전력망 작동 원리 : 미국 전력망의 이해 - 발전, 전송, 유통, 소비의 단계를 거치는 전기의 생애(미국 에너지 믹스, 전기발명 에디슨)

안녕하세요 스타벅 입니다

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오늘은 미국의 전력망의 운영에 대해서 정리해보려고 합니다.

우리나라와의 차이라고 한다면 전봇대가 나무로 돼있냐 시멘트로 돼있냐일 거 같고요 한국 전력이 독점을 하냐 여러 유틸리티들이 유통하냐의 차이일 거 같습니다.

전력망 작동 원리

전기는 우리의 일상생활에 매우 중요하지만 발전소에서 우리 집까지 어떻게 전달될까요? 전력망은 발전원(source of generation)에서 전기를 가져와 가정, 사무실 및 공장에 공급하여 전체 경제에 전력을 공급하는 복잡한 상호 연결된 시스템입니다. 때때로 "세계에서 가장 큰 기계"라고 불리는 전력 그리드는 현대 경제에서 중요하며 경이로운 엔지니어링입니다.

위의 National Public Utilities Council의 인포그래픽은 전력망이 어떻게 작동하는지 설명하고 전력망을 구성하는 세 가지 주요 구성 요소를 강조합니다.

1. 발전

전력망은 일반적으로 공공, 민간 또는 투자자 소유 유틸리티가 소유하고 운영하는 전기를 생성하는 발전소(power plants)로 시작합니다.

11,000개 이상의 발전소가 미국 그리드를 구성하여 연간 4조 킬로와트 시(kWh) 이상의 전기를 생성합니다. 이들은 다양한 에너지원에 의해 연료가 공급됩니다.

아래는 미국의 전력 에너지 믹스가 나와 있습니다.

Energy Source	2021 Electricity Generation (billion kWh)	% of Total
Natural Gas	1,575	38%
Coal	899	22%
Nuclear	778	19%
Renewables	826	20%
Other	38	0.9%
Total	4,116	100%

Source: Energy Information Administration (EIA)

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천연가스(38%)와 석탄(22%)은 2021년 연간 발전량의 60%를 차지했고 원자력이 그 뒤를 이었습니다. 풍력은 가장 큰 재생 가능 에너지원으로 재생 가능 전력 생산의 10%를 차지했습니다.

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각 발전 기술은 더 큰 전력망 단위에서 수행하는 역할이 다릅니다. 예를 들어, 생산량(output)을 쉽게 조정할 수 없는 석탄 및 원자력 발전소는 기저부하(baseload) 발전소로 알려져 있습니다. 출력(output)은 하루 종일 거의 동일하게 유지되며 일반적으로 그리드를 계속 운영하는 데 필요한 최소량의 전력을 제공하는 데 사용됩니다.

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반면에 천연가스 및 풍력 및 태양열과 같은 간헐적인(intermittent) 재생 가능 자원을 통한 발전은 하루 종일 변동하며 일반적으로 수요가 가장 높은 저녁 시간에 최고조에 달합니다. 천연가스 플랜트는 생산량을 비교적 빠르게 조정할 수 있기 때문에 수요가 가장 높은 피크를 충족하는 데 특히 유용합니다.

2. 전송

발전 후 전기는 송전(transmission)이라고 하는 프로세스를 통해 발전소에서 수요 센터로 이동합니다.

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첫째, 전기는 발전소에서 변전소(substations)로 보내지고 승압 변압기(step-up transformers)가 전송을 위해 극도로 높은 전압으로 변환합니다. 고전압 변환은 전송 중 열로 손실되는 전기의 양을 최소화하는 데 도움이 되며, 미국의 전송 손실률은 약 5%입니다. 전압이 높을수록 손실되는 전기가 적습니다.

그런 다음 송전선은 이 고전압 전기를 장거리로 운반하며 종종 여러 주(states)에서 상호 연결됩니다. 송전선 전압은 69,000 볼트(69kV)에서 765kV까지 다양할 수 있으며 전송 라인은 지상과 지하 모두에 있을 수 있습니다. 다음은 모든 고전압(345kV 이상) 미국 송전선의 지도입니다.

