<순서>
1) 아몰퍼스 변압기 업체의 반론을 듣는다
2) 자구미세화 변압기, 고효율에 도전한다

최근 산업자원부의 고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정이 일부 개정되면서 고효율 전력용변압기에 대한 인증기술기준이 기존의 대기전력인 무부한손실과 효율을 규제하는 방식에서 기준부하율에서의 총 손실을 규제하는 방향으로 변경됐다.
이에 따라 에너지의 해외의존도가 매우 높고 에너지 다소비 비중이 높은 우리나라 산업구조에서의 합리적인 에너지 이용에 대한 효율개선과 범국민적 에너지절약 효과를 증진하기 위해 아몰퍼스 변압기와 자구제어강판 변압기에 대한 제품의 특징 및 장·단점을 비교해 봤다.

우리나라를 비롯해 세계적으로도 배전선로의 손실 중 가장 큰 비중을 차지하는 대기전력인 변압기 무부하손실(철손)을 획기적으로 줄여 불필요한 전력손실을 저감시켜 효율을 향상시키는 것이 세계적인 추세인 점을 감안할 때 다각적인 에너지 절약을 활용한 방식이 나타나고 있는 건 당연하다.

아몰퍼스 변압기의 핵심구성품인 철심소재인 비정질 자성재료(Amorphous Metal)의 제조공정은 철(Fe), 붕소(B), 규소(Si) 등의 혼합물을 융용 후 초당 100만℃(10-6℃/sec)로 급속냉각 시켜 불규칙한 원자배열을 갖도록 한 얇은 박판형태의 신기술 자성재료를 이용한다.

자계의 변화에 따른 원자의 회전이 쉽기 때문에 무부하손실의 성분 중 히스테리시스 손실을 기존 규소강판 철심소재 대비 1/4수준으로 감소시켰으며 또한 두께가 기존 규소강판 대비 1/10 수준이고 고유저항(Resistivity)이 규소강판보다 3배 가까이 높아 특히, 고주파 및 고조파를 함유한 비선형 부하상태에서의 와류손실(Eddy current losses)을 최소화 할 수 있는 구조를 지닌다.

이러한 아몰퍼스 메탈을 철심소재로 변압기를 제작할 경우, 기존 규소강판을 사용한 변압기에 비해 무부하손실이 75% 이상 줄어들어 500kVA 한 대를 기준으로 전력비용 절감효과에 의한 비용이 연간 100만 원 가량 되는 것으로 파악되고 있다.

아몰퍼스 변압기, 3000kVA까지 제작 가능

아몰퍼스 변압기를 얘기할 때, 무부하손실은 대폭 감소할 수 있는 장점이 있으나 그에 반에 몇 가지 단점으로 거론되는 문제들이 있다. 우선은 용량의 한계를 이야기 하고 있으나 현재 국내의 아몰퍼스 변압기의 제작 가능용량은 유입변압기의 경우 작년에 5000kVA를 생산·보급한 바 있다.

지난 2007년 6월에는 세계 최대용량인 12/15MVA를 제작해 납품한 실적이 있으며 몰드변압기의 경우에도 일반적으로 최대용량이 3000kVA까지 제작이 가능해 용량의 한계에 대한 논란에 종지부를 찍었다.

두 번째, 소음에 관한 문제는 아몰퍼스 변압기가 출시된 초기에는 소재에 대한 이해부족 및 기술적 한계로 인해 다소 소음이 높았던 것은 부정할 수 없었지만 현재는 원재료의 개선 및 변압기 제조과정에서 그동안 쌓아온 다년간의 노하우 및 끊임없는 기술개발을 통한 개선으로 소음에 대한 문제 역시 논외의 대상이 됐다.

표2. 물리적 특성 비교표

아몰퍼스 변압기는 일반에게 알려져 있는 무부하손실을 절감할 수 있는 변압기라는 대표적인 사실보다도 더 많은 장점을 가지고 있다. 대표적인 사항으로 고조파(Harmonic)에 대해 강점이 있다는 사실이다.

산업의 발달에 따라 산업기기의 비선형부하(인버터, 유도로, SMPS, 고휘도 전등 등)는 물론 가정에 1대 이상씩 보급되어있는 컴퓨터의 전원장치(SMPS) 등은 대표적인 고조파를 발생하는 제품에 속한다. 이러한 장치들에서 발생되는 고조파는 변압기에 영향을 끼쳐 변압기의 과열 및 소손에 이르게 한다.

2000년도에 미국의 비즈니스위크(Business Week)에서 조사한 바에 따르면 고조파 등 전력 공해에 의한 손실과 예방에 매년 US$260억(31조 원)이 소요 되며, 2000년 이후에는 비선형 부하가 전체 전력소비량의 60%를 초과할 것이라고 밝힌 바 있다.

이에 대한 대비책으로 변압기 가격의 수 배에서 수십 배에 이르는 고가의 필터를 설치하거나 K-Factor 변압기라고 해 일종의 변압기의 용량을 늘려 사용하는 방안이 있으나 아몰퍼스 변압기는 이러한 문제들을 명쾌하게 해결해 줄 수 있는 대안이다.

