경제적으로 효율성 높이기

기업이 기후 보호와 기업 이윤을 추구하는 것이 서로 모순되는 것은 아니다. 기존 시스템에서 잠재적 절감 효과를 찾아낸다면, CO2를 줄이고 비용도 절감할 수 있다. 또한 현실적으로 에너지 비용이 증가한다면 상대적인 투자 상각 기간도 줄어드는 것이다.

막스 부르거(Max Burger): Iwik GmbH 대표이사 겸 Instagreen GmbH 이사

핵심 내용

  • 파워 트레인의 절감 잠재력을 찾기 위해 시스템을 새로운 것으로 교체할 필요는 없다. 기존 설비를 현대화한다면 많은 것을 얻을 수 있다.
  • 전기 모터에서 에너지 소비와 관련하여 절감 효과를 찾을 수 있다. 특히 가변 속도가 요구되는 애플리케이션에서 에너지를 절감할 수 있다.
  • 인버터를 추가 장착하는 것이 하나의 해법이 된다. 인버터는 투자금을 빨리 회수할 수 있다.

에너지 가격 상승과 반도체 공급 부족 그리고 임박한 기후 중립, 이는 기술적인 기적이나 국가적 지원을 기다리는 대신 새로운 길을 모색하라는 요구이다. 검증된 기술 솔루션을 사용하고 비즈니스 모델과 결합하는 것이 합리적이다. 기후 보호와 경제적 이윤을 추구하는 기업에게 새로운 기회가 열릴 수 있다.

에너지 효율은 기계와 시스템을 새로 구매할 때에 결정할 수 있는 기준 가운데 하나이다. 이는 투자를 결정할 경우 구매 비용뿐만 아니라 운영 비용과 서비스 수명을 고려하는 경우에 특히 그러하다. 하지만 에너지 효율을 높이기 위해 그리고 비용을 절감하기 위해 현재의 모든 것을 새로운 것으로 교환해야 하는 것은 아니다. 기존 시스템에 검증된 기술을 추가하여 합리적인 방법으로 절감 잠재력을 높일 수 있다. 간단한 자금 조달과 연결하여 기업과 환경에 즉각적인 이익을 실현할 수 있다.

현재 에너지 전환과 기후 보호 그리고 지속 가능성에 대한 논의가 매우 활발하게 전개되고 있다. 하지만 지난 몇 년간 많은 것을 시행했음에도 불구하고, 해야 하는 것과 실제로 행해지는 것 사이에는 큰 간극이 있다. 그 이유 가운데 하나가 변화에 대한 의지가 부족하기 때문이다. 변화를 모색하면 무언가를 희생해야 한다고 생각하는 경우가 많다. 그리고 경제성과 기후 보호가 서로 반대의 경우로 배치된다. 그럼에도 불구하고 경제적 이익이 전면에 드러나면서 기후 보호도 긍정적인 ‘부수적 효과’를 누리는 솔루션들이 있다.

효율 증대는 기후 보호 효과를 갖는 경제적 잠재력을 제공하는 경우가 많다. 따라서 에너지 소비가 많은 분야에서 진지하게 논의할 필요가 있다. 독일의 전력 소비량의 약 절반이 산업 분야에서 발생하고, 그 가운데 2/3는 기계 에너지로 변환되기 때문에, 수많은 애플리케이션에 사용되는 전기 모터를 떠올릴 수 있다. 오늘날 새로운 전기 모터는 효율 등급과 관련하여 법적 요건을 따라야 한다. 또한 가장 일반적인 비동기 모터 외에 영구 자석 모터 그리고 동기 릴럭턴스 모터와 같은 고효율 모터를 많이 사용하고 있다.

모터 효율 등급 외에 모터에 의해 구동되는 구성 요소의 효율도 중요한 역할을 한다. 이 요소들이 시스템의 전체 효율을 만들어 내기 때문이다. 서로 적합하게 조율된 구성 요소가 장착되고 적합하게 설계된 시스템이 최상의 작동 시점에 작동되는 것이 이상적이다. 하지만 현실에서는 그렇지 못하다. 이런 상황은 설계와 구현 그리고 계획상 이용과 실제 이용이 일치하는 특정 순간에만 형성되는 경우이다.

