STORY BY KALEE THOMPSON
2012년 10월 29일 미국 맨해튼. 현란한 야경을 자랑하던 맨해튼의 스카이라인이 갑작스런 폭발음과 함께 밝게 빛났다. 그리고 모든 것이 암흑 속에 빠져들었다. 허리케인 샌디가 14번가의 변전소에 폭우를 퍼붓자 축전기에서 고압전류가 누출돼 폭발을 일으킨 것이다. 이 사고로 무려 25만명의 시민들이 정전으로 인한 칠흑 같은 어둠에 내팽개쳐졌다. 이날 엄청난 고압전류가 일으킨 폭발 동영상은 인터넷에서 바이러스처럼 빠르게 퍼져나갔고 재앙이라 할 대도시의 전력망 붕괴를 상징하는 아이콘이 됐다.
샌디는 뉴욕시와 맨해튼 이외에도 인디애나주, 메인주, 노스캐롤라이나주를 지나며 수백 건의 대규모 정전 사태를 불러왔다. 전봇대는 뽑히고, 전력선은 끊어졌으며, 발전소가 침수되기도 했다. 샌디로 인해 정전 피해를 입은 곳만 21개주 800만 가구에 달한다. 특히 정전이 수주일간 지속되며 피해지역의 신속한 복구를 방해하는 요인으로 작용했다.
이번 사고는 전례를 찾기 힘들 만큼 예외적 천재지변이라 생각할지 모른다. 하지만 이는 사실이 아니다. 그 정도 규모의 정전은 점차 일상화되고 있는 추세다. 2011년의 허리케인 아이린만 해도 550만 가구의 정전을 촉발했다.
그렇다면 그 원인은 무엇일까. 지난 2012년 미 의회조사국(CRS)은 보고서를 통해 이상기후를 범인으로 지목했다. 폭풍이 유발한 정전 때문에 미국 경제가 매년 200~550억 달러의 사회비용을 지출하고 있다는 분석도 제기했다.
이상기후를 제외하면 미국의 노후한 전력 인프라가 대규모 정전의 핵심 원흉으로 꼽힌다. 실제로 미국에서 현 전력시스템의 기초가 다져졌던 100년 전에는 가전제품이 거의 없었지만 지금은 집안 곳곳이 온갖 가전제품들로 들어차 있다. 인구까지 급증해 전력사용량은 나날이 치솟고 있다. 미국은 애당초 이 정도 부하를 예상하지 않고 구축된 전력망에 전력을 우겨넣고 있는 것이다. 미국 뉴욕주 스마트 그리드 컨소시엄의 데이빗 매닝 사무총장은 현 실태를 이렇게 빗대어 말했다.
"전화기를 발명한 알렉산더 그레이엄 벨이 부활한다면 애플의 아이폰을 보고 기절초풍하겠지만 에디슨이 부활한다면 미국의 전력망을 보고도 전혀 놀라지 않을 겁니다. 현 시스템의 문제점을 직접 고칠 수도 있을 거예요."
그럼에도 불구하고 초대형 폭풍이나 테러와 같은 국가적 재난 상황에서도 블랙아웃 없이 전력을 안정적으로 생산·공급할 수 있는 현대적 전력망의 도입은 지금까지 계속 미뤄져왔다. 그렇다고 희망을 버릴 필요는 없다. 산발적이기는 하지만 최근 관련 기술의 도입이 이뤄지고 있기 때문이다.
현재의 일(一)자형 전력망은 전봇대 하나만 쓰러져도 수천가구가 정전이 된다.
고리형 전력망
미국의 전력망은 전력생산자와 소비자가 일직선으로 연결된 구조다. 대형 발전소에서 전력을 생산한 뒤 변압기로 전압을 높여 각 지역의 변전소로 송전하면 변전소가 전력의 전압을 다시 낮춰 인근의 가정으로 배전하는 식이다.
이런 일자형 구조에서는 어느 한곳에서라도 고장전류가 발생, 차단기가 작동되면 해당 지점 이후의 전력선에 연결된 모든 수요자가 정전 피해를 입는다. 태풍에 의해 전봇대 하나만 쓰러져도 수천 가구가 정전되는 이유를 여기서 찾을 수 있다. 그러나 일자형 구조를 고리형 구조로 바꾸면 한 지점의 기능 정지가 미치는 여파를 대폭 완화할 수 있다.
