친환경 에너지로의 전환 촉진

기후 변화에 대응하기 위한 재생 가능 에너지의 스마트한 활용 방안

이미지 출처: AREE/Stock.adobe.com

알리스테어 위닝(Allistair Winning), 마우저 일렉트로닉스

2023년 11월 22일

지구가 임계 온도를 넘어설 위기에 직면하면서 재생 에너지를 지능적이고 효율적으로 사용해야 할 필요성이 그 어느 때보다 높아지고 있다. 오늘날에는 중요한 국제 협약과 지정학적 시나리오 속에서 급속한 기술 발전이 이루어지고 있다. 하이브리드 인버터 등과 같은 장치를 포함하여 이러한 혁신은 정책적 노력을 보완하는 수준을 넘어서서 재생 에너지 부문을 발전시키는 데 핵심적인 역할을 하고 있다. 이러한 장치는 재생 에너지의 도입을 촉진하여 화석 연료에 대한 의존도를 낮추는 데 필수적인 역할을 한다. 예를 들어, 하이브리드 인버터는 재생 에너지 사용에 대한 담론을 적극적으로 주도하는 게임 체인저로 입증되고 있다. 이 같은 첨단 전자 기기들은 다양한 친환경 기술을 완벽하게 통합함으로써 소비자뿐만 아니라 더 넓은 산업에서 지속 가능한 관행의 채택을 가속화하고 있다.

변화를 촉진하는 정책

지난 2015년에는 전 세계 196개국이 기후 변화 악화를 방지하고자 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 1.5°C로 제한하는 것을 목표로 파리 협정을 채택했다. 이 1.5°C 제한 목표는 장기적 평균치를 의미하지만, 2023년에는 이 마지노선을 넘을 수 있다는 전망이 나오고 있다. 특히, 버클리 어스(Berkeley Earth)는 2023년이 기록상 가장 더운 해가 될 확률이 99%이고(그림 1) 1.5°C 마지노선을 넘을 확률이 55%에 달할 것으로 예측한다.^[1] 또한 세계기상기구(WMO)에서는 2023년과 2027년 사이에 이 같은 현상이 발생할 확률을 66%로 추정하고 있다.^[2]

1.5°C 목표를 달성하기 위해 유엔 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 2025년 정점으로 전 세계 온실가스 순 배출량을 2030년까지 43% 감축할 것을 강조하고 있다. 2019년 배출량의 64%를 차지한 이산화탄소^[3] 가 가장 큰 관건이다. 재생 에너지 채택, 교통수단의 전기화, 산업용 화석 연료 사용 최소화 등의 전략이 핵심이다.

그림 1: 2023년은 기록상 가장 더운 해가 될 것이며, IPCC의 1.5°C 마지노선을 넘어서는 첫 해가 될 가능성이 매우 높다. (출처

: Berkeley Earth/https://www.berkeleyearth.org/)

친환경 기술 도입의 중요성

각국 정부가 대규모 재생 에너지 생산에 박차를 가하고 있는 상황에서, 문제에 대한 다른 측면을 살펴보는 것도 필요하다. 전력망에서 전기 수요를 줄이는 것도 화석 연료에 대한 의존도를 최소화하는 데 큰 도움이 될 것이다. 에너지 효율이 높은 제품을 사용하는 것과 소비자가 스스로 전기를 생산하고 사용하도록 장려하는 것 모두 이에 포함될 수 있다. 전 세계 각국 정부들은 비효율적인 제품의 판매를 제한하고 각국 내 재생 에너지 발전을 촉진하기 위해 소비자들에게 인센티브를 제공함으로써 앞서 언급된 목표를 달성하기 위해 노력해 왔다.

