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전력수요의 급증으로 최근 일부 제한송전이 실시되는 등 전력위기가 심화되고 있다. 전력생산에만 신경을 기울이기 보다는 있는 전기를 아껴쓰는 지혜가 필요하다는 지적이 많다. 최신 절전기술에는 어떤 것들이 있는가?

전기는 1882년 미국에서 최초로 상업 발전이 시작된 이래 1백여년 동안 인류 생활에 수많은 기술혁신을 가능하게 한 에너지다. 캄캄한 밤에 주위를 밝혀주던 호롱불을 전등으로 바꾸었으며, 라디오 텔레비전 전화와 같은 편리한 문화 수단의 이용을 가능하게 했고, 전동기 발명에 의한 또 한번의 산업혁명과 전철의 이용이라는 교통혁명을 가능하게 했다.

이와같이 편리한 전기가 부족하여 저녁에 전등을 켤 수 없고 재미있는 텔레비전 영화도 볼 수 없다면 어떻게 될까. 지하철이 멈추고 고층 아파트의 엘리베이터를 사용할 수 없으며 공장에서는 생산기계들이 돌아가지 않는다면 어떻게 될까. 이 모두가 상상조차 하기 싫은 끔찍한 일들이다.

발전소에서 발전을 위해 투입된 석유 및 석탄과 같은 1차 에너지의 60% 정도가 전기를 생산하는 과정에서 손실된다. 이렇게 생산된 전기는 송전선을 통해 수용가로 보내지는 과정에서 선로저항 등에 의해 약 6%가 없어지고 공장이나 가정에서 각종 전기기기들을 이용하면서 또 다시 손실되어 최종적으로는 투입된 에너지의 불과 20~30%만이 이용된다.

초전도 송전기술 유망

전기를 절약하는 방법에는 불필요한 전기의 사용을 억제하는 방안과 기술에 의해 전기를 효율적으로 사용함으로써 절약하는 방안 등 두가지를 들 수 있다. 기술적인 방법으로는 첫째 발전소에서 수용가로 전기를 보내는 과정에서의 손실을 극소화하는 것, 둘째 전기를 사용하는 과정에서 이용효율을 향상시키는 것, 셋째 전기가 불필요할 때 저장하고 필요할 때 사용하는 전력저장기술의 이용을 들 수있다. 이들 기술에 대한 연구개발 분야를 요약하면 (표)와 같다.

각종 전기기기의 사용과정에서 이용효율을 높이는 것은 일반인들과 가장 밀접한 관계에 있는 전기절약방법이다. 잘 아는 바와 같이 전기는 형광등과 같은 각종 조명기구, 냉장고 세탁기 및 텔레비전과 같은 다양한 가전기기, 그리고 공장에서 사용되는 각종 전동기(전기모터) 전기용접기 또는 지하철과 전철 등에 의해 최종적으로 소비된다. 따라서 전기를 적게 소비하는 각종 절전형 기기의 개발과 이들 절전형기기의 사용은 값비싼 전기를 적게 소비할 수 있는 지름길이다.

전기가 발전소에서 공장이나 집으로 보내지는 동안 손실되는 송배전 손실률은 우리나라의 경우 6% 정도로 선진국과 비슷한 수준에 있다. 이러한 손실을 양적으로 환산해 보면 1989년 경우 인천지역에서 1년동안 사용한 전력보다도 많은 양이다. 송배전 손실률을 1%만 낮추어도 제주도에서 2년동안 소비되는 전기를 절약할 수 있다.

송배전 손실을 극소화시키기 위한 방법으로서 송전 전압을 현지 사용되고 있는 3백45㎸(킬로볼트) 보다 훨씬 높은 8백㎸로 높이는 초고압 송전기술과 현재의 교류송전을 직류전기로 바꾸어 송전시키는 기술 등이 연구검토되고 있다. 초고압 또는 직류송전에 의해 손실률을 줄이는 기술은 이미 국토면적이 넓은 나라에서는 장거리 송전에 부분적으로 사용하고 있으며, 미국이나 일본과 같은 기술선진국에서는 손실을 근원적으로 줄이기 위한 새로운 개념의 송전기술이 적극적으로 연구되고 있다.

