산업 현장에서 AC 전류가 DC 전류로 변환되고 있다

에디슨은 직류 전류를 전파하였다. 하지만 웨스팅하우스와 테슬라는 교류 전류를 상징하고 있다. 이들의 전기 전쟁에서 교류 전압이 우세했기 때문이다. 하지만 요즘 들어 직류 전압을 다시 옹호하고 있다.

페터 쾨니히스 로이터(Peter Königsreuther)

핵심 내용

  • AC 네트워크를 DC 네트워크로 전환하면 많은 장점이 있으며 원리 상으로 이점도 크다.
  • 관련 업계에서 직류 전류에 적합한 케이블, 스위치, 장치 등을 개발하고 있다.
  • 현재 독일의 연구 환경은 기술적 구현의 마지막 장애물을 제거하고 있다.

일반 가정과 산업 분야의 많은 가전과 장비들이 교류에서 전환된 직류 전류를 사용한다. 하지만 교류를 직류로 변환하는 과정에서 많은 에너지를 수반한다. 따라서 이러한 손실을 처음부터 줄여야 하고, 이를 통해 전체 에너지의 30 %는 절약할 수 있다. 이러한 직류의 에너지 절약은 수많은 장점 가운데 하나일 뿐이다. 교류는 기껏해야 300km 정도를 전송할 수 있지만 직류는 손실 없이 수백 km 이상을 전송할 수 있다. 따라서 해상 풍력 에너지를 내륙으로 가져오는 것도 큰 이점이 있다. 미래의 공장도 직류를 바로 공급함으로써 큰 이점을 누릴 수 있다. 태양광 에너지 시스템을 보유한 회사는 에너지를 직류 장치 및 시스템에 바로 사용하고 저장할 수 있게 되었다.

재생 에너지원으로 공급하는 전기는 날씨에 의해 큰 변동을 겪을 수 있다. 이른바 ‘플러터 전류’는 직류 네트워크에서 훨씬 안전하게 보상될 수 있다. 어떤 경우든 네트워크 사업자는 모든 것을 안정적으로 유지하기 위해 20년 전보다 자주 개입해야 한다는 사실이다. 문제는 방향 전환을 쉽게 실현할 수 있는지 아니면 포괄적으로 달성하기 위해 무엇을 해야 하는지이다. 앞으로 회사에서 직류를 사용하려면 사용하는 대부분의 드라이브가 인버터로 속도 제어된다는 점을 고려해야 한다. 하지만 인버터들은 직류에서도 작동한다. 인버터를 사용하려면 먼저 50Hz의 주파수로 ‘맥동’하는 현재 230V AC(독일) 주 전압을 먼저 정류해야 한다. 하지만 인버터에 직접 전압이 공급된다면 그렇지 않을 때에 발생할 수 있는 변환 손실을 방지할 수 있다. 이후 제동 에너지를 네트워크로 다시 공급할 수도 있다. 또한 정류기 스테이지는 AC 네트워크에 고조파 부하를 유발하므로 값비싼 필터 측정이 필요하다. 이는 직류 네트워크를 사용하면 절약할 수 있다.

킬로 볼트 범위의 고전압 직류 전송을 위한 HVDC 지하 케이블 단면, 전기장을 분리하려면 약간의 노력이 필요하다.

케이블부터 기계까지 쌓인 수요

직류 전류를 기반으로 하는 생산 공장은 모든 전기 시스템이 스마트 네트워크에 연결할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 현장의 전기 공급 가용성과 품질이 향상되고 생산의 신뢰성을 높일 수 있다. 이는 제어 클러스터를 이용하여 달성할 수 있으며, 이를 통해 공장에서 에너지를 직접 저장하고 생성과 소비의 균형을 맞춰 조정할 수 있다. 또한 포괄적인 인더스트리 4.0 관점에서도 중요한 기회를 제공한다. 많은 연구자들은 기존 건물보다 신축 건물에서 직류 네트워크를 적용하기가 용이하다고 한다.

이러한 공급 전환을 가능케 하는 아이디어는 현재 운영 기술과 관련이 있다. 케이블 산업도 ​​도전해야 할 과제가 많다. DC 전압에서 AC 전압용으로 설계된 케이블은 절연재 위에 전기장이 형성되기 때문에, DC 전압이 높을 경우 문제가 발생한다. 이를 위해 고가의 특수 절연이 필요하다. 이는 직류의 이점으로 상쇄할 수 있다.

‘DC Industry 2’ 프로젝트는 지금까지 습득한 지식을 생산에 적용하기 위한 것이다. 이 연구는 기계 공학에도 중요한 역할을 한다. 모든 장비는 궁극적으로 추구하는 네트워크와 관련하여 최적으로 상호작용할 수 있어야 한다. 즉, 그대로 직류에 적합하도록 만들어야 한다. 설치뿐만 아니라 장치 및 보호 기술도 더욱 발전할 것이라고 한다. 후자의 경우 인력 보호와 관련하여 동일한 규칙이 적용된다 (예: DIN VDE 0105-100 또는 IEC 60364). 시스템 섭동 및 EMC(전자기 호환성)와 관련하여 준수해야 할 규칙도 있다. 여기 커버스토리에서 다루는 것과 같은 테스트 시스템은 그것이 작동한다는 것을 증명했다. 편견을 없애고 직원이 양방향 에너지 흐름과 많은 공급 장치를 사용하여 이러한 네트워크의 특성에 대비할 수 있도록 직류 네트워크를 다루는 측면에서 전기 기술자의 추가 교육이 중요하다.

직류 전류도 단점은 있다

직류는 장거리를 이동할 수 있지만 그렇다고 이상적인 것은 아니다. 이는 간단한 방법으로 고전압을 만들 수 없기 때문에, 이를 위해 소위 변환기라는 것이 필요하다. 변환기는 일종의 전원 공급 장치이지만, 그 크기가 상당히 크고 변환 시에 전력 손실이 발생한다. 하지만 직류 전류로 전환하면 긍정적인 효과도 있다. 스위치를 누르면 전류가 계속 흐른다는 사실이다. 아크를 사라지게 하는 제로 크로싱이 없기 때문에, 화재를 일으키거나 스위치를 파괴할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 특별한 조치가 필요하다. 이는 DC 네트워크에서 저전압에서 고전압으로 스위칭 개념을 개발하는 이유이다. 그럼에도 불구하고 DC는 단점보다 장점이 휠씬 많다. 현재, 기술이 있지만 적용 사례에 맞게 조정되고 최적화된 장치가 부족하다. 한 가지 확실한 것은 계획대로 조금씩 개선되고 있다는 점이다.