안전한 공연 속으로

배터리를 통한 더 나은 재건

BY 리차드 카데나(RICHARD CADENA), 닐 카사바다(NEEL VASAVADA)

이제는 비용 절감을 위해서 또는 지구를 지키기 위해서라도 라이브 이벤트 프로덕션에 전기사용 방식을 재고할 때입니다.
대부분의 경우 우리는 그리드 전력 또는 발전기 전력을 직간접적 비용에 대해 별 생각 없이 사용합니다. 직접적인 비용인 전기 요금은 상승하고 있으며, 간접적인 비용인 온실가스 배출은 지구에 해를 끼치고 있습니다. 분명 더 나은 방법이 있습니다.
전기자동차에 대한 연구,개발 덕분에 배터리 기술은 짧은 시간동안 큰 발전을 이루었습니다. 이제는 배터리 기술을 다양한 규모의 이벤트에 사용되는 전력으로 쓸 방법에 대해 고려할 때가 왔습니다.
전기자동차에 대한 연구와 개발 덕분에 배터리 기술은 단기간에 큰 발전을 이루었으며, 이제는 모든 다양한 규모의 이벤트에 사용하는 전력 공급을 위한 배터리 활용 방법에 대해 고려해야할 때입니다. 을 공급하기 위해 배터리를 활용하는 방법을 고려해야 할 시점에 이르렀습니다.
잘 알려져 있는 리튬 이온(Li-ion) 및 리튬 폴리머(Li-Po) 배터리는 에너지 밀도가 높아 핸드폰, 노트북, 태블릿, 드론, 원격 제어 자동차와 같은 휴대용 기기에 사용됩니다. 다소 생소할 수 있는 리튬인산철(LFP) 배터리의 경우 전기 자동차나 가정용 배터리 시스템에 사용되고 역시 에너지 밀도가 높지만 리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리 보다 훨씬 안정적이고 안전합니다. 화재나 폭팔의 위험이 없고 코발트와 같은 독성 물질도 없습니다.
배터리의 수명도 상당히 개선되었습니다. 모든 배터리는 시간이 지날수록 저장 능력이 떨어지고 고장도 납니다. 리튬인산철 배터리의 경우 약 오천번에서 만번의 완충/방전 주기를 거쳐야 눈에 띄는 성능 저하를 보입니다. 매일 사용한다고 가정했을 때, 적어도 10년은 쓸 수 있다는 것입니다. 또, 리튬인산철 배터리는 다른 리튬 기반의 배터리보다 빠르게 충전되어 빨리 사용할 수 있습니다. 이것이 의미하는 것은, 라이브 이벤트에 있어 만약 태양광 충전이 불가능하다면 수용 비용이 낮은 밤사이에 그리드를 통해 또는 발전기를 사용해서 배터리 뱅크를 재충전할 수 있다는 것입니다.
배터리 사용에 있어 가장 잘 알려진 장점 중 하나는 비용적으로 효율적이고 배기가스 배출도 없는 태양광 패널을 통해 에너지를 저장할 수 있다는 점입니다. 배터리처럼 태양광 패널은 효율은 좋아지고 가격은 떨어져 현재 와트당 1달러 미만에서 1.50달러 정도의 가격입니다. 게다가 태양광 발전 장치 설치 시 세금 공제나 환급과 같은 정부 지원을 받을 수도 있습니다.

배터리 뱅크를 충전하기 위해 태양열, 풍력, 또는 수력발전을 사용하는 것이 이상적인 이유는 이러한 에너지원들의 탄소 발자국이 가장 적기 때문입니다. 당연히 그리드나 건물 전력을 이용해 배터리 충전을 할 수도 있습니다.
배터리는 소음이 전혀 없고 매연 배출이 전혀 없기 때문에 무대 가까이에 배치할 수 있습니다. 따라서 배전선이 많이 필요하지 않아 비용을 절감할 수 있고 전압 강하를 크게 줄일 수 있어 전력의 품질을 향상시킬 수 있습니다.
