[디지키 테크리포트] 에너지 저장 시스템 사용해 데이터센터 신뢰성·지속가능성 최적화

[테크월드뉴스=이광재 기자] 에너지는 데이터센터에서 매우 중요하며 많은 비용이 든다. 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)을 추가하면 재생 에너지원을 지원하고 연속적인 에너지 가용성을 향상시키며 작동 비용을 줄여 데이터센터의 신뢰성과 지속가능성을 향상시킬 수 있다. 배터리 극 커넥터는 BESS가 최대 이점을 제공할 수 있도록 하는 핵심 부품이다.

BESS 배터리 극 커넥터에는 강력한 기계적 내구성, IP67 환경 등급 및 높은 전류와 전압을 처리할 수 있는 안전하고 신뢰할 수 있는 연결 등이 필요하다. 이러한 커넥터는 또 설치 및 유지가 수월해야 하며 연결 오류를 방지하기 위한 극성 보호 기능과 부주의로 인한 분리를 방지하기 위한 래칭 메커니즘을 갖추고 있어야 한다. 더불어 UL 표준 4128의 요구사항을 준수해야 한다.

이번 기사에서는 데이터센터에서 에너지 소비를 증가시키는 요인을 검토하고 이로 인해 무정전 전력 시스템(UPS)의 설계가 어떻게 변화하고 있는지에 대해 살펴본다.

그런 다음 데이터센터에서 모듈식 BESS를 사용할 때의 신뢰성과 지속가능성 이점을 고려하고 UL 4128에 중점을 두고 배터리 극 커넥터의 성능 요구 사항을 살펴본다.

마지막으로 바이드뮬러(Weidmuller)의 배터리 극 커넥터와 케이블 조립품이 어떻게 사전 에너지 관리를 지원하고 데이터센터의 BESS 설치를 성공적이고 고성능으로 구현하는 데 도움이 되는지 알아본다.

인공지능(AI) 및 머신러닝(ML)의 부상으로 클라우드 데이터센터의 랙 밀도가 증가함에 따라 전력 요구사항이 크게 증가하고 있다. 데이터센터의 에너지 소비량은 2024년부터 2030년 사이에 전체 전력 소비량 대비 세 배로 증가해 2024년 미국 총 수요의 약 3~4%에서 2030년에는 11~12%로 증가할 것으로 예상된다(그림1).

[그림1] 2024년부터 2030년 사이에 미국의 데이터센터 에너지 소비량은 전체 전력 소비량(세로축에 표시)의 세 배로 증가할 것으로 예상된다. [출처=바이드뮬러]

진화하는 전력 아키텍처

전력 소비량의 급증은 견고한 전력 가용성의 필요를 지원하기 위한 UPS의 구조에 대한 재고찰, 지속가능성 향상, 치솟는 에너지 비용 관리를 위한 지원 등을 비롯해 데이터센터의 전력 아키텍처에 큰 변화를 일으키고 있다.

이전에는 주 유틸리티 전력이 정전되는 동안 데이터센터에 전력을 제공하도록 설계된 모터 발진기를 시동할 때 단기적 전력을 제공하기 위해 UPS를 주로 사용했다. 이제는 달라졌다.

UPS는 모터 발진기에서 생성된 온실 가스를 줄이거나 제거하기 위한 백업 전력의 주요 소스로 점점 더 인식되고 있다. 이로 인해 UPS 설계에서 더 많은 것이 요구된다. 확장 가능성과 유연성은 중요한 특성이 됐다.

모듈식 설계를 사용하면 더 긴 실행 시간과 다른 기능(예: 재생 에너지원 통합)을 지원할 수 있도록 BESS의 크기를 확장할 수 있다. 또 전통적인 밸브 조절 납축(VRLA) 배터리는 리튬 이온(Li-ion) 배터리로 대체되고 있다. 새로운 배터리 기술은 더 긴 수명 주기, 더 빠른 충전 시간, 증가된 에너지 밀도를 제공하며 이 모두는 에너지 수요가 증가함에 따라 데이터센터에서 매우 중요한 특성이다.

Li-ion 기반 BESS를 사용하는 모듈식 UPS는 훨씬 잦은 배터리 교체를 요구하는 VRLA 솔루션과 비교해 관리가 더 쉽다. 배터리 극 커넥터를 사용해 모듈을 추가하고 제거하는 것도 변화하는 데이터센터의 전력 요구를 해결하는 데 비용 효과적인 방법이다.

