[책과 함께보는 유튜브] 그리드 (GRID)

로오데 작성일 21.12.26 14:28:13 수정일 21.12.26 15:44:58
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그레천 바크 저/김선교, 전현우, 최준영

 

20세기에 오일쇼크가 있었다면, 21세기에는 전기쇼크가 있을 것이다!

 

그리드 : 책의 제목이기도 한, ‘그리드’를 번역하면 전력 계통, 전력망, 송배전망 등으로 표현할 수 있다. 그러나 그 어떤 단어도 전기 생산을 위해 존재하는 하나의 거대한 기계라는 저자의 표현에 딱 들어맞지 않았다고 판단했다. 그래서 우리는 원어를 그대로 활용했다.

 

 

 

- 들어가며

 

 우리는 미국 전역에 퍼져 있는 이 땅을 ‘그리드’라고 부르며, 이들이 하나로 이어져 있는 것처럼 말하고는 한다. 하지만 실제로 미국에 있는 그리드는 3개다. 서부 그리드는 맥시코 일부와 캐나다 서부의 많은 지역을 포함한다. 또 다른 그리드는 동부 지역을 담당하며, 더 작은 하나는 텍사스주를 포함한다. 멕시코 지역의 대부분은 자체적인 그리드를 가지고 있지만, 캐나다는 그렇지 않다.

 

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오래되고, 더럽고, 삐걱 거리는 미국 전기 그리드

 

 그리드를 이루는 송전선과 변압기 중에서 사용한 지 25년 넘은 것이 70% 이상이다. 여기에 9년을 더하면 미국 발전소의 평균 연식이 된다. 전력 산업 전문가 피터 애머스에 따르면, 우리는 실제로 필요한 것보다 2배나 많은 발전소에 의존하고 있는데, 이는 “이 시스템에 내재해 있는 엄청난 비효율성”때문이다. 이처럼 노후화 된 설비가 늘면서, 중대 정전 사태는 2001년 15건 발생하던 것이 2007년 78건, 2011년 307건으로 매년 늘고 있다. 미국의 연간 평균 정전 시간은 6시간을 기록한 적이 있을 정도로 선진국 가운데 가장 길다. 2003년에서 2012년 사이, 극도로 변덕스러운 날씨나 다른 천재지변으로 인한 정전을 제외하더라도 정전 사고의 수는 679건에 달했다.

 

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미국의 '풍력발전'/美 '바람'으로 450만 가구 전력 만들어 쓴다

 

 그리드를 환경친화적인 기계로 만드는 것만이 태양광이나 풍력같은 가변적인 발전원으로 전환하는 데 문제가 된다면, 새롭고 향상된 전력 저장 장치의 개발에 막대한 종잣돈을 투입하고 세심하게 계획된 몇 가지 정책만 더하면 불만과 늑장 대응을 줄일 수 있을지도 모른다. 풍력 농장을 만들다 하여도 이런 지역에는 전기를 이용할 사람도, 수요 처로 전기를 이동시키는 데 쓸 수 있는 장거리 전력선(송전선)도 없다. 그리드가 그런 황무지 한가운데 건설되어 견고하게 유지되었던 적은 없다. 

 

 우리는 일반적으로 그리드의 작동 방식을 수도관이나 가스관을 작동시키는 물리학에 빗대어 이해한다. 수도관은 물을 모으고 이동시켜 사람들에게 공급한다. 가스관은 메탄을 모아 가스레인지와 온열 난방기에 공급한다. 하지만 전기는 전혀 다르다. 전기는 상자에 넣어둘 수도, 저장할 수도, 수출할 수도 없다. 언제나 만들어지는 순간 사용되며, 만들어지는 즉시 배송된다. 그리고 이 모든 과정은 1,000분의 1초도 걸리지 않는다.

