‘고정관념을 깨라’

전기에너지 산업 패러다임 바꾸는 기술

HVDC·ESS·에너지 하베스팅… 경제성, 효율성으로 시장성 담보

‘HVDC·ESS·Energy Harvesting’

초고압직류전송기술, 에너지저장장치, 에너지 하베스팅. 전력에너지 시장의 혁신을 불러오고 있는 신기술이다. HVDC는 전통적인 송전기술의 변화를 야기하는 것으로 고효율의 전력을 안정적으로 송전할 수 있다. ESS는 일정한 전력을 저장해 전력 비상상황에 안정적으로 대응할 수 있고, 태양광, 풍력 등 발전에너지를 저장할 수 있다. 에너지 하베스팅은 주위환경의 모든 움직임을 통해 얻어내는 에너지 획득방식이다. 전기에너지 산업의 패러다임을 새롭게 바꾸고 있는 첨단기술의 현황을 알아본다.

이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

Special Report l HVDC / 시장현황

‘송전기술의 꽃’ 초고압직류 송전 기술이 뜬다

초고압 직류(HVDC. High Voltage Direct Current) 송전기술이 전력산업의 블루오션으로 떠오르고 있다.

전 세계적으로 에너지 자원을 연계, 공유하려는 움직임이 활발해지면서 장거리 고압전력 전송 프로젝트도 크게 늘고 있는 추세다. 국내에서도 남북한 및 동북아 전력계통 연계의 필요성이 대두됨에 따라 HVDC 기술의 국산화 및 상용화가 절실해지고 있는 시점이다.

HVDC는 급속한 기술 발전으로 HVDC 시장이 확대되고 있으며 2020년 70조원 규모의 시장이 형성될 것이란 게 전문가들의 중론이다. 현재 전 세계적으로 60여 개의 국가에서 HVDC 시스템이 운영되고 있으며 수십 여개의 프로젝트가 추진 중이다.

세계시장은 ABB, 지멘스, 아레바 등 해외 3사가 HVDC 시장의 95% 이상을 점유하고 있으며 이들은 이미 수십년 전부터 관련 기술 상용화에 주력해왔기 때문에 국내기업들의 시장 진입이 만만찮은 상황이다.

외산이 시장 90% 점유… HVDC 기술 국산화 절실

우리나라 역시 수도권 부하 집중에 따른 북상선로의 송전제약 해소, 신재생에너지 연계, 해저송전, 고장전류 저감, 계통안정도 향상 등을 위해 대용량 직류송전의 필요성이 커지고 있다. 특히 향후 남북 및 동북아 전력계통 연계로 나아갈 것을 대비하려면 기술력 확보는 필수다. 우리나라는 1998년 제주와 해남을 잇는 30만kW급 HVDC 제1선로를 설치해 운영하고 있다. 또 연말 준공을 목표로 제주~진도 20만kW급 HVDC 제2선로를 건설 중이다. 하지만 아직까지 국내 자체 기술로 HVDC 시스템을 설계하고 건설한 경험은 없는 실정이다.

한국전력은 국내 기반기술 확보를 위해 HVDC 전담부서를 꾸려 기술 국산화에 힘쓰고 있다. LS산전, LS전선, 대한전선 등과 손잡고 제주 HVDC 실증단지 건설을 추진 중이다. 향후 2014년 제주~육지 제3선로 구축 사업을, 2018년에는 서해안권 대단위 풍력연계 등을 추진할 계획이다. 동북아와 한일 간 연계도 구상 중이다.

신재생전원의 보급 확대 및 국가 간 계통 연계 등의 필요성에 따라 고신뢰 원거리 전력전송 수요가 증대되고 있다.

국가적으로도 대정전사태 사전방지를 위한 전력시장의 수급안정화를 위한 노력의 일환으로서 HVDC 송전기술의 도입을 추진하고 있다.

이에 전 세계적으로 HVDC 전력전송기술의 개발 및 보급이 급속히 확산되고 있다.

