모터 효율 향상을 통한 산업 부문의 탄소 배출 감축
모터 효율 향상을 통한 산업 부문의 탄소 배출 감축
글. 모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) 전략 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Device, Inc.)
산업 부문의 탄소 배출을 즉각 줄여야 하는 이유
오늘날 소비자들은 되도록 탄소를 덜 배출하는 상품이나 서비스를 구매하고자 한다. 세계 각국이 각자의 넷 제로 온실 가스 배출 목표를 달성하기 위해서 탄소 배출 감축을 위한 규제를 강화하고 있다. 넷 제로(net zero)를 향한 여정에서 산업 분야 제조 기업들은 새로운 기술들을 도입해서 저탄소 제조로 전환하는 새로운 기회들을 맞이할 것이다. 이 글에서는 산업 부문의 이산화탄소 감축을 위해서 다음과 같은 두 측면에 초점을 맞춰야 한다는 것을 설명한다.
- 모터 드라이브 도입을 통한 에너지 효율 향상
- 제조 효율 향상을 위한 디지털 전환 전략의 중요성
2015년 파리 협약에서는 2050년까지 지구 온난화 상승을 1.5℃로 억제하기로 합의했다. 2050년까지 1.5℃목표를 달성하기 위해서는 현재의 이산화탄소 배출을 80% 이상 감축해야 한다. 현재의 추세가 계속된다면 지구 온난화는 1.9 ~ 2.9℃에 이를 것이다. 그렇게 되면 기후 위기로 인해서 전세계 GDP가 심각하게 감소하고, 세계 인구의 33%가 거주지를 이동해야 하고, 기후 재난으로 인한 연간 손실액이 수조 달러에 달할 것이다.
지구는 이미 1.1℃ 더워졌으며, 2030년대에 1.5℃를 돌파할 가능성이 있다고 전문가들은 말한다. 1.5℃ 목표를 달성하기란 결코 쉽지 않은 과제이다. 이 목표를 달성하기 위해서는 화석 연료를 사용하더라도 에너지 효율을 높이거나, 재생 에너지를 사용하거나, 원자력 발전으로 전환하고 CCUS(탄소 포집, 활용, 저장)와 여타 저탄소 기술에 대한 투자가 필요하다. 그림 1은 2019년 세계 에너지 전망 보고서(World Energy Outlook 2019)1로부터 발췌한 것으로, 1.5℃ 목표를 달성하기 위해서는 이산화탄소 배출을 6기가톤까지 감축해야 한다는 것을 보여준다.
이 보고서는 두 가지 시나리오를 제시하고 있다. 현재 정책(stated policies) 시나리오와 지속가능한 개발(sustainable development) 시나리오가 그것이다. 현재 정책 시나리오는 현재 발표되어 있는 정책대로 진행됐을 때의 시나리오이다. 지속가능한 개발 시나리오는 어떻게 하면 전세계가 기후, 에너지 접근, 공기 질 목표를 달성할 수 있을지 제안하는 것으로서, 파리 협약과 완벽하게 부합한다. 그러면서 또한, 갈수록 증가하는 세계 인구를 위해서 에너지의 신뢰성과 비용적 경제성에도 여전히 중점을 두고 있다. 파리 협약에 따라서 이산화탄소 배출을 가장 많이 감축할 수 있는 영역은 효율 개선(37%)이다1. 전세계의 에너지 관련 이산화탄소 배출은 2022년에 0.9% 증가해서 36.8기가톤을 넘으면서 최고 기록을 경신했다. 산업 부문에서의 배출은 2022년에 1.7% 감소해서 9.2기가톤에 달했다. 2022년에 이산화탄소 배출의 25%가 산업 부문으로부터 비롯된 것으로서1, 산업 부문의 에너지 효율을 높이는 것이 2050년에 넷 제로로 가기 위해서 중요하다는 것을 알 수 있다.
