현대 사회에서 전력의 전송은 매우 중추적인 역할을 합니다. 하지만, 많은 양의 전력을 빠르게 전송하는 과정은 쉽지 않으며 손실도 많이 발생되곤 합니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 전력전송 증가 기술을 소개합니다.
개요
미국 전역에서 전력망 운영자들이 재생 에너지, 전기차, 그리고 열펌프에 대한 투자 증가에 맞추기 위해 새로운 송전선을 계획하는 가운데, 많은 운영자들이 더 쉬운 해결책을 간과하고 있습니다. 그 해결책은 기존 송전선에 새로운 전선을 추가로 설치하는 방법입니다. 사실, 이번 주 국립과학원회보(PNAS)에 발표된 전력망 모델링 연구에 따르면, 이러한 ‘재전선화’만으로도 2035년까지 미국이 필요로 하는 추가 송전 용량의 대부분을 제공할 수 있습니다.
캘리포니아 대학교 버클리의 에너지 및 자원 박사 과정 학생인 에밀리아 초이키에비츠는 재전선화에 집중할 경우, 상당한 송전 요구를 충족시킬 수 있다고 말했습니다.
기후 변화로 인한 극한 날씨가 전력망에 큰 부담을 주면서, 전력망 운영자들은 시스템 개편을 서두르고 있습니다. 일부 운영자들은 수십 개의 새로운 송전선을 계획 중이며, 주 및 연방 규제 기관들은 송전선 건설 기간을 평균 10년에서 5년으로 단축하려 하고 있습니다. 그러나 초이키에비츠는 이것만으로는 충분하지 않다고 지적하며, 오늘 당장 계획을 시작해도 2030년 초반을 바라보게 되는데, 그만한 시간이 있을지 확신할 수 없다고 덧붙였습니다.
이 시간적 압박이 이번 PNAS 연구를 촉발시켰습니다. 미국에는 100킬로볼트 이상의 송전선이 80만 킬로미터 이상 있는데, 대부분은 강철 코어에 알루미늄 전선이 감겨 있는 구조를 사용하고 있습니다. 초이키에비츠와 그녀의 동료들은 버클리 에너지 및 자원 그룹과 골드만 공공정책대학원에서 알루미늄을 더 많이 감싸고 강도가 높은 복합재 코어를 사용하는 첨단 전선의 사용을 연구했습니다. 이 알루미늄 복합재 전선(ACCC)은 더 높은 전도성을 가지며 고온에서도 작동할 수 있어, 동일한 지름의 전선 대비 약 두 배의 용량을 제공할 수 있습니다.
첨단 전선: 비용 대비 효과
현재 전 세계적으로 145,000km 이상의 ACCC 전선이 운영 중이며, 특히 인도에서 가장 빠르게 도입되고 있습니다. 하지만 많은 미국 전력 회사와 송전 계획자들은 ACCC를 고가의 기술로 인식하고 있으며, 일부 특수한 용도에만 사용 가능한 것으로 보고 있습니다. 버클리 팀의 초이키에비츠는 미국 운영자들과의 대화에서 그들이 ACCC에 대해 잘 모르고 있었다고 언급하며, 이는 매우 안타까운 일이라고 말했습니다. 이는 전력망 확장이 산업, 건물, 차량의 전기화에서 중요한 역할을 해야 하는 상황에서 더욱 그렇습니다.
PNAS 보고서에 따르면, 미국 운영자들이 간과하고 있는 것은 첨단 전선이 제공하는 순 비용 절감 효과입니다. 전선 자체의 비용은 강철 코어 전선보다 2배에서 4배 더 비쌀 수 있습니다. 하지만 재전선화 프로젝트는 새로운 송전선을 건설하는 비용의 절반 이하로 용량을 확장할 수 있으며, 토지 취득 및 허가 비용을 없앨 수 있습니다. 또한 이 작업은 미국에서 새로운 송전 경로를 건설하는 데 통상적으로 10년이 걸리는 것과 달리, 보통 1~2년 안에 완료할 수 있습니다.
버클리 팀은 이러한 사실과 인플레이션 감축법의 인센티브와 같은 주요 성장 동력을 오픈 소스 전력망 모델에 반영했습니다. 이 모델은 ACCC로 재전선화를 언제 할지, 새로운 송전선과 발전을 언제 추가할지 동시에 최적화했습니다. 초이키에비츠는 팀이 재전선화의 보수적인 비용 추정치를 사용했으며, 모든 프로젝트가 신규 변전소를 필요로 한다고 가정했음에도 불구하고, 모든 시나리오에서 재전선화가 새로운 송전선을 능가했다고 말했습니다.
모델이 새로운 송전선을 최대한 건설할 수 있도록 한 시나리오에서는, 2035년까지 추가된 송전 용량의 66%가 재전선화로 충당되었습니다. 연구진이 새로운 건설을 현재 미국에서의 속도로 제한한 시나리오에서는, 재전선화가 거의 80%에 달하는 용량 확장을 담당했습니다. 두 시나리오 모두에서 전력망은 2035년까지 최소 90%의 저탄소 에너지를 전달했으며, 주로 더 저렴한 풍력 및 태양광 에너지를 사용할 수 있는 지역으로의 접근을 확장함으로써 소비자들에게 최대 850억 달러의 절감을 제공했습니다.
