최근 수능 비문학 지문에서 나오는 고난도 지문은 과학적 기술 원리와 경제적 사회 현상을 한데 버무리기도 합니다. 과거 수능에서 ‘송전 전압과 전력 손실’의 관계를 묻거나, 최근 6월 모의고사에서 기술 인프라가 경제에 미치는 영향을 다룬 것이 대표적인 예입니다.
인공지능(AI)이 세상을 뒤흔드는 지금, 정작 AI의 두뇌만큼이나 중요한 ‘혈관’ 이야기는 놓치기 쉽습니다. 바로 전력망입니다. AI가 두뇌라면, 전력망은 그 속의 혈관이죠.
우리가 일상에서 쓰는 전기는 원자력, 화력, 태양광 등 다양한 방식으로 생산합니다. 문제는 이렇게 만든 전기를 송전하면서 많은 손실이 일어난다는 점입니다. 발전소는 보통 도심과 멀리 떨어진 곳에 있으니까요. 이때 가장 중요한 기술 포인트가 바로 전압입니다. 발전소에서 만든 전기는 수십만 볼트로 전압을 높여 보냅니다. 왜 굳이 위험하게 전압을 높일까요? 바로 ‘에너지 손실’ 때문입니다. 전선도 물질이기에 저항이 있고, 전기가 흐르면 열이 발생하며 에너지가 사라집니다. 이때 전압을 높이면 전류가 줄어들어, 저항에 의해 사라지는 손실 전력을 줄일 수 있어요. 우리가 산속에 거대한 철탑을 세우는 이유가 바로 이 ‘효율’ 때문이랍니다.
도시 근처 변전소에 도착한 전기는 다시 전압을 낮춰 각 가정이나 공장으로 안전하게 나눠줍니다. 변압기가 중요한데, 전자기 유도 방식을 사용해서 전압을 낮추죠. 철심 양쪽에 코일을 감아두고 한쪽에 고압의 교류 전기를 흘리면, 철심을 따라 변화하는 자기장이 만들어집니다. 이 자기장이 반대편 코일을 통과하면서 다시 전기를 유도해내는데, 이때 코일을 감은 횟수(권선수)의 비율에 따라 전압이 결정되죠. 즉, 들어오는 쪽보다 나가는 쪽의 코일을 적게 감으면 전압이 뚝 떨어집니다. 우리 집 앞 전신주에 매달린 커다란 회색 통들이 바로 이 원리를 이용한 전압기입니다.
AI센터는 과거 전력망과 다른 형태를 요구합니다. 기존 전력망은 거대 발전소에서 도심으로 전기를 일방통행시키는 구조였습니다. 하지만 이제는 두 가지 거대한 변화가 전력망의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 첫째는 데이터센터 폭증입니다. 특정 지역에 막대한 전력 수요가 몰리면서 기존 송전선이 과부하를 견디지 못하고 있습니다. 둘째는 신재생에너지 확산입니다. 태양광과 풍력은 자연 조건에 따라 전기를 만들다 말다 하죠. 전기는 생산과 소비가 동시에 일어나야 균형이 맞는데, 신재생에너지는 균형이 깨지죠.
수능 기술 지문에서 신기술을 다룬다면 반드시 주목해야 할 두 가지 키워드도 알아둘까요. 우선 초고압 직류송전(HVDC)입니다. 우리는 흔히 토머스 에디슨과 니콜라 테슬라의 전쟁에서 승리한 ‘교류(AC)’ 전기를 씁니다. 에디슨이 사랑한 직류는 전자가 한쪽으로만 묵직하게 흐르는 방식입니다. 배터리와 반도체 소자처럼 안정적인 전력이 필요한 기기에 꼭 필요하죠. 반면 테슬라가 제안한 교류는 전기가 흐르는 방향이 일정한 주기에 따라 앞뒤로 계속 바뀌는 방식입니다. 마치 셔틀런(왕복 달리기)하듯 전자가 왔다 갔다 하는 셈이죠.
과거엔 전압을 높이거나 낮추는 변압 기술이 교류에서만 가능했기에 테슬라의 교류가 전 세계 표준이 됐지만, 이제는 전력 반도체 기술의 발달로 직류도 자유자재로 전압을 조절할 수 있게 되면서 다시금 ‘직류의 시대’가 돌아오고 있답니다. 직류(DC)는 교류보다 전력 손실이 적고, 전선 주위에 발생하는 전자파도 현저히 적습니다. 특히 바다를 건너거나 국가 간 전력망을 연결할 때 HVDC는 필수적인 기술입니다. 한국도 동해안의 전력을 수도권으로 끌어오기 위해 이 HVDC 기술에 사활을 걸고 있죠.
두 번째는 전력망에 AI와 정보기술(IT)을 접목한 ‘지능형 전력망’입니다. 전력 공급자와 소비자가 실시간으로 정보를 주고받아, 전기가 남을 때는 저장하고 부족할 때는 아껴 쓰도록 조절합니다. 여기에 거대한 배터리인 에너지저장장치(ESS)가 결합하면 낮에 태양광으로 만든 전기를 밤에 AI 데이터센터로 보내는 식의 효율적인 운용이 가능해집니다.
NIE 포인트
1. 전력망을 구성하는 요소에는 무엇이 있을까?
2. 고압의 전류가 저압으로 바뀌는 원리에 대해 살펴보자.
3. AI 시대에 전력망이 중요해진 이유는 무엇일까?