전력을 직류(DC)로 기기에 공급하는, 이른바 'DC 전원 공급 방식'이 주목을 받게 되면서 데이터센터나 사무실, 공장, 상점, 가정 등 다양한 분야에서 DC 전원 공급 방식의 도입이 활발해지고 있다. DC 전원 공급 방식은 AC-DC 변환 회수를 줄여줄 뿐만 아니라 고효율 변환을 통해 소비 전력도 절감할 수 있게 해준다. 지구 온난화에 대한 대응이 시급한 지금, DC 전원 공급 방식은 매우 효과적인 대책이 될 수 있다. 2009년부터 데이터센터에서 300~400V의 고전압 DC 전원 공급 방식을 도입하는 것을 시작으로, 2010년경부터는 태양전지의 보급과 함께 가정에서도 60V 이하로 도입이 진행될 것으로 예상된다. NE-Korea
전기 기기에 필요한 전력을 직류(DC)로 공급하는 'DC 전원 공급 방식'의 도입이 최근 들어 다양한 분야에서 활기를 띠고 있다(그림 1). DC 전원 공급은 AC-DC 변환 회수를 줄일 수 있어, DC로 구동되는 디지털 기기나 인버터를 탑재한 기기의 에너지 절약에 큰 효과가 있을 것으로 기대되어 왔다. 전화 교환기 등 일부 분야에서는 이미 DC 전원이 사용되어 왔지만, 최근에는 보다 폭 넓은 분야에서 본격적인 도입 움직임이 일고 있다.
특히 발 빠르게 움직이고 있는 곳이 데이터센터 분야다. 서버 등 IT 기기의 소비 전력을 줄이기 위한 효과적인 대책의 일환으로 DC 전원 공급시스템을 도입하는 사례가 늘고 있는 것.
예를 들면, 2008년 10월에 일본의 CTC(Itochu Techno-Solutions Corp.)가 DC 전원 공급 방식을 도입한 데이터센터를 가동한 것 외에, 여러 서버 업체가 DC 전원 공급 방식에 대응할 수 있는 기종을 갖춰나가기 시작했다. 이와 함께 NTT 그룹은 2008년 6월에, 그룹 전체가 DC 전원 공급 방식의 도입과 보급을 추진하겠다고 발표했으며, 히타치제작소나 NEC도 DC 전원 공급을 이용한 데이터센터를 구축하겠다는 의사를 밝힌 바 있다.
이러한 움직임은 데이터센터에 그치지 않고, 상점용으로 진열장에 설치하는 조명이나 디스플레이 장치, 또는 그밖에 다른 기기에 DC 전류를 공급할 수 있는 시스템을 1만엔 이하의 가격으로 판매하는 업체들도 등장했다. 코쿠요 스토어 크리에이션(Kokuyo Store Creation) 개발본부 개발부 제 2 그룹 사토시 와타나베(Satoshi Watanabe) 그룹 리더는 "편의점이나 쇼핑몰 등에서 (이러한 시스템에) 흥미를 보이고 있다"고 밝혔다.
사무실이나 공장, 가정에서도
DC 전원은 사무실이나 공장, 그밖에 다른 분야에서도 활용된다. 일본 다케나카 코무텐(Takenaka Corp.) 관계자는 "향후 2~3년 안에 공장 등에서 DC 전원 공급 시스템의 도입이 시작될 것"으로 예측했다. 이와 함께 주택건설업체나 전기업체, 배전 부품업체 등의 엔지니어들도 "머지않아 가정에도 틀림없이 도입될 것"이라고 입을 모으고 있다. 2008년 9월 30일~10월 4일에 개최된 'CEATEC JAPAN 2008' 전시회에서는 샤프와 TDK가 태양전지와 조합해 DC로 가정 내에 전기를 공급하는 'DC 홈' 방안을 잇달아 선보였다.
샤프의 카츠히코 마치다(Katsuhiko Machida) 대표이사 회장 겸 CEO는 "10년도 채 되지 않아 LCD TV가 주류가 된 것처럼, 향후 10년 안에 DC 홈을 실현하고 싶다"며, 차세대 유망 시장으로서 많은 기대를 걸고 있다.
파나소닉 전기공업 선행 기술개발 연구소의 토루 후지오카(Toru Fujioka) 디렉터는 "2010년에 시장에 선보일 계획으로 개발을 진행 중"이라고 밝히는 등, 가정용 시스템의 발매 시기를 명확히 밝힌 업체도 등장하고 있다.