 

 전기를 생산하는 데 비용은 얼마나 드는지, 자신들이 얼마나 많이 사용하고 있는지, 그 사용량에 대해 얼마를 지불해야 적절한지, 이것들을 가운데 소비자들이 제대로 알고 있으리라고 믿을 만한 것은 전혀 없다. 게다가 전력 회사는 본래 국가가 그 권리를 보장하는 독점기업이다. 전기 사업은 특정 지역의 모든 사람들이 무조건 구매해야 하는 상점과 다를 바 없다는 뜻이다. 이 상점에서 판매하는 개별 품목에는 가격도 표시되어 있지 않으며 월말에 구매자들 앞으로 한 달 동안 소비한 전기에 대해 단 한장의 청구서만 남을 뿐이다.

 

 결국 이 책은 그리드의 총체적인 모습에 초점을 맞추고 있다. 다시 말해, 비할 데 없는 복잡함 속에 벌어지는 수많은 문제점들과 그 옆에서 새롭게 싹트는 희망, 갖가지 부조리로 점철되어 있지만 동시에 경탄할 만한 탁월함으로 가득한 역사, 이를 현실에 구현한 사람들과 이들 배후에 있는 법과 논리까지, 그 모든 것에 초점을 맞추고 있다. 역사적 흐름 속에서, 기술적 진보에 따라 가능한 한 빠르게 해결해야 하는 긴박한 문제들이 그리드 앞에 밀려드는 지금 이 순간, 그리드 사용자들, 즉 우리 모두는 지금 우리가 내리는 선택이 우리에게 무슨 이익을 가져다 줄것인지, 어떤 함축을 가지고 있는지, 그리고 현제 그리드가 지닌 결점 가운데 무엇을 개선할 수 있는지 이해하고 있어야 한다.

 

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[Smart Grid] 미국의 스마트 그리드

 

 

 

 

 

 1장 - 바람이 불어오는 길목 앞에서

 

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스티븐 추

 

 그리드 위크(Grid Week) 기조 연설자는 노벨물리학상 수장자이며 미국 에너지부 장관인 스티븐 추다. 파워포인트 화면을 가르키며 추 장관은 이렇게 말했다.

 

 “2008년 9월 4일 오후 5시가 조금 안 된 시각이었습니다. 콜로라도주 알라모사카운티에서, 아주 두꺼운 먹구름이 하늘을 뒤덮었습니다.”

 

추는 다시 설명을 이어갔다.

 

 “전력 공급량이 등락이 이어지고 5분이 지나자, 태양광 농장(solar farm)에서 카운티로 공급되던 전력의 생산량이 무려 81%나 떨어졌습니다.”

 

 모든 참석자는, 무슨 일이 일어났는지 아주 잘 알고 있었다. 도대체 어떻게 대처해야 하는지 알지 못할 뿐이었다. 모든 사람이 퇴근하고 집에 돌아와 에어컨을 켜고 TV와 컴퓨터의 전원 스위치를 누르는 저녁5시에 발전량이 순식간에 81%나 줄어들었다는 사실은, 전기 엔지니어들의 가슴을 졸이게 만들기에 충분하다. 세게에서 가장 거대한 기계, 그리드는 전기 소비와 생산이 매 순간 균형을 유지해야 한다. 발전 ‘연료’의 믹스가 어떻게 되든, 더 많은 태양광발전소가 이 계통에 연계될수록 갑작스러운 구름의 등장에 대응하기는 어려워진다. 오후 5시처럼 수요가 하루 중에서도 극에 달하는 시간에는 더욱더 그렇다.  문제의 그래프에서, ‘발전’이라고 표시된 검은색 선은 급격히 아래로 향했던 반면, ‘소비’로 표기된 빨간색 선은 양의 기울기로 하늘을 향해 치솟았다. 태양광에서 전기를 얻는다는 말은, 햇빛이 지상에 도달하지 않는다면 전력도 없다는 뜻이다. 이런 현상은, 바로 이회의장에 모인 사람들이 일터에서 자주 겪는 비상 상항이다. 비상 상황에서 이들은 긴급히 투입되어 블랙아웃을 피하기 위해 할 수 있는 모든 일을 해야 한다.

 

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미국 최대의 태양광 솔라팜 프로젝트 제미니 Gemin solar 프로젝트

 

 “4개월 뒤, 2009년 1월 5일에 있었던 일입니다. 컬럼비아강 협곡 지역에서는 바람이 갑자기 멈췄고, 그 후 3주 동안이나 바람이 불지 않았습니다.”

