전기가 도입된 이래 현재까지 인류는 일반적으로 1초에 60번씩 전기의 (+)와 (-) 극성이 바뀌는 교류 전기를 쓰고 있다.

1880년대 후반, 미국에서는 테슬라와 에디슨 사이에 교류(AC; Alternating Current)와 직류(DC; Direct Current) 중 어떤 것을 표준 전기 시스템으로 채용할 지에 대한 치열한 주도권 싸움, 이른바 전류전쟁(War of Currents)이 벌어졌다.

당시만 해도 에디슨이 주장한 방식은 120V의 직류로 전기를 생산해 전압을 높이기가 어려운 반면 테슬라의 교류 방식은 상대적으로 전압을 높이기가 쉬웠다.

1893년 시카고 만국박람회장을 밝힐 25만개의 전구를 감당할 기술로 최종적으로 교류전기가 첫 승리를 거둔 이후, 1896년 나이아가라 발전소에서 생산된 전기를 42km 떨어진 도시 버펄로로 수송하는 경쟁에서도 교류의 승리로 끝나면서 마침내 ‘교류 전성시대’가 열리게 됐다.

전류전쟁에서 에디슨이 패배한 뒤 니콜라의 교류 송전은 한 세기 넘도록 세상을 지배했다.

하지만 그로부터 130여 년 후, 교류에 밀려 한동안 주목받지 못했던 직류가 다시 부상한다. 신재생에너지원과 분산전원, 에너지저장장치 등 DC 전원(電源)이 급속하게 증가한 데다 정보화 사회가 빠른 속도로 확대되면서 직류전원을 소비하는 정보통신 부하가 크게 늘어났기 때문이다.

교류는 변압기라는 설비를 이용해 손쉽게 전압을 바꿔 먼 거리로 보낼 수 있지만 전력 전송 손실이 크고 지하 매설(지중화)로 인해 거리가 제한된다는 단점이 있다.

반면 항상 일정한 전압과 극성을 가지는 직류 송전은 전력손실이 적고, 지하 또는 해저 매설에 따른 거리 제한이 없다.

또 사고가 났을 경우 손쉽게 전력망을 분리해 운영할 수 있어 피해를 최소화할 수 있다. 그러나 직류는 전압을 바꾸기 위한 특수한 반도체로 구성되는 전력 변환 설비가 필요해 송전설비 비용이 고가라는 단점이 있다.

단점에도 불구하고 직류송전의 핵심인 반도체 기술은 물론 정보통신 및 전력 기술이 눈부시게 발달을 거듭하면서 에디슨이 주장했던 직류 송전이 현실화되고 있다.

▲HVDC, 왜 각광받나

HVDC(High Voltage Direct Current; 초고압직류송전)는 발전소에서 생산되는 고압의 교류전력을 전력 변환기를 이용해 고압의 직류전력으로 변환시켜 송전한 후 원하는 수전(受電) 지역에서 다시 전력 변환기를 이용해 교류전력으로 재변환시켜 전력을 공급하는 방식이다.

기존 고전압 교류전력(HVAC) 전송방식에서 고전압 직류전력(HVDC) 전송방식으로 변경함으로써, 전력운용의 안전성과 효율성을 확보해 국가적 대정전 사태 사전 방지와 전력시장의 수급 안정화를 위한 핵심기술을 말한다.

직류전압은 교류전압의 최대값에 비해 크기가 약 70%에 불과해 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치돼 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다.

동일한 전력을 보내는 경우 교류방식에 비해 직류방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 좋아진다.

이에 따라 전선의 사용량을 줄일 수 있고, 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적으로 송전할 수 있다. 특히 직류가 교류에 비해 2배 이상의 전류를 흘릴 수 있게 된다.

전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이를 연결해 계통의 안정도를 향상시킬 수 있고 교류계통 고장 시 인접 연결 계통으로 사고가 확산되는 것을 막을 수 있다. 대규모 정전사태를 어느 정도 최소화할 수 있다는 의미다.

더구나 송전거리에 대한 제약이 없고, 450km가 넘는 육지 전력전송이나 40km가 넘는 해저를 통한 전력전송에 있어 교류송전에 비해 직류송전 방식이 건설비가 저렴하다.