다행스러운 점은 소비자들이 하나의 친환경 기술을 채택하게 되면 더 많은 친환경 기술에 투자하게 되는 경우가 많다는 것이다. 영국의 전기차(EV) 충전소 앱인 Zapmap의 설문조사에 따르면, 전기차 소유자들 중 집에 태양광 패널을 설치한 숫자는 4,358명으로 전기차 미소유자들 중 태양광 패널을 설치한 숫자보다 7배나 높았다.^[4] 또한 응답자의 10% 이상이 가정용 에너지 저장 장치를, 72%는 스마트 미터기를 보유하고 있었다. 전기차 구매는 소유주가 친환경 기술을 사용하기 위한 대안을 모색하는 시작점이 될 수 있다(그림 2). 이러한 과정을 보다 쉽게 접근하고 통합할 수 있도록 한다면 다양한 지속 가능한 기술의 채택이 가속화될 것이다.

그림 2: 소비자가 전기차를 구매하는 사람들이 다른 에너지 효율적인 기술도 함께 채택할 가능성은 다른 이들보다 훨씬 높다. (출처: petovarga/stock.adobe.com)

머지않아 가정에서나 소규모 기업에서는 낮 시간 동안 태양광 에너지를 사용해 가정용 및 전기차 배터리를 충전한 다음, 수요 및 요금이 가장 높은 저녁 시간에 여분의 에너지를 전력망에 공급하는 시나리오를 볼 수 있게 될 것이다. 그러면 에너지 저장 시스템은 밤 시간에는 저렴한 전력망 에너지를 사용하여 충전을 하고 다음 날을 위한 준비를 할 수 있다. 이 프로세스는 전기 요금을 줄이는 것 외에도 전력망의 공급과 수요의 균형을 맞추는 데 도움이 될 수 있다.

보다 스마트한 전력 공급을 가능하게 하는 하이브리드 인버터

태양광(PV) 에너지 시스템에서 가장 중요한 부품 중 하나는 인버터로, 이는 생성된 DC 전력을 가전제품에서 사용하거나 전력망에 공급할 수 있는 AC 에너지로 변환하는 역할을 한다. 예를 들어, 일반적인 태양광 발전 설계에서는 출력 전압을 높이기 위해 태양광 패널을 직렬로 연결한다. 이렇게 모인 에너지는 DC/DC 컨버터로 공급되며, 컨버터는 가변 패널 출력 전압을 인버터가 사용할 수 있는 안정적이고 고정된 DC 전압으로 변환한다. 이 DC-DC 컨버터는 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추적)이라는 기술도 지원하여 패널이 항상 최고 전력 수준에서 작동하도록 보장한다. 

하이브리드 인버터는 태양광 발전 시스템을 더 낮은 비용으로 더 효율적이고 유연하게 만들기 위한 것이다. 이는 배터리 충전 및 방전을 위한 DC/DC 컨버터를 통합함으로써 달성하게 되며, 이는 기존의 AC 결합 스토리지 시스템에 비해 전력 변환 단계를 없애고 에너지를 절약하며 부품 비용을 절감한다(그림 3). 하이브리드 인버터는 주로 주거용 및 소규모 상업용 시장 부문에서 사용된다. DC 결합형 배터리 저장 시스템이 필요한 대규모 프로젝트에는 별도의 배터리 인버터가 최적의 솔루션이 될 것이다.

그림 3: 자가 소비량이 증가함에 따라 설계자들은 내장형 에너지 저장을 지원하는 하이브리드 아키텍처로 전환하고 있다. (출처: Infineon Technologies)

하이브리드 인버터는 이미 전력 산업에서 예측된 메가트렌드였던 만큼 최근 몇 년 들어서는 실제 채택 속도가 가속화되었다. 인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies)의 애플리케이션 관리 및 애플리케이션 마케팅 IPB 책임자인 마르쿠스 헤름빌레(Markus Hermwille)는 "독일의 경우를 예로 들면, 2022년 판매된 20kWh 미만의 모든 태양광 배터리 시스템 중 75%가 하이브리드 인버터를 통해 DC 커플링된 시스템이었다. 이에 비해 2019년에는 설치된 시스템 중 45%만이 하이브리드 인버터를 사용했다. 향후에는 하이브리드 인버터가 사용되는 비중이 더욱 늘어날 것이다. 또한 하이브리드 인버터는 최대 100kW의 고전력 등급에서도 눈에 띄게 시장 점유율을 차지하기 시작할 것이다"라고 전했다.^[5]

