것은 에너지가 낭비되고 있다는 증거다. 이것은 에너지 그리드의 효율이 대략 56%에 불과하다는 것을 의미한다. 이것은 또한 근본적인 재고가 필요하다는 것을 의미한다.

대안은 가정과 공장에서 직류를 사용하는 저압 그리드와 더불어, 멀리 떨어진 지역에 전기를 전달할 수 있는 고전압 직류 전송(HVDC) 같은 직류 기술을 사용하는 것이다. 이것은 어댑터나 정류기 없이도 전자장치나 산업용 전동장치에 직접 연결할 수 있다. 지붕에 설치된 태양광발전 시스템과 차고에 있는 전기 자동차를 활용하면 효율은 능가할 자가 없을 것이다. 직류에 맞춰 체계적으로 구성된 전기 그리드는 전체 90%의 효율을 달성할 수 있다. 효율이 불과 10%만 높아져도 독일에 있는 대규모 화력 발전소 두 곳이 가동을 중단해도 된다는 것을 의미한다. 이렇게 되면 6,300만 톤의CO2 또는 독일 전체 발전소 배출의 12%를 줄일 수 있다. 질소산화물의 경우, 이 수치는 29% 이상으로 올라간다.

해결해야 할 많은 문제
고전압 직류 전송이 이제는 인정받은 기술이기는 하지만, 저전압과 관련된 문제처럼 기술적경제적 문제가 많이 남아 있다. 직류 그리드가 교류를 대폭적으로 대신할 것인가? 이 두 가지 기술은 서로 나란히 계속해서 존재할 것인가? 공존은 어떻게 비칠 수 있을까? 어떤 기술적경제적 장애물을 극복해야 하는가? 안전 대책은 반드시 필요하고 효율적인가? 그리드뿐만 아니라 소비자와 컴포넌트에게 직류로의 전환 때문에 어떤 변화가 필요할 것인가? 이러한 전환에 있어서 장점은 패러다임의 전환이 다가오고 있다는 점이 의심의 여지가 없다는 측면에서 매우 중요하다. 연결 기술 분야에서 전문 기술을 보유한 랍그룹은 초기부터 주도권을 잡고 있다. 랍그룹은 독일 연방경제에너지부에서 운영하는 제 6차 에너지 연구 프로그램의 일환인 “DC-INDUSTRIE” 프로젝트의 연합 파트너다. DC-INDUSTRIE 연구 프로젝트는 특히 생산시설에서 기계류를 가동할 때 에너지 절감 대안으로서 중앙 전환 프로세스를 활용한 DC 네트워크를 구축하는 방법뿐만 아니라 재생에너지를 수월하게 통합할 수 있는 방법을 다루고 있다. 랍 홀딩 AG社의 게오르그 스타오위(Georg Stawowy) 이사 겸 CTO는 “우리 랍 직원들은 직류의 무한한 장점을 연구하면서 광범위한 전문 기술을 바탕으로 파트너십을 지속할 것”이라고 말했다.