고조파가 포함된 비선형 부하의 가장 큰 문제는 무부하손실 중 와류손(Eddy current losses) 성분에 의한 것이 많다. 와류손은 다음 공식으로 해석이 가능하다. 와류손(Wed) ∝ (두께)2 (주파수)1.5~2 / 고유저항(Resistivity) 따라서 표1. 전기적 특성비교 및 표2. 물리적 특성비교에서 알 수 있듯이 두께가 규소강판 대비 1/10 수준이고 고유저항이 3배 수준이므로 와류손실의 경우 규소강판에 비해 현저하게 낮은 수준으로 낮출 수 있다.

실제로 일본의 도요다자동차에서 설치됐던 500kVA 규소강판변압기와 아몰퍼스 변압기의 실측자료를 보면 이해가 쉽다. 실험실에서의 규소강판 변압기 대비 아몰퍼스 변압기의 총 손실은 1/2 수준이었으나 실제 고주파 유도로에 설치된 환경에서는 1/5~1/10 수준인 것이 확인됐다.

최근 개정된 산업자원부의 고효율인증기술기준은 기존의 무부하손실 및 효율을 규제하던 방식에서 기준부하율에서의 총 손실을 규제하는 방식으로 개정됐다. 이에 대해 아몰퍼스 변압기는 개정된 규격을 현재의 제품으로 대부분 만족할 수 있으며 현재 생산되는 제품보다도 자구제어강판 변압기 업체에서 채택한 동손을 줄여 효율을 높이는 방법을 동원하면 현재의 제품보다 효율은 월등하게 높일 수 있다.

이는 애초의 고효율기술기준의 제정 취지인 대기전력의 절감이란 의미를 퇴색시키게 되는 것으로 차후 실직적인 국가적 에너지절감 차원에서의 실효성 및 경제성을 검토해 생산여부를 결정할 예정이다.

한 가지 덧붙이면 변압기의 손실 중에 무부하손실과 부하손실에 대해 동일한 값어치로 산정한다는 것은 전기적 상식이므로 그 차이를 충분히 이해 할 수 있다. 아무런 보상도 없이 발생되는 손실(무부하 손실)의 1W와 제품을 생산하는데 사용된 부가가치가 있는 손실(부하손실) 1W가 갖는 의미는 전혀 다른 개념의 손실로 평가돼야 한다.

실례로 우리나라를 제외한 세계 대부분의 나라에서 손실평가제(Loss Evaluation)를 도입해 철손(무부하손실)은 같은 값의 동손(부하손실)에 비해 3~5배의 가격으로 환산해 경제성을 평가하고 있다. 아몰퍼스 변압기는 규소강판 변압기 대비 무부하손실을 1/4~1/5까지 절감한 변압기로 재조명을 할 필요가 있다.

지난해 아몰퍼스 리본 생산 공급업체인 히타치메탈(주)는 아몰퍼스메탈에 관한 성능개선을 통해 기존제품 보다 소음을 10dB 이상 줄이고 손실을 10% 개선했으며 포화자속밀도를 기존 1.56T에서 1.64T로 향상시킨 신제품 개발을 발표해 아몰퍼스 메탈이 개발된 이후 10여년 만에 최초의 성능개선을 이뤘다.

아몰퍼스 변압기의 종합적인 고효율성이 우수함을 증명하기 위해 지난해(2006년) 일본에서 외부 전문기관에 의뢰해 Life Cycle Assessment(LCA)를 실시했으며 시험결과 CO2 배출량이 아몰퍼스 변압기를 1로 가정했을 경우 Top-Runner 만족 규소강판 변압기는 1.7배, 일반 규소강판 변압기는 2.8배 수준으로 아몰퍼스 변압기에 대한 고효율성이 입증됐다.

산업자원부에서 의뢰하고 한국전기안전공사에서 실시한 부하율 조사결과 우선 용량별로는 500kVA 미만이 16.55%(표본 351대), 1000kVA 미만이 18.04%(783대), 1000kVA 이상이 20.12%(564대)로 전체 평균은 18.43%였다.

업종별로는 1차 산업이 18.9%(표본 21대), 2차 산업이 21%(719대), 3차 산업이 19.1%(247대), 공동주택 등이 16.6%(299대), 공공기관 등이 15.1%(418대) 등으로 나타났다.

전기안전공사는 이에 대해 업종 특성상 2차 산업이 가장 왕성한 활동이 이뤄져 상대적으로 높게 나온 반면 공공기관 등은 야간에 업무가 대부분 종료되기 때문에 낮게 나온 것으로 분석했다.

이 같은 결과를 중대도시와 기타지역에 적용하면 변압기 연간부하율이 가장 높은 기준은 기타지역의 1000kVA 이상으로 24.96%다. 다음으로는 중대도시의 1000kVA 이상으로 24.08%이며, 반면 가장 낮은 것은 기타지역의 1000kVA 미만으로 13.55%를 기록했다.