실용적인 하이브리드 인버터 설계

하이브리드 인버터를 설계할 때의 세 가지 변환 단계는 시스템의 전체적인 효율성에 있어 매우 중요하다. 입력 DC-DC 컨버터(부스터)는 가변 스트링 전압을 가정용 시스템의 경우 약 600V, 대규모 시스템의 경우 1,000V의 고정 전압으로 변환하는 데 간단한 단일 부스트 토폴로지만을 필요로 한다. 이 같은 종류의 변환을 위한 디바이스는 각각 650V 또는 1,200V의 차단 전압과 효율적이고 가벼운 설계를 위한 높은 스위칭 속도가 필요하다.

배터리 충전/방전을 위한 DC-DC단에는 일반적으로 2단 벅/부스트 토폴로지가 필요하다. 일반적으로 고전압 배터리에는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터가, 저전압 배터리에는 절연 양방향 DC-DC 컨버터가 사용된다.

최종 DC-AC 컨버터단에는 2단 또는 3단 토폴로지를 사용할 수 있다. 단상 설계의 경우 많은 엔지니어들이 고효율 및 고신뢰성 인버터 개념(HERIC) 토폴로지를 사용하는 반면, 3상 설계의 경우 엔지니어들은 보다 높은 효율을 위해 3단 NPC1/NPC2 토폴로지를 사용한다. 3단 NPC1 토폴로지는 대형 태양광 패널의 경우에도 20kHz 이상의 스위칭 속도에 더 적합하며, 3단 NPC2 토폴로지는 20kHz 미만의 스위칭 속도에 가장 적합한 토폴로지이다.

맺음말

전 세계 각국 정부들과 NGO들이 유틸리티 규모로 재생 에너지 발전량을 늘리고자 분주하고 있는 가운데, 소비자들 또한 태양광 패널을 사용하여 전기를 생산함으로써 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 데 기여할 수 있다. 한 가지 친환경 기술에 대한 투자가 다른 친환경 기술을 채택하는 관문 역할을 하는 경우가 많다는 점이 연구를 통해 드러났으며, 하이브리드 인버터는 이 같은 기술들이 서로 원활하게 사용될 수 있도록 촉진하는 이상적인 방안이 될 수 있다.

출처

[1]

 Robert Rohde. “August 2023 Temperature Update.” Berkeley Earth, September 13, 2023. https://berkeleyearth.org/august-2023-temperature-update/.

[2]

 World Meteorological Organization. “Global Temperatures Set to Reach New Records in Next Five Years.” Press Release, May 17, 2023. https://public.wmo.int/en/media/press-release/global-temperatures-set-reach-new-records-next-five-years.

[3]

 IPCC. “The Evidence Is Clear: The Time for Action Is Now. We Can Halve Emissions by 2030.” Press Release, April 4, 2022. https://www.ipcc.ch/2022/04/04/ipcc-ar6-wgiii-pressrelease/.

[4]

 Zapmap. “EV Drivers Seven Times More Likely to Have Solar Panels on Their Home.” Press Release, September 5, 2023. https://www.zap-map.com/news/electric-cars-gateway-clean-energy.  

[5] Markus Hermwille. Personal communication.

저자 소개

알리스테어 위닝(Allistair Winning)은 1997년 스코틀랜드 웨스트 대학교(University of the West of Scotland)에서 전자 시스템 학사 학위를 취득한 후 전자 미디어에서 마케팅, 홍보, 저널리즘 분야에서 근무해 왔다. 해당 기간 동안 그는 Electronics Engineering, Embedded Systems Europe, EENews Embedded, Technology First, Electronic Product Design and Test, Panel Building and Systems Integration 잡지의 에디터로 근무했다. 현재 그는 Power Systems Design의 유럽 지역 에디터이자 전자 및 엔지니어링 전문 프리랜서 작가로 활동 중이다.