즉 송전선으로 사용되는 전선을 아주 낮은 온도로 유지시키면 전기저항이 감소되며 -2백73℃ (절대온도 0도)에서는 전기저항이 전혀 없어지는 초전도(超傳導)현상을 이용해 송전과정에서의 손실을 극소화하거나 전혀 없도록 한다. 극저온(極低温)또는 초전도 송전기술은 21세기에 사용될 새로운 기술로 유망시되고 있다.
 

전력소모의 80%가 전동기

공장 백화점 또는 가정집 등으로 보내진 전기는 벽면에 설치된 전기콘센트에 각종 전기 기기들을 연결해 사용된다. 우리나라에서 전기가 어떻게 소비되는가를 살펴보면 전체 전기의 80% 정도가 공장의 생산기계를 돌리거나 건물의 엘리베이터 등을 움직이기 위한 동력용으로 소비되고 나머지 20% 정도는 전등을 켜기 위한 조명용으로 소비되고 있다.

동력용 전기는 전기에너지를 기계적인 에너지로 바꾸어 주는 장치인 전동기(전기모터)에 의해 대부분 소비된다. 즉 전동기는 각종 동력기기 펌프 송풍기 엘리베이터 등을 움직이게 하며, 냉장고 세탁기 오디오와 같은 각종 가전기기에도 필수적으로 사용된다. 따라서 적은 전력으로 큰 용량의 힘을 낼 수 있는 높은 효율의 에너지절약형 전동기의 개발은 기술적으로 전기를 절약하는 데 매우 중요한 분야다.

에너지절약형 전동기를 만들기 위해서는 전동기가 회전할 때 생기는 에너지 손실을 줄이도록 해야 한다. 전동기의 내부 손실은 대부분 자장(磁場)을 형성시키기 위해 철심에 감은 권선(捲線, coil)에 전류가 흐르면서 발생되는 저항손실(흔히 銅損이라고 함)과 철심에 자속(磁束)이 시간적으로 변할 때 발생되는 철손(鐵損)에 의해 발생되며 이외에도 회전에 따른 마찰에 의해 일부 손실된다. 이러한 전동기의 내부 손실을 줄일 수 있는 새로운 권선 및 철심재료 또는 전기적 절연재 등의 개발이 연구되고 있으며 설계기술과 제작기술도 꾸준히 개선되어야 할 분야다. 에너지절약형 전동기를 사용하면 기존의 전동기를 사용할 때에 비해 5~10% 전력을 절약할 수 있다.

절전형 전동기의 사용과 함께 많은 양의 전기를 절약할 수 있는 기술로는 전동기가 사용되는 여러 설비의 운전을 최신의 전자기술로 최적화시켜 소비전력을 줄이는 방법이 있다. 예를 들면 펌프로 물을 공급할 때나 보일러 송풍기로 공기를 불어 넣을 때 필요한 물의 양이나 공기의 양은 파이프에 설치 된 밸브나 댐퍼로 조절한다. 이 때 펌프나 송풍기를 회전시키는 전동기는 같은 속도로 회전하면서 일정한 전력을 지속적으로 소비하게 된다. 그러나 펌프나 송풍기의 회전속도(즉 전동기의 회전속도)를 조절하여 틀이나 공기를 필요한 양 만큼 보내도록 하면 기존의 방식보다 30~50% 절전이 가능하게 된다. 펌프나 송풍기와 같은 기계가 공급하는 물이나 공기의 양은 전동기의 회전수에 비례하며 또한 전동기가 소비하는 전력은 전동기 회전수의 3승에 비례하는 원리를 이용하여 물이나 공기가 적게 필요할 때 전동기의 회전수를 낮춤으로써 소비전력을 대폭 감소시킬 수 있는 것이다.

