신재생에너지가 급부상하고 있다. 배럴당 100달러를 향해 달리는 유가의 상승이 지속되고, 지구 환경 보전을 위한 국제적인 강제 규정 움직임도 활발하게 추진중이다. 고갈되어 가는 석유자원을 대체하고 환경 오염원을 발생하지 않는 새로운 대체 에너지원에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 것이다.< 편집자 주>
현재 석유자원의 30% 이상이 수송용과 발전용에 사용되고 있다. 발전용 에너지의 60% 이상은 모터 구동에 쓰인다. 전기 에너지의 80% 이상은 조명과 모터 구동에 사용된다. 이러한 현실에서 에너지를 최대한 절감하기 위한 다각적인 노력이 진행중이다. 유가의 상승은 지속되고 있는 반면, 전력변환 시스템인 인버터는 실질가격을 기준으로 50% 이하로 하락했다.
따라서 더 많은 곳에서 인버터의 사용이 다각적으로 모색되고 있는 중이다. 또한 정보통신 기술도 많은 분야에서 접목이 시도되고 있다. 정보통신 기술을 이용한 에너지 제어에서 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 인버터의 핵심으로 자리잡고 있는 전력전자 기술이라 할 것이다.
설승기 서울대학교 교수는 “유가의 상승과 정보통신 기술에 기반한 인버터 기술을 통해 기존의 에너지 소모량을 30~50%까지 절감할 수 있다.”고 말했다. 이러한 인버터 기술은 기존의 전통적인 산업자동화 분야에서의 모터 제어는 물론, 하이브리드 자동차, 연료전지, 태양광 및 풍력발전, 헬스케어, 그리고 가전분야에 이르기까지 폭넓게 시장이 형성되고 있다. 인버터에 대한 폭발적 수요가 형성되고 있는 중이다.
신재생에너지의 핵심기술, 인버터
전통적인 산업 자동화 분야이외에도 풍력 및 태양광 발전, 그리고 연료전지 분야에서도 기존의 전류를 교류로 변환하기 위한 인버터 기술이 핵심을 차지한다. 전력변환 회로와 제어기술은 점점 고효율을 확보하면서 크기와 가격은 하락중이기도 하다. 때문에 전세계적으로 관심이 급증하고 있는 풍력 및 태양광 발전분야에서 인버터 분야 시장확대가 지속적으로 성장할 전망이다.
신재생에너지 분야에서 사용되는 인버터는 무엇보다도 일반 산업자동화에서 사용되는 기술에 비해 효율이 매우 높아야 한다. 또한 수명이 좋아야 하며, 전원을 상대하는 분야이기에 사용분야에 대한 특성을 고려하는 것이 무엇보다 중요하다. 해상 풍력단지 등에 설치될 경우에는 바다라는 악조건과 풍속 및 풍향의 변화에도 유연하게 대처할 수 있어야 하며, 태양광에서는 반도체가 가장 민감한 발열부문에서의 환경조건을 충족시켜야 한다. 또한 손실없는 장거리 전력전송을 위한 네트워크 조건도 고려한 특화된 인버터 기술이 필요한 분야이다.
국내 산업용 인버터 관련 전문업체들의 행보도 무척 빨라졌다. LS산전, 지멘스, 현대중공업, 콘트론, ABB 등은 자체적인 신재생에너지를 위한 별도의 조직을 꾸리고, 본격적인 연구개발과 영업 활동을 본격화하고 있다. 특히 기존의 산업용 인버터에서 한층 더 나아가 신재생에너지 분야를 위한 특화된 제품모델을 속속 선보이거나, 국내외의 전문 업체들과의 제휴 및 공동연구에도 활발한 모습을 보이고 있다.
설승기 교수는 “국내에서는 국토가 좁고, 기간 전력망의 구축이 우수한 편이지만, 해외의 경우에는 거대규모의 해상 풍력단지가 지속적으로 추진되고 있는 실정이다.”며, 국내 신재생에너지 전문업체들의 관심과 시장 진출이 활발하게 진행되고 있는 지금, 인버터와 같은 전력전자 기술의 확보에 우선순위가 필요하다고 밝혔다.
인버터의 핵심소자인 전력용 반도체 전문업체인 세미크론 코리아의 이재영 사장은 “신재생에너지 분야에서 사용되는 인버터는 기존의 산업자동화용 인버터와는 사용환경과 안정성에서 특성적으로 다른 프로세스를 고려해야 한다. 세미크론의 지능형 전력 모듈, SKiiP과 같은 신기술이 필요한 분야이다.”고 말했다. LS산전이 세미크론의 SKiiP 기술을 이용한 신재생에너지용 신기술 인버터 개발에 나서기로 한 것이 주목되는 대목이다.
한편 산업 제어 분야 전문지인 월간 컨트롤(www.thecontrol.co.kr)의 최근호에 따르면, 인버터 선택시 제품의 신뢰도가 가장 중요한 조건인 것으로 나타났으며, 인버터 통신 사양으로는 4-20mA, Modbus를 가장 선호하고 있다. 또한 필드버스에 대한 비중이 점차 확대되고 있는 것으로 분석됐다.
