에너지 전환시대의 선제적 대응을 위한 기술혁신
▲ 박승용 CTO(전무)
(주)효성
회사 소개
효성중공업은 1962년 설립 이래 전력기기와 산업기계설비 분야에서 폭넓은 제품과 통합 솔루션을 제공하는 글로벌 회사로 성장하였습니다.
국내 최초로 765㎸ 변압기, 800kV 가스절연개폐기(Gas Insulator Switchgear)를 개발하고 세계 최대 용량의 400MVar MMC STATCOM(Modular Multilevel Converter STATic synchronous COMpensator) 및 Super-Premium급 고효율 전동기를 개발하는 등 송전설비국산화와 한전의 전력망을 세계 최고 수준으로 높이는 데 기여하였습니다.
1978년 설립된 중공업연구소는 전력산업의 급격한 환경변화 속에서 경쟁력 확보를 위하여 혁신적인 기술과 기반 기술을 확보하고, 미래의 성장동력을 창출할 수 있는 차별화된 신제품을 개발하는 역할을 하고 있습니다.
최근 글로벌 기후 보호를 위해 에너지 전환이 가속화되고 있습니다.
이에 따라 전력기기의 DC화, DC계통의 확대가 필수적이며, 연구소는 이를 위해 HVDC(High Voltage Direct Current), ESS(EnergyStorage System) 제품 개발에 박차를 가하고 있습니다.
또한 기기의 친환경화 요구로 인하여 SF6 Free GIS 개발과 식물성 절연유를 사용하는 친환경 변압기 연구를 진행 중입니다.
아울러 4차 산업혁명으로 전력망의 디지털화(Digitalization) 수요가 확대됨에 따라 이 기술에 기반한 전력자산관리시스템(Power Asset Management System) 분야를 연구하고 있습니다.
2019년 주요 연구개발 성과
신재생에너지의 증가로 인한 계통 수용성 확대 및 부하 밀집지역의 고장전류를 해소하기 위하여 초고압 직류송전(HVDC)의 필요성이 증가하고 있습니다.
이에 효성중공업은 주관기관으로서 2017년 11월부터 2021년 10월까지 ‘200㎿ 전압형 HVDC 시스템 개발’국책과제를 진행 중이며, 삼화콘덴서 등 중소기업 6개 기관 및 한국전기연구원 등 국가연구소 3개 기관이 본 과제에 참여하고 있습니다.
현재 컨버터, 제어기 등 핵심 부품을 개발 중이며, 2021년까지 전체 시스템 개발을 완료할 예정입니다.
개발된 200㎿ 전압형 HVDC는 수도권의 고장전류 및 AC선로 과부하 제한을 위해 한전의 양주변전소에 설치될 예정이며, 이를 통해 MMC 방식 전압형 HVDC 기술을 개발하고 레퍼런스를 확보하여 글로벌 시장에 진입하고자 합니다.
국내 ESS 산업을 선도해 온 효성중공업은 최근 급격하게 성장하는 북미를 비롯한 글로벌 ESS 시장 진출을 준비하고 있으며, 고객유형에 따라 유틸리티(전력청) 시장과 민간 시장(건물, 공장)으로 구분하여 대응하고 있습니다.
수㎿~수십㎿급의 다양한 용량을 요구하는 유틸리티 시장 대응을 위해 250㎾급 PCS를 단위 모듈로 하여 병렬구성 시 최대 2.5㎿까지 대응이 가능한 모듈러 PCS를 개발하고 있으며, 민간시장 대응을 위해서는 125㎾급 센트럴 타입의 PCS를 개발하고 있습니다.
신기후변화 체제에 대응하기 위해 효성중공업은 2017년부터 올해까지 한전과 170㎸ SF6가스 프리 GIS를 공동 연구개발하고 있습니다.
효성중공업은 불소계 혼합가스(Novec 4710+CO2)를 적용한 170㎸ 50㎄ 친환경 GIS를 개발하였으며, 특별히 차단 후 가스노화에 따른 절연성능 평가 및 분해산물 분석 등을 연구하고 있습니다.
