장거리 전기 전력 공급의 바다의 변화

원문 : https://www.theearthandi.org/post/the-sea-change-in-long-distance-electrical-power-delivery-hvdc

고전압 직류(HVDC) 라인은 재생 에너지를 그리드로 가져오는 데 중요한 것으로 여겨짐

©knyazevfoto

재생 에너지의 성장은 사회가 전력을 소비하는 방식을 바꿀 뿐만 아니라, 저장, 전력망 관리, 분배를 포함한 여러 측면에서 에너지 산업의 기존 사고방식을 파괴하고 있습니다. 

장거리 전력 전송 방법의 획기적인 변화가 한 가지 예입니다. 전통적으로 전력 전송은 교류 또는 HVAC(High Voltage Alternating Current)를 전달하는 고전압 전선을 통해 수행되었습니다. 점점 더 그 역할은  재생 에너지로 생성된 전력을 전송하는 뛰어난 능력 때문에   고전압 직류 또는 HVDC(High Voltage Direct Current)를 전달하는 전선에 의해 대체되고 있습니다.

이러한 전환은 너무나 중요해서 에너지 산업의 많은 사람들이 HVDC 송전망으로의 대규모 전환이 필수적이라고 믿습니다. HVDC의 강점과 약점을 완전히 평가하고 그 사용을 적절히 확대하기 위한 필요한 조치를 취하는 것은 기후 변화에 맞서 싸우는 데 있어 전략적 필수가 될 가능성이 높습니다. 

고전압 직류전송(HVDC)이란? 

인간의 눈에 보이지 않는 전기는 매혹적이고 신비로운 현상입니다. 아주 기본적인 수준에서는 일반적으로 작은 전자, 즉 작은 에너지 공으로 인식되며, 전선을 따라 이동하여 집의 전등을 켜고 가전제품에 전원을 공급하는 전류를 형성합니다.  

하지만 개념은 더 복잡해집니다. 전류에는 매우 다른 두 가지 형태가 있습니다. 전류는 소스(발전소)에서 리셉터(장치 또는 가전제품)로 한 방향으로 흐를 수 있습니다. 전류는 리셉터를 통과하여 흘러나와 다시 소스로 돌아갑니다. 항상 같은 방향으로 연속적인 원형 운동으로 돌아갑니다. 이를 직류 또는 DC라고 합니다. 

다소 반직관적으로, 전기는 왕복 운동, 즉 교류 전류, 즉 AC로 흐를 수도 있습니다. 이 흐름은 소스에서 수신자로 이동하고 다시 루프를 따라 돌아갑니다. 하지만 항상 루프를 한 방향으로만 이동하는 대신, 한 바퀴를 완료하면 방향을 바꾸고 루프에서 반대 방향으로 반복적이고 빠르게 왕복하며 끊임없이 방향을 번갈아가며 이동합니다. 장치나 가전제품은 수신 측의 왕복 운동에 연결하고 전력을 끌어와서 그 전류에서 에너지를 활용합니다. 

이 모든 것이 재생 에너지와 고전압 송전선과 어떤 관련이 있습니까? 

국가의 전기 전송 인프라가 처음 건설되었을 때 , DC 전력 시스템은 더 비싸고 설치하기가 더 복잡했습니다. 결과적으로 AC가 고전압 전송의 주요 표준화된 형태가 되었고, 대부분의 전력 회사는 현재 HVAC 회선을 통해 전송됩니다. 

그러나 재생 에너지의 급속한 확장 용량으로 인해 HVDC의 역할과 가치도 급속히 확장되고 있습니다. 첨단 기술을 갖춘 HVDC는 장거리에 걸쳐 재생 에너지를 전송하는 데 더 뛰어나다는 인식이 높아지고 있으며, 많은 사람들이 탄소 감소 목표를 달성하기 위해 충분한 재생 전력 공급을 온라인으로 가져오는 더 큰 목표를 충족하는 데 없어서는 안 될 도구로 보고 있습니다. 

미국 에너지부(DOE) 에 따르면 , HVDC는 장거리에서 더 효율적이고 저렴하며, 서로 다른 주파수에서 작동하는 비동기 시스템이나 그리드를 연결할 수 있습니다. 그 이유는 AC와 DC 전력의 독특하고 고유한 특성 에서 찾을 수 있습니다 . 

고전압 교류(HVAC)의 단점

교류의 교류 특성은 직류 전력에는 존재하지 않는 현상을 만들어냅니다  . 예를 들어, 교류 전류의 왕복 운동은 무효 전력이라는 유형의 에너지를 생성합니다. 이는 교류 전류의 필수 요소이지만 수신 측의 기기와 장치에서 소비되는 전력의 일부는 아닙니다.  

이 무효 전력은 AC 시스템에서 전력 손실을 초래하고 장거리를 잘 이동하지 못하게 합니다. HVAC 라인의 무효 전력은 또한 라인과 아래의 지면 사이에 자기장을 생성합니다. 이 자기장 또는 커패시턴스는 또한 커패시턴스 라인 손실이라고 하는 전력 손실에 기여합니다.  