중국, 인도 등지는 발전소와 전기 사용자 사이의 거리가 1000km 이상 되기 때문에 HVDC 보급이 급속하게 확장되고 있는 상황이다. 이외에도 교류송전 방식에 비해 송전선로의 전자파 발생이 줄어 통신선 및 각종 기기에 발생하는 오작동 및 잡음을 줄일 수 있다.

▲직류가 여는 미래, 어떻게 바뀔까

교류는 100여 년 전 에디슨이 발명한 직류보다 변압기로 손쉽게 변환되기 때문에 오랫동안 사용돼 왔다. 하지만 전력을 안정화시키기가 더 복잡하고, 전력 전송 손실이 큰 데다 지하 매설에 따른 거리 제한이라는 뚜렷한 단점이 있다.

일상생활에서 이용되는 컴퓨터나 일반 가전부터 산업용 인버터와 향후 대량 보급될 전기자동차에 이르기까지 직류를 이용할 때, 더 효율적이고 안정화시키기 쉽다. 태양광, 풍력, 연료전지 등 다양한 신재생에너지원에도 직류가 더 적합하고 효율적이다.

직류 중심의 전력시스템이 일반화되면 많은 변화와 새로운 발전 모델이 생겨날 것으로 예측되고 있다.

우선 전기 이용의 편리성이 증가된다. 전기차, LED 조명, 일상생활의 가전제품들을 불필요한 변환과정을 거치지 않고 전력망으로부터 직류를 직접 이용해 사용하는 날이 머지않은 미래에 현실화될 것이다.

또 전기를 전송하는 과정에서 발생하는 손실이 줄어들고 현재의 전력망에서 유발될 수 있는 대규모 순환정전의 위험성이 줄어든다. 발전소에서 생산된 전력은 각 가정과 건물, 그리고 공장 단위까지 직류로 전달된다. ‘전기 먹는 하마’로 알려진 인터넷 서비스용 데이터센터(IDC)의 전력체계도 효율이 한층 높아질 수 있다.

스마트그리드의 확산과 함께 직류를 사용하는 건물단지와 도서지역도 생겨날 것이다. 직류를 가정과 건물에 공급하기 위한 전기부품과 전력기기 시장도 새롭게 창출될 것으로 예상된다.

이와 함께 송전탑 갈등과 같은 사회적 문제도 줄어들 것으로 기대된다. 직류는 교류에 비해 고조파와 전자파로 인한 문제가 적기 때문에 유해성 없는, 질 좋은 전기 공급을 위한 해답을 제시한다. 직류를 발전소부터 가정과 건물까지 가져오기 위한 방법에서 새로운 기술 시장도 형성될 것으로 보인다.

통일 시대도 미리 준비할 수 있다. 우리나라의 경우 남한에서 북한에 전기를 공급하는 경우에는 남한의 전기 품질을 유지시키면서 북한에 전기를 공급할 수 있는 최상의 방안은 HVDC를 사용하는 것이라는 게 전문가들의 지적이다.

▲HVDC 시장, 2030년 152조원대 규모 전망

현재 세계 HVDC(High Voltage Direct Current ; 초고압직류송전) 시장은 지멘스(Siemens)와 ABB, 제너럴일렉트릭(General Electric, 舊 알스톰) 등 3대 글로벌 기업이 대부분 장악하고 있다. 이들 회사는 이미 40~50년 전부터 HVDC 기술을 상용해 세계 각국에 시스템을 구축해왔다.

우리나라는 HVDC 기술 및 사업화 역량 확보를 위해 GE 기술을 도입해 지난 1997년 진도~제주 간 300MW급 제1 HVDC 구축에 이어 2014년 양방향 전력송전이 가능한 400MW급 제2 HVDC를 구축했다.

특히 올해 발주 예정인 3000억원 규모의 제주~완도 간 HVDC사업과 227억원 규모의 북당진~고덕 지중선로 2단계 사업을 비롯해 동해안~수도권을 잇는 HVDC사업 등 국내 HVDC와 FACTs 사업은 활기를 띠고 있다.

업계에 따르면, 세계 HVDC 관련 시장은 2020년 730억 달러(약 77조원), 2030년 1430억 달러(약 152조원) 규모로 성장할 것으로 예상되는 등 급격히 확대될 것으로 전망되고 있다.