재전선화 모델이 규제에 미치는 영향
4월, 버클리 대학교와 버클리에 위치한 자문 회사인 Gridlab은 연구 결과의 덜 기술적인 버전을 백서로 발표했습니다. 이 백서는 연방 에너지 규제 위원회(FERC)에서 최종화 중인 송전 계획 규칙과 캘리포니아 및 다른 여러 주에서 진행 중인 법안을 알리기 위한 목적으로 작성되었습니다.
5월에 최종 확정된 FERC의 명령 1920호는 송전 운영자들이 장기적인 지역 계획에서 재전선화를 고려하도록 의무화하고, 재전선화 프로젝트를 연방 환경영향평가에서 제외하도록 규정했습니다. 또한, 이번 달 초 캘리포니아 주지사에게 제출된 법안들은 해당 주에서 재전선화에 대한 승인 절차를 간소화하는 내용을 포함하고 있습니다.
하지만 이 백서는 몇 가지 오해와 잘못된 기사 제목을 불러일으켰습니다. 재전선화가 “말도 안 되게 쉬운” 일이라거나, 다른 모든 송전 강화 기술을 압도한다는 식의 내용이 있었습니다.
이는 사실이 아닙니다. 검토된 보고서에 따르면, 부하가 많이 걸린 전선을 제거하는 일은 매우 어렵습니다. 해당 전선 없이는 전력망이 제대로 작동하기 힘들기 때문입니다. 그러나 해결책은 있습니다. 여러 회로가 동일한 통로를 공유하는 경우, 전력 회사는 수요가 적은 계절에, 특히 이미 유지 보수가 계획된 시점에, 한 번에 하나의 회로만 교체할 수 있습니다. 벨기에의 유틸리티 회사인 Elia는 이 방식으로 모든 주요 송전선을 ACCC 전선으로 교체하고 있습니다.
PNAS 논문의 저자들은 10여 년 전에 텍사스에서 실행된 더욱 대담한 접근 방식을 언급했습니다. 텍사스에서는 한 회로의 전선을 교체하면서도 그 회로를 계속 가동한 사례가 있습니다. 2011년 2월, 심각한 폭설로 인해 텍사스 남동부 지역의 송전선이 최대 용량에 도달해 정전 사태가 발생했을 때, 운영자는 용량을 빠르게 증대시키기 위해 ACCC 전선을 설치하는 동안 전선을 임시 기둥으로 옮겨 가동을 유지했습니다.
첨단 전선 vs. 다른 전력망 강화 기술
버클리 팀의 보고서는 기존 통로를 통해 더 많은 전력을 전송하기 위한 다른 대안적 전략들과 재전선화의 비교에 대해서는 언급하지 않았습니다. 이러한 다른 전력망 강화 기술(GETs)에는 전압 증강, 고전압 직류(HVDC) 송전을 위한 변환기 추가, 또는 온도와 바람이 전선 과열 위험을 줄여줄 때 더 많은 전력을 송전할 수 있도록 하는 센서 설치 등이 포함됩니다.
초이키에비츠는 팀의 모델링이 이러한 대안들을 배제한 이유가 단순히 재전선화의 “전국적 가능성”을 제시하는 것이 목표였기 때문이라고 설명했습니다. 현실에서는 전력 송전 용량을 확장하기 위해 이용 가능한 모든 전략이 필요하며, 이는 화석 에너지 의존도를 넘어서기 위한 필수적인 단계라는 점에서, 이번 달 MIT의 에너지 및 환경 정책 연구 센터가 발표한 첨단 송전 기술 로드맵에서도 동일한 견해를 확인할 수 있습니다.
여러 전략이 재전선화를 보완할 수 있습니다. 초이키에비츠는 재전선화보다 더욱 빠르게 도입할 수 있는 전력망 강화 기술인 동적 전선 평가(DLR)를 사용하여 송전 용량을 일시적으로 증대시키는 방법을 예로 들었습니다. 그녀는 미국 내 모든 혼잡한 송전선에 오늘 당장 DLR을 도입해야 한다고 강조했습니다.
지금 필요한 것은, 전력 회사와 송전 계획자들이 이러한 기술들이 자사 시스템에 어떻게 가치를 더할 수 있는지를 명확하게 연구하는 것이라고 초이키에비츠는 말했습니다. FERC 규칙은 시작점에 불과하며, 그녀는 규제 당국이 이러한 기술의 사용을 “강제”할 수 있는 “더 강력한” 조치를 취하길 바란다고 덧붙였습니다. 또한, IEEE와 같은 표준화 기구도 배전 변압기 에너지 보존 기준과 유사한 전국적인 전선 효율 표준을 고려할 수 있다고 보았습니다.
궁극적으로, 새로운 기술을 사용해본 적 없는 전력 회사들이 이 위험을 감수해야 할 것입니다. 초이키에비츠는 이제 그들에게 바통을 넘겨야 할 때라고 말했습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 재전선화와 같은 첨단 전선 기술이 미국 전력망 확장에 미치는 영향과 그 중요성에 대해 살펴보았습니다. 특히, 재전선화는 송전 용량을 비교적 저렴하게 증대시키는 효율적인 방법으로, 새로운 송전선 건설보다 빠르고 경제적이라는 장점을 지니고 있습니다. 또한, 재전선화 외에도 DLR과 같은 다른 전력망 강화 기술들이 이를 보완할 수 있음을 알 수 있었습니다. 이제는 전력 회사와 송전 계획자들이 이러한 기술들을 적극적으로 도입하고, 규제 당국 또한 더 강력한 지원을 통해 이를 촉진해야 할 때입니다. 앞으로의 전력망 개선이 에너지 전환과 탄소 배출 감소에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.