또한 AC 전류는 소위 코로나 방전을 생성하는데, 이는 전도성 전선을 둘러싼 공기 중으로 전자를 방출하는 것을 포함합니다(때로는 공중 장거리 HVAC 회선을 따라 윙윙거리는 소리로 들립니다). 이는 또한 전력 손실로 이어집니다. 마지막으로 AC는 소위 "스킨 효과"의 영향을 받는데, 이는 전력이 전도성 전선의 표면이나 그 근처에서만 이동하기 때문입니다. 

©Staplegunther (CC BY-SA 3.0)

결과적으로 HVAC 라인은 전력 손실을 보상하기 위해 더 크고 묶인 라인이 필요합니다. 이러한 더 크고 두꺼운 전선은 비용도 증가시킵니다. 게다가 HVAC 라인은 일반적으로 커패시턴스 라인 손실을 최소화하기 위해 지상에서 높은 곳에 설치되지만, 이로 인해 라인이 강풍으로 인한 정전에 취약해집니다. 

HVDC의 장점 

반면, DC에서는 무효 전력과 표피 효과가 발생하지 않으며 코로나 방전은 훨씬 덜 중요합니다. HVDC 라인은 또한 커패시턴스를 경험하지 않기 때문에 지상에서 높은 곳에 설치할 필요가 없습니다. 

이러한 모든 요소로 인해 HVDC 송전선은 AC 송전선보다 효율적이고, 비용이 저렴하며, 더 먼 거리에 걸쳐 더 많은 에너지를 전송할 수 있습니다. 

DC 전원은 주파수에 따라 작동하지 않으므로 어느 쪽의 주파수도 방해하지 않고 여러 비동기 전력 시스템을 연결할 수 있습니다.  

DOE 는 미국 전력망이 동부 상호 연결, 서부 상호 연결, 텍사스 상호 연결의 세 가지 AC 시스템으로 나뉜다고 지적합니다  . 두 시스템의 주파수를 방해하지 않고 이러한 그리드 지역 간에 전력을 전송하는 것은 직류(DC) 링크에서만 가능합니다. 

HVDC 및 Green Power

HVDC의 모든 장점은 재생 에너지원에서 생성된 전력을 전송하는 데 이상적으로 적합합니다. 유틸리티 규모의 태양광, 풍력, 수력 및 지열과 같은 대부분의 재생 에너지는 인구가 밀집된 지역에서 멀리 떨어진 외딴 지역에서 전력을 생성하므로 전력에 대한 필요성이 가장 큽니다. 이러한 발전 시설에는 목표 소비자 수요를 충족시키기 위해 장거리와 대규모 수역 및 육지에 전력을 공급할 수 있는 충분한 송전 인프라가 필요합니다.

국가의 기존 송전 인프라는 이 과제를 충족하기에 부족합니다. 어떤 경우에는 재생 에너지 발전 시설 근처에 적절한 인프라가 없어서 처음부터 건설해야 합니다. 다른 상황에서는 기존 HVAC 라인이 과제에 부응하지 못해서 교체하거나 업그레이드해야 합니다.

©Wtshymanski (CC BY-SA 3.0)

HVDC 전송 기술은 수년에 걸쳐 개선되었으며 비용이 크게 절감되었습니다. 이제 더 많은 재생 에너지 용량을 그리드에 공급하여 소비자 수요를 충족하고 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 되는 우수한 기술로 널리 인정받고 있습니다.

HVDC는 용량선 손실이 발생하지 않기 때문에 송전선을 지하, 심지어 수중에 설치할 수 있어 설치 비용을 획기적으로 줄이고 재생 에너지 발전소를 실현 가능하고 비용 효율적으로 만들 수 있습니다.

전 세계 HVDC 설비

개발자들은 이러한 이점을 인식하고 있으며, 전 세계적으로 프로젝트가 진행 중입니다. 일부는 완료되어 운영 중입니다. 그러한 프로젝트 중 하나는 국제 협력이었습니다. NordLink  는 노르웨이 전력 회사 Statnett, 노르웨이 및 독일 전력 회사 TenneT, 독일 투자 은행 KfW가 공동으로 개발했습니다.

NordLink 송전선은 노르웨이 톤스타드의 수력 발전 시설에서 독일 윌스터/노르토르프의 풍력 발전 시설까지 623km(약 387마일)가 넘게 이어진다. 약 516km(320마일) 길이의 송전선 대부분은 북해 아래를 지나간다.

2021년에 가동된 이 프로젝트는 두 나라 사이에 독특하고 중요한 연결 고리를 만듭니다. 약 360만 가구에 전력을 공급하기에 충분한 1,400MW(메가와트)의 재생 에너지를 전송할 수 있는 용량이 있습니다.