비용 압박 vs. 현대화 필요성

기존의 공장과 기계들을 모두 바꿀 수 없고 앞으로도 그럴 것이다. 코로나 팬데믹으로 인해 필요한 수단이 부족하기도 하고 원자재와 에너지 비용 상승으로 인해 비용 절감에 도움이 되는 현대화에 투자하기가 어렵다. 또한 많은 시스템과 기계들이 긴 수명을 목표로 설계되었고 대부분 설계 당시보다 오래 사용되고 있다. 하지만 이처럼 수명이 긴 장치도 에너지 소비 측면에서는 불합리한 경우가 많다. 바로 이것 때문에 시스템 일부만 교체하여도 에너지 잠재력이 크다고 할 수 있다. 자원과 투자 비용 그리고 변경 비용을 생각하면 목적에 맞는 현대화가 중요하다. 많은 경우 절감 잠재력과 CO2 저감도 빠르게 구현할 수 있다.

산업에서 자주 사용하는 비동기 모터는 구조 상 회전수가 고정되어 있다. 하지만 비동기 모터는 응용 분야들이 다른 회전수 또는 가변 회전수를 필요로 하기 때문에 기어와 함께 또는 전기적으로 회전수를 제어하기 위해 인버터와 함께 사용하는 경우가 많다. 제어되지 않는 전기 모터가 해당 응용 분야에 맞게 설계되고, 항상 공칭 속도와 전력을 달성해야 하며 효율성만 좋다면 별다른 조치가 필요하지 않다. 특히 인버터는 비교적 적지만 자체 소비량이 있고, 이 소비량은 전체 드라이브 시스템 내에서 달성되는 절감으로 정당화된다. 하지만 다른 속도 또는 가변 속도와 출력이 필요한 애플리케이션에서는 이 문제가 중요하다. 엔진이 수행하는 작업의 일부가 밸브 또는 플랩에 의해 무효화되기 때문이다.

팬 애플리케이션이나 터보 펌프에서 절감 잠재력이 매우 크다. 물리적 여건, 이른바 ‘이차 곡선’을 바탕으로 팬 또는 터보 펌프의 회전수가 2배가 되면 토크는 4배가 되고 에너지 소비량은 8배가 된다. 역으로 속도를 반으로 줄인다면 토크는 1/4이 되고 필요한 에너지는 1/8이 된다. 간헐적으로 회전수를 줄이는 것이 적절하다면 확실한 절감 잠재력을 누릴 수 있다.

그림 2: 기계적 제어 유형 및 전자식 속도 제어

펌프 애플리케이션을 통해 절감 잠재력이 명확히 드러난다

펌프 애플리케이션을 이용한 회전수 제어의 이점을 명확하게 설명할 수 있다. 이차 곡선의 다른 애플리케이션의 경우도 마찬가지이다. 그림 2는 세 가지 기계적 제어 유형과 인버터를 이용한 제어를 보여주고, 그림 3은 사각형 크기를 이용하여 다양한 제어 유형에서 에너지 소비를 보여준다.

그림 3: 스로틀, 바이패스, ON-OFF 작동 및 전자식 회전수 제어를 통해 체적 유량을 줄일 때 전력 비교: 제어되지 않는 유량 Q=10, 리프트 높이 H=10, 제어되지 않는 전력 수요 P=HxQ = 100
제어 목표: 유량 Q=7;
결과: 스로틀 제어는 출력의 89 %, 바이패스 제어는 96 %, ON-OFF 작동은 70%, 회전수 제어는 45%;
이유: 회전수 제어가 펌프 특성 곡선을 아래로 이동시키는 반면, 시스템 특성 곡선은 그대로 유지되기 때문.

절감 효과는 제조사의 온라인 프로그램을 통해 계산이 가능하다. 이러한 프로그램은 기술적 데이터, 작동 방식, 전기 요금을 바탕으로 전기 소비와 전기 비용 그리고 CO2 감소에 대한 계산 결과를 제공한다. 구체적인 데이터를 수집하고 절감 잠재력을 계산하기 전에 기존 시스템을 검사할 것을 권장한다. 앞서 언급한 절감 잠재력은 전자식 속도 제어 장치가 없는 사실 외에 모터 출력, 모터 연간 작동 시간 그리고 무효화되는 작업량에도 좌우된다. 이러한 요인이 클수록 절감 잠재력은 커지고 투자금 회수 기간은 짧아진다.