로프[전력선]에 다수의 사람[가정]들이 매달려 있는 상황에 빗대어설명하자면 이렇다. 기존의 일자형 전력망은 로프가 한 줄로 내려뜨려진 것과 같다. 이때 로프의 중간이 끊어지면[고장전류] 그 아랫부분에 매달렸던 모든 사람들은 추락[정전]할 수밖에 없다. 반면 고리형 전력망은 끝부분이 연결돼 있는 원형 로프를 내려뜨리는 것이다. 때문에 한 곳이 끊어져도 사람들은 떨어지지 않고 매달려 있을 수 있다.
이를 염두에 둔 채 U자형 로프에 일정 간격으로 5개의 매듭[스마트 스위치]을 묶었다고 해보자. 만일 3번과 4번 매듭 사이가 끊어지면, 다시 말해 3번과 4번 스위치 사이에서 고장전류가 발생하면 정전 피해지역은 3번과 4번 스위치의 중간지대에 국한된다. 나머지 지역은 고장전류에 상관없이 계속 전력 공급을 받을 수 있다. 고리형 전력망이 연쇄 정전사태를 막아주는 원리가 이것이다. 비영리기구(NGO)인 퍼펙트 파워 인스티튜트의 존 켈리 사무국장은 이렇게 덧붙였다.
"스마트 스위치는 전력회사와 쌍방향 통신이 가능해요. 문제가 발생했으니 고쳐달라는 메시지를 보낼 수 있죠."
그에 따르면 이 같은 고리형 전력망의 효과는 이미 입증됐다. 스마트 그리드 도입과 함께 고리형 전력망으로 업그레이드한 미국 일리노이주 네이퍼빌, 테네시주 채터누가 지역을 통해서다.
"전력 공급의 신뢰성이 50~80% 증대됐습니다. 문제 발생빈도 자체가 낮은 데다 문제가 생겨도 그 위치를 신속 정확히 파악해 조치할 수 있기 때문입니다."
이외에 연쇄적 정전사태를 막을 또 다른 비책은 고장전류 한류기의 설치다. 미국 아칸소대학 국립전력송전신뢰성센터(NCREPT)에서 냉장고 크기만한 고장전류 한류기를 개발 중인 앨런 맨투스 박사는 이를 전력망의 쇼크업소버, 즉 충격흡수장치라 표현한다.
"과거에는 어떤 문제가 생기면 즉각 차단기가 작동, 정전이 일어났죠. 하지만 저희의 한류기는 고장전류 혹은 서지를 막는 것을 넘어 정상보다 초과된 전류를 흡수, 적절히 조절한 뒤 전력선으로 돌려보냅니다."
그는 고장전류 한류기 도입이 대도시부터 시작될 것으로 본다. 뉴욕, LA 같은 대도시 도심의 고장전류 발생빈도가 계속 늘고 있는 탓이다.
"고장전류 한류기를 전력망에 추가하면 차단기가 작동, 정전이 일어날 개연성을 최소화할 수 있어요. 모든 차단기를 교체하는 것보다 훨씬 경제적인 방법입니다."
허리케인 샌디가 뉴욕시에 상륙한 작년 10월 29일 저녁. 뉴욕대학 지속가능성·에너지·기술연구소의 존 브래들리 부소장은 브로드웨이의 사무실에서 전력회사인 콘 에디슨의 관계자와 통화를 하고 있었다.
허리케인 샌디로 인해 맨해튼 남부 전역이 정전이 됐다. 그러나 단 한 곳, 뉴욕대학 캠퍼스만은 예외였다.
백업시스템 구축
"그 관계자는 샌디로 인해 서지가 발생할 것이며 저녁 9시경 가장 커질 것으로 분석됐다고 말했죠. 그래서 정전을 막기 위해 저지대 지역의 전력을 전략적으로 차단하고 있다더군요."
그런데 콘 에디슨의 대책이 무색하게 통화가 한창이던 8시 30분경 브래들리 부소장의 사무실 전기가 나갔다.
"창밖을 보니 저희 빌딩은 물론 주변의 모든 곳이 정전됐더군요. 수화기에서 "문제가 발생했습니다"라는 다급한 목소리가 들리더니 전화가 끊겼어요."
이날 정전 피해 지역은 남부 맨해튼 전체였다. 그러나 단 한 곳, 뉴욕대학 캠퍼스만은 예외였다. 평상시와 다름없이 정상적 전력 공급이 이뤄졌다. 어떻게 그럴수 있었을까 지난 2010년 1970년대부터 사용했던 난방용 보일러를 천연가스 발전기로 교체한 덕분이었다.
