Application Story
고객
UniEnergy Technologies, 2012년 창립,
본사: 시애틀 북부에 위치
당면과제
엔지니어링 시간과 비용을 최소화하고 출시 기간을 최대한 단축하면서 수 메가와트급 에너지 저장 장치에 사용하기 적합하고 확장성이 뛰어난 종합 자동 제어 시스템 개발
솔루션
Siemens WinCC SCADA 소프트웨어 및 지멘스의 소형 가변 주파수 드라이브와 더불어 TIA Portal을 통해 지멘스 Totally Integrated Architecture(TIA) 포트폴리오의 핵심 컴포넌트를 소프트웨어 엔지니어링과 통합
결과
출시 기간 50% 단축, 현장 엔지니어링 비용 눈에 띄게 감소, 공급원 단일화로 엔지니어링, 조달, 지원 구조 대폭 단순화 및 운영 위험 감소
스마트 그리드가 높은 반응성, 연계성 및 전력 변환 기술을 갖춘 전원 공급용 분산 인프라로 급격히 진화하면서, 150년의 역사를 자랑하는 직류 전원 기술이 다시 한 번 각광 받게 됐다. 이는 습전지이지만 최첨단 화학적 설계로 인해 수 메가와트급 에너지 저장 능력을 실현하고 다양한 스마트 기능을 내장하고 있다.
세계 최고의 에너지 저장 장치 솔루션 제공업체로 손꼽히는 UniEnergy Technologies(UET)는 2012년 창립한 작지만 성장을 거듭하고 있는 기업으로, 시애틀 근교에 본사와 제조 공장을 운영하면서 Uni.System을 제작해서 판매하고 있다. Uni.System은 표준 규격인 20피트 크기의 선적 컨테이너에 수용되는 차세대 에너지 저장 장치 솔루션으로, 유틸리티, 상업 및 산업용 마이크로그리드 및 기타 환경에 사용하기 적합하며 우수한 확장성을 자랑한다.
컨테이너 내부에는 전극 적층체, 정교한 제어 장치 및 전자 장치 외에도 바나듐 전해액을 순환시키는 탱크가 설치되어 있다. 설비가 워낙 크고 무겁다 보니 컨테이너 하나에 전해액을 가득 채웠을 때 무게는 40톤에 달한다. 그러나 UET의 모듈식 설계 구조 덕분에 고객은 오늘날의 컴퓨터 시스템에 데이터 저장 장치를 추가하는 것과 유사한 플러그 앤 플레이 방식으로 간편하게 필요한 만큼의 용량을 추가할 수 있다.
리튬이온이나 납축전지 및 아연공기전지 같은 다른 유형의 배터리와 달리, UET의 Uni.System은 20년 라이프사이클 설계 덕분에 사용 회수에 관계없이 용량 감소 현상이 발생하지고 완전히 방전해도 용량 손실이 발생하지 않는다. 또한 UET에는 인화성 컴포넌트가 없어 열폭주의 위험이 전혀 없으므로 더욱 안전하다. Uni.System 컴포넌트는 100% 재사용 또는 재활용할 수 있다.
벌크 에너지 생산 환경과 지속적인 에너지 사용 환경의 연결고리 역할을 하는 Uni.System은 다양한 지속시간 동안 실시간에 가까운 속도로 에너지 응답을 지원할 수 있다. Uni.System의 배터리는 최소 1/1000초 이내부터 최대 수초까지의 단기간 동안 전원을 흡수해서 그리드나 회로에 공급하므로 AC 전압과 주파수를 통제하는 데 효과적이다.
또한 Uni.System은 최소 수분부터 최대 한 시간까지의 중기간 동안 전원을 공급할 수 있으므로 구름에 가릴 경우 삽시간에 출력이 0으로 떨어지는 태양광 발전소에 사용하기 적합하다. 뿐만 아니라 Uni.System은 최소 2시간부터 최대 4시간 이상 동안 벌크 에너지를 옮겨야 하는 전력 공급 회사에서도 제 역할을 다할 수 있다. Uni.System를 이용하면 그리드 부하가 적은 전력 생산 절정기에 에너지를 저장했다가 부하 절정기에 사용할 수 있다.