종전에는 전동기의 회전수를 필요에 따라 조절하는 것이 기술적으로 불가능했으나 전력용 반도체가 개발되고 전자기술이 발전되면서 최근에는 인버터라는 전자장치를 사용하여 전동기에 인가되는 전압과 주파수를 변화시켜 전동기의 회전속도를 마음대로 변화 시킬 수 있는 기술이 개발됐다.

각종 보일러 송풍기, 급수장의 펌프, 대형 건물의 공조설비로부터 에어컨과 같은 가전기기에까지 응용되는 이 기술은 인버터를 이용하여 전동기의 회전속도를 필요한 유량에 맞도록 조절함으로써 소비전력을 대폭적으로 줄이는 최첨단 절전기술중의 하나로 주목받고 있다.
 

절전형 형광등 각광

우리나라에서도 이미 냉장고 세탁기 선풍기 전기밥솥 텔레비전과 같은 가전기기들이 보편적으로 사용되고 있다. 생활수준이 높아지면서 최근에는 에어컨과 같은 하절기 냉방기기의 사용이 급증하고 있으며 이에 따른 냉방용 전력소비가 전력공급의 부족을 초래하는 하나의 요인이 되고 있다.

우리 주변에서 사용되는 각종 가전기기의 소비전력을 줄이기 위한 기술개발은 가전기기 생산업체를 중심으로 꾸준하게 수행됐으며, 냉장고에 월간 소비전력량을 반드시 표시하도록 한 소비전력 표시제도도 절전형 냉장고의 개발을 유도했다. 절전형 냉장고의 개발은 초기에는 내부의 차가운 공기가 외부열에 의해 손실되지 않도록 하기 위한 단열기술 개선 등에 집중됐으나 최근에는 핵심부품인 압축기의 개발 등이 이루어져 80년대 초기의 매월 소비전력 40kWh 수준(용량 1백75ℓ 기준)에서 지금은 절반수준인 20kWh로 개선되어 전기에너지절약에 크게 기여하고 있다.

룸에어컨을 비롯한 각종 냉방기기의 경우는 국내에서 보편화된 시기가 상대적으로 짧기 때문에 기술개발면에서 외국에 비해 다소 뒤떨어져 있으나 절전형 압축기개발, 냉방사이클의 효율개선 및 최신 열펌프를 이용하는 기술 등이 정부 출연연구소와 기업을 중심으로 적극 연구개발되고 있다. 또한 최근에는 인공지능을 이용한 세탁기를 비롯하여 각종 가전기기들에 최신 기술을 접합시켜 편리한 사용과 함께 전력을 절약하는 데에도 커다란 도움이 되고 있다.

전체 전기의 20% 정도를 소비하는 조명 부문에서도 소비전력을 줄이기 위한 기술들이 다양하게 연구개발되고 있다. 조명용으로 백열등보다는 형광등이 전력소모가 매우 적다는 것은 이미 잘 알려진 사실이며, 요즘은 같은 밝기의 백열등보다 전력소비가 5분의 1도 안되는 초절전형 형광등이 외국에서 개발되어 국내에서도 판매되고 있다. 1백W의 백열전등과 밝기는 같으나 소비전력은 20W 미만인 절전형 형광등은 빛의 질을 나타내는 연색성도 좋아서 호텔이나 사무용 건물 같은 곳에서 다양하게 사용될 전망이다.

최근에는 형광등을 점등시키는 방식으로 전자식 안정기가 소비전력의 절약과 함께 순간적 점등이라는 편이성으로 그 이용이 확대되고 있으며 이에 대한 기술개발이 이루어지고 있다. 형광등을 점등시키기 위해 사용되는 전자식 안정기는 기존의 초크(choke)식과는 달리 첨단 전자기술을 응용하여 형광등에 사용되는 교류전기를 직류로 변환시킨 후 다시 40㎑ 전후의 고주파로 발진시켜 형광등을 순시 점등시키는 방식으로서 전력소비도 10% 이상 절약할 수 있는 기술이다.