 

 컬럼비아강 협곡에 풍력 농장은 총 25개가 있었다. 2015년에 그 수는 대략 4배 증가했다. 이것들은 각각 수백 개의 터빈으로 구성되어 있고, 이 터빈들 각각 1,000킬로와트 이상의 전력을 생산할 수 있다. 미국 전역에서 가장 거대한 풍력발전 사업이 바로 이 지역에 있다. 여기에서 생각되는 전력은 최대 6,000메가와트(이는 약 450만 가구에 공급되기에 충분한 에너지다)로 추산되며, 이들은 모두 바람, 그러니까 이 협곡의 명물인 바람 그 바람에 의존하고 있다.

 

 풍력, 태양, 파도처럼 예측할 수 없는 연료원에서 전기를 만드는 발전소, 즉 가변 발전소가 문제다. 시스템의 어떤 부분이 결국 통제에서 벗어나 있다는 것이 이 문제의 핵심은 아니다. 갑작스럽게 부하가 공극 역량에 비해 지나치게 높아지는 경우도 가능하고(가령 일과를 마치고 집에 돌아와 에어컨을 켜는 순간, 풍력 농장에서는 바람의 세기가 약해지는 경우), 구름이 태양전지판을 덮어 최외각에 있던 전자를 벗겨내는 전지판 능력이 격감하는 것도 가능하다. 그럼에도 유틸리티나, 전력망의 균형을 유지하기 위해 설치된 그 밖의 기관들은 상황을 바로 잡기 위해 매우 기민하게 행동한다. 그렇지 않으면, 얼마 지나지 않아 전력이 부족해져 불을 켜놓을 수 조차 없게 된다. 정전은 거의 이런식으로 시작된다.

 

 하지만, 석탄, 천연가스, 우라늄 등의 인공적인 자원과 저량 자원 발전기의 출력을 상승시키는 작업은 전혀 쉽지 않다. 석탄화력발전소의 발전기는 5분 안에 출력을 50%까지 상승시킬 수 있어서, 가장 빠르게 반응하는 발전기라고 할 수 있다. 천연가스 발전기의 경우, 냉간기동(cool start)으로 최대 출력에 도달하는 데 10분 정도가 걸린다. 원전의 발전기는 단 몇 초 안에 가동을 멈출 수 있으나, 이를 다시 가동하려면 꼬박 24시간이 걸린다.

 

 전력을 저장하는 수단이 아직 마땅치 않는 점은, 전력이 부족한 상황에 대처할 수 있는 예비 전력이 거의 없다는 문제에 그치지 않는다. 이는 과잉 생산되어 남은 잉여 전력을 처분하기도 어렵다는 뜻이다. 우리는 석유에 상당히 의존하고 있기에, 석유 공급에 문제가 생겼을 때 무엇을 해야 하는지 어느 정도 준비가 되어 있다. 하지만 그 어느 누구도, 주유소에서 기름을 넣을 때 기름이 세심하게 계량되어 투입되지 않고 오히려 엄청난 규모의 기름이 쏟아져 나와 그와 그의 차량을 삼켜버리는 상황을 경험하지 못할 것이다. 그러나 태양광발전이나 풍력발전은 항상 그리드가 종잡을 수 없을 만큼 변동하는 양의 전력을 제공한다. 풍력 터빈의 비중이 올라갈수록 또는 태양전지판의 비중이 올라갈수록, 평소 소비하는 전력에 비해 더 많은 전력이 생산되는 위험도도 올라간다. 이것은 추 장관이 이야기하지 않은, 재생에너지가 주인공인 공포물의 한 장면이다.

