발전소 늘어나는 데 송전선로는 부족...전력공급 불균형 우려

10년 새 송전선로17% 증가 반면, 

최대 부하는 54%나 증가

비싼 돈 들여 발전소 짓고 전기공급 제약 받아

송전선로 건설 지연, 민원 주요인,

요구사항 수용 실제적으로 곤란한 사항 너무 많아

2012년 주민들의 반대로 공사가 중단됐던 새만금 송전선로 건설사업이 3년여 만인 12일 전북 군산시 

미성동과 옥구읍 현장 5곳에서 재개돼 공사가 진행되고 있다. 하지만 여전히 사업에 부정적인 주민들이 

공사 현장에서 공사를 막고 “송전선로가 대안노선으로 건설돼야 한다”고 요구하고 있다. 출처 세계일보

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    민원 때문에 송전선로 건설지연이 장기화 되면서 발전소는 늘어나는 데 송전선로가 부족해 전력공급의 불균형을 초래할 수 있다는 목소리가 높다. 

국회 박완주 의원이 밝힌 자료에 따르면 최근 10년 사이 송전선 길이는 17% 늘어났는데 최대 부하는 54%나 증가했다. 2004년 송전선의 길이는 17만5692km에서 2014년 20만4423km로 늘어난 것에 반해 최대부하는 지난 2004년 5만1264MW에서 2014년에는 8만154MW를 기록했다. 때문에 비싼 돈을 들여 발전소를 짓고도 전기공급이 제약을 받는 상황에 대한 우려가 높아졌다. 

송전선로 건설이 지연되는 것은 대부분 선로가 지나가는 지역주민들의 민원 때문인데, 이를 해결하기 위해 보상을 강화하고 고객의 요구에 따라 지중화를 늘리고 있지만, 모든 요구를 수용하기에는 역부족인 상황이다. 이런 문제를 해결할 수 있는 대안으로 떠오른 것이 HVDC(초고압직류송전)다. 기술자립까지는 걸림돌이 남아있지만, 장거리 송전에 따른 편익과 지중구간 확대가 가능한 만큼 전력 손실을 줄이고 민원을 해결할 수 있는 대안이 될수있다. 

HVDC 송전망은 발전소에서 생산되는 교류전력을 전력용 반도체 소자를 이용해 직류로 변환시켜서 송전한 뒤 수전점에서 교류로 재변환시켜 전력을 공급하는 기술로, 약 60여년 전인 1954년 스웨덴 본토와 Gotland 섬 사이의 해저송전망에 최초 적용됐다.

HVDC 기술의 장점은

전력계통에서 교류는 변압기를 이용해 쉽게 전압을 바꿔 전기를 일정거리에 보낼 수 있지만 전송 과정에서 손실이 크고, 지하매설 또는 해저송전 시 케이블의 충전 전류로 인해 거리제한이 있다. 또 에너지의 고저차에 따라 전력이 융통되기 때문에 흐름을 인위적으로 제어할 수 없다. 특히 먼거리로 전기를 보낼때 안정도가 저하돼 200km 이상되는 국가간 전력계통 연계 등 장거리 송전이 불가능하며 주파수가 서로 다른 계통은 연계가 안되는 단점이 있다. 

하지만 항상 일정한 전압과 극성을 갖고있는 직류송전은 송전선로 임피던스의 영향을 받지 않아 안정도가 높기 때문에 장거리 대용량 전력수송이 가능하다. 또 동일용량의 전력을 전송할때 철탑 크기가 작아져서 철탑건설을 최소화 할 수있다. 

전력계통의 한 전문가는 “AC 송전망에서 논란이 되고 있는 전자파 문제를 해소할 수 있으며, 전력손실이 적고 지하 또는 해저 매설 시 거리의 제한이 없어 국가간 장거리 송전에 유리하다 "고 말했다. 특히 전력을 인위적으로 제어할 수 있으며 전압·주파수가 다른 두 교류 계통을 연계시킬 수 도 있다. 

단점이 있다면 비용 문제다. HVDC 송전망은 고압, 대용량 전력용 반도체를 이용한 설비이기 때문에 변환설비 뿐 아니라 유지보수에 많은 비용이 발생된다. 

