직류, 에너지 공급의 미래

산업용 구동장치는 독일에서 가장 많은 전력을 소비하는 장치다. 이 장치에 전력 공급을 직류로 전환하면 엄청난 에너지 절감이 가능해진다. 산업기관, 연구소, 표준화 기구는 이미 에너지 공급의 미래에 몰두하고 있다.

 - 에너지 혁명: 이 말은 태양광 에너지와 수력 에너지 같은 재생에너지로의 전환과 많은 것이 관련돼 있다. 종종 간과되기도 하지만 지속가능한 에너지로의 전환에서 중요한 가능성은 전력 발전에 있는 것이 아니라 소비 절감에 있다. 이것은 주로 산업과 관련이 있다. 독일의 경우, 네트파워의 48%(대략 연간 250 TWh(terawatt hours))는 산업용으로 소비된다. 그 중에서 거의 70%는 전기 구동장치에서 소비된다. 따라서, 이것은 가장 중요한 에너지 절감 수단이 된다. 에너지의 10%(연간 17 TWh)는 에너지 절감 모터로 즉시 줄일 수 있다. 많은 모터가 반드시 그럴 필요는 없지만 고속으로 작동되기 때문에 전자식 속도 조정에는 추가로 잠재력이 있다. 여기서 절감 잠재력은 약 30% 또는 50 TWh에 달한다. 그러나 속도 조정용 주파수 변환기도 또한 AC 전압의 정류로 만들어져야 하는 DC 전압으로 작동하기 때문에 에너지를 낭비한다. 이로 인해 전환 손실이 발생하고 주전력망(mains grid)을 불안정하게 만드는 고조파 때문에 주전력망에 피드백 효과가 나타난다.

구동 장치용 DC 전압 주전력망
대안은 정류기를 통해서가 아니라 DC 전압을 모터에 직접 공급할 수 있다는 것이다. 이러한 용도에는 380 볼트의 DC 전압 주전력망이 이상적일 수 있는데 DC 중간 회로 전압이 일반적으로 350볼트와 400볼트 사이에 있기 때문이다. 또한, DC 또는 AC 전압의 선택식 작동은 쉽게 실현할 수 있다. 이 기술의 장점은 분명하다:
- 중앙 전환 때문에 AC 전압에서 DC 전압으로 전환 손실 감소
- 고주파 감소 때문에 에너지 주전력망의 안정성 증대
- 부품 관련 절감과 공간 필요성 감소
- 태양전지 같은 재생, 분산형 에너지원의 손쉬운 통합
- 제동 에너지 사용과 배터리 저장 같은 에너지 회생
이 모든 장점을 고려할 때, DC 기술은 비용 절감을 약속하기 때문에 이러한 전환은 더욱더 매력적인 제안이 된다.

연구 프로젝트를 통한 진보
이 시나리오는 “DC Industrie” 연구 프로젝트의 주제이며 독일 연방경제에너지부의 제 6차 에너지 연구 프로그램으로 추진되고 있다; 이 프로그램의 총 예산은 대략 천만 유로에 달한다. 또한, 이 프로젝트에는 지멘스(Siemens), 보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth), 다임러(Daimler) 같은 다양한 산업의 제휴 파트너와 프라운호퍼(Fraunhofer) IPA 같은 연구 기관 15곳뿐만 아니라 랍 그룹(Lapp Group) 같은 연합 파트너 11곳에서 참여하고 있다. 이 프로젝트의 목표는 “전기 구동장치의 고효율 시스템 솔루션이 필요한 산업용 지능형, 개방형 DC 주전력망”이다. 주전력망 관리 시스템과 다양한 생산회사와 소비자의 통합을 대상으로 시험을 실시할 예정이며 계획된 에너지 절감 목표가 두 자릿수 퍼센트 범위에서 달성될 수 있을 것인가라는 질문에 대한 해답이 나올 것이다. 랍은 직류에 적합한 케이블을 제공하고 있다. 랍의 귀도 에게(Guido Ege) 제품 관리 및 제품 개발 팀장은 “프로젝트 참여를 통해, 우리는 직류용 케이블과 선로에 대한 요구사항을 보다 확실하게 이해하고 싶다”라고 설명했다.