그림 1. 지속가능한 개발(sustainable development) 시나리오와 현재 정책(stated policies) 시나리오 사이에서 영역별 이산화탄소 배출 감축1
산업용 모터의 효율 개선으로 산업 부문의 이산화탄소 배출 대폭 감축
2022년에 전세계 전력 공급은 28,642 테라와트-시에 달했으며, 이는 13.6기가톤의 탄소 배출에 해당한다(2022년에 전세계 이산화탄소 배출의 36%)2. 산업 부문은 전세계 전력의 30%를 소비하고, 산업 부문 내에서는 전기 모터가 전력 소비의 69%를 차지한다3. 2022년에 산업용으로 기존에 설치되어 있는 모터는 최대 4억5천만 개이고, 신규로 설치된 모터는 최대 5200만 개이다(기존에 설치된 장비의 업그레이드용 제품과 신규 장비 개발에 사용된 제품을 합친 것). 따라서 모터의 효율을 높이면 전력 소비를 크게 낮추고 그만큼의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 산업용 애플리케이션에는 펌프, 팬, 압축 공기 시스템, 원자재 취급, 가공 시스템을 비롯한 다양한 영역에 모터가 사용된다. 기존에 설치된 모든 모터 구동 시스템을 최대 효율로 가동한다면 2030년에 전세계 전력 수요를 10%까지 줄이고 24억9천만 톤의 이산화탄소 배출을 제거할 수 있을 것으로 추산된다3(그림 2).
모터 드라이브 도입을 통한 에너지 효율 향상
가장 기본적인 형태이면서 효율이 낮은 모터 솔루션은 그리드 연결형, 즉 AC 구동 3상 모터이다. 이 모터는 스위치기어를 사용해서 온/오프 제어 및 보호 회로를 제공한다. 이러한 기본적인 형태의 모션 솔루션은 부하 변동에 상관없이 비교적 고정적인 속도로 작동한다. (펌프와 팬에서의 유량 같은) 출력 변수들을 조절하는 것은 스로틀, 댐퍼, 밸브 같은 기계식 제어를 사용해서 구현하고, 주요한 속도 변화는 기어를 사용해서 구현한다. 오늘날 설치된 모든 모터의 70 ~ 80%가 그리드 연결형일 것으로 추정된다. 그러므로 인버터 혹은 가변 속도 드라이브(variable speed drive, VSD)를 도입해서 에너지 소비를 줄일 수 있는 잠재력이 크다.
정류기, DC 버스, 3상 인버터 스테이지를 추가해서 가변적인 주파수와 가변적인 전압 출력이 가능한 인버터를 구현할 수 있다. 이로써 모터에 가변적인 속도 제어가 가능하다. 이러한 인버터 구동 모터를 사용함으로써 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다. 부하와 애플리케이션의 필요에 따라 모터를 최적의 속도로 작동할 수 있기 때문이다. 대표적인 예로서 고효율 펌프와 팬을 들 수 있다. 펌프, 팬, 컴프레서의 기존 모터에 인버터를 추가함으로써 전력 소비를 최대 25%까지 줄일 수 있다4.
고성능 모션 제어 애플리케이션의 경우 VSD를 사용해서 토크, 속도, 위치를 정밀하게 제어할 수 있다. 이를 위해서는 기본적인 개방 루프 인버터 드라이브에 전류 및 위치 측정이 추가된다. 이러한 애플리케이션 사례로는 컨베이어, 와인딩, 프린팅, 압출성형 장비를 들 수 있다. 산업 부문에 설치된 모터의 20 ~ 30%가 인버터로 구동되거나 VSD로 연결된 것으로 추정된다. 더 많은 모터를 그리드 연결형 모터에서 인버터 구동 혹은 VSD로 전환한다면 산업 부문에 설치된 4억5천만 개 모터의 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있을 것이다.
모터 에너지와 관련한 규제들
지능적인 모션 제어 솔루션은 더 많은 애플리케이션이 정속 모터에서 고효율 모터와 VSD로 전환하도록 함으로써 에너지 소비를 크게 줄이도록 할 것이다. 에너지 효율 규제 강화가 이러한 전환의 주요한 동력이 되고 있다. 이렇게 해서 에너지 소비를 줄이면 이산화탄소 배출을 줄일 수 있고 좀더 지속가능한 제조가 가능해진다. 고효율 모터 구동 시스템의 도입을 가속화하기 위해서 국제 전기기술 위원회(IEC)는 전기 모터의 에너지 효율과 관련한 표준들을 제정했다. 여기에는 전기 모터의 테스트 표준인 IEC 60034-2-1과 모터 효율을 4가지 레벨(IE1부터 IE4까지)로 구분한 IEC 60034-30-1이 포함된다. 이러한 표준들이 제정됨으로써 모터 제조사들 간에 효율을 좀더 쉽게 비교할 수 있게 되었다. 이들 표준은 각국 정부가 최소 에너지 성능 표준(minimum energy performance standard, MEPS)을 적용하기 위한 기준을 제시한다. 그럼으로써 각국이 각자의 에너지 효율 및 이산화탄소 배출 목표를 달성하도록 돕는다.