최근에는 미국, 유럽 등 선진국 뿐만 아니라 중국, 브라질 등도 장거리 대용량 송전선로에 HVDC 송전방식을 적용 또는 추진하는 사례가 늘고있다. 현재 전 세계적으로 운영중인 HVDC시스템은 약 140여개에 달하고 약 70개 이상의 프로젝트가 진행 또는 계획 중이다.

유럽은 해상풍력발전단지 등 신재생 에너지 개발계획과 함께 유럽대륙, 아프리카 북부 등을 연결하는 슈퍼그리드 사업에 HVDC를 적용하고 있거나 적용할 예정이다. 중국은 서북부지역 전원을 동부지역 부하중심으로 연결하는 800kV HVDC 선로를 운영하고 있으며 새롭게 1100kV HVDC 프로젝트를 추진 중에 있다.

국내도 제주지역의 안정적인 전력공급을 위해 제주-해남간 #1HVDC(±180kV) 선로를 1998년부터 운전하고 있고, 2014년부터 #2제주-진도간 HVDC(±250kV) 제2선로를 건설해 운전 중에 있다. 또 2018년 준공목표로 북당진-고덕간 HVDC(±500kV 1,500MW)를 건설하고 있다.

세계 HVDC시장 2020년 98조원까지 성장

현재 HVDC 세계시장의 95%를 ABB, 지멘스, 알스톰이 독점하고 있다. 향후 HVDC 시장의 급성장이 예상되면서 중국, 일본기업의 해외진출이 활발해 짐에따라 경쟁은 더욱 심해질 전망이다.

전문가들은 2020년까지 약 98조원의 HVDC 시장이 형성될 것으로 전망한다. 산술적으로 시장의 1%만 점유해도 약 1조원대의 시장을 확보할 수 있게 된다. 

중국, 인도, 브라질 등 국토가 넓은 나라에서는 대용량 장거리 송전이 중점적으로 추진되고 있으며, 특히 미국은 노후 HVDC의 교체 및 업그레이드 수요와 함께 신재생 연계용 대용량·장거리 송전 프로젝트가 눈에 띄게 증가하고 있다., 최근에는 풍력과 태양광 등 신재생에너지 보급확대를 위한 필수 기술인 전압형 HVDC도 많이 적용하고 있다. 

그러나 급변하는 기술 및 세계시장에 대응하기 위한 우리의 기술은 아직 부족하다. 

우리나라에서 HVDC 기술개발이 첫 삽을 뜬 것은 2009년 한전이 국내 기업과 협동으로 추진한 제주 HVDC 실증단지 건설 사업이다. 제주시 한림읍에 ±80kV 60MW급 변환소 2개소(금악, 한림)와 DC송전선로 5.3km(가공 4.8km, 지중 0.5km)를 건설해 장기운전 시험을 완료했으며 추가개발 실증 장소로도 활용할 예정이다. 한전을 포함한 실증단지 참여기업들은 2014년말 그동안 국산화 한 싸이리스터 밸브, HVDC 변환용 변압기 등 핵심기기에 대해선 장기운전을 통해 실증시험을 완료했다.

그러나 실증단지내의 HVDC는 전압이 낮고 소용량으로 실계통에 적용하기에는 무리가 있는 만큼 한전은 2012년 KAPES를 설립해 기술자립을 본격적으로 추진하고 있다. 

KAPES는 알스톰이 보유한 HVDC 엔지니어링 기술과 제작기술을 이전받는 것을 전제로 한전(51%)과 알스톰社(49%)가 공동출자방식으로 설립한 조인트벤처 회사다. 

기술이전은 엔지니어링 기술(TOC, Transfer of Competency)과 제작기술(TLA, Technology Agreement) 두가지로 나눠 진행되고 있다. 엔지니어링 기술이전은 KAPES 엔지니어들이 영국의 알스톰 공장에서 상주하며 이전받고 있으며 제작기술의 이전은 경쟁을 통해 2013년 5월 LS산전을 기자재 기술이전 및 제작 대상기업으로 선정하고 변환용 변압기, 밸브, 제어기 등 주요 자재의 실질적인 제작 기술이전이 가능토록했다. 

