[기획] 친환경 에너지를 실현하는 기술 (1)

발전, 송·배전, 저장 효율을 높이는 반도체 칩

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 기술의 고도화와 인구의 증가는 양과 질 양면에서 전자제품 보급과 사용을 늘린다. 이는 곧 에너지 수요를 높인다. 국제에너지기구(IEA)가 발간한 ‘글로벌 에너지 리뷰 2021’ 보고서에 따르면, 2021년 전 세계 에너지 수요는 2020년보다 4.6% 늘고, 특히 화석연료 수요가 4.8% 증가해 CO2 배출량도 1.5Gt 늘어날 것으로 전망된다.

미래 삶의 질에 직결되는 자연 환경을 보전하기 위해, 인류는 에너지 생산·전달·소비의 전 과정에서 더 지능적이고 효율적인 방법을 모색해야 한다. 특히 전 세계 에너지 수요의 3분의 1 이상을 차지하면서도 미래 친환경 에너지로 주목받는 전기의 효율을 높일 필요가 있다.

전기 에너지 사슬(생산, 전송, 저장, 소비)의 모든 과정에서, 전력 효율을 높이고 손실을 줄이며 친환경적인 방법을 사용하는 데는 반도체가 많은 역할을 한다. 친환경 고효율 반도체는 전력 변환, 송·배전, 저장 시 손실을 줄인다.

재생에너지 생산 효율 향상

최근 탄소배출량을 저감하는 데 기여하는 재생에너지로 태양광·풍력 발전이 각광받고 있다. 한국수출입은행 해외경제연구소에 따르면, 2021년 전 세계 태양광 발전 수요는 180GW를 넘고, 2022년에는 200GW에 달할 전망이다. 풍력 발전의 경우 2020년 96.8GW를 기록했으며, 2050년 4100GW 규모로 성장해 전체 발전설비용량의 20%를 차지할 것으로 분석된다.

태양광과 풍력을 이용해 생산한 전력을 전력망에 공급하기 위해서는 몇 가지 단계를 거쳐야 한다. 재생에너지는 자연 환경에 따라 생산 전력량의 변동이 심해 에너지 저장 시스템(ESS)을 갖추고 있다. 그리고 막 생산된 전기는 DC(직류)로 공급된다. 따라서, 높은 효율을 달성하려면 태양광 패널 또는 풍력 터빈과 ESS를 효율적으로 결합하고, DC-AC(교류) 변환 시 손실률을 낮춰야 한다. 이를 위해 고효율 풍력 변환기, 전원 모듈, 인버터 등이 사용된다.

재생에너지의 발전 효율을 높이는 것은 상업적 수익성에 영향을 미친다. 이는 곧 재생에너지의 보급과 확산에, 더 나아가 공해를 줄이는 데 기여하게 된다.

송·배전, 저장 중 손실 저감

송·배전 손실을 낮추는 것은 전체 전력 효율 개선에 크게 기여한다. 미국 에너지정보국(EIA)은 2015년부터 2019년까지 미국 전체 전력의 약 5%가 송·배전 과정에서 손실됐다고 추정했는데, 이 손실률을 0.1%p라도 낮추면 연간 500GWh 만큼의 전력을 더 사용할 수 있다.

유연성과 신뢰성은 효과적인 송·배전 시스템을 위한 핵심 요소다. 특히 전력 생산 현장(발전소, 풍력 터빈, 태양광 패널 등)과 소비 지점이 멀어 중·장거리 송전이 이뤄지는 경우엔 손실량이 급증한다. 송전압을 높인다면 손실을 줄일 수 있으며, 이를 위해 초고압 변압이 가능한 IGBT 모듈이 필요하다. 이처럼 적절한 부품으로 구성된 배전 시스템은 공급과 수요의 균형을 맞추고 안정적인 전력 전달을 수행할 것이다.

저장 효율은 지능형 ESS를 사용함으로써 얻을 수 있다. 에너지 저장의 핵심 요소는 발전의 분산이다. 가능한 한 전력망을 유연하게 운영하고, 저장과 소비의 균형을 유지하는 것이 ESS에 걸리는 부하를 낮추고 화석 연료 기반 발전소의 대기 비용을 절감하는 데 유리하다. 센서, MCU 등 부품과 AI 기반의 체계가 결합된 스마트 그리드 솔루션이 고효율 전력망을 구현할 수 있다.

에너지 효율을 높이는 인피니언의 기술

인피니언은 전력 반도체 시장에서 효율을 높이고 새로운 발전 방법을 도입하며 전력망을 개선하는 데 필요한 솔루션을 40년 이상 공급해 왔다. 인피니언의 솔루션은 태양광과 풍력 같은 재생에너지 시스템의 효율성 향상과 소형화에 기여하고 기존 에너지원과 동등한 수준의 발전 효율을 내도록 돕는다.

태양광 시스템에는 OptiMOS/CoolMOS/CoolSiC MOSFET, IGBT, EiceDRIVER 게이트 드라이버, XMC 마이크로컨트롤러(MCU)를 적용할 수 있다. 이들 부품들은 최소 와트에서 최대 킬로와트(㎾) 단위의 주거용 태양광 발전 시스템뿐만 아니라 메가와트(㎿) 수준에 이르는 상업·유틸리티용 시스템을 아우른다. 풍력 시스템에는 PrimePACK 전원 모듈 패키지가 사용될 수 있는데, 이는 풍력 터빈에서 발생하는 전기를 전력망에 안정적으로 공급하고, 풍력 터빈과 로터 날개를 바람 방향과 정렬하며, 동결과 과열로 인한 피해를 방지하는 기능을 제공한다.

※ 인피니언의 친환경 에너지 기술에 대한 개요와 응용처별 포트폴리오 등 자세한 내용은 인피니언 그린에너지 웹에서 확인할 수 있다.

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