인버터의 투자금 회수까지의 작동 시간을 보여주는 목록을 이용하면, 첫 번째, 조사가 보다 구체화된다. 목록은 절감 계산기의 계산 결과를 예시적으로 보여준다. 하지만 이러한 목록은 큰 방향만 보여줄 수 있을 뿐이다. 개별적인 관련성을 단순화시키고 방향성을 제시하기 위해 최소한의 제공 범위만 이용하기 때문이다. 그림 4는 펌프 모터 공칭 출력을 기준으로, 2가지 작동 유형 ‘종 곡선(공급률이 종 곡선에 해당함)’과 ‘80% 작동’에 대해 추가 비용 없이, (2020년 통상적인 표준 인버터 비용을 절감을 통해 다시 회수하기 위해) 전기 요금이 킬로와트시 당 0.10 유로일 때 몇 시간의 작동 시간이 필요한지 보여준다. 이 전기 요금은 보수적으로 가정한 것이다. 전기 요금이 오르면 투자금 회수 기간은 짧아지고 큰 경제적 절감 잠재력을 제공할 수 있다.

조사 초기에는 온라인 계산기를 이용하기 위해 필요한 데이터를 모두 사용할 수 없는 점에 오히려 유리한 측면이 있다. 그럼에도 불구하고 추가의 데이터 산출을 정당화하는 잠재력이 있는 곳에 대략적인 길잡이가 필요하다.

그림 4: 펌프 애플리케이션에서 인버터는 얼마나 빠르게 투자금을 회수할 수 있을까? 다이어그램은 다양한 엔진 출력을 사용하여 상각(ABB 에너지 절감 계산기를 사용하여 계산)까지의 작동 시간을 보여준다.

인버터 추가 장착

인버터를 추가 장착하는 방법은 우려를 살 수 있다. 절감 효과가 이론에 불과하고 프로세스와 시스템에 부정적인 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 따라서 처음에는 큰 매개 수단이 큰 덩어리의 하위 집단으로 옮겨지는 애플리케이션과 프로세스를 통해 시작해야 한다. 이는 정교한 핵심 프로세스 대신 ‘중요도가 떨어지는’ 프로세스에서 시작하는 것이다. 핵심 프로세스는 이미 최적화되어 있는 경우가 많기 때문이다.

추가 장착에 대해 최종적으로 결정하기 전에 현장에서 효과를 점검하기 위해 ‘시운전’을 우선 시행할 필요가 있다. 이때 소비 전류 파악을 위한 기존 시스템을 이용하거나 측정 장치를 임시로 사용하여 해당 애플리케이션의 소비 전류를 별도로 산출해야 한다. 그리고 ‘이동식’ 인버터를 시험 삼아 사용할 수도 있다. 인버터를 추가 장착하면 에너지 절감 외에 피크 기동 전류 감소, 시스템의 기계적 부하 감소, 가변성 및 제어 능력 향상, 상위 시스템 연결 및 작동 데이터 수집 등, 운영 상 추가적인 장점이 제공된다.

MM Tip: 에너지 절감 조치를 위한 자금 조달

분명히 수익성 있는 조치라도 가용 예산 문제로 인해 때때로 실패할 수 있다. 그렇게 되면 경제적이고 기후 보호 차원의 절감 잠재력이 사용되지 못하고 묻힐 수 있다. 하지만 자금 조달 방법이 있다.

• 자체 자금만으로 자금을 조달하는 것 외에도 다양한 국가 지원 프로그램을 이용할 수 있다. 어떤 경우에는 인버터의 사용과 개조를 명시적으로 언급하며 투자 비용의 최대 40%까지 보조금을 받을 수 있다.

• Instagreen GmbH도 에너지 효율적인 개조에 자금을 조달하는 옵션을 제공한다. 이 서비스 제공업체는 절감액 계산, 설계, 설치, 시운전 및 유지 보수를 수행하고 그 대가로 절감액의 일부를 받는다. 사용자도 ‘즉시’ 전체 CO2를 줄이고 계약 기간 동안 절감 금액의 일부를 받는다.