김효성 공주대 전기전자제어공학부 교수
현대사회가 디지털 사회로 변모하면서 전기에너지의 중요성은 점점 높아지는 추세다. 미국 전력연구원(EPRI)의 전망에 따르면, 전 세계 에너지 소비에 대한 전기에너지의 비중은 2000년 38%, 2020년 50%, 2050년 70%로 급성장 할 것으로 보여 앞으로 전력의 중요성은 더욱 커질 전망이다.
향후 사회 전반적으로 디지털화가 가속화될 것으로 보여 전력에너지를 더 효율적으로 활용할 수 있는 방안이 강구돼야 하며, 그 대표적인 것으로 직류전원(DC)으로의 전환을 들 수 있다. 지금까지 대부분의 전기에너지 공급은 교류방식(AC)으로 주로 이뤄져 왔고, 직류방식은 통신분야의 높은 신뢰성 전원이나 에너지축적 분야 등 제한적으로 사용돼 왔다.
직류전원은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같이 한 지역에서 다른 지역으로의 전력흐름은 전압 차에 의해 쉽게 예측되므로 관리가 용이하다. 하지만 교류전원의 경우 한 지역에서 다른 한 지역으로 전달되는 전력의 흐름이 전압의 크기, 주파수, 위상 및 계통망의 조건 등에 따라 복잡하게 연관되기 때문에 예측이 어렵고 관리비용이 많이 요구된다.
그러나 디지털사회로 이행하고 있는 현 시대에서 대부분의 전자기기의 최종 전력소비는 직류형태이므로 반드시 교류로 전력을 공급할 필요성은 점점 사라지고 있다. EPRI의 예측에 의하면 2000년대에 10%에 불과하던 디지털부하가 2020년대에 이르러서는 50%로 증가할 것이라고 한다.
현재 교류전원에서 전원사고가 발생할 경우, 주요 디지털부하를 보호하기 위한 유일한 대책으로는 전력저장장치의 에너지를 사용해 보조전원인 무정전전원장치(UPS)로 백업하는 것이다. 그러나 배터리를 포함한 대부분의 전력저장장치는 직류형태로 돼 있어 UPS는 평상시 정류기를 사용해 전력저장장치에 직류에너지를 축적하고 있다가 교류전원에 문제가 발생하면 즉각적으로 인버터를 사용해 직류형태의 저장에너지를 교류형태로 바꿔야 한다. 이러한 2단계의 전력변환과정은 통상적으로 약 30%의 에너지 손실이 발생하게 되는 데다 전력변환기 자체의 신뢰성도 문제가 될 수 있다. 또 고가인 UPS를 설치하는 비용도 만만치 않다.
물론 직류전원에서도 전압사고가 발생할 수 있지만 이 경우, 전력을 변환하는 어떤 과정도 거치지 않고 전원과 동일한 직류형태로 저장돼 있는 배터리 등의 전력저장장치만을 사용해 전력을 연속적으로 공급할 수 있어 전원계통의 효율성과 신뢰성도 크게 보장된다. 일본 NTT의 경우 교류급전시스템을 직류화해 인터넷데이터센터(IDC)의 신뢰성이 20배 향상됐으며 전력요금이 20% 감소된 사례가 있다. 뿐만 아니라 공조설비의 초기 투자비도 10% 감소했으며 소요공간도 50%로 줄일 수 있었다고 한다. 이처럼 직류는 교류에 비해 고 신뢰ㆍ저 손실ㆍ소 공간의 전원시스템을 구축할 수 있는 환경을 제공한다.
더욱이 직류배전은 같은 직류 체제인 태양광 및 풍력 등 신 재생 에너지의 보급 효율성을 높여서 지극히 저조한 현재의 신 재생 에너지 비율을 향상 촉진시키는데도 기여할 것이다. 이러한 장점으로 디지털 사회에서는 직류배전 계통이 기존 교류배전 계통을 점진적으로 대체할 것으로 보고 있으며, 2025년경에는 전체 전력의 32% 정도가 직류배전으로 보급될 것으로 전망되고 있다.