배터리 극 커넥터는 또 모듈식 BESS의 안전성 및 효율성을 지원하는 데 중요하다. 이러한 BESS 설계는 데이터센터 내의 일반적인 배터리 랙이 될 수 있다. 이와 함께 BESS는 컨테이너형 솔루션의 데이터센터 옆에 함께 배치해 데이터센터 내부에서 서버,·메모리,·통신 및 처리 능력과 연결에 대한 증가하는 수요를 지원하는 기타 중요 전자 부품을 위한 귀중한 공간을 확보할 수 있다(그림2).

[그림2] 모듈식 BESS 설치는 위에 표시된 대로 컨테이너형 솔루션을 기반으로 하거나 데이터센터의 내부에 위치한 배터리 및 전력 컨버터 랙을 사용해 구축할 수 있다. [출처= 바이드뮬러]

재생 에너지원과의 통합

데이터센터의 전력 소비뿐만 아니라 해당 전기의 시간당 킬로미터(kWhr) 비용도 증가해 비용과 지속가능성 문제가 가중되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광 전력과 같은 재생 에너지원이 데이터센터에 통합되고 있다. 다시 말하지만 배터리 극 커넥터를 활용하는 모듈식 BESS 설계는 필요한 유연성을 제공할 수 있다.

데이터센터의 에너지 소비가 증가함에 따라 데이터센터 운영자가 환경의 훌륭한 관리인이 될 것이라는 기대도 형성되고 있다. 직접적인 에너지 비용 절감 이외에도 데이터센터 운영자는 피크 셰이빙,·수요 반응 및 다른 도구를 활용해 추가적인 비용 절감 효과를 달성할 수 있다.

BESS는 주파수 조정 및 전압 지원과 같은 중요한 그리드 서비스를 제공해 그리드의 회복력을 향상시킬 수 있다. 캠퍼스 환경에서 BESS는 아이슬랜딩을 지원하고 그리드와 독립적으로 작동하는 마이크로 그리드의 일부가 될 수 있다.

BESS는 수요가 낮은 시간대에 재생 에너지를 저장하고 수요가 높은 시간대에 이를 활용함으로써 에너지 소비 패턴을 전환할 수 있다. 전력 회사는 대개 피크 시간대에 더 높은 요금을 부과하기 때문에 이를 통해 그리드에 대한 수요를 줄이고 비용을 평준화할 수 있다.

BESS 커넥터에 대한 UL 4128

UL 표준 4128은 BESS에서 배터리 전지(전지간)와 배터리 층(층간)을 결합하는 데 사용되는 커넥터의 결합부에 대한 요구사항을 자세히 설명한다.

이 표준은 부하가 인가된 상태에서의 연결 또는 분리를 위한 용도가 아닌 최대 2000V 정격의 케이블, 케이블 커넥터, 결합 인렛을 다룬다.

이 표준에서는 동력이 공급되기 전에 커넥터를 완전히 연결 및 체결하도록 요구한다. 커넥터가 약간만 움직여도 접촉 면적이 감소하고 접점 저항이 증가하며 핫스팟이 생성될 수 있으며 이는 화재로 이어질 수 있다. 이러한 잠금 기능은 BESS 안전성에 중요하다.

또 케이블 조립품의 커넥터에 가해지는 인장 하중은 지정된 상한을 초과해서는 안된다.

커넥터는 최소 +90°C로 정격화된 구리 또는 구리 합금 컨덕터와 함께 사용되도록 설계됐다. 커넥터는 공장 또는 현장 조립이 가능하도록 고안됐으며 실외 및 실내에서 모두 사용할 수 있다. 또 100회 이상의 기계적 연결 및 분리를 견딜 수 있다(무부하시).

UL 4128 등급 커넥터는 열악한 환경용으로 설계되지 않았기 때문에 사용하지 않는 커넥터에는 보호 캡을 설치해야 한다. 마지막으로 주변 온도가 높은 환경에서 커넥터를 사용할 경우 화상 경고가 요구될 수 있다.

배터리 극 커넥터

배터리 극 커넥터, 특히 UL 4128 요구사항을 충족하는 커넥터는 단순하고 저렴한 케이블 러그 배선 조립품과 비교해 고전력 BESS에서 뛰어난 성능과 안전성을 제공하도록 개발됐다.