태양광 패널과 그리드 둘 다 연결하는 하이브리드 인버터를 사용하는 경우 태양광 발전 잠재력이 낮은 지역에서도 안정성을 높일 수 있습니다. (태양광 자원 지도 참조: https://bit.ly/3IDnMP3) 그리드 전력이 재생 에너지보다 훨씬 더 높은 탄소 배출을 할 가능성이 높지만, - 지금 이 글을 쓰고 있는 현재도 석탄과 천연 가스로 생산한 전력이 세계 전력의 약 3분의 2를 차지하고 있음(2022세계 에너지 통계 리뷰, 71호 참조: http://estalink.us/bpworldenergy2022)–태양광 발전소로부터 그리드를 통해 태양광 전력을 구매할 수 있습니다. 예시로 내셔널 그리드의 커뮤니티 프로그램을 확인하시기 바랍니다.(www.bit.ly/3YA3tHH) 건물의 전력을 사용할 수 없는 야외 페스티벌이나 경기장 공연 같은 경우 대비책으로 태양광 패널과 휴대용 발전기를 사용해서 인버터가 장착된 배터리 뱅크를 충전할 수 있습니다. 배터리가 충분한 전력을 공급하지 못할 때, 발전기가 그것을 대체합니다. 이것은 부하가 높을 때 디젤 발전기가 더 효율적으로 연료를 연소하기 때문에 발전기가 가장 높은 효율로 작동하도록 합니다. 예를 들어, 완전히 채워진 멀티퀵(Multiquip) 125 디젤 발전기의 전력 생산 효율은 1갤런의 연료 당 약 17.6kWh이지만, 1/4만 채워진 상태에서는 전력 생산 효율이 1갤런당 약 12kWh로 떨어집니다. 배터리/발전기가 연결되어 있어 시스템을 최적화 하여 기재를 옮기거나 설치, 준비가 사용의 주 목적인 체인모터 그리고 주기적인 장비 테스트와 같이 전력 사용이 적은 경우 배터리로부터 전력을 공급하도록 하고, 시스템이 가동되고 실행되면 발전기가 대체하여 전력을 공급할 수 있습니다.
배터리 전력은 또 다른 장점도 있습니다. 디젤 발전기는 시끄럽고 매연 냄새가 나며, 지켜보지 않으면 위험한 상황이 생길 수도 있습니다. 혹시라도 연료가 새는 경우나 배기 가스의 불꽃으로 주변의 나무나 마른 나뭇잎 등에 불이 붙는 등 화재의 위험이 있습니다. 배터리는 이러한 위험이나 주유 때문에 생길 수 있는 위험도 없고, 유지 관리 할 것도 적으며, 연료를 보관할 필요도 없습니다.
또한 배터리는 조용해서 영화 세트장이나 클래식 콘서트장 등과 같은 소음에 민감한 이벤트에 이상적인 전력 공급 방식입니다. 그리고 배기가스 배출도 없어 공기에 영향을 주지 않기 때문에 대중들과 가까운 곳에서 사용 가능합니다.
이러한 장점이 있어 인프라가 덜 필요해 비용 절감에도 좋고, 전압 강하가 크게 줄어 전력의 품질을 향상시켜 사운드 시스템의 품질을 개선할 수도 있습니다.
또한 배터리 전력을 사용하면 전기 그리드에서 발생하는 과도 전압 스파이크(과전압)와 서지를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 과전압은 대체로 일시적으로 일어나고 전압이 매우 높습니다. 과전압이 일어나도 미터기가 느려 전압 스파이크를 알아채지 못할 수도 있습니다. 낙뢰, 아크, 특히 유도성 부화와 같은 전력망의 대형 부하의 변환 등 여러가지 이유로 인해 발생할 수 있습니다. 이것은 과도한 열을 발생시켜 회로 기판이나 집적 회로 칩과 같은 민감한 전자 부품을 손상 시킬 수 있습니다. 또한 변압기를 손상시키거나 전도체 절연에 부하를 주어 고장, 아크 발생이나 추가적 손상을 입힐 수도 있습니다. 만약 배터리 뱅크가 그리드로부터 분리되어 있다면, 그것은 또한 모든 다른 과도 전류로부터 분리되어 있는 것이고, 연결 기기의 수명을 연장시켜 주는 것입니다.
서지 보호기는 주로 배터리와 인버터로 구성되어 있으며, 일시적인 서지나 스파이크를 방지하기 위해 이용됩니다. 이미 많은 인버터 장치들은 컴퓨터 용으로 제작된 변환 스위치가 내장되어 있어 배터리 뱅크의 대비용/차단불가 전원 공급장치로 사용할 수 있습니다.
