1. 샤프트 제너레이터 드라이브(SGD)란?
회전축을 통해 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 만드는 샤프트 제너레이터는 국내에서는 축발전기로 많이 알려져 있다. 하지만 단순 전기를 생성하는 것에 그치지 않고 역으로 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 회전에 힘을 더하는 전동기의 역할도 한다. 이러한 기술에 대해 관심을 갖고 개발하는 이유는 궁극적으로 친환경 선박을 위함이다. 조선해양산업에서는 친환경 연료로의 전환과 에너지 효율의 향상을 전략으로 탈탄소화에 접근하고 있다. 샤프트 제너레이터는 에너지 효율을 향상하는 하나의 기술이며 효율성과 기술성숙도를 고려한 기술이다. SGD는 이러한 샤프트 제너레이터를 운용하기 위한 드라이브 이다. 드라이브는 샤프트 제너레이터에서 생성된 전기를 선박에서 사용할 수 있도록 변환해 주는 역할을 한다. 이와 동시에 선박 내에서 저장된 전기를 동력으로 변환해 주는 역할도 한다.
일반적으로 선박은 엔진과 연결된 샤프트를 통해 프로펠러 회전을 만들어 추진력을 얻는다. 앞서 설명한 것과 같이, 샤프트 제너레이터는 샤프트에 연결되어 전기를 만들 수 있으며, 반대로 동력을 전달할 수도 있다. 쉽게 말해 자동차에 적용되는 하이브리드 시스템과 매우 유사하다. 샤프트 제너레이터는 전기를 만드는 발전모드와 동력을 전달하는 전동모드가 가능해야하며, 양방향으로 전력이 흐를 수 있어야 한다.
발전모드가 되면 PTO(Power Take Out) 모드가 되어 샤프트의 회전을 통해 전기를 생성한다. 이렇게 발생한 전기는 선박 내에 전기를 공급할 수도 있고 이를 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 에너 지를 저장할 수 있다. 반대로 전동모드가 되면 PTI(Power Take In) 모드가 되어 샤프트의 회전을 돕거나 PTH(Power Take Home) 모드가 되어 샤프트 회전의 주체가 될 수 있다. ESS에 저장된 전기에너지를 이용하여 동력을 전달하여 엔진 역할을 나눔으로써 부담을 줄여준다. 특히 급격하게 부하가 커지거나 낮아 지는 경우에는 엔진의 출력을 변동하는 것보다 전기에너지를 저장하거나 사용하는 것이 더 효율적이다.
SGD는 모드에 따라 전력의 방향, 전압, 주파수 등을 제어하는 주요 장비다. SGD에는 IGBT, MOSFET, THYRISTOR와 같은 반도체 스위칭 소자로 구성되어 있다. 반도체 소자는 도체와 부도체의 특징을 가진 물질로 특정 조건에 따라 도체와 부도체의 성격을 가지는 소자이다. IGBT의 경우, 일반적으로 동작하게 되면 1초에 1~5만 번 스위칭하게 된다. SGD는 이러한 반도체 소자를 고속으로 스위칭 함으로써 필요한 크기의 전력을 공급하거나 동력을 공급한다. 이러한 빠른 스위칭을 통해 원하는 전압과 주파수를 만들 수있다는 장점도 있지만, 다량의 열이 발생한다는 단점도 있다. IGBT는 최근 하이브리드 차량에도 많이 사용 되는 만큼 하이브리드 시스템이 탑재된 선박이나 전기추진 선박에도 다양하게 활용될 것으로 예상된다.
2. 기술개발 동향 및 산업 현황
각국에서는 환경 문제의 심각성을 자각하고 GHG(온실가스)를 유발하는 가스를 줄이기 위한 노력을 요구 하고 있다. IMO(국제해사기구)의 MEPC(해양환경보호위원회)에서는 GHG 배출량 감축 목표를 제시하고 있다. 선박에서는 친환경 연료로의 전환과 에너지 효율 향상을 통한 탈탄소화에 접근하고 있다. 샤프트 제너 레이터를 선박에 적용하는 것은 에너지 효율을 향상하기 위해 선택할 수 있는 옵션 중 가장 효과적이고 실현 가능성이 높다. 선종에 구애받지 않고 특히 추진 연료에 상관 없이 모든 선박에 적용할 수 있다.