표준화의 필요성
저전압 직류에 관한 주제는 이제 표준화 기구에서 논의하고 있다. 그 밖에도, 전기기술 협회(Association of Electrical Technologies)는 다양한 실천 권고사항이 수록된 표준화 로드맵을 만들었다:
- 고장 전류와 고장 아크 보호 장치의 제품 표준
- DC 전압 요구사항에 맞춰 통일된 EMD 표준 적용
- AC와 DC 동력 회로의 개별 설치
- DC 케이블의 컬러 코드
- 전압 등급 사양
- 설치 가이드라인

예를 들면, 지금까지도 플러그 커넥터에 관한 표준이 없었다. 표준화 전문가는 이 부문에서 전체 실질적인 요구사항을 처리해야 한다. 사용자는 또한 부하를 받을 때, 즉 장치가 작동될 때 소켓에서 플러그 커넥터를 빼낼 수 있어야 한다. 기존의 AC 플러그 커넥터의 경우 따로 설명할 필요가 없지만 DC 전압을 사용하면 연결을 끊을 때 소켓이 영 전위를 갖는지, 라이트 아크(light arc)가 꺼졌는지를 확인해야 한다. AC 전압을 활용하면, 물리학이 이를 처리하지만 DC 전압을 활용하려면 기술 장치가 필요하다.

DC 전압용 케이블도 표준화 필요
랍 소속 개발자들은 이미 연결 시스템과 관련해서 어떠한 요구사항이 있는지, 이를 어떻게 표준으로 전환할 수 있는지에 대해 오래 전부터 고민을 계속해왔다. 원칙적으로, AC 전압용 케이블은 DC 전압에도 적합하다. 하지만, 케이블 노후화에 관한 기존 지식은 특히 절연체 소재와 관련해서 DC 전압에 완벽하게 이전할 수 없다. 랍 그룹과의 협업으로 실시한 독일 일메나우 공과대학(TU Ilmenau) 프랑크 베르게르 교수(Prof. Frank Berger)의 실험실 시험은 직류를 활용할 때 전기장이 교류의 케이블 절연체 플라스틱에 다양한 물리적-화학적 효과를 끼친다고 지적한다. 이것은 아마도 케이블 절연체를 보다 빠르게 노후화할 것이고 그에 따라 케이블 설계자들은 새로운 해답을 찾아야만 한다. 게다가, 절연체 소재의 효율성도 또한 직류를 받는 다양한 온도에서 다르게 거동한다는 점이 명백해졌다. 한편, 표준화 기구는 또한 지금까지 전압을 가하지 않고서 케이블에 실시하는 내구력 시험도 실행해야 한다. 직류를 활용하면, 이 절차는 실제 노후화 과정을 무시할 가능성도 수 있다. 다른 시험을 통해서 DC 전압의 경우 주변 매체 같은 온도와 동떨어진 다른 요인 또는 곡률반경 같은 기계적 영향력이 역할을 수행하는지에 대한 정보를 얻을 수 있다. 그리고 가능한 가장 현실적인 방법으로 이 요인들을 재현하는 것은 시험 배치가 어떻게 보이느냐에 달려 있다.

최초로 제품을 경험하다
DC 전압용 케이블 응용에 관한 주제는 랍에게 완전히 새로운 주제가 아니다. 이 회사는 이 응용 분야에서 수많은 정교한 솔루션을 제공하고 있다. 한 가지 예를 들면 태양열 발전소의 에너지 배급용 케이블, ÖLFLEX® SOLAR 제품군이 있다. 또 다른 예로, 랍 시스템(Lapp Systems)은 자동 정리되고 중량의 40%를 절감하는 나선형 충전 케이블 Lapp HELIX 같은 전기 자동차와 하이브리드 자동차용 충전 시스템을 개발했다. 이 전기 자동차 솔루션은 랍 그룹에서 가장 빨리 발전하는 분야 중에 하나다. 랍은 또한 가는 케이블을 활용해 방수형 유기 태양광 모듈(직류)을 연결하는 생산 프로세스에서 혁신을 만들어냈다. 이 성과는 밀라노에서 열린 엑스포 2015의 독일 전시관에서 큰 호평을 받았다. ÖLFLEX DC 130H와 더불어, 랍은 최대 600 볼트의 DC 전압용으로 특별히 설계한 새 케이블을 엑스포에서 선보였다. 심선 절연 색상과 노란색 외장은 VDE 표준의 초안에 부합한다.