세계 최초 1500V 태양광 인버터 LV5 1500V (전력생산량 50% 확대)

기록적인 불볕더위로 힘들었던 올 여름을 겪으면서 사람들은 태양광발전에 대해 다시 생각해 볼 기회를 가졌다. 태양광발전이 단순히 친환경적이라는 것을 넘어서 경제적으로도 유의미한 대안이 될 수 있다는 것을 이해하기 시작한 것이다. 하지만 불행히도 태양광발전은 날씨와 계절의 제약을 받는다. 사람의 힘으로 아무리 노력한다 해도 햇빛을 더 강하게 만들 수는 없다. 이런 제약 조건을 극복하여 보다 더 효율적인 태양광발전소를 만들고 싶었던 GE의 엔지니어들은 인버터(Inverter)에 대한 기술 혁신을 추구했다.

GE가 개발한 새로운 인버터는 겉으로 보기엔 작은 오두막만 한 크기의 회색 플라스틱 상자처럼 생겼지만 그 속엔 막강한 능력이 숨겨져 있다.

GE파워컨버전 엔지니어링 총괄 책임자인 블라트코 블라트코비치(Vlatko Vlatkovic)는 인버터의 기술 혁신을 시작한 이유에 대해 이렇게 이야기한다. “인버터는 PV(태양광) 패널에서 발생한 직류 전기를 우리가 사용할 수 있는 교류로 변환하는 장치입니다. 인버터 시스템은 태양광발전소 자본 비용의 약 20%나 됩니다. 따라서 인버터를 효율적으로 바꿀 수 있다면 그 효과는 엄청날 것입니다.”

첨단 태양광 인버터 기술 혁신으로 얻어낸 경쟁력

GE는 새로운 전력반도체를 활용하여 인버터의 출력을 50%나 높였다. 즉, 대응 가능한 전압을 업계 표준보다 1.5배(즉 1,000볼트에서 1,500볼트)로 더 끌어올린 것이다. 그 결과, 태양광발전소 인버터로는 세계 최고 수준의 효율을 가지게 되었다. 이 인버터는 태양광발전 장치가 만들어내는 전력을 4MW(메가와트)나 처리할 수 있다. (현재 시장에 나와있는 제품은 보통 1MW 수준) 즉, 태양광발전소에서 기존에 사용하던 4대의 인버터를 GE의 인버터 하나로 대체할 수 있게 되었다는 의미다. 200MW 규모의 발전소라면 600만 달러(약 7억2천 만원)에 가까운 설비투자비용을 절감 할 수 있다.

블라트코비치는 “새로운 설계를 채용하면, 기존 송전선을 통해 더 많은 전력을 전송할 수 있을 뿐만 아니라 규모의 경제도 얻게 됩니다. 이제 발전소 인프라를 위해 예전처럼 많은 팬, 필터, 콘크리트 블록 등의 부품을 준비할 필요가 없어집니다. 발전소의 구조를 간단하게 바꿀 수 있으니까요”라고 말한다.

이처럼 GE의 새로운 인버터를 채용하면, 인버터 설치 대수, 전선, 결선, 퓨즈, 변압기 등을 줄일 수 있고, 공사 기간을 단축할 수 있기 때문에 발전소 전체 발전비용을 3% 정도 절감할 수 있다.

미국의 전력회사 넥스트에라 에너지 리소스(NextEra Energy Resources)는, 미국 전역에서 운영 중인 태양광발전소에서 1GW 규모의 GE 인버터를 설치한다고 발표했다. 알만도 피멘텔(Armando Pimentel) 넥스트에라 CEO 는 이 결정에 대해 이렇게 밝힌다. “우리는 신뢰할 수 있고, 원가 경쟁력과 생산성 모두를 향상시키는 기술이 필요했습니다. 그래서 GE의 인버터를 선택했죠.”

태양광발전의 미래를 견인하는 LV5 1500V 인버터

태양광은 신재생에너지원 중 기술 개발이 가장 빠르게 이루어져 지속적이고 가파른 성장이 기대되는 에너지원이다. 글로벌 산업 분석 기구 IHS는 올해 세계 태양광 시장의 전망을 전년대비 17% 증가한 67기가와트(GW)로 전망하고 있다. 국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면 세계 태양광 발전 용량은 2030년까지 최대 2500GW까지 늘어날 전망으로, 2030년에 태양광이 세계 발전량에서 차지하는 비중은 13%로 높아질 것이라고 예상했다.

