한국전기연구원전동력연구센터강도현 dhkang@keri.re.kr 2018. 05. 02.
목차 1. 전동기고효율화 2. 전동기고효율화에의한발전설비절감 3. 전동기고효율화에의한신산업창출 4. 결언 부록 1: 고효율전동기종류부록 2: 전동기용량별효율부록 3: 가변속도부하효율향상부록 4: 스위스산업용도별전동기사용예부록 5: 세계주요업체전동기시장점유율
1. 전동기고효율화 3/22 효율 손실 15 ( 열 : 전선과철심 ) 기존전동기 ( 효율 85%) 입력 전기 100 출력 동력 85 전동기고효율화 ( 효율 90%) 입력 전기 94 손실 9 출력 동력 85
1. 전동기고효율화 4/22 전동기전력사용비율 6/13 조명기기 (11.4 조원 / 102 TWh] 20% 54% 26% 전동기 (30.8 조원 / 275TWh] 전열기및기타 (14.8 조원 / 132 TWh] 국내전력소비량 (57 조원 / 전력설비 107.8GW/ 전력소비 509TWh 2017 년기준 ] 전동력응용기기보급 이용실태조사 ( 에너지관리공단, 2008) 제 8 차전력수급기본계획 (2017~2031) 2017 년산업통상자원부 2015 년전기요금수준국제비교 ( 전기연감 2017 년 ): 111.57 원 /kwh Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems, International Energy Agency, 2011, Paul Waide, Conrad U. Brunner Electric Motors; A Global Strategic Business Report MCP-1842, Global Industry Analysts, Inc., January 2015
1. 전동기고효율화 5/22 1887. 1945 1955 Year 1965 1975 1985 1995 6/13 2018? 합성수지절연물개발 에너지비용급등 효율기준제정 (NEMA) 최저효율제시행 ( 미국 ) 최저효율제기준강화 ( 미국 ) 전기, 재료, 생산융복합기술 전동기효율향상 % (7.5kW) 84.5 86.5 1 차혁명 2 차혁명 85.5 84.0 87.5 (IE1) 89.5 (IE2) 91.7 (IE3 등급 ) 92.4 (IE4) 현재 93.8 (IE5) 3 차혁명 IE4/ IE5 등급국제전기위원회 ( IEC) 발표 (2014 년 )?? (IE6/IE7) 미래 전동기형태 전기강판 권선 ( 구리선 ) 영구자석 41 31 31 유도전동기 31 기동가능영구자석? 전동기 IE (International Energy Efficiency Class)
1. 전동기고효율화 6/22 3.7kW(4 극 ) 전동기효율등급 Standard (IE1) High (IE2) Premium (IE3): 현재 Super Premium (IE4) Ultra Premium (IE5) 7.7% 2.5% 2% 4.5% 1.5% 6.0% 1.7% 85% 87.5% 89.5% ( 현재 ) 91% 92.7%
1. 전동기고효율화 7/22 전세계고효율전동기의무사용실시현황 IE5 ( 향후 ) 10~12 년주기 IE4 10~12 년주기 ( 향후 ) IE3 ( 현재 ) IE2 ( 과거 ) IE1 ( 과거 ) 1997 2005 2010 2015 2020 2025 실행년도 Source : Motor Summit 2016 Swiss, Dr Ruben Kubiak, International Relations & Enlargement Unit European Commission
사용연도 ( 년 ) 2. 전동기고효율화에의한발전설비절약 8/22 스위스산업의노후전동기조사 a)swiss Agency for Efficient Energy Use (SAFE) 2010-14 년조사 b)18 개의산업군, 4142 개전동기조사 (104 개측정 ) 전동기용량 (kw): 적색선위의전동기는수명지난전동기
2. 전동기고효율화에의한발전설비절약 9/22 스위스산업조사결과 c) 수명지난 ( 노후-저효율 ) 전동기사용비율 :56% d) 38% 가 2배이상의큰용량전동기사용 :1마력필요한데 2마력전동기사용 e) 78% 가가변속도 ( 팬, 펌프, 압축기, 냉동기 ) 부하 : 효율 10% 이상향상가능 f) 효율향상위한투자비회수기간 : 2.4년 투자금액 절약 ( 전력양 / 금액 ) 회수기간 126 399 52 2.4
2. 전동기고효율화에의한발전설비절약 10/22 가변속도부하 부록 3: 참조 정속도 ( 전동기회전속도 1800 회 / 분 ) 부하 : 밸브유량조절 펌프효율 = 48.3% 가변속도 ( 전동기회전속도 0-1800 회 / 분 ) 부하 : 속도로유량조절 인버터 ( 회전속도변경장치 ) 펌프효율 = 69.0%
2. 전동기고효율화에의한발전설비절약 11/22 국내발전설비절감 a) 산업용전동기전체전기사용비율 :38%( 전동기비율54%* 산업용전동기비율 70%) b) 가변속부하의전체전기사용비율 :30%(38%* 산업용전동기중가변속비율 78%) 조명기기 20% 54% 26% 전열기및기타 전동기 54% - 산업용가변속도부하 30% - 산업용정속도부하 8% - 일반용부하 16%