고효율기술기준 주요개정 내용

개정된 고효율 인증 기술기준은 무부하손실과 효율을 규제하는 방식에서 기준부하율별 총 손실로 변경하고 기준부하율 및 등가부하율에 대한 용어를 정의해 학계 및 연구기관과 산업계에서 논란과 오해를 야기한 변압기의 효율과 관련된 부하율의 정의를 명확히 해 일반적으로 사용되는 최대전력 대비 평균전력을 지칭하는 '부하율' 이라는 개념과는 완전히 다르다는 것을 명기하고 산정식을 확정해 표기했다.

또한, 주6)에 “고효율에너지기자재 인증 전력용변압기는 등가부하율이 인증 기준 부하율 범위 내여야 한다.”고 특별히 명기해 사후관리를 통해 혹시나 있을 수 있는 고효율변압기 인증에 대한 오용을 예방하고자 했다.

제5항의 제품의 표시방법에는 “제조자는 제품의 보기 쉬운 곳에 고효율기자재마크, 인증번호 및 인증 기준부하율 범위를 지워지지 않는 방법으로 표시해야 한다.”고 표기해 고효율기기의 인증에 대한 악용 및 남용을 방지토록 개정했다.

개정 된 고효율변압기 인증기술기준은 20~80%부하율 범위 내를 기준으로 설정해 낮은 부하율에서 변압기를 사용하는 고객은 아몰퍼스 변압기를 선택하고 높은 부하율에서 변압기를 사용하는 고객은 자구미세화 변압기를 선택하며 중첩되는 부하율에서 변압기를 사용하는 고객은 선호하는 변압기를 선택할 수 있도록 소비자 선택권을 부여했다.

하지만 이는 변압기를 선정하는 여러 가지 요인 중에 효율 조건만을 구매 선택기준으로 삼는 경우를 상정한 고객일 경우의 의사결정 방법이 될 것으로 보인다. 이밖에도 고효율에너지기자재 적용대상 변압기에 대해 종류를 세분화하고 및 적용 최대용량을 확대해 기존 유입 3상 1000kVA 및 건식 3상 1250kVA에서 각각 3000kVA까지 확대했다.

전력용변압기 부하율의 일반적 특성을 살펴보면 전력용 변압기의 부하율은 지난 4년간 전체평균이용률의 변화가 거의 없다.

산업구조별 변화율에서는 다소 변화를 보이고 있으나 전체적으로 2002년에 비해 2005년도에 증가되는 사례는 없고 오히려 약간 감소하는 패턴을 보이는 것으로 보아 전력수요 증가가 부하율의 증가를 의미하는 것은 아니며 수요패턴에 따라 크게 좌우되는 경향을 지니고 있다.

근래에 도입된 주5일 근무제 실시에 따른 생활패턴의 변화는 산업용은 물론 주거용 전력용변압기의 평균 연간 등가부하율을 크게 저하시키는 한 요인으로 작용하고 있는 것으로 보여 진다.

이러한 전력산업의 변화에 따른 등가부하율의 제고를 위해서는 장기적인 수용율의 개선이 무엇보다도 중요한 과제로 변압기 부하율 개선은 수용률 및 부등률의 기준을 명확히 설정하는 데서부터 출발하므로 정책적인 관점에서 전력산업 총 조사의 실시 및 종합대책 수립을 위한 전력산업에 대한 대대적인 데이터 구축이 선행돼야 할 것으로 보인다.

향후 어떻게 발전하나

변압기가 최초로 개발되면서 120여 년 동안 핵심적인 철심소재로 사용돼 온 규소강판은 초기의 무방향성 규소강판에서 방향성 규소강판을 거쳐 현재의 자구제어 강판에 이르고 있다.

규소강판의 기본특성을 유지한 채의 개선은 거의 기술의 최고에 이르러 이제는 레이저 가공과 같은 외부적인 방법을 동원해야 할 만큼 발전이 더디고 고비용을 요구고 있으며 규소강판의 차세대 제품으로 평가받는 극박(
Q
)규소강판이 개발돼 극히 일부의 특수용도분야에서 사용되고 있으나 생산비용이 과다 및 기술적 접근이 어려워 상용화에는 많은 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있다.

아몰퍼스 메탈은 개발된 후 상용화가 이뤄진지 불과 10여년이라는 시간으로 개발의 초기단계라고 할 수 있으며 향후 발전가능성이 무한히 잠재되어 있는 소재로 최근에도 성능개선을 발표한 사례가 있다.

아몰퍼스 메탈을 취급 등의 제한적 요소가 있으나 가공장비의 기술발전은 그러한 문제점들을 개선해왔고 앞으로도 문제점들은 점차 개선돼 발전할 것으로 전문가들은 내다보고 있다.
실례로 전 세계의 아몰퍼스 메탈 사용량은 매년 기하급수적으로 증가하고 있어 제조사는 서둘러 현재 생산규모의 2배에 달하는 생산공장을 일본에 설립해 일부 조업을 시작한 상태이다.

한동직 기자 다른기사 보기