당면과제 : 엔지니어링 시간과 비용을 최소화하고 출시 기간을 최대한 단축하면서 수 메가와트급 에너지 저장 장치에 사용하기 적합하고 확장성이 뛰어난 종합 자동 제어 시스템 개발
UET의 전기공학 책임자 데이비드 리들리(David Ridley)에 따르면 UET는 Uni.System을 상용화하는데 있어 여러 가지 난제에 직면했다. 무엇보다 미 에너지부의 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)로부터 사용 허가를 받은 바나듐 전해액 화학 기술을 상용화하는 일이 특히 관건이었다. UET의 CEO 개리 양(Gary Yang)은 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소에서 에너지 저장 장치 프로그램을 지휘한 바 있다.
이와 같은 상용화에는 전해액 탱크 및 펌프 시스템, 전극 적층체, 계기 및 제어 장치를 설계 및 엔지니어링해서 모든 컴포넌트를 20피트 크기의 컨테이너에 촘촘히 배치하는 작업이 수반되었다. 리들리는 이렇게 설명한다. “당사는 기존 제품과 마찬가지로 확장이 용이한 제어 아키텍처를 개발할 필요가 있었습니다. 그래야 고객이 메가와트 용량을 새로 추가하고 싶은 경우에도 아무런 문제없이 용량을 확장할 수 있기 때문입니다. 컨테이너를 추가로 공급해서 연결한 후 소프트웨어에서 1메가와트씩 용량 단위를 늘리더라도 원활하게 가동되도록 하려면 제어 장치를 손쉽게 확장할 수 있어야 했습니다.”
단순성과 신뢰성 역시 고객과 UET 모두에게 중요했다. 리들리는 서비스 계약은 UET의 비즈니스 모델이 개선되는 효과를 창출한다고 귀띔하면서 이렇게 덧붙였다. “고객은 자사의 운영 구조에 복잡성과 위험이 가중되는 것을 결코 원하지 않습니다. 따라서 당사는 가용성과 수리의 용이성을 보장하기 위해 모든 것을 최대한 단순화하는 데 주력할 필요가 있었습니다. 물론, 서비스 사업의 수익성을 높이려면 가동시간을 극대화하여 서비스 요청을 최소화하고 문제가 발생한 경우에는 되도록 원격으로 문제를 해결할 수 있어야 합니다.”
Uni.System과 관련된 또 다른 설계 목표는 제조 비용 절감과 물리적 모듈 방식 활용이었다. 리들리는 UET가 20피트 크기의 선적 컨테이너를 선택한 이유를 이렇게 설명한다. “이미 상용화되어 있는 크기라 재료 공급 및 제조 비용 절감에 도움이 됩니다. 게다가 쌓을 수 있고 트럭, 기차 또는 선박 등 다양한 운송 수단을 이용하므로 운반도 용이합니다.”
UET는 충분한 자금을 확보한 상태에서 잠재 고객이 많은 시장에 뛰어들기는 했지만 수익 창출 시점에 도달할 때까지 자금을 아끼는 일에도 관심을 기울였다. 리들리가 지휘하는 팀은 가장 우수한 품질을 유지하면서 최대한 빠른 시간 안에 설계, 엔지니어, 프로토 타입 제작, 테스트 및 제조 타당성 검사 등의 제품 개발 단계를 거쳐야 한다는 사실을 항상 염두에 두고 있었다”
솔루션 : Siemens WinCC SCADA 소프트웨어 및 지멘스의 소형 가변 주파수 드라이브와 더불어 TIA Portal을 통해 지멘스 Totally Integrated Architecture(TIA) 포트폴리오의 핵심 컴포넌트를 소프트웨어 엔지니어링과 통합
리들리는 이렇게 말한다. “여느 신제품 출시와 마찬가지로 당사는 판매 신장을 위해 되도록 빠른 시간 안에 기준으로 삼을 제품을 설치해야만 했습니다. 가장 적합한 컴포넌트를 물색
하고 평가할 시간이 없었기 때문에 동종 시장에서 노하우와 전문성을 쌓고 가장 경쟁력 있는 제품을 갖춘 최고의 솔루션 제 공업체를 찾게 되었습니다.”