"이 발전기는 11㎿의 전력을 생산합니다. 발전과정에서 발생하는 폐열로 온수와 난방열도 공급할 수 있어요. 폐열로 고온증기를 생산, 터빈을 회전시켜 2.4㎿의 추가 전력을 얻을 수도 있고요. 작은 열병합발전소인 셈이죠. 현재 대학 내 22개 건물에 전력을, 37개 건물에 난방 및 온수 공급을 책임지고 있습니다."
물론 발전기의 설치는 허리케인에 대한 대비가 아니었다. 에너지 공급의 효율성을 높이고, 온실가스 배출저감을 위한 조치였다. 실제로 발전기 가동 이후 뉴욕대학은 매년 수백만 달러의 에너지 비용을 아꼈고, 온실가스 배출량도 20%나 저감했다.
어쨌든 허리케인 샌디가 콘 에디슨의 변전소를 가동정지시켰을 때 뉴욕대학의 열병합발전소는 자신이 가진 또 다른 장점을 여실히 증명했다. 전압 감지 장치가 전력선의 전압 저하를 감지, 정전이 일어나기 전 외부 전력망을 차단하면서 스스로의 힘만으로 교내에 전력공급을 시작한 것이다.
"이후 수주일 동안 뉴욕대학은 인근지역에서 유일하게 전기가 들어오는 곳이 됐어요. 대학측은 탁자에 멀티 탭을 올려놓고 전력을 끌어와 주민들이 이용할 수 있도록 했는데 콘센트가 설치돼 있던 교내의 모든 복도에도 노트북과 태블릿 PC, 휴대폰 등을 충전하려는 주민들로 장사진을 이뤘어요."
켈리 사무국장에 의하면 천연가스는 이미 도시에 지하 배관망이 깔려있어 경유를 연료로 쓰는 디젤발전기와 달리 정전 시간이 길어져도 연료가 떨어져 발전이 중단될 우려가 없다. 이러한 효용성에 힘입어 현재 '코옵시티(co-op city)'라고 불리는 뉴욕주 브롱크스의 대형 아파트 단지와 뉴저지주 프린스턴대학에도 천연가스 열병합발전기가 가동되고 있다.
태양광, 풍력 등의 신재생에너지 발전설비 역시 이와 동일한 수준의 효과를 제공한다. 일례로 뉴저지주 미드타운 커뮤니티 스쿨은 샌디가 닥쳤을 때 태양전지 발전기로 대피소에 전력을 공급했다.
다만 이런 자가발전 설비들은 반드시 내부 전력망을 외부 전력망과 차단해주는 시스템이 구축돼야 한다. 그렇지 않으면 발전기의 전류가 외부 전력망으로 유입, 전력선 보수에 나선 작업자들이 감전될 수 있다.
남향 집, 서향 태양전지
대다수 태양전지 패널은 햇빛 노출 시간을 극대화하고자 남향으로 설치된다. 하지만 스마트 그리드 컨소시엄 ‘피칸 스트리트(Pecan Street)’의 연구 결과, 서향으로 설치해야 전력수요가 가장 높을 때 최대의 전력이 생산되며 피크타임 때 외부 전력 의존도를 최소화할 수 있다.
"사람들이 전력과 천연가스를 어떻게 사용하는지 정확히 알기 위해 매 1초마다 데이터를 수집·분석합니다."
전력사용 효율 제고
지난 30년간 미국 가정의 전력사용량은 3배나 늘었다. 1980년 가구당 3,030만 BTU였던 것이 2009년 8,960만 BTU가 됐다. 반면 미국 내에 설치된 변압기들의 평균 사용기간은 40년이 넘었고, 전력선은 무려 70%가 25년 이상 사용한 것이다.
자연재해가 아니어도 이 같은 노후화된 인프라에 더 많은 전력을 송·배전할수록 전력망 두절의 가능성은 커진다. 미국 내 대규모 정전 사고가 1990년대 초 연간 20건에서 최근 100건으로 급증한 것이 그 방증이다. 블랙아웃을 막으려면 전력망 자체와 전력망을 이용하는 사람들의 효율도 높여야 한다는 얘기다.
이 점에서 앞서 언급한 바처럼 전력회사들이 각 가정마다 설치된 일반 전력량계를 지능형 전력량계로 대체하기 시작했다는 사실은 상당히 고무적이다. 이미 미국 내 4,000만 가구에 장착이 완료된 상태다.