IEC 60034-1 효율 등급:
- IE1 표준 효율(Standard Efficiency)
- IE2 고효율(High Efficiency)
- IE3 프리미엄 효율(Premium Efficiency)
- IE4 수퍼 프리미엄 효율(Super Premium Efficiency)
전세계적으로 많은 나라들이 모터에 대해 MEPS를 적용하고 있다. 2020년 이후로 전세계 전기 모터 시스템 전력의 76%를 소비하는 국가들이 모터에 대해서 IE2 또는 IE3 레벨로 MEPS를 적용하고 있다. 이는 산업 부문의 전력 소비를 낮추는 데 기여한다5. EU는 2021년 7월 1일부터 0.75~1000kW 모터에 대해서 IE3(프리미엄 효율)의 최소 효율 등급을 적용하고 있다. 0.12 ~ 0.75kW의 좀더 소형 모터에 대해서는 IE2(고효율)의 최소 효율 등급을 적용한다. 2023년 7월 1일부터는 75 ~ 200kW 모터에 대해 MEPS가 IE4(수퍼 프리미엄 효율)로 높아진다.
모터 구동 시스템의 수명 전반에 걸친 총 소유비용을 보면, 총 비용의 70%가 전기 요금이다. 5%는 모터 구매 비용이고, 20%는 모터 유지보수 비용이다(그림 3)6. 그러므로 좀더 효율이 높은 모터 구동 시스템을 도입함으로써 산업용 모터의 가동 비용을 크게 낮추는 동시에 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다.
제조 효율 향상을 위한 디지털 전환 전략의 중요성
SD는 전압, 전류, 위치, 온도, 전력, 에너지 소비 같은 데이터를 사용할 수 있으며, 외부 센서들을 사용해서 진동이나 그 밖에 다른 공정 변수들을 모니터링할 수 있다. 융합적인 IT/OT(information technology/operation technology) 이더넷 네트워크를 활용하여 모션 애플리케이션들을 네트워크로 연결할 수 있다. 그럼으로써 클라우드 기반 스토리지나 온-프레미스 스토리지(회사가 자체적으로 구축한 스토리지)로 데이터와 모션 데이터를 전송할 수 있다. 그런 다음 강력한 클라우드 컴퓨팅과 인공 지능(AI)을 사용해서 모션 데이터를 분석함으로써 제조 플로우를 최적화할 수 있다. 이를 통해 제조 시에 발생하는 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 이로부터 도출된 통찰에 기반해서 장비 수명을 연장하고, 제조 품질을 향상시키며, 예기치 않은 가동 중단과 자재 낭비를 줄이고, 제조 현장의 안전을 향상할 수 있다.