기기의 소비 전력을 절감
DC 전원 공급 방식이 데이터센터나 사무실, 공장, 상점, 가정 등 다양한 분야에서 도입이 빨라지고 있는 게 왜 하필 지금 이슈가 되고 있는 것일까. 그 이유는 이 방식이 지구 온난화에 대응하기 위한 효과적인 대책의 일환이 될 수 있기 때문이다. 예를 들면 일본에서는 '2050년에 CO2 배출량을 현시점의 절반으로 줄인다'는 목표를 내걸었지만 현재로서는 이 목표를 달성할 수 있을 것인가에 대해 많은 사람들이 의심하고 있다. 쿄토 의정서에서 비준한 '일본 내는 CO2 배출량을 2012년에는 1990년도 대비 6% 삭감한다'는 것조차도 어려울 것으로 보인다.
그 이유는 2007년도에 일본 내에서의 CO2 배출량은 1990년도에 비해 오히려 8.7% 증가하는 등 상황이 더 악화되었기 때문이다. 그 때문에 CO2 배출량이 많은 전력 전환 부문에 대한 비난은 더욱 더 거세져, 소비 전력 저감은 매우 중요한 과제로 떠올랐다.
일례로, 데이터센터는 소비전력이 2025년에는 2006년에 비해 5배 이상으로 부풀어 올라 전력 요금과 데이터센터의 공기조절에 골치를 앓게 될 것으로 보인다(그림 2). 한 데이터센터 사업자는 "이대로 현재의 설비를 계속 사용한다면 수전(受電) 능력이나 공기조절 능력이 부족해지는 곳도 나올 것이다. 이때, DC 전원 공급은 효과적인 대책의 하나이다"라고 말했다.
지금의 AC 전원 공급 시스템은 각 기기에 AC로 전력을 공급해, 기기마다 장착한 AC 어댑터 등의 AC-DC 컨버터를 이용하여 DC로 변환하고 있다. 대부분의 경우 그 변환 효율은 80% 정도밖에 되지 않는데, 이것은 투입한 전력의 20%를 열로 낭비하게 된다는 것을 뜻한다.
뿐만 아니라 기기에 따라서는 AC로부터 DC, DC로부터 AC 등의 변환을 몇 번이고 반복하는 경우가 있어, 그 변환손실이 매우 큰 문제로 대두된다. 따라서, 우선은 송전 전력을 고효율 AC-DC 컨버터를 사용해 DC로 일괄변환하고 그것을 각 기기에 공급하면 에너지 절감 효과를 높일 수 있다. 일례로, 변환 효율이 90%인 AC-DC 컨버터를 이용하면 기존의 소비 전력보다 10% 이상 절감할 수 있다.
DC 전원 공급의 도입이 가속화되고 있는 또 다른 이유는 태양전지의 보급이 급속히 이루어지고 있기 때문이다. 태양전지의 도입이 진행되면, 가정이나 사업소에서 발전한 전력을 그대로 이용하고자 하는 요구도 늘어나게 된다.
그 때, 현재의 시스템 구성으로는 발전한 전력을 DC로부터 AC로 한번 변환하고 난 후, AC로부터 DC로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 발생한다. 나가사키대학 대학원 생산과학연구과 시스템과학 전공 히로후미 마츠오(Hirofumi Matsuo) 교수는 "어렵게 만들어낸 에너지를 DC-AC 변환으로 낭비해 버리는 꼴"이라고 지적한다.
데이터센터에 우선 보급
DC 전원 공급의 도입이 가장 빨리 진행될 것으로 예상되는 곳은 데이터센터이다. 향후 전력 소비의 급상승이 예상될 뿐만 아니라 현재의 시스템에도 손실이 많기 때문이다(그림 3).