미국 송전선 지도

Source: U.S. Energy Atlas

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송전 인프라를 업그레이드하고 확장하는 것은 탈탄소 전력망을 달성하는 데 중요합니다. 특히 유틸리티가 국가에서 가장 일조량이 많고 바람이 가장 많이 부는 지역에 태양열 및 풍력 용량을 구축할 때 그렇습니다.

3. 유통과 소비

배전(distribution)은 전력망의 마지막 주요 구성 요소를 구성하는 전력 공급의 마지막 단계입니다.

간단히 말해서 전송(trnasmission)이 끝날 때 유통(distribution)이 시작됩니다. 배전은 송전(trnasmisstion) 시스템에서 개별 고객에게 전력을 전송하는 과정입니다.

첫째, 강압 변압기(step-down transformers)는 송전 라인의 고전압 전력을 사용에 적합한 저전압으로 변환합니다.

이 변압기는 일반적으로 수요 중심 내에서 전기를 운반하는 데 사용되는 나무로 만들어진 배전대(distribution poles)에 연결됩니다. 미국에는 약 1억 8000만 개의 배전대가 있으며, 특히 도시에 거주하는 경우 매일 하나를 접할 가능성이 높습니다.

미국 전봇대 (출처. 한국과학기술일자리진흥원)

배전선과 기둥은 가정, 사무실 건물, 공장 및 전기 자동차를 포함한 최종 소비자에게 전기를 공급합니다. 다음은 2021년 각 최종 사용 부문에 대한 미국 전력 판매를 살펴봅니다.

난방 및 냉방은 주거용 전기 사용량 중 가장 큰 부분을 차지합니다. 상업 부문에서 냉장고, 컴퓨터 및 사무 장비는 전기 사용량의 4분의 1 이상을 차지합니다. 운송 부문은 단연코 가장 작은 전기 소비자이지만 이 수치는 전기 자동차 판매가 증가함에 따라 변경될 수 있습니다.

항상 그리드를 통해 전송되는 전력량은 최종 사용 부문의 수요와 일치해야 합니다. 이는 모든 그리드가 특정 주파수(미국의 경우 60Hz)에서 작동하기 때문입니다. 과도한 전력 공급 또는 수요는 이 주파수를 불안정하게 하여 잠재적으로 그리드 인프라를 손상시키고 정전을 유발할 수 있습니다.

전력망 현대화

기계가 낡아 기름칠이 필요하듯이, 미국 전력망은 노후화되어 업그레이드가 필요합니다. 특히 전력 부문이 2035년까지 100% 청정 전력을 달성하기 위해 노력하고 있기 때문입니다.

전기 수요는 화석 연료 동력 기술에서 전기 기술로의 전환을 포함하는 높은 전기화 시나리오에서 가속화될 수 있습니다. 예를 들어, 전기화의 한 형태는 가솔린 자동차에서 전기 자동차로 전환하는 것입니다.

특히 청정에너지원에서 발생하는 전력 수요 증가를 충족하기 위해 미국은 송전 용량을 확장하고 그리드 현대화에 투자해야 합니다. 실제로 NREL의 연구에 따르면 2035년까지 100% 청정 전력에 도달하려면 3,300억 달러에서 7,400억 달러의 추가 전력 시스템 지출이 필요할 수 있습니다.

궁극적으로 그리드 업그레이드 및 탈탄소화는 모두 미국의 기후 목표에 중추적이며 이를 위해서는 전력 회사에서 정부 및 최종 소비자에 이르기까지 모든 이해관계자의 조치가 필요합니다.

미국의 전력 유틸리티 회사

아래 지도를 보면 미국 전력회사들과 서비스 지역이 표시되어 있습니다. 하나의 주에도 여러 유틸리티 들이 있습니다. 우리나라는 전기 유통은 한국전력이 독점하고 있습니다.

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아래는 미국 전기 발전소의 원천별 정보가 나와 있습니다.

가장 많은 전기를 공급하는 회사는 전기 유틸리티들입니다. 두번째는 독립 전력 생산자들입니다. 세 번째는 캐나다와 멕시코로부터의 전기 수입입니다. 전기 유틸리티 회사 중에 투자자 소유의 전기 유틸리티의 전력 공급 비중이 가장 큽니다.

미국 전기 공급 소스 (출처. Industry Data | (eei.org))

끝.

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참고. visualcapitalist " how does the power grid work"