또한 인버터와 배터리 시스템은 발전기보다 서지 요구에 더 잘 대응합니다. 반전기는 급증하는 수요에 훨씬 더 잘 대응합니다. 라이브 이벤트 제작에는 디젤 발전기를 사용하는데 이러한 발전기는 원동기로부터 전력을 공급받습니다. 높은 전류의 피크 흐름에 대응하기 위해서 발전기와 부하에 맞게 기계동력의 출력을 높여야 합니다. 마력을 끌어 올리는 데는 시간이 걸리고 오디오나 조명 시스템에서는 그러한 피크의 수요가 너무 빨라서 발전기가 반응하기도 전에 끝나버리기도 합니다. 그것은 배터리/인버터 시스템이 그러하듯, 오디오 시스템은 킥드럼의 울리는 소리나 음악의 악센트와 같은 특정 과도 현상에 반응을 하지 않는다는 것을 의미합니다. 에너지가 이미 저장되어 있고 인버터가 매우 빠르게 반응할 수 있어 반전기보다 오디오 시스템에 더 잘 반응할 수 있습니다. 테스트에 따르면 평균적으로 약 35에서 50A 사이를 그리는 아레나 크기의 라인 배열은 급격히 짧은 폭팔로 150 또는 200A의 피크를 찍을 수 있는 것으로 나타났습니다.
라이브 이벤트에서 배터리 전력을 사용할 때 생각하지 못한 이점 중 하나는 유도잡음에 훨씬 덜 민감하다는 것인데, 이것이 별도로 파생된 시스템이기 때문입니다. 어떤 의미에서는 배터리 전력이 오디오, 비디오, 또는 조명을 위한 분리된 접지 방식처럼 사용될 수 있다는 것입니다. 오디오 시스템 실험들에서 매우 기대되는 음질을 보여주었습니다. 한 오디오 엔지니어는 "저음부의 일시적 반응이 눈에 띄게 타이트 해지고 더 빨라졌으며 고음부에서 피로감이 덜하다는 것을 알아챘습니다." 라고 말했습니다. 또한 본인의 연주 톤에 매우 까다로운 한 유명 기타 연주자를 대상으로도 시험을 계획하고 있습니다. 글의 저자들은 소스를 부하에 가깝게 두고 전압의 강하와 유도 잡음을 줄이면 믿을 수 있는 휴대용 전력 패키지를 구성할 수 있고, 이것은 아티스트와 함께 쉽게 투어를 할 수 있어 현지의 전력과 무관하게 음질을 유지할 수 있게 해줄 것이라고 믿습니다.
하지만 배터리 전력도 단점이 없는 것은 아닙니다. 첫째, 그리드 전력을 사용하는 것보다 초기 비용이 높아 투자 비용을 회수하는 데까지 상황에 따라 약 5년에서 10년까지 걸리기도 합니다. 발전기보다 초기비용이 세배에서 다섯배까지 더 비쌀 수 있지만 시스템 배터리의 수명으로 보자면 절약이 되어 결국에는 큰 이익이 됩니다. 하지만 하나 이상의 400A 3단 스위치를 배터리 전력으로 교체하는 것은 대규모 시스템을 필요로 합니다.
만약 휴대용 시스템인 경우 비슷한 사이즈의 발전기와 비교했을 때 그 무게가 상당할 수 있습니다. 그리고 매우 추운 환경에서 배터리 시스템은 문제가 될 수도 있습니다. LFP는 -4̊F(-20̊C)에서 140̊F(60̊C) 사이의 정격 작동 온도를 가지고 있어, 영하의 온도 (32̊F 또는 0̊C 이하)에서 충전하면 손상될 수 있습니다.
그렇기는 하지만, 이것을 상쇄시켜줄 기술들이 이미 개발되고 있습니다. 우선, 3단 인버터 시스템은 개별 또는 분할 단상 장치로 충전할 수 있습니다. 즉, 배터리 용량이 전체 일일 요구 조건에 맞기만 한다면 콘센트가 있는 어디에서라도 3단 또는 분할 단상 장치를 사용할 수 있어 상당한 비용을 절감할 수 있다는 것을 뜻합니다. 3단 증폭기와 같이 하루 6시간을 작동하는 정도의 부하를 가지게 되는 경우 남은 18시간 동안 그 용량을 충전하기 충분합니다. 마지막으로 배터리 시스템은 사용 중에 열을 발생시키게 되는데 최근에 만들어진 발전기는 히터가 내장되어 있습니다. 때문에 처음에는 에너지를 필요로 하지만 영하의 온도에서 충전할 때 생기는 문제는 간단히 해결됩니다.