현재의 데이터센터에서는 전력의 순간적인 저하, 이른바 순간 저하(순간 정지)를 방지하기 위해 축전장치를 갖춘 무정전전원장치, 즉 UPS (Uninterruptible Power Supply)를 마련하고 있다. 그 때문에, 송전 전력으로부터의 AC는 한 번의 AC-DC 변환으로 DC가 되어 축전 장치에 공급된 후, 다시 DC-AC 변환을 통해 AC가 되어 서버 등의 기기에 공급된다. 그리고 서버 내에 공급된 AC는 기기 내에서 한번 더 AC-DC 변환으로 DC가 되어 기기 내에 전원을 공급하고 있는 것이다. 즉, 송전소로부터의 전력은 AC, DC 변환을 3회나 반복하기 때문에 비록 변환 효율이 90%라고 하더라도, 이 3회의 변환만으로 약 27%의 전력 손실을 낳게 되는 셈이다.
이것을 DC 전원 공급 방식으로 전환한다면 상당한 효과를 얻을 수 있다. 송전 전력의 공급구에서 변환 효율 90%의 AC-DC 컨버터로 일괄변환해 기기에서 이용할 수 있다면, 변환 손실을 큰 폭으로 줄일 수 있다. 이러한 효과로 인해 향후에는 DC 전원 공급 방식이 UPS를 대체할 것이라는 견해도 나온다. 산켄전기(Sanken Electric) 기술 본부 PS사업부의 어시스턴트 매니저인 요우이치 이토(Youichi Ito) 박사는 "향후에는 데이터센터 등에서 UPS가 사라지고 DC 전원 공급 방식이 이를 대체하게 될 것"이라고 내다봤다.
이러한 변화의 흐름 속에 CTC는 48V의 DC 전원 공급에 대응하는 서버(복수)를 설치한 데이터센터를 2008년 10월부터 가동하기 시작했다. CTC 데이터 센터 사업 그룹 DC사업 기획실 사업개발실 사업개발부의 마코토 카라키(Makoto Karaki) 제너럴 매니저에 따르면 CTC는 서버에 DC 전류를 공급하는 것으로 전력 소비를 20% 정도 줄일 수 있을 것으로 보고 있다.
NTT 그룹의 NTT 환경 에너지 연구소도 IT 기기에 대한 DC 전원 공급에 의해 데이터센터의 소비 전력을 14~17% 절감할 수 있다고 한다(그림 4). 이 회사에 따르면, IT 기기나 전원 부분의 소비 전력이 줄어듦에 따라 공기조절 냉각을 약하게 할 수 있어 공기조절에 드는 전력 소비도 줄어든다.
저렴해진 태양전지와 축전장치
이만큼의 효과가 있다면 데이터센터에서의 도입 사례는 한층 더 늘어날 것이다. 데이터센터에서의 채택이 활발해지면서 사무실이나 공장, 상점, 가정 등에도 서서히 보급이 진행될 것으로 보인다(그림 5). 구체적으로는, 200V가 넘는 DC 전원 공급이 데이터센터나 공장 등 산업용도로 먼저 진행되고, 이러한 용도로서 안전성에 대한 확인이 이루어진 후에 상점이나 사무실, 가정으로 도입이 확대될 것이다.
가정에 DC 전류를 공급하기 위한 주요한 열쇠가 되는 것이 태양전지다. 그 이유는 일본 가정용 태양전지에 대한 보조금 제도가 2009년도부터 재개되어 "신축 건물의 70%에 태양전지를 설치하게 될 것"(업계 관계자)이라는 기대가 모아지고 있기 때문이다.
게다가 태양전지의 가격이 '2010년경에는 지금의 반값 정도로 하락할 것'이라는 예측도 있어, 태양전지에 축전장치를 조합한 시스템이 가정에 보급될 것으로 보인다.
태양전지도 그렇거니와 축전장치도 높은 가격이 문제시 되고 있는 가운데 비용 절감을 위한 길이 열리고 있다. 2010년에 시장에 선보일 예정인 전기 자동차나 플러그인 하이브리드카 등의 등장에 의해, 고용량이면서 더욱 수명이 긴 오토모티브용 리튬이온 2차 전지의 개발이 활발해지고 있다. 오토모티브용 리튬이온 2차 전지와 가정 등에서 고정형으로 사용하는 리튬이온 2차 전지는 공동으로 사용이 가능하기 때문에 축전 장치의 가격 절감에도 크게 영향을 미칠 것으로 보인다.