가까이 보면, 전세계 태양광발전은 향후 3년간 200기가와트(GW) 이상 늘어날 것으로 전망되고, 북미에서만 11GW나 증가할 것으로 보인다. (참고로 현재 전세계 438개 원자력발전소의 발전용량은 379GW이다) 신재생에너지 분야에서 20년이 넘는 경험을 가지고 있는 GE는 현재까지 3GW(기가와트) 태양광 인버터를 설치했으며, 약 4.4GW의 수주 잔고를 보유하고 있다. 인버터의 대형화는 미국과 유럽에서 먼저 이루어 지고 있는데, GE는 지난 2012년 LV5 1500V 태양광 인버터를 북미에 처음으로 공급했다.

탄화규소 칩이 발전산업의 판도를 바꾼다

이 혁신은 시작에 불과하다. 차세대 인버터(LV5+)에는 강도가 높고 가공이 어려운 탄화규소(SiC) 칩이 장착될 것이다. 블라트코비치는 “탄화규소 칩은 장비의 효율을 1~2% 향상시켜줍니다. 일반적으로 전력 회사가 새로운 가스터빈의 효율을 1~2% 향상하기 위해 지출하는 돈은 수십억 달러에 육박합니다. 그런 측면에서 보면 탄화규소 칩의 효과는 막대한 것이죠.”라고 전한다.

GE는 독일 베를린에 있는 GE 생산시설에 태양광 발전을 위한 소형 인버터에 이미 탄화규소 칩을 적용(링크)했으며, 상용화를 목표로 대형 인버터에 적용할 모델을 개발 중이다. 탄화규소 칩은 지구상에서 가장 단단하다는 소재인 다이아몬드와 반도체 재료인 실리콘의 특성을 모두 지니고 있다. 물론 탄화규소 칩을 제조하려면 클린룸에서 300단계에 이르는 개별 공정을 거쳐야 한다. 블라트코비치는 탄화규소 칩에 대해, “처음 인버터 개발을 시작할 당시 탄화규소 칩은 실용 단계에 있지 않았습니다. 하지만 이제는 말 그대로 ‘어디서든 사용할 수 있는’ 단계에 다다랐습니다”라고 설명한다.

사실, 블라트코비치는 GE의 탄화규소 칩 전문가 중 한 사람이다. 10년 전 GE오일앤가스와 GE에너지매니지먼트의 전력전자 설계부문으로 옮기기 이전 그는 GE글로벌리서치에서 탄화규소 칩 프로그램에 참여했다. 실험실에서 시작하여 제품화 단계까지, 탄화규소 전력반도체 기술이 성숙해가는 모습을 쭉 지켜봐 온 것이다. 탄화규소 칩은 기관차부터 비행기, 풍력 터빈에 이르는 모든 기계의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 발전, 항공 등 대규모 산업에서 1% 효율은 수십억 원에서 수백억원의 엄청난 비용 절감을 의미한다.

이처럼 비즈니스의 장벽을 넘어 인재, 지식, 기술을 공유하고 활용하려는 노력을 GE는 ‘GE스토어’라고 부른다. GE스토어에서 공유란, 제품이나 사업 간의 다양한 조합으로 나타난다. 가스터빈이 제트엔진의 노하우에서 혜택을 받거나, 의료용 스캐너가 해양에서 기계검사에 사용될 수 있는 것이다. 태양광발전 분야의 솔루션도 예외가 아니다.

SunIQ SCADA 시스템으로 지능형 모니터링 기술이 제공된다. 즉, 산업인터넷을 통해 태양광발전소의 성능 및 운전상황을 원격으로 모니터링하며, 개선된 보수 계획, 시스템 업그레이드 계획, 돌발적인 고장으로 인한 정지 최소화 및 운전 비용 절감을 가능케 한다.

또한 고객의 장기적인 성공을 위해 발전부대설비, 에너지저장장치 및 장기 서비스도 제공된다. 이처럼 GE는 GE스토어를 통해 전세계의 고객들에게 신재생에너지, 에너지저장장치, 송배전연결 등을 제공할 수 있다.