2. 전동기고효율화에의한발전설비절약 12/22 국내발전설비절감 c) 2030 년국내발전설비 : 123 GW (1GW 원전 123 기 ) - 제 8 차전력수급기본계획 (2017~2031) 2017 년산업통상자원부 : 2030 년전력설비 122.8GW d) 산업용가변부하의고효율전동기및인버터사용효율향상 :5.1 GW 추정 -123GW *30% ( 산업용가변속도부하비 )* 56%( 노후전동기비 )*17%( 효율향상값 )=3.5 GW ( 노후전동기및인버터사용가변부하효율향상비율 ) -123GW *30% ( 산업용가변속도부하비 )* 44%( 비노후전동기비 )*10% ( 효율향상값 )= 1.6 GW ( 비노후전동기및인버터사용가변부하효율향상비율 ) e) 산업용정속도및일반용전동기효율향상 :1.2GW 추정 - 123GW *24%( 산업용정속도및일반전동기비 )* 56% ( 노후전동기비 )* 7% ( 효율향상값 )= 1.2GW f) 2030 년전동기고효율화발전설비 / 전력요금절감 : 6.3GW(3.3 조원 ) 추정 - 2017 년기준전력설비 107.8GW/ 전력요금 57 조원이므로 6.3GW 는 57 조원 *6.3/107.8=3.3 조원 g) 2030 년전동기효율향상시온실가스감축 : 564 만톤 ( 산업 10% 분담 )
3. 전동기고효율화에의한신산업창출 13/22 국내전동기산업확대 a) 노후 ( 저효율 ) 전동기를고효율전동기로대체시국내전동기시장확대 : 2 배 -3 배???? b) 신재생에너지와는다른구조 - 풍력 / 태양광 : 발전단가 2 배계속지불 / 환경오염 / 전력계통공급한계 - 전동기고효율화 : 4-5 년후투자비회수 c) 전동기관련재료시장확대 : 철심 (POSCO), 영구자석 --- 등 d) 전기자동차 / 수소자동차핵심구동장치 : 모터및제어기 ) e) 에너지효율화사업
3. 전동기고효율화에의한신산업창출 14/22 세계전동기시장진출기회 a) 세계전동기시장 : 효율 IE2등급 IE3/IE4/IE5 등급이동 b) 2020 Global Market : 133조원규모 효율등급별향후전동기시장전망 IMS Research: Global market of industrial motors & drives (EEMODS 2013)
3. 전동기고효율화에의한신산업창출 15/22 세계전동기시장진출기회 C) IE2/IE3 등급 : 유도전동기 IE4/IE5 등급 : 기동가능영구자석전동기 전기강판 권선 ( 구리선 ) 영구자석 아날로그 ( 노키아 ) 디지털 ( 삼성 ) 독일 SIEMENS ABB, WEG 한국기업????
4. 결언 16/22 전동기고효율화 신산업 - 초고효율 (IE5) 전동기는향후 20 년후반드시의무사용 세계전동기산업재편 - First Mover 역할 (10 년정도사용시기단축 / 생산성 ( 경쟁력 ) ) 확보시세계시장 1% ( 현재 ) 10% 점유 (20 조, 2030 년기준 ) - 산업연관효과핵심요소 : 산업 Value Chain 형성 재료 ( 철심, PM, 권선 ), 생산설비 ( 권선기, 착자기 ), 설계 SW 분야 전동기고효율화 에너지합리화사용및환경기여 - 2030 년 1GW 원전 6.3 기절약 노력에따라원전 1 기 ~10 기절약 - 미세먼지저감및산업부분온실가스감축 10% 분담 - 신재생에너지다른구조 : 2 배발전단가계속지불 전동기는 4-5 년후투자비회수 제안사항 - 고효율화를위한전략적분석조직필요 : 노후전동기산업조사및효과, 대체시현장문제점, 사후관리, 인센티브 ( 보조금 ), R&D - 정부가 IE4/IE5 급전동기의무사용로드맵제시 : 개발및투자지표 - 보다강화된고효율전동기보급관리법규필요? (ex: 전기생활용품안전법 )
질의응답 17/22
부록 1: 고효율전동기종류 18/22 항목 기존 IE3 및 IE4 급 IE4 및 IE5 급 IE4 및 IE5 급 유도전동기 (IM: Induction Motor) 라인기동식영구자석전동기 (LSPM : Line Start Permanent Magnet Motor) 라인기동식동기형릴럭턴스전동기 (LS-SynRM: : Line Start Synchronous Reluctance Motor) 3 상권선 ( 코일 ) 구조 기동용도체 Bar 전기강판 기동용도체 Bar 영구자석 기동용도체 Bar 장점 - 영구자석전동기대비 낮은가격 - 견고함, 신뢰성우수 - 고효율 - 높은출력밀도 - 고효율 - 낮은제조원가 단점 - 낮은효율 ( 회전자동손발생 ) - 높은기동전류및소음 - 높은제조원가 - 높은기동전류및소음 - 낮은역율
효율 (%) 부록 2. 전동기용량별효율등급 19/22 전동기용량 (kw)
부록 3: 가변속도부하효율향상 20/22 정속도부하 ( 벨브유량조절 ) 시필요전력 가변속도부하시필요전력
부록 4: 스위스산업용도별전동기사용예 21/22 - 산업에서 78% 가가변속도부하 ( 팬 34%, 펌프 22%, 공기압축기 11%, 냉동기 11%) 적용가능
부록 5: 세계주요업체전동기시장점유율 22/22 세계시장 - 2015 World Market : 98 조원규모 ( 성장률 6.3%) - 2020 Global Market : 133조원규모 국내시장 : 1.2조규모 (2015) IMS Research: Global market of industrial motors & drives (EEMODS 2013)