샤프트 제너레이터의 기술력은 ABB, SIEMENS, DANFOSS 등과 같은 유럽 기자재가 중심이었다. ABB사 에서 현존선 및 신조선을 포함하여 샤프트 제너레이터 대상 수요가 연간 2,100척에 달할 것으로 예상한다.
이러한 시장성을 겨냥하여 샤프트 제너레이터뿐만 아니라 드라이브, 컨트롤 시스템 등을 패키지화하는 것을 세일즈 전략으로 확인된다. 패키지화의 이점은 장비 간의 호환성이 뛰어나고 운용, 관리, 유지보수에 용이하며 무엇보다도 안정성이 높다. 이러한 이점들을 통해 시장을 선점하고 판매를 통한 데이터베이스를 통해 기술력을 확보해 나가고 있다.
샤프트 제너레이터의 경우 선박에 적용할 수 있도록 연구개발을 통해 국산화가 이루어지고 있다. 엔진의 부하나 운항 조건에 따라 연료 효율이 다르지만, 대형 선박에 주로 사용되는 2행정 엔진에서 발생하는 토크를 전력으로 활용하는 축발전 시스템은 이미 널리 사용되고 있다. 일반 상선에서 사용되는 440V급 저전압 샤프트 제너레이터는 국산화가 완료되었다. 다만, 고전압인 3,300V 또는 6,600V급의 샤프트 제너레이터는 국산화 진행 중이다. 하지만 샤프트 제너레이터를 운영하는 핵심 장비인 드라이브는 국산화 초기 단계로 전량 수입에 의존하고 있다. 유럽 장비의 경우 이미 기술력을 확보하여 샤프트 제너레이터 패키지로 판매하고 있으며 샤프트 제너레이터와의 호환성에서도 우위에 있다. 그뿐만 아니라 메인 추진 엔진과의 연계성에도 뛰어나다. 국내의 SGD를 포함한 선박 전력 시스템에 대한 기술개발이 필요하며 요구 되고 있다.
3. 주요 표준 트렌드
선박용 SGD만을 대상으로 개발된 국제표준은 아직 없다. 아마도 샤프트 제너레이터 표준적용 관점에 대한 다양한 의견들 때문으로 추정된다. 샤프트 제너레이터를 새로운 기기로 해당 표준을 제정해야 한다는 의견과 모터와 발전기의 역할을 하는 기기로 각각에 대한 표준을 따라야 한다는 의견으로 양립 중이다. SGD는 인버터 및 컨버터에 대한 표준과 전력 변호나을 구성하는 부품 또는 소자에 대한 표준을 적용할 수 있다.
1) SGD 부품 관련 국제 표준 동향
병렬 및 양방향성으로 전력 변환이 가능한 SGD 개발을 위해 PEBB(Power Electronics Building Block)가 핵심이다. PEBB는 모듈형 구조를 가져 사용자가 원하는 형태로 재구성을 할 수 있다. 이러한 PEBB를 구성하는 요소들은 IEC TC40(전자장비용 커패시터 및 저항기) 분과와 IEC TC47(반도체 장치) 분과에서 표준개발을 진행하고 있다. SGD의 일정한 효율을 내기 위해서는 온도 유지가 필수이다. 수냉각 시스템의 조건, 성능, 시험, 유지보수, 안전 등에 대해서 IEC TC22 SC22F(송배전 시스템용 전력 전자장비) 분과에서 표준개발을 진행하고 있다.
IEC TR 63259 표준은 송/배전 시스템에 사용되는 수냉각 시스템 지침에 대한 표준이다. SGD와 같이 전기를 보내거나 분배해 주는 시스템 온도를 유지하도록 도와주는 시스템에 대한 가이드를 제공하고 있다.
이 표준에서는 운용하는 조건, 시스템이 갖추어야 하는 기능, 메인 회로, 열교환기의 기술적 성능, 제어및 보호시스템의 기술적 성능, 요구되는 시험 등 냉각 시스템이 갖추어야 할 요구사항을 확인할 수 있다.
