글: Jeremy Cook
우리 사회는 화석 연료에서 재생 가능 에너지원으로 전환한다는 더 큰 목표 안에서 모든 것을 전기화하는 일치된 움직임을 목격하고 있습니다. 전기화는 배터리 구동 자동차부터 가스레인지를 전기레인지로 교체하는 작업까지 다양하며, 인프라 및 스마트 그리드 기술 업데이트를 통해 지원됩니다. 특히 눈여겨 볼 만한 부분은 효율적인 전환이 가능한 실리콘 카바이드(SiC) 기반 트랜지스터와 같은 기기, 그리고 스마트 에너지 그리드를 실현하는 측정 기기입니다.
전기화 응용 분야
크게 보자면 모든 것의 전기화는 수십 년 전에 시작되었으며, 이유는 환경 관련 우려보다는 태생적인 이점 때문이었습니다. 예를 들어 한때 잔디 관리는 기본적으로 가스 장비나 인력을 사용하여 이루어졌습니다. 오늘날 소비자는 연료를 충전할 필요가 없고 연소 장치보다 훨씬 조용한 전기 잔디 깎이를 구입할 수 있습니다. 이와 동일한 기술을 통해 전선을 연결하지 않아도 되는 전동 공구, 자동으로 잔디를 관리해 주는 첨단 로봇 잔디 깎이가 등장했습니다.
스마트폰의 경우 모든 것의 전기화로 실제 모든 것까지는 아니더라도 많은 것의 통일이 이루어진 사례라고 할 수 있습니다. 스마트폰이라는 올인원 패키지에는 스틸 카메라, 비디오 녹화 장치, 계산기, GPS 위치 추적기 및 도서관이 한데 들어 있어 획기적입니다. 스마트폰 및 소형화된 컴퓨팅은 전기화된 삶의 거의 모든 측면에 전반적으로 영향을 미칩니다.
전기화가 영향력을 확대할 것으로 전망되는 다음 영역을 살펴보십시오.
응용 분야 #1: 개인 교통 수단
현재 미국에 존재하는 전기차(EV)는 약 4백만 대에 달하며 2030년에는 3,300만 대에 도달할 것으로 예상됩니다. 또한 전기자전거가 널리 보급되어 다양한 상황에서 효율적인 개인 교통 수단의 역할을 하고 있습니다. 미국 에너지 정보국에 따르면 2022년 기준으로 미국의 주요 에너지 소비량 중 27%는 교통 수단에 사용되었습니다. 이 분야를 한층 더 전기화하면 화석 연료 소비에 커다란 변화가 일어날 것입니다.
공공 부문에서도 전기 버스, 전기로 운행되는 고속 열차 등을 통해 전기화가 진행되고 있음을 알 수 있습니다. 여기에 전기자전거의 확산까지 더해지면서 교통을 완화하고 기존 자동차보다 1인 마일당 전체 전력 소비량을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 전기화와 관련된 성공으로 재택근무에 대한 의존도가 높아짐에 따라 직접 "현장에 있어야 할" 필요성이 줄어듭니다. 이 사례를 엄밀히 말해 "전기화된 교통 수단"으로 분류하기는 어렵지만, 개인 이동 필요를 대폭 줄여 같은 효과를 내는 것은 분명합니다.
응용 분야 #2: 건물 관리
건물 관리는 앞으로 한층 더 전기화될 예정이며, 건물 난방 측면에서 특히 그러합니다. 전통적으로 열은 현장에서 화석 연료를 연소하여 어떤 영역을 직간접적으로 난방하는 형태로 발생합니다. 굴뚝과 벽난로, 천연 가스로 작동하는 가정 난방 시스템 또는 증기를 사용하는 건물 전체 방열기 설비 등이 그 예입니다.
전기 열 입력은 효율적인 대안입니다. 기본적인 전기 난방 과정은 저항기에 전기를 공급하여 열을 통해 과도한 에너지를 방출하는 것입니다. 일반적으로 비효율과 골칫거리(컴퓨터와 같은 전자 제품에서 발생하는 열을 냉각해야 하는 필요)로 치부되는 현상이 이 경우에는 원하는 결과에 해당합니다. 다만 직접 저항 난방에 전기를 사용하면 가스 또는 기타 화석 연료를 연소할 때보다 일반적으로 비용이 더 많이 듭니다.
여기에서 자세히 논의하듯이, 더 효율적인 전기 난방 옵션은 열 펌프를 대신 사용하는 것입니다. 열 펌프는 압축 주기를 통해 가정에 열을 간접적으로 전달하며, 에어컨과 반대되는 방식으로 작동합니다. 이 난방 방식은 실외 온도가 매우 낮은 경우에는 적합하지 않지만, 대부분의 기후에서 건물 난방에 이용할 수 있습니다.
물론 건물을 최적의 상태로 유지하는 데 온도 관리가 유일한 측면은 아닙니다. 화재 및 보안 시스템도 중요하며, 전반적인 유지 관리에는 기계 학습 및 예측 기술의 도움을 받을 수 있습니다. 일반적으로 표준 컴퓨터 또는 스마트폰을 통해 사용자 인터페이스 기능에 액세스할 수 있기 때문에 전용 단말기를 사용하는 것이 아니라 모든 것을 위한 다목적 기기를 효율적으로 활용할 수 있습니다.