풍력 및 태양광 시장에서의 전력전자 기술
이러한 신재생에너지에 대한 관심과 시장확대가 추진되고 있는 가운데, 지난 10월말 서울교육문화회관에서는 독일의 전력용 반도체 전문업체인 세미크론(www.semikron.com)의 신재생에너지 세미나가 개최되어 주목된다. 이날 세미나에서는 한국은 물론 전 세계에서 뜨겁게 논의되고 있는 신재생에너지 중에서도 태양광과 풍력 에너지 분야의 유럽 신기술을 소개하고 유럽과 아시아의 적용사례를 통하여 한국시장 적용 가능성에 대한 다각적인 검토가 제시됐다.
이날의 주제발표는 세미크론 인터내셔널의 수석 어플리케이션 매니저로서 신재생에너지분야의 최고 권위자인 데잔 슈라이버(Desan Schreiber) 박사가 태양광과 풍력발전의 전반적인 시장상황과 전력전자 및 인버터와 관련한 핵심기술을 소개했다.
데잔 슈라이버 박사는 “한국을 비롯한 아시아 시장도 점차 신재생에너지에 대한 요구의 움직임이 거세지고 있다. 에너지원 개발은 미래 후손을 위한 우리의 의무인 동시에 새로운 시장이다. 단순한 에너지 생산이 아닌, 핵심 기술을 바탕으로 한 고효율의 경제적인 부가가치를 창출할 수 있을 때 생명력이 있을 것이다.” 라고 말했다.
이날 발표되었던 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
태양광, 용량별 적용조건별 인버터 선정 신중해야
그리드(Grid)로 연결하는 태양광 인버터에는 크게 센트럴 인버터(Central Inverter)와 스트링 인버터(String Inverter) 두 가지로 나뉜다. 센트럴 인버터는 보통 대용량 발전에 사용된다. 상대적으로 적은 구조 비용으로 높은 효율을 올릴 수 있다는 장점이 있지만, 병렬연결로 인하여 효율성이 낮아지고, 중앙 집적 방법으로 인해 인버터의 한 부분에서 문제가 발생했을 경우 시스템 전체가 정지하게 되는 단점이 있다.
반대로 소용량 발전에 주로 사용되는 스트링 인버터는 PV 스트링이 MPP(Maximum Point of Power)안에서 개별적으로 구동하기 때문에 고효율의 에너지를 생산할 수 있고, “스트링“ 다이오드로 인하여 손실이 적고, DC 배선이 단순하다는 장점이 있다. 두가지의 인버터는 설치되는 곳의 환경 조건과 스펙에 따라 경제적인 측면과 효율적인 측면이 고려되어야 한다.
풍력, 극한 조건에서 사용 가능한 성능과 수명 고려해야
태양광 인터버와 마찬가지로, 현실적으로 지속적이지 않은 바람을 집적하여 에너지로 변환시키기 위해서는 윈드 터빈(Wind Turbin)의 효율성이 가장 큰 관건이다. 대부분의 풍력발전기가 설치되는 곳은 해안가와 같이 환경적으로 극한조건을 갖고 있기 때문에 일반적인 동일용량의 인버터보다 더 큰 효율을 낼 수 있어야 한다.
역동적으로 성장중인 풍력 에너지 시장에 세미크론은 냉각, 게이트 드라이버, 전류 센서와 보호회로 기능까지 통합되어 완벽하게 조합된 풍력발전용 지능형 전력 모듈, SKiiP® 을 제공하고 있다. SKiiP® 은 세미크론의 특허기술인 압력접촉 기술(Pressure Contact Technoligy)을 이용하고 있어 고부하와 온도 사이클 용량에도 충분히 견딜 수 있다. SkiiP (Semikron integrated intelligent Power)은 베이스플레이트(baseplate)가 없이 방열판에 반도체 칩이 그대로 치부되기 때문에 열 저항 값이 낮다. 이는 베이스플레이트가 있는 일반적인 모듈보다 온도 사이클 용량이 다섯 배나 뛰어나고, 이것은 풍력 에너지 산업과 같이 극한 조건에서도 충분히 견딜 수 있다.
응용분야, 설치 조건에 따른 커스터마이징이 중요
더 스위치사에서 이번 세미나를 위하여 특별히 방한해준 마르코 크리스톨라씨는 풍력발전 시스템을 시공하는 핀란드 업체의 세일즈 매니저이다. 더 스위치는 핀란드 대통령이 직접 공장을 시찰할 정도로 신재생에너지 풍력발전 분야에서 급부상하고 있다. 이날 크르스톨라씨는 “더 스위치의 기본 개념은 [Customizing] 이다. 풍력발전이 건설되는 곳은 바람의 세기도 방향도 위치도 모두 다른 곳이다. 우리는 고객을 위해 풍력발전기를 시공하지만, 고객의 요구와 사양에 맞게 맞춤 양복과 같은 고객맞춤형 시스템을 제공하고 있다.“ 라고 피력하였다.
적용 조건을 만족하는 커스터마이징이 애플리케이션에서 무엇보다 중요한 사항임을 강조하는 대목이다. 더 스위치사는 아시아 시장에서는 현재 중국현지에서 대규모 풍력발전 건설을 완료하였고, 유럽시장에서의 진출도 활발히 꾀하고 있다.
아이씨엔 매거진 2007년 12월호