케이블 러그 연결은 모듈식 BESS에서 요구되는 유연성을 제공하지 않는다. 또 각 러그에 너트를 수동으로 연결하고 조여야 한다.

이는 많은 작업이 필요하며 오류가 발생하기 쉽다. 또 너트가 올바르게 조여지지 않을 경우 고저항 연결로 인해 열이 발생하고 에너지가 낭비되며 화재 위험을 일으킬 수 있다.

케이블 러그 연결의 환경 보호 기능과 견고성이 부족하면 장기적으로 작동 신뢰성이 저하될 수 있다. 러그 연결은 접촉시 안전하지 않으므로 에너지 레벨이 높을 경우 설치자에게 심각한 안전 위험을 초래할 수 있다.

케이블 러그 대신 사용자는 UL 4128을 충족하는 색상으로 구분된 배터리 극 커넥터를 선택할 수 있다(그림3). UL 표준에서 정의된 색상 코딩(양극의 경우 주황색, 음극의 경우 검은색)은 케이블 커넥터 및 버스바 연결부에 사용돼 시각적 구분을 제공하고 조립 속도를 향상시킨다.

[그림3] 배터리 극 커넥터를 사용하면 모듈식 BESS에서 효율적으로 빠르게 연결할 수 있으며 이러한 커넥터는 안전성 및 효율성을 지원하는 데 중요하다. [출처=바이드뮬러]

색상 구분 이외에도 배터리 극 커넥터의 양 극은 기계적으로 키잉돼 있어 커넥터를 결합할 때 조립 오류가 발생하지 않도록 방지한다. 바이드뮬러의 배터리 극 커넥터의 키잉은 커넥터를 어느 방향으로든 함께 연결할 수 있도록 하므로 케이블 조립 시의 기계적 응력을 최소화한다.

이 잠금 메커니즘은 커넥터에 동력이 공급되기 전에 완전히 연결 및 체결되도록 요구하는 UL 요구사항을 충족한다. 커넥터의 연결을 해제하기 전에 접점이 분리되므로 부하가 인가된 상태에서 의도치 않은 분리가 발생할 경우 위험한 아크 결함의 가능성이 제거된다.

접점 저항을 최소화하기 위해 은으로 도금된 구리 합금으로 만들어진 접점은 UL 4128에 따라 인증됐으며 100회 이상의 기계적 연결 및 분리에 대해 정격화됐다.

바이드뮬러 배터리 커넥터(WBC)는 열악한 환경 조건을 견디도록 설계됐으며 먼지나 물의 침투에 대한 방지를 위해 유입 보호 클래스 IP67 등급을 획득했다. 이 커넥터는 실장 측면이 보호돼 있어 접촉시 안전하다.

UL 4128은 커넥터 본체의 재료에 대해 규정하지 않으며 성능 요구사항만 지정한다. WBC는 배터리 극 응용 분야에서의 사용에 적합한 변형된 열가소성 수지인 폴리아미드66(PA66)으로 만들어진다.

일반적인 PA와 비교해 PA66의 이점에는 향상된 방화성 및 더 높아진 연속 작동 온도가 포함된다. PA66은 또 철도 차량에서의 사용하기 위한 엄격한 요구사항도 충족한다. PA66의 다른 이점에는 ▲향상된 내화성 ▲할로겐 또는 인을 포함하지 않음 ▲저연 및 저가스 등이 포함된다.

WBC 제품군을 활용하면 커넥터 측에서 최대 200A에 정격화되고 단면 범위가 16~95mm²인 컨덕터 연결을 실현할 수 있다. 또 제공되는 케이블 조립품을 통해 BESS 배선에 필요한 작업량을 크게 줄일 수 있다(그림4).

바이드뮬러 배터리 극 커넥터 및 케이블 조립품의 예에는 ▲2905330000-음극 커넥터(수)·20A 및 1500V 정격 ▲2905290000-음극 커넥터(암)·120A 및 1500V 정격 ▲2905320000-양극 커넥터(수)·200A 및 1500V 정격 ▲2905380000-양극 커넥터(암)·200A 및 1500V 정격 ▲2938270000-324mm(12.75 in) 길이·120A 1500V 정격의 케이블 조립품 등이 포함된다.