에너지 정책, 원자력 기반 하이브리드 에너지 시스템

테슬라가 전류 전쟁에서 승리하다.

니콜라 테슬라는 토마스 에디슨과 동 시대에 활동한 천재적인 전기 엔지니어였다. 테슬라는 발전기, 변압기, 전기모터 등 발전과 송전의 기본인 교류(AC) 전기 시스템을 개발하였다. 19세기 말 전기 사용이 확대되면서 전력 공급방식을 둘러싼 논쟁이 벌어졌다.

하지만 에디슨은 직류(DC) 전기를 선호했다. 그 당시 직류는 고압으로 승압하는 것이 쉽지 않아 장거리 송전이 어려웠다. 송전 방식과 관련, 에디슨은 직류를 주장했지만 테슬라는 교류를 주장하며 대립했다. 웨스팅하우스는 테슬라의 특허를 구입하여 교류 전기를 상업화하였다.

세계 최초로 나이가아라 수력발전소는 교류 전기 시스템을 적용하여 건설되었다. 결과적으로 전류 전쟁(Current War)에서 테슬라의 교류 방식이 일단 승리한 것이다. 직류 대신에 교류의 전압을 올려서 장거리 송전을 하게 된 것이다. 이리하여 교류전기는 전 세계의 송전 시스템의 표준으로 자리 잡게 된다.

에디슨이 주장한 직류가 다시 부활하다.

최근에는 에디슨이 주장한 직류의 장점이 다시 부각되고 있다. 태양광, 연료전지, 배터리 에너지저장장치(BESS), 전기차, 데이터센터 등 저장이 필수인 배터리 형태의 전기는 대부분 직류를 이용한다. 테슬라의 전기차도 실제로는 교류 전기를 직류로 변환 후 배터리에 저장해 사용한다.

고전압직류송전(HVDC)은 전력손실이 적고 전력계통의 안전성을 확보할 수 있어 장거리 송전에 있어서 장점이 있다. 직류를 바로 소비자에게 송전해 사용한다면 교류-직류의 전력변환 장치를 별도로 사용할 필요가 없다. 전기차, 배터리, 스마트폰 등의 충전 효율을 높이고 크기를 작게 할 수 있다.

현 시점에서는 에디슨과 테슬라의 전류 전쟁에서 영원한 승자도, 패자도 없다. 세계 전력시장에서 교류와 직류의 장점만을 조합한 교류/직류 스마트 그리드 연구가 한창이다. 아울러 원자력과 재생에너지를 연계한 하이브리드 에너지 시스템(HES, Hybrid Energy System) 구축에 대한 솔루션이 필요하다.

소형 원자로가 하이브리드 에너지 시스템의 핵심이다.

소형 원자로(SMR, Small Modular Reactor)는 전기출력이 300MWe 이하인 다목적 원자로이다. 원자로에서 발생한 열에너지를 이용하여 교류/직류 전기 생산, 냉난방열 공급, 그린수소 제조 등 다양한 용도로 활용할 수 있다.


SMR 기반 열/전력/수소를 통합한 하이브리드 에너지 시스템은 에너지가 필요한 수요지에 분산형 에너지원으로 건설할 수 있다. 4차 산업과 조합한 스마트 그리드(Smart Grid)는 자연재해에 대비한 전력계통의 안정성 확보, 송전선로 투자비 절감, 송배전 손실(T&D Loss) 감소, 최적화된 열 및 수소 공급망 구축, 그리고 국가적 차원의 에너지 이용효율을 증가시킨다.

미래는 원자력 기반 하이브리드 에너지 시스템이다.

지속가능한 원자력 에너지는 무탄소(Carbon-free) 열/전력/수소 생산, 에너지 저장, 간헐성 재생에너지에 대한 그리드 서비스(Grid Service) 제공, 그린 냉난방부하 및 프로세스 스팀 공급, 탄소중립 합성연료(Synthetic Fuel) 제조, 해수 담수화 등을 통합한 스마트 하이브리드 에너지 시스템을 구축할 수 있게 한다.

특히 SMR에서 나오는 고온의 열에너지를 활용하는 열전 발전기(TEG, ThermoElectric Generator)와 일체형 재생 연료전지(URFC, Unitized Regenerative Fuel Cell)는 직류 전기와 그린수소를 양방향으로 생산할 수 있다. 4차 산업의 발전에 따라 직류 전기의 수요는 더욱 증가하고 있는 추세이다. 이에 따라 직류 배전 마이크로그리드(Microgrid)를 구축하는 것은 더욱 더 매력적이 될 것이다.

따라서 원자력 에너지는 탈탄소화를 위한 전기화(Electrification), 분산형 전원, 마이크로그리드, 집단에너지 공급시스템, 산업용 프로세스 스팀, 그린 수소 및 암모니아 등 탄소중립 실현을 위한 통합 및 스마트 하이브리드 에너지 시스템의 구축에 있어서 핵심 솔루션을 제공할 것이다.