실제로 가정용과 오토모티브용 리튬이온 2차 전지의 양산을 목표로 하는 일본의 엘리파워(ELIIY Power)는 "리튬이온 2차 전지의 가격을 5만엔/kWh로 실현할 수 있다"고 이 회사 히로이치 요시다(Hiroichi Yoshida) 대표이사 사장은 말했다. 이 회사는 이미 양산용 공장을 설립할 계획이라고 밝혔으며, 2008년 내에 50억엔 정도의 증자를 받을 계획이다. 우선은 가정 등의 고정형 용도로 양산을 시작해, 향후 오토모티브 용도로의 전개를 구상하고 있다.
이렇게 되면, 2kW의 태양전지와 10kWh의 축전지를 조합한 시스템을 2백만엔 이내로 가정에서도 설치할 수 있게 된다. 이에 따라 가정용 DC 전원 공급에 대한 요구가 한층 더 커질 것으로 예상된다.
현재의 가정용 태양전지는 DC로 발전한 전력을 파워 컨디셔너를 이용해 AC로 변환하고, 역조류 할 수 있도록 전압과 위상 같은 특성을 송전 전력에 맞춘다. 그 결과, 가정 내에는 AC로 전력을 공급하고, 기기마다 AC-DC로 변환하고 있다(그림 6).
그러나 향후, 현재의 시스템에 축전지를 조합하고자 하면 데이터센터와 같이 전력을 DC로부터 AC, 혹은 AC로부터 DC로 변환하는 회수가 증가해 변환 소모가 매우 커질 것이다. 따라서 제일 먼저 송전 전력을 고효율 AC-DC 컨버터로 변환하고 태양전지에서 2차 전지 그리고 기기까지 동일한 전압으로 DC 전류로 공급한다면 변환 손실을 없앨 수 있다.
가정에서의 발전량 증가세
태양전지와 축전장치 및 DC 전원 공급을 조합하는 것은 다양한 가능성을 내포하고 있다. 예를 들어 건축관련 업체들은 재해 또는 정전이 있을 경우에도 조명이나 기기의 이용이 가능한 건축물을 공급할 수 있게 될 것이다.
장래에는 태양전지뿐 아니라, 동일한 방식인 DC로 발전하는 연료 전지와의 조합도 가능하며, 가정의 발전량을 한층 더 높이는 것도 가능할 것으로 보인다. 그렇게 되면 우선은 각 지역들이 연계해 분산형 전원으로 대처함으로써 보다 높은 에너지 절약 효과를 누릴 수 있을지도 모른다. 최종적으로는 송전소에 역공급해, 피크 전력의 평준화에도 기여할 수 있을 것이다. 츠쿠바대학 대학원 시스템 정보공학 연구과 구조 에너지 공학 전공 마사요시 이시다(Masayoshi Ishida) 교수는 "낮 동안은 물론 저녁의 피크 전력까지도 평준화할 수 있다면 에너지 절약에 큰 효과가 있을 것"이라고 내다봤다.
또한 가정에서의 발전이나 축전에 대한 관심이 더욱 높아진다면, 지금까지 버려지고 있던 욕실의 배수나 홈통을 흐르는 빗물을 이용해 발전하거나, 거주자가 자전거형 헬스 기기 등을 이용해 전력을 생산하는 것을 마치 게임을 즐기듯 하게 될지도 모른다. 가정내의 이러한 소소한 발전량을 모으면 "1일당 1kWh 정도가 된다. 이것은 가정에서 하루 동안 사용하는 전력량의 10%를 대처할 수 있다"고 토호쿠대학 대학원 환경과학연구과 환경과학전공 카즈유키 토지(Kazyuki Tohji) 교수는 설명했다.
전압과 안전이 과제
DC 전원 공급이 주목을 받고 있기는 하지만 도입이 보다 활성화되려면 해결돼야 할 과제가 적지 않다. 전압과 안전성이 대표적이다. 전압이 낮으면 급전 시 저항 손실이 커지며 급전용 케이블이 굵어져 배선 시 작업 효율이 떨어진다. 이는 케이블 등의 부자재 단가 상승으로도 연결된다. 이로 인해 전압을 높이는 방안을 검토해 볼 만 하지만 이 경우에는 또 아크나 감전 등의 문제를 해결해야 한다. AC의 경우는 아크가 튀어도 AC의 전압이 주기적으로 0V가 되기 때문에 아크도 그친다. 이에 반해 DC의 경우는 일정 전압이 계속 걸려 있기 때문에 아크가 그치지 않고 주위가 불에 타버릴 위험이 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 각 애플리케이션별로 최적의 전압이나 안전에 대한 규격 등의 표준화가 반드시 이뤄져야 한다.