아마도 더 중요한 것은 양방향으로 전력을 전송할 수 있다는 것입니다. 송전선은 양극과 음극 케이블로 만들어진 이중 케이블로 구성되어 있습니다. 이러한 설정으로 NordLink는 공급과 수요에 따라 노르웨이 수력 발전소에서 독일로 또는 독일 풍력 발전소에서 노르웨이로 전력을 전송할 수 있습니다. 이를 통해 노르웨이 수력 발전소는 바람이 불지 않을 때 방전할 수 있는 풍력 발전소의 전력을 저장하는 일종의 배터리 역할을 할 수 있습니다. 또한 두 나라 모두 재생 가능 에너지원에 대한 접근성을 크게 높일 수 있습니다.

©NordLink

또 다른 프로젝트인 Champlain Hudson Power Express®(CHPE)는 뉴욕시의 100만 가구 이상에 1,250MW의 깨끗한 전력을 공급할 것입니다. 캐나다의 기존 수력 발전 시설에서 생성된 재생 에너지는 경로를 따라 설치될 약 340마일의 HVDC 송전 케이블을 통해 이동하게 됩니다.

®(CHPE)는 뉴욕시의 100만 가구 이상에 1,250MW의 청정 전력을 공급할 예정입니다.

완공되면 노선은 수로, 도로, 철도 통행권을 따라 가장 직접적인 경로를 확보하고 가시성을 최소화합니다. 또한 지하와 수중, 챔플레인 호수를 통과하고 허드슨 강을 따라 아래로 운행됩니다.

이 60억 달러 규모의 프로젝트는 뉴욕이 청정 에너지 목표를 달성하는 데 도움이 될 것입니다. 이 도시는 인근 인디언 포인트 원자력 발전소가 2021년에 폐쇄된 이후로 재생 에너지에 대한 접근성을 높이기 위해 노력해 왔습니다 .

CHPE 프로젝트 소유자인 Transmission Developers는 이 프로젝트가 많은 이점을 가져올 것이라고 말합니다. 환경적으로 이 프로젝트는 뉴욕시가 더 깨끗한 재생 에너지에 접근하는 데 도움이 될 것입니다. 그렇게 함으로써 탄소 배출을 줄이고 화석 연료를 대체할 것입니다. 경제적으로 이 프로젝트는 소비자의 전기 비용을 낮추고 해당 지역의 일자리, 경제 활동 및 세수를 늘리는 데 도움이 될 것입니다.

이 프로젝트에는 비판이 없는 것은 아니다. 반대자들은 이 노선이 지역 어류 개체군과 아메리카 원주민 사회에 해를 끼칠 수 있다고 주장한다.

HVDC의 미래

훨씬 더 많은 HVDC 송전 프로젝트가 완료되었거나 진행 중이며, 향후 전 세계적으로 확장이 예상됩니다. 그러나 HVDC에는 단점이 있습니다. 이 중 가장 중요한 것은 AC 전력을 DC로 변환하여 전송하기 전에  AC 전력을 DC 전력으로 전송하기 전에 변환하는 값 비싼 변환소에 투자해야 하므로 자본 비용이 많이 듭니다 .

이러한 이유로 HVDC는 수중 회선의 경우 60km(또는 37마일) 이상, 가공 회선의 경우 200km(또는 124마일) 이상과 같이 특정 손익분기점을 초과하는 거리에서만 비용 효율적입니다. 이러한 지점에서 HVDC의 이점이 비용보다 더 큽니다.

DOE가 언급한 바와 같이 AC , AC 시스템에서 전환하려면 "HVDC 시스템의 기술적 차이점을 적절히 계획하기 위해 그리드 계획 표준 및 모델링 기술에 대한 조정"이 필요합니다.

그럼에도 불구하고 HVDC의 이점과 세계가 보다 친환경적인 발전으로 전환하는 데 도움이 되는 잠재적인 역할은 간과할 수 없습니다. 개발자들은 이를 인식하고 이 기술을 수용한 것으로 보입니다. 시장 조사 기관 DNV는  향후 10년 동안 전 세계적으로 최소 46개의 새로운 HVDC 프로젝트가 설치될 것으로 예상하며, 이는 94.3GW의 HVDC 송전 용량과 최소 18,000km(약 11,200마일)의 HVDC 케이블에 해당합니다.

미국 재생 에너지 위원회(ACRE)는  미국이 증가한 수요를 충족할 만큼 충분한 HVDC 회선을 배치하는 데 "뒤처져 있다"고 주장합니다. 오해, 표준 부족, 공급망 과제, 규제 장벽이 결합되어 진전을 방해한다고 주장합니다. 그리드 계획 기관, 송전 소유자, 장비 제조업체, 산업 그룹, DOE 및 기타 기관 간의 협력을 권장하여 이러한 과제를 해결하고 장벽을 제거하여 산업이 적절하게 확장될 수 있도록 합니다.

*Rick Laezman is a freelance writer in Los Angeles, California, US. He has a passion for energy efficiency and innovation. He has covered renewable power and other related subjects for over ten years.