리들리가 지휘하는 팀은 지멘스 외에도 다른 주요 제어 장치 제공업체를 물망에 올리고 평가를 실시했다. 결국 그들은 여러 가지 이유로 지멘스를 선택했다. 국제 산업 표준을 기반으로 한 고도의 통합 자동화 및 제어 컴포넌트로 구성된 Totally Integrated Architecture(TIA) 포트폴리오도 그 이유 중 하나였다.
리들리는 이렇게 말한다. “지멘스는 모든 제품을 취급한다는 점에서 단연 돋보였습니다. 지멘스는 각종 SCADA 소프트웨어 라인 외에도 PLC부터 I/O, 산업용 컴퓨터, HMI에 이르는 모든 것을 갖추고 있습니다. Uni.System에 사용될 모든 컴포넌트를 대상으로 시장 조사를 실시했는데 지멘스가 거의 모든 면에서 대단한 경쟁력을 갖추고 있다는 결론을 얻었습니다.”
“게다가 지멘스는 가변 주파수 드라이브, 회로 차단기, 전원 공급 장치, 모터 스타터 및 기타 기어 장치도 갖추고 있습니다. 그리고 지멘스 에너지 사업부가 전 세계의 대규모 유틸리티 프로젝트에 참여했다는 점도 지멘스를 선택하는 데 한몫 했습니다.”
개발 및 시운전 시간을 30% 단축하고 심지어 경우에 따라 60%까지 단축하기도 한 수백 개의 지멘스 기업 고객이 그 우수성을 입증한 소프트웨어 엔지니어링 프레임워크인 지멘스 TIA Portal 역시 UET의 관심을 사로잡았다.
리들리는 이렇게 말한다. “TIA Portal의 코드 라이브러리가 당사의 펌프용 드라이브와 연결된 상태에서 통신 프로토콜과 분산 I/O 등을 처리하므로 이런 작업을 수동으로 처리하느라 소중한 시간을 낭비할 필요가 없습니다. 게다가 마우스로 코드를 끌어다 놓기만 하면 하드웨어가 자동으로 구성되고 하드웨어에 IP 주소를 할당하면 코드를 사용할 준비가 완료됩니다.”
“코딩, 컴파일, 테스트, 디버그, 재컴파일 등의 작업이 필요한 프로토콜, 드라이버, 메모리 관리 문제도 TIA Portal과 지멘스 TIA 제어 플랫폼만 있으면 전혀 신경 쓸 필요가 없습니다. 덕분에 효율적으로 운영되는 소규모 팀이 배터리 로직에만 관심을 쏟을 수 있었습니다. 결과적으로, 다른 노력을 기울이지 않고도 부가가치가 창출되는 것입니다.”
구체적으로 말해서 리들리가 지휘하는 팀은 지멘스 컴포넌트를 이용하여 Uni.System의 제어 시스템과 전해액 펌프 시스템을 구축했는데 리들리는 각 컴포넌트에 대해 다음과 같이 평가한다.
SIMATIC S7-1500 PLC: “SIMATIC S7-1500 PLC는 당사가 원한 대로 두 개의 독립된 고유 포트를 갖추고 있는데, 하나는 로컬 기기 네트워크와 통신하고 다른 하나는 상위 SCADA 네트워크와 통신합니다. 향후에 언제든 포트를 추가할 수 있지만 포트 추가에는 상당한 비용이 소요됩니다.”