현대사회가 디지털 사회로 변모하면서 전기에너지의 중요성은 점점 높아지는 추세다. 미국 전력연구원(EPRI)의 전망에 따르면, 전 세계 에너지 소비에 대한 전기에너지의 비중은 2000년 38%, 2020년 50%, 2050년 70%로 급성장 할 것으로 보여 앞으로 전력의 중요성은 더욱 커질 전망이다.
향후 사회 전반적으로 디지털화가 가속화될 것으로 보여 전력에너지를 더 효율적으로 활용할 수 있는 방안이 강구돼야 하며, 그 대표적인 것으로 직류전원(DC)으로의 전환을 들 수 있다. 지금까지 대부분의 전기에너지 공급은 교류방식(AC)으로 주로 이뤄져 왔고, 직류방식은 통신분야의 높은 신뢰성 전원이나 에너지축적 분야 등 제한적으로 사용돼 왔다.
직류전원은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같이 한 지역에서 다른 지역으로의 전력흐름은 전압 차에 의해 쉽게 예측되므로 관리가 용이하다. 하지만 교류전원의 경우 한 지역에서 다른 한 지역으로 전달되는 전력의 흐름이 전압의 크기, 주파수, 위상 및 계통망의 조건 등에 따라 복잡하게 연관되기 때문에 예측이 어렵고 관리비용이 많이 요구된다.
그러나 디지털사회로 이행하고 있는 현 시대에서 대부분의 전자기기의 최종 전력소비는 직류형태이므로 반드시 교류로 전력을 공급할 필요성은 점점 사라지고 있다. EPRI의 예측에 의하면 2000년대에 10%에 불과하던 디지털부하가 2020년대에 이르러서는 50%로 증가할 것이라고 한다.
현재 교류전원에서 전원사고가 발생할 경우, 주요 디지털부하를 보호하기 위한 유일한 대책으로는 전력저장장치의 에너지를 사용해 보조전원인 무정전전원장치(UPS)로 백업하는 것이다. 그러나 배터리를 포함한 대부분의 전력저장장치는 직류형태로 돼 있어 UPS는 평상시 정류기를 사용해 전력저장장치에 직류에너지를 축적하고 있다가 교류전원에 문제가 발생하면 즉각적으로 인버터를 사용해 직류형태의 저장에너지를 교류형태로 바꿔야 한다. 이러한 2단계의 전력변환과정은 통상적으로 약 30%의 에너지 손실이 발생하게 되는 데다 전력변환기 자체의 신뢰성도 문제가 될 수 있다. 또 고가인 UPS를 설치하는 비용도 만만치 않다.
물론 직류전원에서도 전압사고가 발생할 수 있지만 이 경우, 전력을 변환하는 어떤 과정도 거치지 않고 전원과 동일한 직류형태로 저장돼 있는 배터리 등의 전력저장장치만을 사용해 전력을 연속적으로 공급할 수 있어 전원계통의 효율성과 신뢰성도 크게 보장된다. 일본 NTT의 경우 교류급전시스템을 직류화해 인터넷데이터센터(IDC)의 신뢰성이 20배 향상됐으며 전력요금이 20% 감소된 사례가 있다. 뿐만 아니라 공조설비의 초기 투자비도 10% 감소했으며 소요공간도 50%로 줄일 수 있었다고 한다. 이처럼 직류는 교류에 비해 고 신뢰ㆍ저 손실ㆍ소 공간의 전원시스템을 구축할 수 있는 환경을 제공한다.
더욱이 직류배전은 같은 직류 체제인 태양광 및 풍력 등 신 재생 에너지의 보급 효율성을 높여서 지극히 저조한 현재의 신 재생 에너지 비율을 향상 촉진시키는데도 기여할 것이다. 이러한 장점으로 디지털 사회에서는 직류배전 계통이 기존 교류배전 계통을 점진적으로 대체할 것으로 보고 있으며, 2025년경에는 전체 전력의 32% 정도가 직류배전으로 보급될 것으로 전망되고 있다.