개발된 친환경 GIS는 올해 친환경 시범변전소인 왕곡변전소에 설치 예정이며, 이를 통해 친환경 GIS에 대한 국내 레퍼런스를 확보하고 글로벌 시장 진출의 기반을 마련하고자 합니다.
또한 친환경 변압기용 식물성 절연유의 재료 연구를 위해 효성중공업은 영국 맨체스터 대학, National Grid(유틸리티) 및 M&I Materials(절연유 제작사)로 구성된 연구 컨소시엄에 참여하고 있습니다.
컨소시엄 참여를 통해 친환경 절연유의 절연지 내열등급을 평가하고 재료 관점에서 절연시스템 분석 및 시험기술을 습득함으로써, 글로벌 최신 연구동향을 파악하고 국제 표준(IEEE/IEC)의 내열 기준 수립 활동을 수행하고 있습니다.
효성중공업은 전력 산업의 디지털화 추세에 발맞추어 전력 설비 운영의 고효율화를 위해 자산관리솔루션(AMS)을 개발·시범적용하고 있습니다.
중공업연구소는 2018년 국내 최초로 154㎸급 변전소 전력설비에 대한 실시간 설비 상태진단 및 최적 유지보수 스케줄 수립 등이 가능한 AMS를 개발하였으며, 이를 기반으로 2019년에는 포스코, SK에너지 등 국내 대형민수 시장의 레퍼런스 확보하였습니다.
더불어 최근 한전과 전력설비 예방진단 및 자산관리 시스템 분야의 기술협력을 위한 업무협약(MOU)을 체결하고, 모잠비크 전력청 AMS를 개발하는 등 글로벌 시장 진출을 위한 준비하고 있습니다.
최근 환경 변화 및 전망
최근 대다수 국가는 신기후체제 출범에 따라 에너지 전환을 적극 추진 중이며, 핵심적인 발전원인 재생 에너지를 적극 확대하고 있습니다.
태양광, 풍력(해상)에너지의 효율 및 용량 등 성능이 향상되며, 발전단가는 급격히 감소함에 따라 깨끗하고 안전한 에너지로의 전환이 가시화되고 있습니다.
이와 더불어 4차 산업혁명으로 인해 IT 기술이 전력계통에 융합됨에 따라 전력계통의 디지털화 전환은 가속화되고 있습니다.
구글, 애플 등 글로벌 ICT 기업이 에너지 자회사를 설립하고 있으며, 스타트업 기업이 에너지 산업에 진출하는 등 전통적인 에너지기업 중심의 산업생태계가 변화하고 있습니다.
뿐만 아니라 에너지 기술과 인공지능, 빅데이터 기술이 접목되면서 수요관리, 가상발전소 및 플러스에너지건물 등과 같은 새로운 융합 기술이 확산되고 기술혁신이 촉진되고 있습니다.
급성장하는 청정에너지 시장, 새로운 산업생태계 도래에 따라 에너지 시장의 주도권을 확보하기 위한 산업 간·기업 간 경쟁이 가속화되고 있으므로 에너지 전환 시대의 선제적 대응을 위한 혁신 기술 개발이 무엇보다 중요한 시대가 도래하였습니다.
2020년 연구개발 목표와 추진 전략
올해 중공업연구소는 에너지 전환 시대의 선제적 대응을 위한 혁신 기술 확보노력을 지속할 예정입니다.
온난화의 주범인 SF6를 전혀 사용하지 않는 자연계 가스(CO2+O2)를 혼합한 친환경 GIS 개발하고자하여 이를 가능하게 하는 소재와 핵심 부품 연구를 병행하여 연구할 예정입니다.
도심의 전력부하 집중지역의 배전용량 확대, 전기차 충전소 및 데이터 센터 등의 직류부하 확산에 대비하여 배전계통의 유연성을 향상시킬 수 있는 중압직류시스템(Medium Voltage Direct Current, MVDC) 도입 필요성이 증가하고 있습니다.
지역 간 대용량 송전을 위해 상용화 단계인 HVDC(100㎸ 초과)와 실증단계인 LVDC(1.5㎸ 이하)에 비해 MVDC(1.5~100㎸ 이하)는 기술개발 초기단계로 핵심 기술 개발, 표준화 등의 기술선점이 중요한 시점이라고 할 수 있습니다.