SIMATIC ET 200SP 분산 I/O: “동일한 I/O가 사용되기 때문에 동일한 버스에서 배터리 컨테이너의 모든 아날로그 및 디지털 입/출력부를 사용할 수 있어 20피트 크기의 동종 컨테이너를 몇 번이든 재사용할 수 있습니다. 결과적으로 제조 효율성이 극대화됩니다.”
SIMATIC WinCC 개방 아키텍처 SCADA: “WinCC OA 제품의 객체 지향 아키텍처를 이용해 SCADA 작동 인터페이스를 구축했습니다. 덕분에 배터리 데이터 형식에 맞는 범용 템플릿을 구축한 후 실행 도중에 필요한 만큼 탄력적으로 배터리를 인스턴스화할 수 있습니다. 객체 지향 아키텍처를 지향하는 일부 다른 솔루션 제공업체의 제품도 있을 수 있지만 이런 장점은 거의 제공하지 않습니다.”
SIMATIC HMI 컴포트 패널: “SIMATIC HMI 컴포트 패널은 정비 인력용 로컬 인터페이스로 더 많이 사용되고 있습니다. WinCC OA는 고객용 작동 인터페이스도 제공합니다.”
SCALANCE X-200 PROFINET 산업용 이더넷 스위치:
“PROFINET을 사용했더니 다량의 아날로그 및 디지털 배선으로 컨테이너를 연결할 필요가 없어졌습니다. 하나의 이더넷 케이블만 설치하면 되므로 구축 시간이 크게 감소합니다.”
SINAMICS G120 가변 주파수 드라이브: “당사는 이 드라이브를 20피트 크기의 컨테이너당 2개씩 사용하여 전해액 펌프를 구동하고 있습니다. 전해질 이동 속도를 최적화할 수 있어서 가령, 6단 모터를 사용할 때보다 훨씬 더 효율적입니다.”
UET는 Uni.System을 -40°F(-40°C)부터 122°F(50°C)에 이르는 극한의 온도에서 작동하도록 설계했는데 지멘스의 컴포넌트는 내구성을 강화하지 않고도 이 온도 범위에서 원활하게 작동하도록 설계 및 제작되었다.
결과 : 출시 기간 50%단축, 현장엔지니어링 비용 눈에 띄게 감소, 공급원 단일화로 엔지니어링 조달, 지원 구조 대폭 단순화 및 운영위험 감소
리들리는 지멘스 솔루션을 선택한 덕분에 UET가 출시 기간을 절반으로 단축하고 개발 시간을 수 개월 절감하며 소중한 자금을 아낄 수 있었다고 평가한다.
리들리는 그 이유로 지멘스 TIA 포트폴리오를 꼽았다. 지멘스 TIA 포트폴리오는 각 지멘스 컴포넌트의 기본 아키텍처 설계와 엔지니어링의 호환성과 상호운영성을 보장한다.
리들리는 이렇게 말한다. “X라는 제조업체의 PLC와 Y라는 제조업체의 드라이브가 어떻게 통신하는지 이해한 후 두 조합의 상호운용성을 확보하기 위해 테스트를 실시하고 디버그한 뒤 다시 테스트를 실시할 필요가 없었습니다. 이런 작업은 대단히 힘들고 많은 시간 소요되므로 배터리 시스템의 성능 최적화에 집중하기 어렵게 만드는 경향이 있습니다.”