 

 

 

 

2장 - 그리드가 전선을 얻었을 때

 

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 1830년대에 마이클 페러데이가 실험을 수행한 이후로, 우리는 전자기력을 이용해 전기를 만들 수 있게 되었다. 또한 1800년 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta)가 화학전지를 발명한 이후, 산화환원반응이 일어나는 배터리를 만들어 전기를 만들 수 있게 되었다. 전기에 대한 관심은 뜨거웠고 이를 만들기 위해 고안한 기계도 제작되었으나, 1860년에 접어들 때까지 전기를 어디에 쓰면 좋을지 알고 있는 사람은 아무도 없었다. 1870년, 인류는 전기를 생산하고 통제할 수 있었지만 우리의 일상은 전기와 무관했다. 1세대 전기 제품 개발자(모두 발명가로, 판매 가능하며 생산성 있는 기술을 추구했다)가운데 상당수는 조명일 것이라고 생각했다. 당시에 쓰인 조명은 불꽃이 뿜는 먼지로 눈이 따가웠고 주변에 검댕이 휘날렸다. 게다가 야간 조명은 워낙 비싸서 잠도 일찍 자야 했다. 거의 모든 사람의 생업과 일상생활에서 그 시대를 지배한 촛불과 가스램프보다 더 나은 조명이 그 무엇보다도 더 절실했다.

 

 

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 당시 도입된 전기 조명 시스템은 5개 정도 되는 전등이 직렬회로로 묶인 구조였는데(동시에 켜고 꺼지는 회로), 3년 뒤인 1882년에 <<뉴욕타임스>>는 사무실에 처음으로 전기 조명을 설치했는데, 이 시스템은 백열등 52개가 병렬회로로 연결된 구조였다.

 회로 구조가 직렬에서 병렬로 변했다는 이 미묘한 사실은, 그리드에서 일어난 첫 번째 혁명이다. 우리는 전구 발명의 공로를 토머스 에디슨에게 귀속시키는 경향이 있지만(이는 사실이 아니다). 그의 가장 뛰어난 발명은 병렬회로, 즉 현대 세계를 이루는 기술적 구조물 가운데 그의 공로를 가장 두드러지게 하는 회로 구조를 고안한 데 있다. 

 

 

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테슬라 & 에디슨

 

 에디슨은 고등교육을 받지 않았으나, 아주 근면한 인물이었다. 문제를 해결하려고 할 때, 그는 물리법칙은 고려하지 않은 채 기술적인 해법을 찾으려고 시도하고는 했다. 이런 시도는 대부분 실패했지만, 가끔은 커다란 성공을 거뒀다. 그와 아주 상반된 성격의 발명가인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 그를 이렇게 평가했다.

 

“에디슨이 건초 더미에서 바늘을 찾고 있다고 해보자. 그는 일벌의 근면함으로, 자신이 찾는 물건이 나올 때까지 지푸라기를 하나하나 검사할 것이다. … 이론도, 계산도 없다는 약점은 90% 그의 노력에 의해 돌파되었다.”

 

 

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 1882년 에디슨의 첫 번째 공공 그리드가 깜빡거리며 등불을 밝혔을 때, 그 포괄 범위는 0.42제곱킬로미터에 불과했다. 1884년, 이 그리드의 범위는 2.56제곱킬로미터로 확장되었고 총 8,000개의 전구를 포함했는데, 여기에 연결된 전구는 오늘날의 15와트 전구와 같은 휘도를 가진 어스름한 작은 황금빛 구였다. 이 8,000개의 전구들을 병렬로 배치되어, 총 길이가 300킬로미터도 넘는 전선으로 연결되었다. 이 전선은 뉴욕의 자갈 포장도로 밑에 매설된 전선관을 통해 연계되었다. 전체 네트워크는 에디슨이 발명했고, 이는 그의 팀이 “미끈하게 뻗어”있다고 말한 직류발전기 ‘점보 매리 앤(Jumbo Mary-Ann)’6기에 의해 구동되었다. 이것이 병렬회로로 백열전구를 연계한 미국 최초의 공공 조명 시스템이었다. 이 시스템은 직류로 가동 되었으며, 석탄을 연료로 썼다.

 

 초기 전기화 시대에 전기는 공적인 산물로 생산되거나 판매되지 않았다. 당시 전기는 모든 사람을 위한 것이 아니었고, 구매할수 있는 여력이 있는 엘리트를 위한 생산물로 규정되었다. 전기는 대중에게 널리 퍼지지도 않았는데, 이후 역사적 전개와 달리 대중이 접근할 만한 소비재로 여겨지지도 않았기 때문이다.