이를 위해 중공업연구소는 2014년부터 독일 아헨공대의 FEN(Flexible Electric Networks) 프로젝트에 참여하여 지속적으로 MVDC 핵심 부품 및 기반 기술의 글로벌 최신 연구동향을 파악하고 있으며, 올해에는 전력용 반도체 변압기, DC/DC 컨버터 전력변환기 개발 등 핵심 부품을 개발함으로써 DC Grid 시대에 대비하고자 합니다.
분산전원의 증가는 마이크로그리드, ESS, 수요관리(DR)등 새로운 분산형 기술을 발전시키고 있으며, 4차 산업혁명으로 인해 디지털 전력망 운영체제 선점을 위한 글로벌 기업들 간의 플랫폼 경쟁이 치열해지고 있습니다.
효성중공업은 국내 ESS 부문 1위 기업으로서 글로벌 경쟁력을 강화하고자 플랫폼 기반의 마이크로그리드 운영 솔루션을 개발할 예정입니다.
표준 플랫폼 운영체제에 다양한 어플리케이션을 탑재함으로써 고객별 요구기능을 신속하게 충족시키고, 다수의 ESS 설치사이트를 통합 관리함으로써 운영데이터의 빅데이터 구축, 고장 발생, 조치에 대한 이력 관리까지 수행하고자 합니다.
또한 클라우드 플랫폼 기반의 가상발전 운영 솔루션을 개발함으로써 새로운 비즈니스 모델을 창출하고자 합니다.
최근 ESS 화재 사고 증가에 따라 태양광+ESS 설비의 상태 예측, 사고 모니터링에 대한 시장 니즈가 증가하고 있으나, 기존의 관리시스템은 동작 상태를 감시하여 고장에 따른 단순 알람을 발생시키는 수준이기 때문에 실시간 상태진단과 사고예방이 가능한 ESS 전용의 AMS 도입이 반드시 필요합니다.
중공업연구소는 2020년부터 2022년까지 한전과 ‘한전 태양광 발전소 O&M 최적화 및 자산관리 기술개발’을 공동 연구함으로써 국내 ESS 시장의 After Market을 창출하고, 효성중공업 AMS의 제품 커버리지를 확대함으로써 경쟁력을 제고하고자 합니다.
디지털변전소는 전력설비 통신규격인 국제표준IEC 61850을 적용하여 변전소 설비의 감시·계측·제어 및 보호 기능을 자동화한 변전소를 의미합니다.
디지털변전소는 기존의 하드 와이어드 시스템에서 벗어나 통신 케이블로 데이터를 송수신하기 때문에 기존 변전소 대비 설치면적과 비용이 적게 들고, 고장 발견이 용이하다는 장점이 있어 국내외 도입이 촉진되고 있습니다.
이에 기존의 CT/VT(Current/Voltage Transformer)를 대체할 수 있는 IEC 61850을 적용한 145㎸급 GIS용 LPIT(Low Power Instrument Transformer)를 개발하고자 합니다.
연구소 운영 전략
중공업연구소는 기술그룹과 제품그룹 매트릭스 조직을 고도화하여 R&D 생산성을 높이고, 차별화된 신제품 개발을 위하여 전력전자, 재료 등 핵심 기반 기술에 대한 선행 연구를 강화할 예정입니다.
사내 전문가 집단으로 구성된 기술연구회(신뢰성, 전력전자 등)를 운영하고, 디자인 리뷰를 수행함으로써 연구성과의 질을 향상하고자 합니다.
더불어 시스템 엔지니어링을 도입하여 고객 요구사항을 명확히 분석하고 연구개발을 함으로써 개발 중 발생하는 변경·지연 등의 리스크를 감소시키고 개발 완료 후 미진한 부분의 발생을 방지하고자 합니다.
이와 더불어 독일 프라운 호퍼연구소 등 글로벌 연구기관 및 대학들과 오픈 이노베이션을 지속적으로 확대하여 글로벌 최고 수준의 기술력 확보와 경쟁력 있는 신제품을 개발하고자 합니다.