HVDC는 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환해 송전한 뒤 수전점에서 다시 교류로 변환해 수요자에게 공급하는 방식이다. 현재 사용되고 있는 교류송전방식을 두고 변환절차가 번거로울 뿐 아니라 고가의 변환설비가 들어가는 직류송전방식에 주목하는 이유는 뭘까. 지금까지는 전압을 바꾸는 즉 변압이 용이한 교류가 직류보다 더 많이 사용됐다. 발전소에서 생산된 전력을 다른 곳으로 보내려면 손실을 줄이기 위해 전압을 높여야 한다. 이를 일반 가정이나 수요가에 공급하려면 전압을 낮춰야 하는데 직류는 전압이 낮고 변압이 어렵다는 단점이 있다.

HVDC 기술이 개발되면서 상황은 달라졌다. 고압의 직류를 만들 수 있어 송전효율이 좋으며 전압이 낮아 절연체 수량과 철탑 높이를 줄일 수 있다. 송전거리에 제약이 없을 뿐 아니라 건설비도 저렴하다. 이에 따라 섬이나 국가 간 송전 등 장거리 송전에 사용된다.

전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통을 연결해 계통 안정도를 높일 수 있으며 계통에 이상이 생길 경우 신속하게 대응할 수 있다. 남한과 북한은 전압과 주파수가 모두 다르고 품질에서도 차이가 나지만 HVDC를 이용하면 북한에 안정적으로 전기를 공급할 수 있게 된다.

한국전력 주도로 국내 처음으로 초고압직류송전(HVCD) 전문회사를 설립한다. 업계에 따르면 한전은 국내기업에 기술을 이전하는 조건으로 글로벌기업과 HVDC 합작사 설립을 추진한다.

한전은 지난해부터 ABB·지멘스·알스톰 등과 기술이전에 무게를 두고 합작사 설립을 협의해 왔다. 최근 알스톰·도시바 등 복수의 기업과 진척 사항을 놓고 논의 중인 것으로 확인됐다.

이미 세계 시장에서 안정적인 점유율을 확보한 알스톰과 합작하면 시장 진입에 유리하다. 하지만 한전은 기술이전 범위나 지분 참여 등의 합의점을 도출하기 쉽지 않을 때를 대비해 도시바 등 일본 기업과 중국 기업과의 합작 가능성도 염두에 뒀다.

한전은 합작사에서 확보한 HVDC 기술을 국내기업 1~2곳에 전수해 국산화할 계획이다. 선정된 국내기업은 제품 개발 및 국내 시장 독점 권한을 포함해 한전과 함께 해외사업에도 참여한다. LS산전·효성·현대중공업 등이 기술이전 대상업체로 점쳐졌다.

정부는 지난해 중국 기술을 응용, 제주도 금악변환소에 80kV급의 HVDC를 설치해 실증사업을 벌인다. 해외에선 지난해부터 250kV·500kV급 HVDC 상용화 단계에 접어들었다. 우리나라보다 기술과 시장 모두 몇 걸음 앞선 셈이다.

국산화 본격화, 한전, 효성 LS전선 등 개발 박차

그러나 HVDC는 엄청난 시장성에도 불구하고, 독일의 지멘스나 스웨덴의 ABB사가 전 세계 시장의 대부분을 장악하고 있다. 우리나라에도 제주와 해남 사이에 30만 kW급 HVDC를 설치해 운영 중이나 아레바(AREVA, 옛 알스톰)가 핵심기술을 공급했다.

이에 국내에서도 기술력과 시장확보를 위해 박차를 가하고 있다. 지난 해 11월, KEPCO가 LS산전, 대한전선, LS전선 등 3개사와 공동으로 HVDC 국산화 기술개발 협동 연구를 위한 양해각서(MOU)를 체결하고 HVDC 핵심기술 개발과 사업화에 공동으로 노력하기로 했다.