계통 전문가는 “엔지니어링과 제작기술 이전을 통해 기존의 HVDC 운영과 유지보수의 신속성∙효율성이 향상될 뿐만 아니라 향후 HVDC 사업분야에서 글로벌 경쟁력을 갖춘 기업으로 성장할 수 있는 기회를 갖게 됐다”며 “지금과 같은 분위기라면 머지 않아 우리나라는 HVDC분야에서 몇몇 선진국을 제외한 후발 국가들 중에 가장 두각을 나타낼 것으로 전망된다"고 말했다.

송전선로 건설 민원 최소화∙동북아 전력계통 주도권 확보 HVDC가 대안

HVDC가 우리나라 전력계통 분야에서 주목을 받게 된 것은 최근 심각한 사회적 갈등요인으로 대두되고 있는 송전탑 건설 문제의 대안으로 떠오르면서다. 

우리나라 전력공급의 특성은 대부분의 전력을 서해, 동해, 남해 등 대규모 발전단지에서 만들어 멀리 떨어진 수요지에 공급하고 있으며 특히 수도권은 전체 전력의 40% 이상을 소비하고 있다는 점이다. 때문에 대용량 전력을 보내기 위해 고전압의 송전선로가 필요하다. 

HVDC 방식은 송전선로 양단에 설치하는 변환소 건설비용이 많이 들어 우리나라와 같이 송전선로가 짧은 경우에는 경제적으로 불리할 수 있으나, 장거리 대용량 전력수송이 가능하며 전자파에 대한 논란이 없어 건강유해 논란을 해소할 수 있고 고압송전의 장거리 지중화가 가능하므로 민원해결의 대안이 될 전망이다.

HVDC는 전력산업의 미래를 위해서도 꼭 필요하다. 중국, 북한, 러시아 등과의 국제 전력망(동북아 슈퍼그리드) 역시 장거리 송전선로를 활용해야 하는데 이를 위해서도 직류송전은 필수적이다. 또한 향후 북한과의 관계가 개선돼 북한에 전력을 공급할 경우 HVDC는 조류제어가 가능해 열악한 설비 때문에 발생할수 있는 송전망 피해를 최소화 할 때에도 최적의 기술로 판단된다. 

AC와 DC는 어떻게 변천했나

전기는 어떻게 태어나고 진화했을까. 인간에게 최초로 제공된 전력공급방식은 오늘 우리가 사용하는 교류가 아니고 직류방식이다. 1879년 미국의 발명가인 에디슨은 직류 백열(白熱)전등을 발명해 우리의 생활방식을 크게 변화시켰다. 

이후 1882년 4월 미국뉴욕의 펄 스트리트(Pearl Street)에 저압직류시스템을 완성해 월스트리트 (Wall Street)를 중심으로 금융 및 신문사에 전력을 공급했으며, 이를토대로 1800년대 초·중반에 걸쳐 많은 도시에 유사시스템이 설치됐다. 그러나 당시 직류방식의 선로재료인 구리가 고가이고 선로손실이 많아서 전력을 발전기로부터 2~300km 까지만 공급할 수 밖에 없는 단점이 있었다. 

동시대에 윌리암 스탠리(William Stanely)는 George Westinghouse의 재정적 지원으로 약 1.2km㎞ 거리의 교류송전시스템을 완성했으며,, 1886년 11월 뉴욕 버팔로에서 최초의 상업운전을 개시한 이후, 1887년 10월에는 30개 이상의 교류시스템이 운영됐다. 이와 함께 니콜라 테슬라는 교류발전 및 송배전시스템에 필요한 기기들을 개발해 현재 시스템의 근간인 교류송전시스템의 기본 토대를 마련했다.

테슬라에 의해 교류송전기술이 실용화됨에 따라 에디슨의 직류시스템과 웨스팅하우스의 교류시스템의 전류전쟁(Battle of current)이 시작됐으나 교류는 전압의 승압 및 강압은 물론 전류의 영점이 존재해 차단이 쉽다는 장점이 많아 1893년 시카고 만국박람회장에서 25만개의 전구를 밝히고 1896년 나아아가라 발전소에서 생산된 전기를 40여㎞km 떨어진 버팔로로 수송하는 경쟁에서도 승리해 오늘까지 대부분의 전기는 교류시스템으로 운영되고 있다. 

전기신문 유희덕 기자 yuhd@electimes.com

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