 

 

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 전력에 대한 보편적 접근을 대규모 그리드로 가능해졌고, 이러한 그리드를 향한 첫걸음인 교류 전기 시스템의 발명과 성공적인 설치가 1887년에 이뤄졌다. 당시에는 이미 무수한 케이블이 어지럽게 얽혀 있던 옥상과 전신주 꼭대기에 다른 종류의 전류를 더하는 일이 상황을 더 악화시키는 것처럼 보였고, 실제로도 한동안 그랬다. 그러나 교류는 직류에 비해 강점을 가지고 있었다. 전선, 전류, 전압, 주파수의 교란을 줄이는 데 용이했다는 점이 바로 그것이다. 게다가 직류와 다르게 교류는 멀리까지 이동할 수 있다. 교류의 전송 가능 거리는 교류가 시장에 처음 등장할 때부터 경쟁 시스템이 기록한 1.6킬로미터를 한참 앞섰다.

 

 

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 그러나 교류의 가장 중요한 장점은 따로 있다. 교류가 발전기에서 낮은 전압으로 생산되었다고 해도, 변압기(촘촘하게 감겨 있으나 서로 닿아 있지 않은 2개의 구리 도선 뭉치로 이뤄진 간단한 장치)를 통해 훨씬 더 높은 전압으로 ‘승압’할 수 있다는 점이다. 전압을 높일수록, 전기는 더 멀리까지 전송할 수 있다. 당신이 전자의 욕망을 더 크게 끌어 올리고, 이것들이 더 강렬하게 원하도록 만든다면, 이들을 더 멀리까지 보낼 수 있는 것이다. 변압기는 그 구조가 단순하지만, 전압의 ‘승압’‘감압’을 손실 없이 달성하는 놀라운 수단이다. 하지만 1초에도 수십차례 음전하와 양전하를 오가는 교류는, 전하가 매우 높은 주파수로 진동해야 전송이 가능한 전류이기도 하다.

 

 대공황이 가장 심각했던 1936년에 농촌전기화법이 입법되기 전까지, 농촌 사람들은 사실상 전기를 사용할 수 없었다. 그리고 그 이전, 20세기의 처음 10년 동안에도, 도시 주민은 물론 교외 거주자, 공장주는 가스등과 증기기관을 주로 사용했지 전기를 사용하는 경우는 드물었다. 

 

 오늘날 우리는 전기에 대한 보편적 접근을 당연하게 여기지만, 전기 대중화 이전의 인프라와 오늘날의 전기 인프라 사이에 존재하는 차이만큼이나, 전기에 대한 우리의 생각도 단 한 세기 만에 큰 변화를 겪었다.

 

 

 

 

3장 인설의 법칙, 그리고 법칙의 종말

 

 

 

4장 카디건을 입은 미국

 

 

 

5장 붕괴 위기에 처한 그리드

 

 

 

6장 돌 하나로 새 두 마리 잡기

 

 

 

7장 두 폭풍 이야기

 

 

 

8장 성배를 찾아서

 

 

 

9장 시대정신

 

 

로 이어 집니다.

 

 

 미국은 정전이 자주 일어나는 도시입니다. 5분 이상 정전이 되면 블랙아웃이라 하며, 이하면 브라운 아웃이라고 합니다.

한국은 블랙아웃에 크게 와닿지 않습니다 한국은 그만큼 그리드가 잘되어 있는 나라 입니다. 오일쇼크 부분도 한국은 다른 나라보다 큰 타격을 입지는 않았습니다. 우리는 석유 전기 생산보다 석탄, 원자력등에 투자 해서 전기 생산부분에 석유가 주는 타격은 상대적으로 적었습니다. 한국도 앞으로 탄소중립, 친환경에너지, 전기자동차 등 에너지에 관련하여 기술이 필요할것이고 우리도 기존 그리드에서 신재생에너지가 발생될 문제점은 당장 현안이 되어 있는 시점입니다.

 

 번역에 참여한 최준영 교수가 출연 그리드를 소개 합니다.

 책 읽으시기 귀찮으신분은 유튜브를 통해서 그리드를 알아 가면 좋을듯 합니다. 

 

 

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