국내에서도 이와같은 전자안정기의 신뢰도 향상과 전자기파(電磁氣波)방해에 대한 기술적 문제를 해결하기 위한 연구와 다른 종류의 방전등에 사용할 전자안정기를 개발하려는 연구가 계속되고 있다. 미국의 일부 주정부에서는 에너지절약을 위해 형광등에서는 전자안정기를 의무적으로 사용하도록 한 곳도 있다.

심야전력을 저장

앞에서 살펴본 각종 절전형 전기기기들의 개발 이외에 최근에 눈부시게 발전한 컴퓨터기술을 귀중한 전기를 절약하는 방법으로 이용하려는 연구도 매우 활발하게 이루어지고 있다.

공장에서 제품생산에 필요한 전력비용이 커지고 호텔이나 업무용 건물도 대형화됨에 따라 전력소비가 많아지면서 전기의 사용을 최적화시켜 전력소비를 절약함으로써 비용지출을 최소화시키기 위한 기술이 필요하게 된다. 이때 컴퓨터기술을 이용하여 공장 사무실 등에서의 작업조건 또는 근무시간에 따라 필요한 전력을 사전 판단하여 적정한 부하(負荷)를 조절하거나 햇빛에 의한 자연 채광 상태를 감지하여 사무실의 불필요한 조명등을 자동적으로 꺼주기도 해 전력소비를 극소화시키는 것이다.

흔히 에너지관리 시스템(EMS, Energy Management System)라고도 불리는 이 기술은 각종 센서와 컴퓨터를 이용해 모든 전기설비의 가동상태를 파악하고 제어함으로 써 전기소비를 절약하도록 하며 이외에도 건물의 실내 환경여건을 감지하여 난방용 연료의 소비를 극소화하는 등 사용하는 모든 에너지의 효율적인 이용을 가능하게 하는 최첨단기술이다. 최근에는 한발 더 나아가서 건물의 화재예방을 포함한 각종 감시기능도 수행할 수 있도록 하여 에너지관리를 포함한 건물의 모든관리를 자동화시키는 인텔리전트빌딩(IBS, Intelligent Building System)기술도 개발되어 대형 건물을 중심으로 확대 사용될 전망이다.

전기를 많이 사용하지 않는 밤중에 발전소에서 남는 전기를 저장해 전기소비가 많은 낮시간대에 사용한다면 전력의 효율적인 이용과 함께 전력계통 운영상에도 크게 기여할 수 있게 된다.

가장 일반적으로 사용하는 방법은 양수발전이다. 심야전력을 이용하여 펌프로 물을 저수지로 퍼올려 저장한 후 저장된 물로 낮에 수력발전을 하여 전기를 다시 생산하는 방법으로서 우리나라에서도 청평과 삼랑진 양수 발전소에서 이용하고 있는 기술이다. 외국에 서는 심야전력으로 대량의 공기를 압축시켜 지하에 저장했다가 필요할 때 발전에 이용하는 기술도 실험하고 있다.

또한 21세기에는 새로운 전지(電池)가 개발되고 초전도기술이 확립되어 대규모 전력 저장에 응용될 것으로 전망된다. 특히 작은 크기의 전지에 많은 양의 전기를 저항할 수 있는 새로운 전지가 개발되면 대규모 전력저장뿐만 아니라 전기자동차도 실용화될 수 있다. 이러한 전기자동차가 개발되면 밤중에 싼 값의 심야전기를 충전시켜 낮에 직장으로 출퇴근할 수 있게 되어 전기절약뿐 만 아니라 무공해 차량으로서 환경오염 방지에도 크게 기여하게 되는 것이다.

일반 가정이나 건물단위에서 비교적 간편하게 심야전력을 이용하는 방법으로는 전열기(電熱器)를 이용하여 물을 뜨겁게 데워서 소형 축열장치에 저장한 후 낮시간에 사용하는 기술이 많이 이용되고 있다. 외국에서는 건물지하에 커다란 축열조를 설치하여 심야 전기로 물을 데워 저장하여 낮시간에 난방용으로 사용하기도 하며, 여름에는 심야에 얼음을 만들어 낮시간에 냉방용으로 사용하는 기술이 개발된 바 있고 우리나라에서도 부분적으로 이용되고 있다.
 