응용 분야 #3: 산업 공정
산업 가열 역시 언급할 만한 응용 분야로서, 전기화가 건물 관리 시나리오에서와 동일한 근본적인 과제에 직면하게 되는 사례입니다. 가스 버너를 전기 가열 요소로 효율적으로 교체할 수 있는 개조 키트와 같이 산업에 맞춘 새로운 기술이 개발되고 있습니다. 화석 연료에서 전기 가열로 전환하는 것과 함께 기존 가열 설비의 효율을 높여 일부 에너지 필요 사항을 경감하기 위한 노력도 진행 중입니다.
가열 외에도 산업에서는 압축 공기 사용 절감, 효율이 떨어지는 백열등에서 LED 조명으로 전환하는 작업 등 다른 공정 에너지 비효율 사항에 주목해 볼 수 있습니다. 이러한 프로젝트는 즉각적이고 쉽게 측정 가능한 투자 수익을 낼 수 있기 때문에 기업 수준과 전반적인 환경 수준 모두에서 이득입니다.
기술 활성화 #1: 스마트 그리드 기술
모든 것을 전기화하는 것은 장대한 목표로 보이지만, 실질적인 문제는 바로 인프라가 현재의 필요에 맞게 구축되어 있다는 사실입니다. 추가 전기화는 전기 수요 증가를 의미하며, 여기에는 공급 건전성과 유연성이 필요합니다. 혁신적인 개념 중 하나는 재생 가능 자원과 그리드 저장체를 융합하고 신중하게 관리하여 다양한 전력원을 적절하게 활용하는 "가상 발전소"입니다. 이 개념에서는 스마트 에너지 그리드 개념이 최적으로 기능하도록 양방향 측량, 정교한 제어 구조와 같은 역량이 필요합니다.
실리콘 카바이드 기반 트랜지스터, 고품질 IGBT, 더 전통적인 실리콘 MOSFET과 같은 스마트 그리드 부품을 사용하면 에너지원과 에너지 소비자(상황에 따라 양쪽 모두 역할이 변동될 수 있음) 사이에 발생하는 손실이 최소화되는 전력 관리가 가능할 수 있습니다. 전기를 제공해야 하는 시점이나 자원으로 발생한 전기를 스마트 전력 그리드에서 소비해야 하는 시점, 그리고 이처럼 변동되는 상황에 대해 요금을 청구하는 방법을 판단하는 데 전류 감지 기술이 중요한 역할을 할 것입니다.
기술 활성화 #2: 휴대용 배터리 기술의 발전
공정 가열은 분명 플러그인 방식이 주류인 작업이지만 전기화된 "사물" 중 대다수는 휴대용이기 때문에 자가 전력 공급 장치(배터리)가 필요합니다. 상당히 최근의 배터리 발전 사례, 특히 리튬이온(Li-ion) 및 리튬폴리머(Li-Po) 기술 덕분에 전기차 및 스마트폰과 같은 휴대용 기기가 실현됩니다.
휴대용 기기라는 관점에서 보면 Li-Po/Li-ion 배터리 기술을 한층 더 발전시켜야 하며, 관련된 제조 인프라도 함께 발전시켜 셀 생산을 늘려야 합니다. 동시에 현재의 배터리 기술에는 한계가 있습니다. 가까운 미래에 근본적으로 새로운 배터리 패러다임이 등장할 가능성이 있습니다. 여기에서 살펴보듯이, 연구자들은 전기 에너지 저장용으로 그래핀을 사용해 실험 중이며, 이것이 실현된다면 현재 가능한 것보다 훨씬 더 빠른 전기 충전 및 방전 주기를 달성할 수 있게 됩니다.
미래의 발전, 더욱 발전된 전기화
전기화의 속도 및 방법은 답이 정해져 있지 않은 문제입니다. 예상치 못한 대규모 상황을 제외하면 추세는 확실히 전기화로 향하고 있습니다. IoT 기기를 통해 에지 및 클라우드에 더 큰 컴퓨팅 능력이 확보되면 인프라 관점에서 전기화가 한층 가속화될 것이며, SiC 및 기타 관련 기술의 발전이 여기에 힘을 더할 것입니다.
앞으로 수십 년간 전기화의 결론이 어떻게 나든, 스마트폰의 확산 사례와 마찬가지로 자각 있는 고려 없이는 전기화가 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 어느 시점이 되면 이러한 전기차, 전기자전거 및 기타 새로 전기화된 기술이 우리에게 다가와 암묵적으로 받아들여지고, (희망적으로 보자면) 우리 세상을 더 나은 곳으로 만들 것입니다. 반면 이러한 기술을 실행할 수 있으려면, 그리고 한층 더 전기화된 세상에 전력을 공급하기 위해 스마트 그리드 인프라 업그레이드를 구현하려면 더 많은 작업이 필요합니다.
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