일반 전력량계는 한 달에 한 번씩 검침원이 찾아와 사용량을 일일이 확인해야 하지만 지능형 전력량계는 디지털 방식으로 전력량을 측정하며 쌍방향 통신이 가능해 한 시간 동안에도 몇 차례씩 측정 내용을 전력회사에 알려준다. 따라서 검침 비용이 절감되고, 요금 산정의 정확도는 높아진다. 정전 발생 여부도 즉각 파악된다.
이와 관련 텍사스주 오스틴 지역에서 진행 중인 대표적 스마트 그리드 시범사업 컨소시엄 '피칸 스트리트(Pecan Street)'에서는 전력 분야의 업무를 인터넷을 하듯 처리할 수 있는 기술을 테스트하고 있다. 전력과 정보를 쌍방향 전달하는 기술이 그것이다. 이를 위해 지금까지 480가구에 첨단 에너지 모니터링시스템을 설치, 데이터를 수집하고 있으며 텍사스대학 연구팀이 이 데이터를 슈퍼컴퓨터로 분석하고 있다. 피칸 스트리스의 브루스터 맥크라켄 사장은 이렇게 말한다.
"사람들이 전력과 천연가스를 어떻게 사용하는지 정확히 알기 위해 매 1초마다 데이터를 수집·분석합니다. 전력 사용에 대한 역대 가장 심도 깊은 연구라고 할 수 있죠."
LG전자, 인텔, 소니 등의 기업들은 현재 피칸 스트리트와 협력, 자사의 스마트 제품을 현실세계에서 실증하고 있다. 이중 LG전자와 소니는 홈 에너지 관리시스템(HeMS)도 테스트하고 있는데 HeMS는 하나의 콘센트에 꽂힌 가전기기들의 전력 사용량을 측정, 사용자들이 TV 셋톱박스를 통해 에너지 소비를 관리할 수 있게 도와주는 시스템이다. 실시간 데이터를 보며 전력 사용량을 조절한다던지 전기자동차 충전 등 전력을 다량 소비해야하는 작업을 피크타임 이외의 시간대에 수행해 전력망에 가하는 부담을 줄이는 게 가능한 것이다.
2009년 미국 정부는 경기부양법(ARRA)을 통해 전력선 교체와 스마트 그리드 프로젝트에 160억 달러의 예산을 배정했다. 하지만 이는 시작에 불과하다. 미 토목학회의 최근 연구에 의하면 미국 전력망을 제대로 현대화하기 위해서는 6,730억 달러가 필요하다. 결코 적지 않은 비용이지만 전력 두절로 인한 사회적 비용이 나날이 늘어가고 있는 현 상황에서 그 가치는 충분하다. 허리케인 샌디만 해도 뉴욕주와 뉴저지주에 697억 달러의 재산피해를 유발했다.
샌디가 미 동북부를 휩쓴 몇 주일 뒤 앤드류 쿠오모 뉴욕주지사는 스마트 그리드 도입을 위해 연방정부에 예산지원을 공식 요청했고, 뉴욕주 스마트 그리드 컨소시엄이 구성됐다. 매닝 사무총장의 말이다.
"대대적 투자가 단행될 겁니다. 샌디의 유일한 장점은 이런 투자의 기회를 만들어줬다는 것이죠."
블랙아웃(blackout) 대규모 정전 사태.
스마트 그리드(smart grid) 기존 전력망에 IT 기술을 접목, 전력공급자와 소비자가 실시간 정보를 교환하여 에너지 효율을 최적화한 전력망. 소비자는 전력소비현황에 따라 전력 사용 시간과 소비량을 조절할 수도, 가정용 태양광·풍력발전기로 생산한 여유전력을 전력회사에 판매할 수도 있다.
고장전류(fault current) 전력계통에 고장이 발생했을 때 유입되는 전류. 정상상태에서 흐르는 정격 전류(rated current)와 대변되는 용어다.
한류기(limiter) 전류가 설정된 수치보다 높을 때 회로상의 전류를 차단하는 장치.
서지(surge) 특정 시간 동안만 급격히 높아진 뒤 자연적으로 낮아지는 전압이나 전류.
BTU 영국식 열량 단위. 'British thermal unit'의 약자. 1BTU는 순수한 물 1파운드(454.5g)의 온도를 1℉(0.55℃) 상승시키는데 필요한 열량을 뜻한다.
전력망 체질 개선
가정
① 자가 발전
태양전지 시스템을 통해 자가발전을 하면 개인은 전기료, 발전소는 발전량 부담을 줄일 수 있다. 생산된 전력 중 쓰고 남은 잉여전력을 자체 저장해놓을 경우 전력망이 붕괴돼도 정전을 피할 수 있다. 미아칸소대학 연구팀에 의해 이 같은 가정용 백업 전력 저장장치가 개발돼 있다.
