사하라 이남 아프리카, 남아시아, 중동 일부 지역 등 주조 공장이 운영되는 많은 지역에서는 전력망이 아예 없거나 불안정합니다. 전력망이 약한 주조 공장은 전압 강하, 주파수 변동, 계획되지 않은 정전 등을 겪을 수 있으며, 이러한 문제로 인해 백업 발전 없이는 유도 용해 공정을 진행할 수 없습니다. 전통적으로 디젤 발전기가 해결책이었지만, 연료비, 유지보수비, 발전기 감가상각비를 모두 고려하면 디젤 연료 비용은 kWh당 0.25~0.50달러에 달해 용해 공정 비용이 지나치게 높아집니다.
몬테 인텔리전스는 유도 용해 공정에 사용되는 태양광-디젤 하이브리드 발전 시스템을 개발해 왔습니다. 이 시스템의 기본 개념은 간단합니다. 낮 시간 동안에는 태양광 발전으로 기본 전력을 공급하고, 흐린 날이나 야간에는 디젤 발전기로 백업 전력을 공급하는 것입니다. 이 시스템은 디젤 소비량을 40~60% 절감하여, 일반적인 디젤 가격을 기준으로 3~5년 안에 태양광 발전 투자 비용을 회수할 수 있습니다.
시스템 아키텍처는 다섯 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 첫째, 태양광 발전 어레이는 지상 또는 옥상에 설치되는 패널로, 용광로의 일일 에너지 소비량의 목표 비율을 충족하도록 설계되었습니다. 하루 8시간 가동되는 1MW 유도 용광로의 일일 에너지 소비량은 약 8MWh입니다(철 용해 시 톤당 1000kWh를 가정하고 하루 8톤을 처리하는 경우, 또는 용해량이 적을 경우 출력을 낮춰 가동할 수 있습니다). 이 에너지의 50%를 공급하려면 하루에 4MWh의 전력을 생산해야 합니다.
태양광 발전 시스템 규모 계산은 설치 장소의 태양 에너지 자원에 따라 달라집니다. 하루 평균 일조량이 가장 많은 시간(대부분의 열대 및 아열대 지역에서 흔히 볼 수 있는 조건)이 5시간인 지역에서는 1MW(DC) 태양광 발전 시스템은 하루에 약 5MWh의 전력을 생산합니다. 단, 인버터 효율, 배선, 오염, 온도 저하 등으로 인한 시스템 손실은 15~20% 정도 발생합니다. 따라서 1MW 규모의 시스템에는 약 1.2~1.5헥타르의 부지가 필요하며, 주조 공장 지붕에 설치하는 경우에는 0.6~0.8헥타르의 부지가 필요합니다.
둘째, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 가변적인 태양광 발전량과 유도 용해로 부하 사이의 완충 역할을 합니다. 유도 용해는 고출력 가변 부하 공정으로, 용해 중에는 1MW, 유지 중에는 100~200kW의 전력을 소모할 수 있습니다. 배터리는 태양광 발전량과 용해로 부하 간의 차이를 초 단위로 공급하거나 흡수하여 인버터에 필요한 DC 버스 전압 안정성을 유지해야 합니다. 리튬 인산철(LFP) 배터리는 긴 수명(방전 심도 80%에서 4000~6000회 충방전), 우수한 안전성, 그리고 지속적인 비용 절감(현재 2026년 기준 팩당 약 80~120달러)으로 인해 선호되는 배터리 종류입니다.
배터리 용량은 용해 작업 중 태양광 발전량이 가장 적은 예상 기간(일반적으로 높은 신뢰성을 위해 설계된 시스템의 경우 최대 부하 운전 시간 2~4시간)을 기준으로 산정됩니다. 1MW 용해로의 경우 4MWh 배터리는 태양광 발전이 없을 때에도 최대 출력으로 4시간 동안 작동할 수 있어 대부분의 흐린 날씨에도 작업이 가능하며, 작업자는 진행 중인 용해 작업을 중단하지 않고 완료할 수 있습니다. 배터리는 태양광 발전량이 용해로 수요를 초과하는 기간 동안 충전하거나, 다음 날 흐린 날씨가 예상되는 경우 디젤 발전기를 이용해 야간에 충전할 수 있습니다.