리튬 이온 배터리는 옳고 그름을 떠나 호버보트 폭팔과 같은 몇가지 유명한 사고들로 인해 비난을 받았습니다. 그러나 이튬 인산철 배터리의 기술은 훨씬 더 안전합니다. LFP는 화학적으로 안정적이고, 독성이 없습니다. 또한 휴대용 배터리 뱅크는 일반적으로 방폭과 화재 발생 위험을 줄이기 위해 강철로 만들어지 외함을 사용하게 됩니다.
이 모든것이 그저 이론이 아닌 현실입니다. 2022년 버밍엄 커먼웰스 게임즈(The Birmingham 2022 Commonwealth Games)에서 제임스 이드(James Eade)는 사용되는 발전기의 가동시간을 줄이도록 300만 볼트 암페어의 배터리 전력을 효율적으로 사용하였습니다. 준비하는 동안, 발전기는 배터리 뱅크 충전을 위해 매일 2시간씩 가동되었습니다. 그는 "수소 처리된 식물성 기름인 HVO로 122대의 발전기(26MVA)를 가동시켰고 이것은 1,000톤 이상의 탄소 발자국을 줄였습니다” 라고 썼습니다. 또한 행사에 필요한 전력의 약 1/3을 120kW의 태양광 패널을 사용해 공급했습니다. 분명이 몇가지 어려움은 있지만 결국 그들은 승리했습니다. (Light & Sound International, 2022년 10월호, 26페이지 참조).
리차드 카데나(Richard Cadena)는 극장, 콘서트/투어, TV, 기업 행사, 스포츠 이벤트, 예배당 등 다양한 곳에서 프로덕션 전기기사, 조명 디자이너, 조명 컨설턴트로 33년 이상 근무해 왔습니다. 저서로는 ‘엔터테인먼트 전기 기술자와 테크니션을 위한 전력’ (Electricity for the Entertainment Electrician & Technician ,2nd Edition, Focal Press, 2015)과 ‘자동화된 조명: 움직이는 빛과 색을 바꾸는 빛의 예술과 과학’(Automated Lighting: The Art and Science of Moving and Color-Changing Light ,3rd Edition, Focal Press, 2018)이 있습니다. 그는 또한 ETCP 공인 엔터테인먼트 전기 기술자이자 ETCP 공인 트레이너입니다. 그의 웹사이트들은 다음과 같습니다: www.rcad.me, www.automatedlighting.pro, www.electrics.tech, www.APTXL.com
닐 바사바다(Neel Vasavada)는 이벤트 업계에 친환경 기술을 도입하는데 추진력을 가진 인물입니다. 지속 가능한 에너지와 라이브 엔터테인먼트 비즈니스 개발에 대한 엔지니어로써의 배경과 경험을 통해 라이브 이벤트용 스마트 배터리 발전소 제조업체인 오버드라이브 에너지 솔루션(Overdrive Energy Solutions)을 창립하여 현재 사장으로 제직하고 있습니다.
2003년에는 프로토타입, 연구 개발, 모터스포츠 차량 프로젝트를 위한 컨트롤 시스템과 엔지니어링에 관한 컨설팅을 제공하는 에펙스 스피드 테크놀로지(Apex Speed Technology)를 설립했습니다. 또한 2012년부터는 라이브 이벤트 분야에서 자본 설비 공급업체와 기술 기업을 위한 비즈니스 개발을 주도했습니다. 그는 지난 10년간 북미에서 가장 빠르게 성장한 프로덕션 장비 공급업체 중 하나인 EPS 아메리카(eps America llc)를 이끌어 왔습니다. 닐은 성장하는 라이브 이벤트 회사들이 ‘도움을 얻기 위해 찾는 사람’이 되어 왔습니다. 이메일(neel@overdrive.rocks)을 통해 연락할 수 있습니다.