SGD의 냉각 시스템은 고속의 스위칭으로 인한 발열을 식혀주는 주요 장비이다. 냉각의 기술이 SGD의 효율을 저하할 수 있기 때문에 IEC TR 63259 표준에서 명시하고 있는 요구사항과 시험들을 반드시 확인해야 한다. 냉각시스템을 통해 온도 상승을 적절하게 제어할 수 있어야 SGD의 경쟁력을 제고할 수있을 것으로 예상한다.
2) SGD 패키징 및 제어시스템 관련 국제 표준 동향
선박에서 운용하기 위한 SGD로 선박에서 탑재되는 전기기기들에 대한 요구사항을 만족하는 것이 중요 하다. 전기설비 시스템에 대한 설계, 자동화, 제어, 설치 등의 요구사항들은 IEC TC18(선박 및 해양 전기 설비) 분과에서 표준개발을 진행하고 있다. 해당 분과에서는 전기추진 선박과 깊은 연관이 있는 배터리 시스템과 직류 배전에 대한 작업반을 가지고 있다.
선박이나 해양에서의 운용은 육상과의 환경이 달라 차이점이 많다. 육상과 달리 해상에서는 6자유도 운동과 그로 인한 다양한 환경조건, 해무 등 고려해야 하는 사항들이 있다. 온도, 습도, 염분, 진동, 전자파, 접지 등이 해상 환경을 대표하는 조건이라 할 수 있다. 따라서 이러한 환경적인 요구사항들에 대한 표준들도 다양하다. 그중에서도 IEC 60092-504 및 IEC 61892-2 표준은 선박 또는 해양에 설치되는 전기 기기에 대한 표준이다. 선박용으로 개발하여 운용하는 SGD의 경우 이 표준에서 제시하는 사항들을 중점적 으로 고려해야 한다. 이러한 표준에서는 일반적인 요구사항뿐만 아니라 설계, 구조, 재질 등에 대한 설계 요구사항, 나아가 제어, 자동화, 모니터링 등의 요구사항을 확인할 수 있다. 선박에서 안정적이고 안전하게 운용할 수 있는 SGD 기술개발은 이러한 설계 요구사항과 안전 요건들을 만족하는 것에서부터 시작될 것이다.
3) SGD 성능 고도화 관련 국제 표준 동향
드라이브를 포함하는 전력변환장치가 입력 대비 출력을 제대로 내어주는지 검증하는 것이 중요하다.
이러한 성능을 평가하거나 실증과 관련해서 IEC TC 22 SC22G(가변속 전기전력 드라이브시스템) 분과 에서 표준 개발을 하고 있다. 해당 분과에서는 가변 속도 전력 구동 시스템에 대한 안전 요구사항과 애플리 케이션 등의 요구사항 등에 대한 표준개발을 진행하고 있다.
IEC 61800-5 시리즈 표준은 제품 실증을 위해 최우선으로 확보되어야 하는 안전에 대한 표준이다. IEC 61800-5-1부터 IEC 61800-5-3까지로 속도 제어가 가능한 드라이브 시스템의 안전 요구사항들을 세부적으로 나누어 다루고 있다. 전기나 열, 화재, 기계, 에너지, 관련 위험으로부터 어떻게 보호되어야 하는지는 5-1 표준을 통해 알 수 있다. 기능 안전 고려사항을 권장하기 위해 PDS의 설계 및 개발, 통합, 검증과 관련된 요구사항들은 5-2 표준에서 제시하고 있다. 그리고 환경에 대한 조건뿐만 아니라 기능 안전, 전기안전에 대한 고려사항들을 위해 엔코더의 설계 및 개발, 통합, 검증에 필요한 사항들을 5-3 표준에서 다루고 있다. AC 1 kV 및 DC 1.5 kV와 같은 저전압 가변속도 PDS(Power Drive System) 부터 AC 35 kV 및 DC 52 kV와 같은 고전압 가변속도 PDS까지 BDM(Basic Drive Module) 또는 CDM(Complete Drvice Module)에서 모터에 전력이나 신호를 공급하는 PDS를 대상으로 한 표준이다.