더불어 최근에는 LS산전이 부산에 11,156m2 부지에 HVDC 공장을 건설하고 HVDC 기술 상용화에 4년 간 약 1,060억원을 투자했다. ‘송전기술의 꽃’이라고 불리는 HVDC에 대한 시장이 본격화한 것이다.

한국전력공사은 LS산전, 대한전선, LS전선 3개사와 공동으로 고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current)시스템 기술개발을 위해 80kV HVDC 실증단지 기공식을 개최한 바 있다.

실증단지에는 80kV 60MW급 변환소 2개소가 2012년 12월 완공을 목표로 건설되며, 철탑 1기와 5.3km(가공 4.8km, 지중 0.5km)의 송전선로가 들어서게 된다.

‘9.15 정전’ 타산지석 삼아 ‘블랙아웃’ 막아야  

 정전 재발방지 종합대책 발표… 전력거래서·한전 동시 전력수요예측 체계 구축  

‘블랙아웃(Black Out)을 막아라’. 나라 전체가 정전되는 사태를 말한다. 

지난 9월 15일. 늦더위로 전력 수요가 급증하면서 전국 곳곳에서 정전사태가 발생했다. 원인은 한국전력의 빗나간 전력수요 예측과 정비에 들어간 발전소의 휴무로 인해 충분한 전력량을 확보하지 못했기 때문. 한마디로 인재인 셈이다.  

정전이 발생한 곳은 서울 마포구, 영등포구, 강남구, 서초구를 비롯해 경기, 인천, 충북 등 전국적이다. 가히 블랙아웃에 가까운 일이 벌어진 것이다. 

한전과 전력거래소는 이날 오후 3시 전력예비력이 안정유지수준인 400만kW 이하로 하락하자, 95만kW의 자율절전과 89만kW의 직접부하제어를 시행했으며 이후에도 수요증가로 전력예비력이 400만kW를 넘지 않자 지역별 순환정전을 시행했다. 

자율절전은 한전과 수용가가 미리 계약을 하고 수용가가 자율적으로 전력소비를 줄이는 것이며, 직접부하제어는 한전이 미리 계약을 한 수용가의 전력공급을 줄이는 것. 지역별 순환정전은 2가지 조치로 예비력 400만kW가 유지되지 않을 경우 사전 작성된 매뉴얼에 의해 지역별로 전력공급을 차단하는 조치이다. 

이런 한전의 조치가 예고없이 이뤄지면서 곳곳에서 정전피해가 잇따랐다. 사무실 밀집 지역에서는 일부가 엘리베이터 등에 갇히기도 했다. 서울 도로 곳곳에서는 신호등 불이 들어오지 않아 사고 위험이 있어 운전자들이 큰 불편을 겪기도 했다.  

정부 관계부처, 후소조치 마련 나서 

9.15 정전사태가 인재로 인한 것임이 밝혀지면서 정부와 한전 등 관계기관은 직무유기라는 여론의 뭇매를 맞았다. 이에 정부는 긴급 회동을 갖고 후속조치 즉각적으로 마련하며서 진화에 나섰다.  

정부는 그동안 전력거래소가 단독으로 진행하던 전력수요예측 체계가 한국전력 동시 예측 체계로 바꾸고 명절 연휴 특별 예측 프로그램이 가동하기로 했다. 즉 위급상황 시 ‘선조치 후보고’가 가능한 경우를 별도로 정하고 비상시 긴급단전 1순위도 종전 일반주택에서 비상발전기를 소유한 단독 선로 소비자로 개편했다.  

국무총리실은 9월 26일 이 같은 내용을 골자로 한 정전사태 재발방지 대책방안을 발표했다. 합동점검반은 정전사태의 원인을 수요예측과 공급능력 판단 실패, 기관 간 상황정보 미공유, 대국민 홍보지연으로 보고 정확한 수요예측·협조체제 및 매뉴얼 개편·예고 시스템 개선·에너지 절약 유도 등의 대책을 마련한 것이다.  

