원인은 바로 노후화된 전력망에 있다. 오는 2030년까지 미국의 전력 사용량은 1,150TWh나 늘어날 것이라고 한다. 이는 뉴욕시의 전력 사용량 대비 13배에 달하는 규모다. 지능형 전력망은 가장 확실한 도움을 줄 수 있다. 하지만 급증하는 수요를 감당하려면 여러 가지 기술혁신이 필요하다.
A. 전력 누설 없는 초전도 케이블
과제: 구리 전선 없애고 전력 전달 효율 10배 우수한 초전도 케이블 설치
진행 상황: 상용화되려면 10~20년 필요
재생에너지로 만들어진 전력을 수천km에 달하는 미국 전역에 전달하기 위해 굳이 설비를 새 것으로 교체할 필요는 없다. 현재 오크리지 국립연구소에서 연구하고 있는 초전도 케이블을 기존 설비에 설치하기만 해도 되기 때문이다.
이 케이블에서 전류가 흐르는 곳은 두께 1㎛의 초전도 테이프며, 초전도 테이프는 영하 196℃의 냉각용 액체질소가 든 스테인리스-스틸 튜브를 감싸고 있다. 이 때문에 저온 초전도 상태에서 저항으로 인한 에너지 손실 없이 전력을 보낼 수 있다. 현재 쓰이는 구리 전선은 5~7%의 전력을 저항으로 잃어버린다.
B. 절연 능력 뛰어난 전력선 피복
과제: 지하에 매설된 전력선을 전달 효율이 우수한 절연 전력선으로 교체
진행 상황: 상용화되려면 5~10년 필요
도시에서는 전력선이 밖으로 드러나 있으면 성가실 뿐 아니라 위험하다. 따라서 도시를 가로지르는 대부분의 전력선은 지하의 전선관에 매설돼 있다. 도시의 전력수요가 늘어남에 따라 거리를 파내고 새로운 전선관을 매설할 수도 있지만 전선관에 절연 능력이 뛰어난 절연 전력선을 넣는 것이 더욱 쉬운 방법이다.
현재 전력업계의 연구개발 컨소시엄인 전력연구소는 실리콘 이산화물 입자를 내장한 새로운 절연소재를 연구 중이다. 이 소재는 기존의 전력선 피복보다 절연 능력이 33% 이상 뛰어나다. 따라서 차세대 전력선은 덩치 큰 절연시설을 추가하지 않고도 현재보다 4분의 1 정도 더 많은 전력을 보낼 수 있다.
C. 전력선의 결함 발견하는 로봇
과제: 사람 대신 전력선 오가며 결함 발견
진행 상황: 2012년 전후해 첫 상용 버전 등장 예정
현재의 전력선 검사는 느리고 비용도 많이 든다. 심지어는 헬리콥터까지 동원해야 하는 경우도 있다. 이에 따라 전력연구소는 연간 2차례에 걸쳐 128km 길이의 전력선을 저렴하고 정확하게 조사할 수 있는 로봇을 개발하고 있다. 카메라와 스캐닝 레이저, 내장형 영상분석 소프트웨어를 장착한 이 로봇은 전력선을 타고 달리며 시간에 따른 전력선의 노후화 정도, 전력선에 닿는 나뭇가지, 그리고 기타 잠재적인 문제점을 영상을 통해 파악한다.
D. 자체 수리 가능한 전력선
과제: 나노입자 이용해 절연 피복의 균열 스스로 보수
진행 상황: 10~15년 내 상용화 예정
도시를 덜 파헤치려면 사소한 수리를 위해 전력선을 파내는 일을 줄여야 한다. 절연 피복에 약간이라도 균열이 생기면 그 안에 있는 구리의 전기장이 미묘하게 변하게 된다. 전력연구소에서 개발 중인 새로운 절연 피복은 이 같은 전기장의 변화에 민감한 나노입자를 활용해 문제를 해결하려 하고 있다.
절연 피복에 있는 나노입자가 전기장의 변화를 감지하면 가열돼 주변의 폴리머 분자를 녹임으로서 절연 피복의 균열을 메우는 것. 현재의 노후화된 전력선은 점점 망가져 가고 있으며, 약 4분의 1이 설계 수명을 초과했을 정도다. 이 때문에 전력연구소는 이들을 자체 수리가 가능한 전력선으로 대체하려고 하는 것이다.
E. 광합성 원리 이용한 전력 생산
과제: 식물과 같은 방식으로 메탄올 확보해 발전에 이용
진행 상황: 지난해 물에서 산소와 전자 분해해내는 풍부한 촉매 발견
태양전지 패널을 통해서만 전력을 얻을 수 있는 것은 아니다. 과학자들은 수년 동안 물을 분해해 메탄올을 만들고, 메탄올과 수증기를 반응시켜 수소를 발생시키는 연구를 해왔다.
이 수소를 태운 열로 터빈을 돌리면 전력을 생산해 낼 수 있는 것. 일반적으로 이리듐은 물에서 산소와 전자를 분해해내는 촉매 역할을 한다. 그리고 산소와 전자를 이산화탄소와 전기화학적으로 반응시키면 메탄올이 나온다.
식물 역시 엽록소에서 햇빛으로 물을 분해, 산소와 전자를 만들어낸다. 하지만 이리듐은 너무 희소자원이기 때문에 실용성이 부족하다. 지난해 로렌스 버클리 국립연구소의 연구자들은 풍부한 산업용 촉매 가운데 하나인 산화코발트를 촉매로 사용하는 방법을 발견해냈다. 다음 목표는 효율이 비슷한 또 다른 촉매를 발견하는 것이다. 이 같은 방식은 석유와 비교해도 충분한 경쟁력을 가질 수 있다.
F. 잉여전력 저장할 수 있는 회전식 드럼
과제: 회전식 드럼으로 전력 저장하는 발전소 건설해 전력망과 연계
진행 상황: 뉴욕 주 스티븐타운에 20㎿ 규모의 발전소 공사 중
현재의 전력망은 전력의 저장 기능이 없다. 믿을 수 없지만 사실이다. 가정의 콘센트에서 나오는 전기는 최소한 1밀리 초 전에 생산된 것이다. 발전소에서는 항상 전력수요가 최대에 이를 경우에 대비해 전력을 생산하고 있기 때문이다. 재생에너지는 특유의 변동성 때문에 항상 일정한 전력을 생산할 수 없다.
따라서 남아도는 전력을 저장해 두었다가 야간 또는 구름이 끼거나 바람이 없는 날 사용할 필요가 있다. 매사추세츠 주에 소재한 기업인 비콘 파워의 해결책은 전력망의 잉여전력을 탄소섬유 및 유리섬유로 만들어진 회전식 드럼을 이용해 저장하는 것. 드럼은 플라이휠과 맞물려 있다.
플라이휠은 분당 1만6,000번 회전하는데, 속도는 마하 2에 달한다. 플라이휠을 돌리는 것은 진공 챔버 아래 부분에 있는 모터. 일반적으로 플라이휠은 저항이 없는, 즉 진공상태에서 회전하는 바퀴를 말한다. 이 같은 특성으로 인해 전력을 운동에너지로 전환했다가 전력이 필요할 경우 재차 운동에너지를 이용해 발전기를 돌릴 수 있다. 한마디로 전력을 저장하는 역할을 하는 것이다.
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