예컨대, 데이터센터에서는 현재 48V로 DC 전류를 공급하고 있지만 엔지니어들은 전압을 300~400V로 높이고 싶어한다. 하지만 정격전압과 더불어 최소 및 최대 전압이나 순간 저하 시의 규격, 커넥터의 형상, 안전성의 규격 등에 대해 일본 내는 물론 세계적인 표준도 마련돼 있지 않은 것이 현 실정이다(그림 7).
이러한 상황에서 일본 내에서 커다란 영향력을 가질 것으로 예상되는 곳이 NTT 그룹이다. NTT 그룹은 전압을 400V 정도까지 높인 DC 전원 공급시스템 기술개발과 그 표준화에 이미 착수했으며, 2010년까지 도입을 목표로 한다고 공개적으로 밝힌 바 있다(그림 8). 2010년까지는 NTT그룹으로부터 전압이나 안전성에 대한 통일된 입장이 발표될 것으로 보인다.
실제로 NTT데이터는 360V와 380V라는 서로 다른 전압의 DC 전원 공급시스템을 실증하기 위한 시험을 2009년 초부터 시작한다. NTT데이터 Ex테크노의 히데히로 타카쿠사(Hidehiro Takakusa) 대표이사 사장은 "우리는 에너지 절약 효과나 안전성을 조기에 확인할 계획이며, 세계 표준이 될 수 있도록 미국의 '더 그린 그리드(The Green Grid)'★ 등의 기관에 제안하고 싶다"고 말했다.
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★The Green Grid 데이터센터 등에서 IT 기기에 대한 에너지 절약 효과를 높이는 것을 목적으로, 2007년 2월 26일에 설립된 미국의 민간단체. AMD, APC(American Power Conversion), 델, HP, IBM, 인텔, 마이크로소프트, 썬 마이크로시스템스 등 총 11개사가 이사회에 참여하고 있다.
LED 조명부터 시작
가정용으로 정확히 몇 볼트의 전압을 공급할 것인지도 중요한 과제이다(그림 9). 현재 국제적으로는 60V 이하의 DC라면 해당 규제가 없는 상황이어서 지금까지의 실적을 바탕으로 "우선은 48V 혹은 24V로 급전하는 것이 적당하다"는 목소리가 배전반이나 전력 분야 등과 관련된 엔지니어들 사이에서 높다.
다만, 이 전압으로 가정 내의 소비 전력 중 큰 비율을 차지하는 에어컨이나 냉장고에 전기를 공급하는 것은 그리 현실적이지 못하다. 이러한 기기들은 소비 전력이 높기 때문이다. 예를 들면 정격 2kW의 에어컨에 48V로 DC 전류를 공급 하려면 40A가 넘는 전류가 필요하다. 이 정도 전류값이라면 배선용 케이블이 너무 굵어지거나 감전 또는 합선 시에 안전성을 확보하기 어려워진다.
이 때문에 가정 내 전력 소비의 16%를 차지하지만 기기 자체의 유닛 당 소비 전력은 낮은 조명용 전원부터 우선적으로 48V 정도의 전압을 갖는 DC 전류를 공급하게 될 것으로 보인다. 실제로 파나소닉은 DC와 AC 양쪽 모두를 공급할 수 있는 하이브리드 급전반을 우선적으로 실용화해 이를 LED 조명과 그밖에 다른 디바이스 등에 활용할 계획이다.
향후 에어컨과 냉장고 등에 DC 전원 공급을 도입하기 위해서는 데이터센터 등에서 확립할 고전압 시스템을 눈여겨보면서 표준화도 함께 진행해 나가야 한다. 특히 가정 내의 급전 시스템은 지금까지 AC뿐이었기 때문에, 주택건설업체를 비롯해 시공 업체나 배전 업체들은 "DC 전원 공급에 대한 지식이나 노하우를 습득해야만 한다"고 대기업 주택건설업체의 엔지니어는 조언했다. DC 전원 공급에 의한 에너지 절약 효과가 매우 크다는 것을 고려할 때 향후 이러한 대처는 더욱 가속화할 것으로 보인다.
코지 카리아츠마리(Koji Kariatsumari), 카츠미 야마시타(Katsumi Yamashita)
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