정전사태의 주 원인인 수요예측은 전면 보완할 예정이다. 전력거래소와 한국전력의 동시 예측을 통해 수요예측 오차를 축소하고 명절 연휴를 위한 특별 프로그램을 별도 개발할 예정이다. 특정기간에 병목현상을 보이는 발전기 예방정비시기도 탄력적으로 적용해 공급력을 확충할 방안이다. 위기대응 매뉴얼은 기존 4단계(관심·주의·경계·심각)의 일반매뉴얼과 긴급매뉴얼로 구분하고 위급상황 시 ‘선조치 후보고’가 가능한 경우를 별도 규정할 방침이다. 지경부·한국전력·전력거래소 간 상세정보를 공유하는 핫라인이 개설되며, 단전조치 등이 필요한 위기상황의 경우 전력유관 기관 내에서 기관장 이하 전 직급이 동시에 보고받을 수 있는 동시 통보 체계를 구축하기로 했다.  

또 언론사를 통한 수급비상상황 사전안내, 휴대폰 문자 서비스 등을 이용한 재난 시 대국민 사전 예고도 시행할 계획이다.  

원칙 없는 순환정전으로 국민들의 혼란을 가중시켰던 긴급단전 순위도 전면 개편키로 했다. 가장 먼저 정전을 실시하는 긴급단전 1순위가 종전 일반주택에서 비상발전기를 소유한 단독 선로 소비자로 바뀌는 게 큰 변화다. 이는 이번 정전이 일반주택과 소규모상가를 중심으로 진행돼 절전효과는 낮고 피해는 컸다는 판단에서다. 이와 함께 승강기·소형병원·교통신호등에 비상전력 확보방안을 강구한다. 구체적인 지역별·단위별 단전순위는 지식경제부·소방방재청·한국전력이 태스크포스(TF)를 구성해 결정할 예정이다. 

한편, 총리실은 이번 정전사태를 계기로 에너지 소비절약 활동을 강화할 방침이다. 주요경제단체·업종단체별로 사회적 협약을 통한 에너지 절약을 유도하고 일반가정에서 실천할 수 있는 행동요령도 마련할 계획이다. 근본적인 수요관리 강화를 위해 단계적으로 원가에 입각한 전기요금체계 개편 실시도 검토하고 있다.

예비전략 200만kw 이하면 국민에게 문자 서비스 

구체적인 대응방안으로 한국전력은 앞으로 예비전력이 200만kw 이하로 떨어져 순환정전(전력 차단)의 위기 상황이 발생할 경우 국민들에게 이를 미리 알리는 휴대폰 재난 문자메시지를 발송키로 했다.  

또 지식경제부와 한국전력거래소 등과 정보공유 체계를 전면 개편, 기관 간 핫라인(Hot-Line)을 설치하고 실시간으로 전력수급 정보 공유가 가능토록 모니터링 시스템을 개구축하기로 했다.  

한전은 우선 예비전력이 200만kW 이하로 떨어질 경우 △ 수급경보 ‘경계’ 발령 △ 순환 정전 시행 확정 △ 순환 정전이 시행 등 3단계로 구분해 재난 문자를 발송키로 했다. 아울러 TV자막 방송과 스마트폰 애플리케이션 등 다양한 방법을 활용, 전력 수급 상황을 국민들에게 알릴 예정이다. 순환 정전을 시행하기 전 이를 예고하고 대상 고객에게 정전에 관한 정보를 제공하는 홍보 시스템도 구축하기로 했다. 한전은 올해 동계 전력수급 대책으로 전기 수요 증가 시 고객이 자율적으로 전기사용을 줄이는 주간예고 제도를 확대 시행할 계획이다. 이와 함께 수급상황 단계별로 시행하는 부하관리 프로그램의 참여 대상도 늘릴 예정이다.

김중겸 한전 사장은 “정전사태 재발 방지 대책을 전력수요가 많은 동절기 이전에 마무리할 계획”이라며 “유관기관이 참여하는 합동 모의 훈련을 통해 미비점을 보완하고 실행력을 강화해 앞으로 안정적인 전력 공급에 만전을 기할 것이다”고 말했다.