신규발전소 93년이후 가동

전기라는 눈에 보이지 않는 에너지는 이미 오래전부터 우리 생활에서 없어서는 안될 편리한 에너지로 사용되고 있다. 근래에 전력 수요가 급격하게 증가되는 반면에 신규 발전소는 1993년에야 전력계통에 투입되어 전기를 공급할 예정이기 때문에 금년과 내년에는 전기의 부족현상이 예측되고 있다. 그러나 국민 모두가 전기를 아껴 쓰고 앞에서 소개한 여러가지 절전기술들을 적극적으로 활용 한다면 이러한 어려움도 슬기롭게 헤쳐나갈 수 있을 것이다. 또한 전력공급이 아무리 풍부하더라도 값비싼 전기를 효율적으로 이용하기 위한 기술개발은 끝없이 지속돼야 하고 이를 위해 많은 연구투자가 이루어져야 한다.

여름철 전기 아껴쓰는 법 실내 적정온도는 26℃

전력예비율이 10% 미만으로 떨어지고 7월 들어 벌써 몇차례 제한송전 사태가 벌어지는 등 올여름 전력사정이 악화일로를 걷고 있다. 게다가 과부하 걸린 원전들이 잦은 고장을 일으켜 전력위기를 가중시키고 있다.

한전에서는 "93년이후 현재 건설중인 발전소들이 잇따라 가동에 들어가므로 내년까지만 최대한 전기를 아껴 쓰면 이 위기를 넘길 것"이라고 전망한다.

여름철에 전력수요가 급격히 늘어나는 이유는 찌는 듯한 더위때문에 에어컨 등 냉방에 상당량 전력을 뺏기기 때문. 에어컨이 풀가동되는 오후 2~3시가 피크타임이다. 올여름 냉방전력 수요는 4백만㎾ 정도로 예상된다. 1백만㎾ 급 원전 4기가 에어컨을 켜는 데 동원된다는 얘기다.

전력수요가 많은 대형건물의 냉방용으로 동자부와 한전이 적극 권장하고 있는 전기절약방식은 빙축열냉방시스템. 전기가 남아도는 심야에 주먹크기 만한 물주머니를 많이 얼렸다가 낮시간에 이를 녹여 냉방용으로 사용한다는 원리다. 기존의 수축열냉방시스템에 비해 10배 이상 열효율이 높으며 전기 요금이 싼 심야전력을 이용한다는 장점이 있다. 다만 시설비가 40% 정도 더 들어간다는 단점이 있다. 한전은 빙축열냉방시스템의 보급을 권장하기 위해 시설비의 10~20%를 무상지원한다는 방침을 세웠다.

가정에서 무심코 쓰는 가전제품도 잘 활용하면 20% 가량의 절전효과를 거둘 수 있다.

가장 전기를 많이 잡아먹는 에어컨은 선풍기의 30배 정도 전력을 소모한다. 여름철 실내 적정온도는 26℃ 정도 바깥온도와 5℃ 이상 차이가 나면 냉방병에 걸릴 우려가 있다. 실내온도를 1℃ 높게 유지하면 20% 가량의 전력이 절약된다. 에어필터에 먼지가 끼면 5% 정도 효율이 떨어지므로 2주일에 한번 씩 청소해주도록 한다.

냉장고에 음식을 가득 채우면 찬공기가 순환되지 않아 전력소모가 늘어나므로 60% 정도만 채우는 것이 좋다. 텔레비전 화면을 지나치게 밝게 하거나 소리를 크게 하면 전력소모가 많아진다. 또 보지 않을 때 플러그를 뽑아주면 5W의 전기를 아낄 수 있다. 20W 형광등은 60W 백열등보다 전력소모는 3분의 1에 불과하지만 밝기는 같다. 최근에는 분위기를 한껏 낼 수 있는 에너지절약형 형광등도 나와있으므로 이를 이용해볼만도 하다.