제품 실증에 있어 중요한 다른 하나는 효율에 대한 부분이다. IEC 61800-9 시리즈 표준은 가변속도 PDS와 관련된 모든 시스템 단위의 제품들의 에너지 효율을 다루고 있다. 에코디자인이란 제품이 제조 되어 시장에 출시되기까지 구상 및 설계 단계에서 전주기의 관점으로 에너지는 얼마나 사용하는지에 대해 고려하는 것이다. 이 표준 또한 IEC 61800-9-1 및 IEC 61800-9-2 표준으로 나뉘어져 있다. IEC 61800-9-1 표준에서는 PDS에서부터 함께 구동하는 장비들로 확장해나는 방식으로 대상 제품을 정의 하고 있다. 속도, 부하, 토크, 듀티비 등을 통해 전력 손실을 계산하고 이와 연동되는 제품들의 하위 손실을 계산하는데 이러한 방법들의 일반적인 사항을 포함하고 있다. IEC 61800-9-2 표준은 에너지 효율을 분류하고 결정하기 위한 내용을 포함하고 있다. 드라이브 모듈, PDS, 시동 모터 등의 효율 지표를 지정하고 손실을 결정하는 방법론을 제공하고 있다.
4. 향후 표준 전망 및 제언
SGD에 대한 표준은 앞으로 어떤 방향성으로 나아갈지는 좀 더 시간을 갖고 지켜봐야 할 것으로 예상된다.
샤프트 제너레이터에 대한 기술 성숙도도 완숙하지 않으며, 이를 실선에 적용할 때 필요한 표준을 어떻게 적용해야 하는지 결정되지 않았기 때문이다. 샤프트 제너레이터에 대한 표준 전략이 정해지면 SGD에 대한 표준제정에 대한 전략도 유사할 것으로 예상된다. 결정되는 사항에 따라 달라지겠지만 SGD만의 표준이 제정된다면 SGD 개발을 위한 설계, 품질, 기능 안전 등에 대한 요구사항을 정립하는 표준 개발이 가장 우선시 되어야 한다. 그리고 SGD 최적화를 위한 성능, 효율 등을 수행할 수 있는 시험 표준이 정립되어야 한다. 마지막으로는 SGD와 그와 연계되는 제품들의 운용이나 이를 구성하는 시스템을 대상으로 하는 성능, 환경 등 요구사항의 표준이 개발될 것이다.
이러한 상황에 국내에서는 샤프트 제너레이터의 안정상과 효용성, 신뢰성, 경제성을 위해서 다수의 트랙레코드가 필요하다. 샤프트 제너레이터를 운용하는 데 필요한 드라이브의 기술개발에도 많은 관심과 개발이 필요하다. 외산 제품을 참조하여 운용 메커니즘뿐만 아니라 회로, 알고리즘을 분석하고 재 모델링 하는 것에 집중하는 연구를 이어가야 한다. 이러한 연구를 위해서는 기자재를 개발하는 산업계와 이에 필요한 핵심 기술들을 연구하고 분석, 시험, 실증하는 학계 및 연구계가 함께 발맞추어야 한다. 이러한 트랙레코드는 기술력을 향상할 수 있는 유일한 수단이며, 신뢰성을 높이고 나아가 외산 제품의 의존도를 낮추어 기술 독립이 가능하다.
한국이 조선 강국이라는 말은 옛말이 된 지 오래다. 선박 수주 잔량, 선박 건조량, 선박 건조 기술력 등 조선 산업에 대한 도전과 위협은 가까운 중국과 일본에서 쉽게 확인할 수 있다. 최근 조선해양산업에서는 친환경 선박으로 산업 패러다임 전환이 이루어지고 있다. 전 세계 해운 시장에서 규제에 대응하고 온실가스 감축을 노력하기 위해 신기술 개발을 진행하고 있다. SGD 역시 그 일부분으로 변화하는 패러다임 속에서 시장 선점을 위해 치열한 경쟁 중이다. 조선 산업의 초격차를 유지하고 리드하기 위해서는 산학연의 긴밀하고 적극적인 협업이 이루어져야 한다. 또한 국내외 표준 제정을 위해 IEC 및 ISO의 유관 위원회를 통해 해당 표준화 방향성이 정해져야 할 것이다.