② 전기자동차 발전
정전 시 전기자동차를 발전기로 활용한다. 닛산이 자사의 전기차 '리프'로 실험한 바에 따르면 배터리를 완충한 전기차 1대로 최대 2일분의 전력 공급이 가능하다. 수소연료전지차는 더 좋다. 혼다가 수소차 'FCX 클래러티'로 실험한 결과, 최대 6일분의 전력을 얻었다.
③ 지능형 전력량계
쌍방향 통신이 가능한 지능형 전력량계를 설치, 전력 소비를 줄인다. 미국에만 4,000만 가구에 이 전력량계가 설치돼 있는데 약 5%의 전력사용량 절감 효과가 나타났다. 폭풍이 전봇대 등을 쓰러뜨려 정전이 되면 전력회사가 그 위치를 신속히 찾는데도 도움이 된다.
마을
① 전력선 매설
악천후는 정전의 최대 원인이다. 전력선을 땅속에 매설하면 악천후 피해가 원천봉쇄된다. 설치비가 기존 방식의 4~10배에 달하지만 정전 발생 빈도를 70%나 줄일 수 있으며 미관상 좋아 집값 상승을 기대할 수도 있다.
② 배터리 공유
마을 내 모든 전봇대에 주민공동소유의 배터리를 설치, 백업 전력을 저장해 놓으면 정전 시 최소한의 비상전력이 유지된다. 배터리 하나면 몇 가구가 한두 시간 사용할 전력을 저장할 수 있다.
③ 독립형 발전소
독립적인 중소형 발전소를 건설해 전력망 붕괴 시에 병원, 소방서 등 주요시설의 전력을 유지한다. 이런 발전소는 대개 천연가스를 연료로 사용하는데 태양광, 풍력 등 자연에너지 발전설비라면 전력공급의 안정성은 더 배가된다.
도시
① 서지 제어
고장전류 한류기를 전력망에 도입, 연쇄적 정전 피해를 막는다. 현 전력망은 서지(surge)가 나타나면 차단기가 작동해 대규모 정전이 불가피하지만 이 기기는 서지를 정상 전류로 제어해줘 차단기 작동을 최소화한다.
② 전력선 센서
지금도 전력회사들은 직원들을 내보내 전력선 위로 쓰러진 나무가 없는지, 전력설비가 훼손되지는 않았는지 일일이 확인한다. 전력선의 상황, 전류의 흐름 등을 실시간 체크해 알려주는 센서를 전력선에 부착하면 많은 시간과 비용을 아낄 수 있다.
③ 전력 생산 다변화
태양광, 태양열, 풍력, 지열 등 청정 자연에너지를 활용한 발전시스템을 통해 전력 생산을 다변화한다. 그러면 전력공급의 신뢰성을 크게 높일 수 있으며 재해상황에서 하나의 발전소가 완전히 가동을 멈춰도 도시 전체의 블랙아웃을 막을 수 있다.
지능형 전력량계(smart meter) 전력 사용량, 요금 등의 정보를 실시간 제공해주는 디지털 전력량계. 전력회사에 이 정보를 보낼 수도 있어 에너지 절약 및 검침 비용 절감이 가능하다.
차세대 지능형 계량기
지능형 전력량계는 가정의 전력 사용정보를 상세히 알려준다. 전문가들은 이런 지능형 계량기의 정보를 집주인 외에 제3자에게 개방할 때 진정한 혁신이 가능하다고 말한다. 다양한 스마트폰 앱을 통해서다. 미래에 등장할 지능형 계량기 앱을 추측해본다.
효율 최적화
교류(AC) 필터의 교체시기를 알려준다. 교체가 늦어지면 전력전송 효율이 낮아진다. 앱에서 직접 오픈마켓에 주문이 가능하다.
TV 시청시간 조절
자녀 방의 TV 시청시간을 설정한다. 정해진 시간이 지나면 TV의 전원이 차단된다.
충동구매 방지
냉장고에 남아있는 음식의 종류와 양을 알려준다. 때문에 불필요한 구매를 막을 수 있다.
누수 탐지
누수가 일어나면 즉각 수도회사에 그 사실을 통보한다.
방범 대원
신원미상의 인물이 집에 침입하면 경찰서에 그 사실을 알린다.
독거노인 보호
일정 시간 동안 냉장고 문이 열리지 않거나 수도를 쓰지 않았을 때 관계기관에 통보한다.
