모터 하나로 지구를 구하다
전동기는 최소한 1800년대 후반부터 제조 응용 분야에서 흔히 사용되어 왔습니다. 이전 방법과 비교했을 때, 전동기는 즉각적인 토크, 향상된 제어 가능성, 그리고 낮은 유지보수 요구사항을 포함한 여러 이점을 제공했습니다. 전동기 기술은 확실히 수년간 개선되어 왔지만, 여전히 이루어야 할 큰 진보가 남아 있습니다. Analog Devices의 이 기사에서는 전동기의 효율성을 높이는 과정이 기후 변화에 기여하는 배출량을 줄이는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지를 탐구합니다.
2015년 파리협정은 2050년까지 지구 온난화를 1.5°C로 제한하기 위한 계획을 제시했습니다. 2050년까지 1.5°C 목표를 달성하려면 2018년 수준에서 약 70%의 이산화탄소 배출량 감소가 필요합니다. 현재 지구 온난화의 추세는 주요 경제적, 사회적, 환경적 혼란을 초래할 가능성이 있습니다. 세계는 이미 1.1°C 온난화되었으며, 전문가들은 2030년대에 1.5°C를 초과할 가능성이 높다고 말하고 있습니다.
그림 1은 World Energy Outlook 2019에서 다룬 것처럼 CO2 배출량을 10Gt CO2 이하로 줄임으로써 1.5°C 목표에 도달하는 경로를 보여줍니다. 해당 보고서에서 국제에너지기구(IEA)는 전 세계 배출 경로에 대한 두 가지 시나리오를 검토했습니다. 첫 번째는 발표된 정부 정책에 기반하여 배출량을 추정하는 정책 발표 시나리오(Stated Policies Scenario)이며, 두 번째는 추가적인 배출 완화 경로를 고려하는 지속가능 발전 시나리오(Sustainable Development Scenario)입니다. IEA의 지속가능 발전 시나리오에서 CO2 배출량을 줄일 가장 큰 기회는 에너지 효율성 향상으로, 정책 발표 시나리오와 비교했을 때 지속가능 발전 시나리오 감축량의 37%를 차지합니다. 2022년에 산업이 CO2 배출량의 25%를 차지하였으므로 [2], 산업 에너지 효율성 투자를 가속화하는 것이 2050년 순 탄소 배출량 제로를 달성하기 위한 중요한 부분이 될 것입니다.
그림 1: CO2 배출량 감소를 위한 경로
산업용 모터가 중요한 이유
2022년 전 세계 전력 공급은 28,642테라와트시였으며, 이는 13.2기가톤의 탄소 배출을 기여했습니다. 산업은 전 세계 전력 소비량의 약 30%를 차지하며, 산업 내에서 전기 모터는 약 70%의 전력 소비를 구성합니다. 분명히 이러한 구성 요소의 효율성은 그림 1에서 확인된 효율성 절약에 중요한 기여가 될 수 있습니다. 가장 기본적이고 효율성이 낮은 모션 솔루션은 직접 AC 전력망에 연결된 3상 모터를 기반으로 하며, 이들은 개폐 장치를 사용해 온/오프 제어와 기본적인 보호를 제공합니다. 이러한 모션 솔루션은 부하 변동과 관계없이 상대적으로 고정된 속도로 작동합니다. 출력 변수(예: 펌프와 팬에서의 유체 흐름)의 조정은 스로틀, 댐퍼 및 밸브와 같은 기계적 제어 장치를 통해 구현되며, 속도 변경은 기어를 통해 구현됩니다.
그림 2: 글로벌 에너지 사용에서 산업 모터의 역할
다이오드 정류기, DC 버스, 및 3상 인버터 스테이지를 추가하면, 그림 3(b)에 나타난 것처럼 가변 주파수와 가변 전압 출력을 생성하는 인버터가 만들어집니다. 이 출력은 모터에 적용되어 가변 속도 제어를 가능하게 합니다. 인버터로 구동되는 모터는 부하와 애플리케이션에 최적화된 속도로 모터를 작동시킴으로써 시스템의 에너지 소비를 크게 줄입니다. 예로 들면 고효율 펌프와 팬 등이 있습니다. 펌프, 팬, 또는 압축기의 기존 모터에 인버터를 추가하면 모터와 애플리케이션에 따라 전력 소비를 25%에서 60%까지 감소시킬 가능성이 있습니다. 고성능 모션 제어 애플리케이션에서는 VSD(그림 3(c))가 정확한 토크, 속도, 및 위치 제어를 가능하게 합니다.
그림 3: (a) 그리드 연결 AC 모터 (b) 인버터 공급 모터 (c) 가변 속도 모터 드라이브
산업에서 설치된 모든 모터 중 약 6분의 1만이 인버터 구동 또는 VSD(가변 속도 드라이브)에 연결된 상태로 추정됩니다. 더 많은 설치된 모션 자산을 그리드 연결 모터에서 인버터 구동 또는 VSD로 이동시키면 에너지 소비와 CO 배출량을 상당히 줄일 수 있습니다. 이러한 에너지 소비 감소는 CO2 배출량을 줄이고 보다 지속 가능한 제조를 가능하게 합니다. 모든 설치된 모터 구동 시스템이 최대 효율로 작동할 경우, 세계 전력 수요를 10% 줄이고 2030년까지 2490 Mt의 CO2 배출을 제거할 수 있을 것으로 추정됩니다.
모터 효율성 표준
효율이 더 높은 모터 구동 시스템의 배치를 가속화하기 위해 국제 전기기술위원회(IEC)는 에너지 효율적인 전기 모터 표준 정의에 기여했습니다. 여기에는 전기 모터를 위한 IEC 60034-2-1 테스트 표준과 네 가지 모터 효율 등급(IE1부터 IE4까지)으로 구성된 IEC 60034-30-1 분류 체계가 포함되며, 향후 IE5 등급이 도입될 예정입니다. 상위 등급 기준은 더 효율적인 모터 설계를 통해 달성하거나 표준 모터 디자인에 인버터 또는 VSD(Variable Speed Drive)를 추가하여 달성할 수 있습니다. 효율 등급이 점점 엄격해짐에 따라 향상된 모터 설계만으로 이를 충족하는 것이 점점 더 어려워지고 비용도 증가하고 있습니다. 애플리케이션에서 가변 속도 제어가 제공하는 추가적인 이점과 함께 대부분의 산업용 모터에 VSD를 부착해야 한다는 필요성이 점점 더 설득력 있게 다가오고 있습니다.
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