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효율적인 UPS 설비를 위한 새로운 방향, 슈나이더 일렉트릭 리튬이온 배터리 솔루션

더 작고 가볍고 효율적인, 더욱 다양한 환경에 사용할 수 있는 리튬이온 배터리 솔루션
기사입력 : 2022년 09월 26일 10시 55분
ACROFAN=권용만 | yongman.kwon@acrofan.com SNS
우리의 일상에서 모든 부분들이 ‘디지털 변혁’을 거치면서 디지털 기술 기반으로 고도화됨에 따라, ‘안정적인 전원 공급’의 중요성 또한 높아지고 있다. 모든 면에서 모든 사람과 사물이 주변과 복잡하게 ‘연결’된 현대 사회에서, 어느 한 부분에서의 정전 등에 따른 장애 발생으로 인한 영향은 이제 어느 한 부분에 그치지 않고, 좀 더 넓은 범위에 영향을 미치게 된다. 이에, 현대 문명을 안정적으로 영위하기 위해서는 중요 에너지원의 위치에 있는 전기의 안정적인 공급이 중요하며, 특히 정전시 주위에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상되는 ‘미션 크리티컬’ 시설에는 안정적인 전원 공급을 방해하는 여러 가지 원인들을 피할 수 있는 다양한 방법이 고려된다.

언제나 안정적인 전원 공급을 위한 환경에서 빠질 수 없는 것이, 외부 전원 공급이 갑자기 중단되더라도 배터리를 사용해 일정 시간 동안 전원을 유지할 수 있게 하는 UPS다. UPS는 외부 전원의 공급이 중단되더라도 내부의 배터리를 사용해 일정 시간 동안 전원 공급을 유지하면서 장애 원인의 해결이나 전원 공급 경로의 전환, 혹은 시설 내부의 예민한 장비들을 안전히 멈추기 위한 시간을 벌어 주는 역할을 한다. 물론 UPS를 사용해 언제 벌어질 지 모르는 정전 등의 상황을 대비하는 데도 일정 비용이 필요한데, 시스템을 상시 대비 상태로 유지하는 데 필요한 전력 비용, 소모품으로 사용되는 배터리 관련 비용, 그리고 설치에 필요한 공간에 대한 비용이 대표적이다.

슈나이더 일렉트릭은 배터리를 사용하는 UPS의 효율 측면에서, ‘리튬이온(Lithium-Ion)’ 배터리의 활용을 통한 새로운 기준을 제시한다. 리튬이온 배터리는 기존의 VRLA 배터리 대비 같은 부피에 더 많은 에너지를 담을 수 있고, 더 가볍고, 충, 방전 특성도 더 뛰어나며, 수명도 더 길다. 이에 리튬이온 배터리 기반 UPS 구성은 VRLA 배터리 기반 UPS 대비 초기 투자 비용은 더 높지만, 공간이나 무게 등의 제약이 심한 환경에도 충분히 설치할 수 있고, 배터리의 수명도 더 길어, 장기적인 TCO의 관점에서는 더 유리한 조건을 제공한다. 현재 슈나이더 일렉트릭의 3상 UPS 제품군에서는, Galaxy V 시리즈 UPS 뿐만 아니라 Easy UPS 3시리즈, Symmetra PX 시리즈에 이르기까지 다양한 제품군이 리튬이온 배터리를 지원한다.

▲ UPS가 더욱 다양한 환경에서 활용되기 위해서는 여러 ‘한계’를 극복해야 한다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

■ UPS 활용을 위한 환경적 제약을 극복하는 리튬이온 배터리의 도입

정전 등의 돌발 상황에서도 중요한 장비와 시설들에 일정 시간동안 전원 공급을 유지시켜 주는 UPS의 중심에는 전기 에너지를 저장할 수 있는 ‘배터리’가 있다. 그리고 이미 우리의 생활 속에서는 다양한 유형의 배터리들이 사용되고 있는데, 이 중 UPS에 주로 사용되는 배터리 유형은 VRLA(Valve Regulated Lead Acid)다. 이 VRLA 배터리는 여타 다른 유형의 배터리와 비교해 에너지 저장 밀도가 낮아 크고 무거우며, 수명 또한 비교적 짧지만, 가격적인 이점과 함께 높은 방전율을 지원할 수 있어 순간적으로 큰 출력이 필요한 기계나 자동차 등에서 많이 사용되고 있고, UPS의 배터리로도 가장 보편적으로 사용되고 있다.

UPS에서 VRLA 배터리를 주로 사용하는 이유로는 비교적 적은 배터리 셀과 단순한 구성으로도 높은 출력이 요구되는 시스템을 뒷받침할 수 있다는 점도 중요한 부분으로 꼽힐 것이다. 또한 가격적인 측면에서도 다른 배터리들에 비해 상대적으로 저렴하며, 크기나 무게 등에 크게 구애받지 않는 상황에서는 VRLA 배터리의 낮은 에너지 밀도 부분도 큰 문제가 되지 않을 것이다. 배터리 성능 유지를 위한 냉각 요건이 까다로운 점이나 비교적 짧은 배터리 수명 측면이 아쉽지만, VRLA 배터리는 가격적인 측면과 함께 고용량의 3상 UPS 시스템 수준에서 요구되는 높은 방전율을 뒷받침할 수 있는 가장 현실적인 선택이었다.