더 나아가서 이제는 모터 구동 시스템에 첨단 센싱, 신호 처리, 에지 AI, 연결 솔루션을 도입하여 인텔리전트 에지 상에서 모션 데이터와 통찰을 얻을 수 있게 되었다. 이러한 새로운 통찰들을 MES(manufacturing execution system)로 전송하면(그림 4), MES가 공칭 정격 출력보다 현저히 낮은 수준으로 동작하는 모터들을 식별할 수 있다. 이러한 모터들은 최대한 활용되지 못하고 전력 소비를 증가시킨다. 정격 출력에 너무 가깝게 또는 정격 출력보다 약간 높게 작동하는 모터들도 식별할 수 있다. 이러한 모터들 역시 전력 소비를 증가시키고 수명과 관련한 문제들을 야기할 수 있다. 그러므로 디지털 전환 전략은 수백 혹은 수천 개의 모터들이 설치된 대규모 제조 설비에서 전력 소비와 이산화탄소 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
세계 경제 포럼 – 지속가능한 라이트하우스 네트워크
세계 경제 포럼(World Economic Forum, WEF)의 첨단 제조 및 가치 사슬의 미래 형성(shaping the Future of Advanced Manufacturing and Value Chains) 플랫폼은 글로벌 라이트하우스 네트워크(Global Lighthouse Network)를 창설했다7. 이것은 제조 분야의 등대(lighthouse)가 될 만한 모범 기업들을 인정하는 것이다. 세계 경제 포럼의 글로벌 라이트하우스 네트워크는 디지털 전환 전략이 어떻게 산업 부문의 이산화탄소 배출을 줄이도록 하는지 그 실례들을 보여준다8. 이 네트워크는 첨단 기술을 사용해서 스마트 제조 분야에 새로운 혁신을 일으키고 생산성과 지속가능성을 높이고자 하는 제조회사들의 커뮤니티를 형성하고 있다. 2023년 1월 현재, 글로벌 라이트하우스 네트워크는 전세계적으로 132 곳의 제조 공장을 포함하고 있으며, 여기에는 13 곳의 지속가능성 라이트하우스도 포함된다8. 슈나이더 전기(Schneider Electric)의 르 보드레이(Le Vaudreil) 공장은 지속가능성 라이트하우스 중 한 곳으로서, 디지털 전환의 첨단에 서 있다9. 슈나이더의 르 보드레이 공장은 데이터 지향적 통찰이 다음과 같은 것들을 통해 어떻게 보다 지속가능한 제조로 나아가도록 하는지 잘 보여준다.
- 전력 사용 25% 감소
- 원자재 낭비 17% 감소
- 이산화탄소 배출 25% 감소
맺음말
넷 제로를 향한 여정에서 산업 분야 제조 기업들은 새로운 기술들을 도입해서 저탄소 제조를 가속화하는 새로운 기회들을 맞이할 것이다. 산업 활동의 증가(이 중 거의 절반을 중국과 인도가 차지)로 2040년이 되면 설치된 모터 수는 지금의 두 배로 증가할 것이다 10. 그러므로 모터 효율을 높임으로써 이산화탄소 배출을 대폭 줄일 수 있으며, 이는 상당한 규모의 사업 기회로 이어질 것이다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 자동화를 통해서 좀더 지속가능하고 효율적인 미래를 실현하기 위해 노력하고 있다. ADI의 향상된 기술과 솔루션은 차세대 제조 시스템을 뒷받침하도록 설계되었으며, 정밀한 모션 제어와 매끄러운 커넥티비티부터 에지 상에 향상된 통찰과 분석에 이르기까지 전반에 걸쳐서 높은 효율을 달성하는 것에 중점을 두고 있다. ADI의 모션 솔루션에 관한 더 자세한 정보는analog.com/intelligentmotion에서 확인할 수 있다.
참고문헌
1 World Energy Outlook 2019. International Energy Agency, 2019.
2 Electricity Market Report 2023. International Energy Agency, February 2023.
3 Paul Waide and Conrad U. Brunner. “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems.” International Energy Agency, 2011.
4 “Program Insights: Variable Frequency Drives.” Consortium for Energy Efficiency, Inc., 2019.
5 Conrad U. Brunner, Rita Werle, and Maarten van Werkhoven. “How International Standards for Electric Motor Systems Support Policies of Countries Using These in Their Regulations.” International Electrotechnical Commission.
6 “The Future Is Energy-Efficient, the Future Is Data-Driven.” ABB, 2022.
7 “Global Lighthouse Network: Shaping the Next Chapter of the Fourth Industrial Revolution.” World Economic Forum, January 2023.
8 “Global Lighthouse Network.” World Economic Forum.
9 “New Recognition for Schneider Electric from World Economic Forum.” Schneider Electric, 2022.
10 World Energy Outlook 2017. International Energy Agency, 2017.
저자 소개
모리스 오브라이언(Maurice O’Brien)은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업 자동화 전략 마케팅 매니저로서, 산업 자동화용 시스템 솔루션을 담당하고 있다. 그 전에는 3년 간 산업용 이더넷을 맡았으며, 15년 간 전원 관리 애플리케이션 및 마케팅 관련 직책을 역임했다. 아일랜드의 리머릭 대학에서 전자공학 학사학위를 취득했다.