두 번째 이유는 지멘스 TIA Portal이었다. 지멘스 TIA Portal이 검증된 소프트웨어 코드 라이브러리를 제공한 덕분에 엔지니어링 시간이 수주나 절약돼서 리들리가 지휘하는 팀은 배터리 로직 최적화와 전력을 기울일 수 있었다. 리들리는 이렇게 말한다. “당사는 배터리 제조업체로서 빛을 발할 수 있는 일과 핵심 역량에 주력할 필요가 있습니다. 지멘스 TIA Portal 덕분에 포괄적인 기능에 필요한 모든 소프트웨어 블록과 함께 검증된 플랫폼을 이용해서 배터리 제어 시스템을 구축할 수 있었고 별도의 코드 작업을 생략할 수 있었습니다. “
리들리는 UET의 Uni.System 개발 작업 시간 절약 효과 외에도 플러그 앤 플레이 방식으로 확장할 수 있는 지멘스 제어 시스템 덕분에 현장 엔지니어링 비용을 고객의 프로젝트 비용의 10% 이하로 줄일 수 있을 것으로 전망한다. 이 정도 수준이면 일반적인 프로젝트에서는 상당한 절감 효과라 할 수 있다.
리들리는 이렇게 말한다. “다른 대규모 배터리 시스템을 사용했다면 현장 엔지니어링 비용이 총비용의 30~50%를 차지했을 것입니다. 반면 지멘스 제어 시스템을 사용할 때는 고객 현장에 하나의 이더넷 케이블만 설치해도 컨테이너가 서로 통신하는 데 전혀 지장이 없습니다.”
또한 지멘스로 공급원을 단일화했더니 조달 및 지원이 눈에 띄게 단순화되었다고 리들리는 평가한다. 공급원 단일화로 문제가 발생했을 때 해결하는 시간은 물론이고 컴포넌트와 부품을 주문하는 데 소요되는 시간도 절약된다. 리들리는 “여러 공급업체와 서로 삿대질을 해가며 실랑이할 필요가 없습니다. 지멘스와 함께 하니 문제가 발생했을 때 협업도 훨씬 더 잘 이뤄집니다. 덕분에 긴밀한 협력을 통해 원활하게 문제를 해결하고 있습니다”라고 말한다.
지멘스와 손잡은 뒤 얻게 된 또 다른 이득은 UET에 대한 잠재 고객 특히, 유틸리티 산업 고객의 신용과 믿음이 높아졌다는 점이다. 리들리는 이렇게 말한다. “수십만 시간의 평균고장수명을 자랑하는 지멘스의 표준화된 컴포넌트를 사용하고 있다고 고객에게 자신 있게 말할 수 있습니다. 지멘스는 모든 산업, 특히 유틸리티 산업에서 신뢰할 수 있는 기업으로 정평이 나 있습니다. 당사는 신용을 쌓고 매출 주기를 개선하는 데 있어 지멘스의 덕을 톡톡히 보고 있습니다.”
검증된 컴포넌트: 제어 시스템 아키텍처
지멘스 컴포넌트
■ 각 스트링은 하나의 Siemens PLC로 제어
■ 스트링은 4개의 배터리, PCS, 냉각 시스템, 통신 시스템으로 구성
■ PLC는 PCS의 마스터 역할 수행
■ 현장 컨트롤러는 산업용 PC에 설치된 지멘스의 최신 WinCC OA를 이용하여 최대 100개의 스트링 제어
"리들리는 이렇게 말한다. “여느 신제품 출시와 마찬가지로 당사는 판매 신장을 위해 되도록 빠른 시간 안에 기준으로 삼을 제품을 설치해야만 했습니다. 가장 적합한 컴포넌트를 물색하고 평가할 시간이 없었기 때문에 동종 시장에서 노하우와 전문성을 쌓고 가장 경쟁력 있는 제품을 갖춘 최고의 솔루션 제 공업체를 찾게 되었습니다.”
리들리가 지휘하는 팀은 지멘스 외에도 다른 주요 제어 장치 제공업체를 물망에 올리고 평가를 실시했다. 결국 그들은 여러 가지 이유로 지멘스를 선택했다. 국제 산업 표준을 기반으로 한 고도의 통합 자동화 및 제어 컴포넌트로 구성된 Totally Integrated Architecture(TIA) 포트폴리오도 그 이유 중하나였다."