에너지·디지털 전환 시대, 전기·발전산업의 미래를 엿보다

지난해 우리나라의 과학기술 혁신역량은 OECD 국가들 중 5위를 기록하며 일본을 앞질렀다. 4차 산업혁명 시대에 과학·기술을 포함한 소프트파워가 중요한 국가성장 동력으로 작용하는 가운데 탄소중립·에너지효율을 가져올 전기산업의 신기술이 미래 성장을 이끌 전망이다.

최근 한국전기연구원에서는 24가지에 달하는 최신 연구개발 기술을 한국전기산업대전에서 선보였다. 그 중 산업계의 화두로 떠오르는 에너지 전환과 디지털 전환 두 관점에서 주요 기술을 살펴봤다.

비접촉 마그네틱 기어, 무한의 수명을 가진 차세대 기술


전기추진은 차세대 시장으로 주목 받는 도심 항공 모빌리티(UAM, Urban Air Mobility) 및 친환경 선박 개발에 필요한 핵심원천 기술로 평가 받는다. 여기에 적용되는 마그네틱 기어 기술은 기계식 기어를 대체할 차세대 기술로 유럽을 중심으로 2000년대부터 20년 남짓한 연구개발의 역사를 가지고 있지만 아직까지는 상용화에 이른 경우가 많지 않다.

최근 한국전기연구원에서 비접촉 마그네틱 기어 기반 상반회전 프로펠러 기술을 세계최초로 수중 및 항공 추진체에 적용시켜 실증품으로 구현해냈다. 상용화 가능성을 내보이며 현재는 소형 선박에 적용해 성능을 끌어올리는 데 집중하고 있다.

연구원 측은 이 기술을 통해 선박과 항공기의 추진효율을 15% 이상 향상시킬 수 있다고 설명했다. 에너지효율 향상뿐만 아니라 구동방식에서 마찰이 없고 유지보수가 용이해 기계식 기어의 마찰 손실과 유한한 수명 등을 극복할 수 있다고 강조했다.

비접촉식 구조이기에 소음 및 진동 저감에 용이하며 유지보수도 거의 필요치 않다. 또한 상반회전 프로펠러의 경우 기계식은 구현의 복잡성을 요하지만 마그네틱 기어는 기계적 비접촉에 의한 고효율화, 태생적 상반회전 등의 장점을 가진다.

이 기술의 개발을 주도하는 홍도관 팀장은 “국내는 전기추진기를 전문적으로 개발하는 곳이 없으며 기존 형태를 따라하는 정도가 전부였다”며 “3kW급 실증시험은 마쳤고 용량을 점진적으로 키워 100kW급을 올해 설계해 내년에 시제작할 예정이다”라고 말했다.

홍 팀장은 “관련 기술을 적용한 상반회전 프로펠러가 세계 최초인 만큼 참고할 기존 제품이나 개발 방식이 없어 개발 과정, 성능 검증 등에서 어려움이 있다”고 토로했다. 또한 기계식 기어와 동일 사이즈 동일 출력을 내는 것이 당면한 기술적 극복 과제라고 밝히기도 했다.

친환경 선박 및 도심 항공 모빌리티, 국방 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망하며 전기식 파워트레인의 핵심 부품으로 사용될 수 있다고 강조했다. 동력원에 관계없이 사용 가능해 기계식 기어의 한계가 드러나는 곳에서부터 서서히 대체될 것으로 홍 팀장은 예상했다.

태양광 발전설비, 디지털 트윈으로 모니터링·시뮬레이션 실현


발전 산업에서 신재생에너지로의 전환은 전력계통에 있어서 운영의 어려움이 뒤따른다. 각종 변수 및 전력 생산 변동성과 빈번히 마주치는 환경에 놓이며 대응책 마련에 전문가들이 골몰하고 있는 시점이다.

이에 ‘스마트그리드’라고 불리는 차세대 전력망 구축이 중요한 화두로 부상하며 발전산업에서 디지털 전환을 추동하고 있다. 지역별 분산된 재생에너지 발전설비와 ESS 등을 클라우드 기반 소프트웨어로 통합해 관리하는 가상발전소(Virtual Power Plant, VPP)가 중요한 역할로 거론되고 있다.

이와 관련한 기술 개발이 속도를 내는 가운데 한국전기연구원 전력ICT연구센터에서는 태양광 발전설비 디지털트윈 3D 가시화 기술의 개발 진행 상황을 공개했다.

양·단축 추적식, 고정식, 캐노피 등 설치 형태 다양화를 반영할 수 있으며 인버터 입출력, 패널 상태, 기상 예보와 같은 환경 정보 등 발전량 관련 정보를 수집해 1초-1분 단위로 모니터링 및 재연 기능을 구현해냈다.

이병윤 센터장은 “최근 신재생에너지 공급과잉에 따른 제주지역의 커테일먼트(발전제한)가 부각되며 전력 운영의 효율성 제고가 대두되고 있다”고 언급하며 “단순 모니터링뿐 아니라 내부 AI엔진을 거쳐 데이터를 분석하고 예지보전 및 발전량 예측 등 전력계통 디지털 트윈화에 기여할 수 있을 것”이라고 피력했다.

태양광 발전설비 디지털트윈을 시작으로 여러 부문에서의 연동을 꾀한다는 이 센터장은 “풍력, 수소 등 다른 신재생에너지까지 확대하는 작업을 진행하고 있다”며 디지털 트윈 간의 연동까지도 고려해볼 수 있다고 덧붙였다.

그는 “가상발전소 디지털 트윈은 클라우드를 기반으로 동작하기에 보안기술의 연계도 이뤄져야 한다”고 언급하며 “산업 전반에서 디지털 트윈이 도입될 것으로 보며 다양한 서비스를 구현할 것”으로 전망했다.