세 번째는 하이브리드 인버터입니다. 이 전력 전자 장치는 태양광 패널과 배터리에서 나오는 직류(DC) 전력을 유도 가열로에 필요한 교류(AC) 전력으로 변환합니다. 이는 일반적인 태양광 인버터와는 다릅니다. 유도 가열로의 부하 특성을 고려해야 하는데, 여기에는 낮은 역률(유도 코일 자체의 경우 0.15~0.25이지만, 가열로의 커패시터 뱅크를 통해 0.95 이상으로 보정됨)과 중주파 전원 공급 장치에서 발생하는 높은 고조파 성분이 포함됩니다. 인버터는 kW뿐만 아니라 kVA 요구량에 맞춰 용량을 설계해야 하며, 가열로의 고조파가 태양광 시스템으로 역류하여 인버터 트립을 일으키는 것을 방지하기 위해 고조파 필터링 기능을 포함해야 합니다.
넷째, 디젤 발전기는 태양광 발전이나 배터리로 필요한 전력을 공급할 수 없을 때, 일반적으로 흐린 날씨가 장기간 지속되거나 야간에 가동할 때 필요한 전력을 충분히 공급할 수 있도록 설계되어야 합니다. 발전기 용량은 시동 시 발생하는 돌입 전류와 역률을 고려하여 난방기 정격 용량의 약 1.2~1.5배 정도가 적당합니다. 1MW급 난방기의 경우, 일반적으로 1.5MVA 용량의 발전기가 사용됩니다. 발전기는 필요할 때만 가동되며, 하이브리드 컨트롤러가 배터리 충전 상태와 태양광 발전량 예측을 기반으로 자동으로 시동 및 정지합니다.
다섯째, 하이브리드 에너지 관리 시스템(EMS)은 태양광 발전 시스템, 배터리, 발전기 및 난방 장치에 전력을 어떻게 배분할지 초 단위로 결정하는 제어 장치입니다. EMS의 로직은 다음과 같습니다. 태양광 발전량이 난방 장치 수요를 초과하면 배터리를 충전하고, 난방 장치 수요가 태양광 발전량을 초과하면 배터리를 방전합니다. 배터리 충전량이 20% 미만으로 떨어지면 발전기를 가동하고, 일기 예보에서 장시간 흐린 날씨가 예상되면 배터리 용량 보존을 위해 발전기를 더 일찍 가동합니다. 또한 계통 전력을 사용할 수 있게 되면(계통 연계 시스템의 경우) 계통 전력을 보조 에너지원으로 사용합니다.
태양광-디젤 하이브리드 시스템의 경제성 분석은 간단합니다. 태양광 발전의 균등화 발전비용(배터리 교체 주기 비용 포함)을 디젤 발전의 한계 비용과 비교하면 됩니다. 8~10년마다 배터리를 교체하는 것을 고려했을 때, 하이브리드 시스템의 태양광 발전 균등화 발전비용은 kWh당 약 0.06~0.10달러입니다. 디젤 발전 비용은 kWh당 0.25~0.50달러입니다. 태양광 발전 kWh당 절감액은 0.15~0.44달러입니다. 연간 1,500MWh의 태양광 발전을 생산하는 시스템의 경우, 연간 절감액은 225,000~660,000달러에 달하며, 150만 달러의 시스템 투자 비용은 2.3~6.7년 만에 회수할 수 있습니다.
몬테 인텔리전스는 태양열 자원 평가, 시스템 규모 산정 및 당사의 유도 용해로 패키지와의 통합을 포함하여 유도 용해 응용 분야를 위한 태양열-디젤 하이브리드 시스템 설계를 제공합니다.
주조 공장을 위한 태양열-디젤 하이브리드 타당성 조사에 대해 문의하시려면 helenxu@cnlymonte.com으로 연락하십시오.