하지만 이 VRLA 배터리의 낮은 에너지 밀도로 인한 무게와 부피 등은 종종 난처한 상황을 만들기도 한다. 먼저, UPS를 설치할 장소가 도심 한복판 등에 있어 면적에 대한 비용이 높고 충분한 공간이 확보되지 못하면, 필요한 만큼의 UPS 배터리 용량을 확보하지 못할 수도 있을 것이다. 또 다른 문제는 ‘무게’인데, 모든 건물과 구조물에는 일정 면적당 버틸 수 있는 설계하중이 있고, 이에 따라 면적의 확보와 별개로 UPS의 용량 구성에 제한을 받을 수도 있을 것이다. 이런 부분은 특히 도심지의 중소규모 엣지 데이터센터 등에서 인프라 시설 구축과 UPS 구성에 어려움으로 작용하기도 한다.

VRLA 배터리는 예전의 납축전지와 달리 별다른 보수 없이 그냥 사용하는 유형의 배터리지만, 여타 배터리 유형들에 비해 수명이 길지 못하고, 충, 방전이 반복되면서 성능이 떨어지는 현상도 큰 편이다. 이에 배터리 가격은 비교적 저렴하지만, 배터리를 몇 년에 한 번씩 주기적으로 교체해 줄 필요가 있으며, 이 때 제법 큰 비용이 지출되는 편이다. 또한 VRLA 배터리는 사용하는 환경의 온도에 따른 성능 영향도 큰 편으로, 20~25℃의 권장 운영 환경을 벗어나면 성능과 수명에 상당한 영향을 받는다. 이에, UPS가 이상적인 성능을 지속하기 위해서는 UPS가 설치된 공간에 대한 냉방 등의 온도 유지가 필요하며, 이에 따른 비용 부담도 만만치 않다.

▲ 리튬이온 배터리 솔루션은 UPS를 더 작고 가볍고, 효율적으로 만든다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

리튬이온 배터리는 현재 우리의 생활 속에서 스마트폰 등 다양한 소형 전자제품을 중심으로 다양하게 활용되고 있다. 이 리튬이온 배터리의 가장 큰 장점은 ‘에너지 저장 밀도’로, 여타 다른 배터리 유형들에 비해 에너지 저장에 요구되는 배터리의 부피와 무게가 작다. 즉, 같은 용량의 배터리라면 리튬이온 방식이 가장 작고 가벼우며, 같은 무게와 부피의 배터리라면 리튬이온 방식이 가장 용량이 크게 된다. 이에, 리튬이온 배터리를 사용하는 UPS의 경우 필요한 용량 구성에 요구되는 면적을 50~75%까지 줄일 수 있으며, 기존 VRLA 대비 절반 이하의 가벼운 무게 또한 건물의 하중 요건에 부담을 줄일 수 있게 한다. 그리고, UPS를 위한 상면 면적이 줄어듬으로써, UPS 성능 유지를 위한 냉방 면적도 줄고, 이에 따른 운영 비용의 절감도 기대할 수 있다.

또한 리튬이온 배터리는 메모리 효과가 없어서 충, 방전이 자유롭고, 성능을 유지할 수 있는 충, 방전 사이클 수 또한 더 많아서 기대 수명은 VRLA 배터리 대비 두 배 이상이다. 이에, 리튬이온 배터리 기반 시스템은 초기 구축 비용에서는 VRLA 대비 높지만, 길게는 10년 정도까지의 TCO 전체를 확인했을 때는 VRLA보다 더 경제적일 수 있다는 계산이 나온다. 특히, 설치에 필요한 상면 면적 감소로 인한 여러 가지 비용 절감을 고려하면 그 가치는 더욱 커질 것이다. 또한 리튬이온 배터리 기반 UPS는 VRLA 배터리 기반 UPS 대비 운영 가능한 온도 범위가 넓어서, UPS 설치 환경의 냉방에 들어가는 비용 절감 효과는 더 커질 수 있다.

이미 일상 생활 속에서 익숙한 리튬이온 배터리지만, 3상 UPS 등 대용량, 고방전 환경에서 사용하기 위해서는 몇 가지 기술적인 어려움을 넘어서야 한다. 먼저, 리튬이온 배터리의 경우 VRLA 만큼의 극단적인 고방전 사용 환경에는 적합하지 않은 성격을 가지고 있는 만큼, 고방전 환경이 요구되는 대형 UPS 등에서는 시스템 수준에서의 적절한 배터리 구성 설계가 필요하다. 여기에는 배터리의 적절한 직, 병렬 구성을 통한 용량과 성능 최적화, 각 셀 단위에 이르는 정교한 배터리 관리 시스템 등이 포함된다. 또한 리튬이온 배터리는 이론적으로 몇몇 원인으로 인한 폭발의 위험성도 남아 있는 만큼, 시스템 전반에 대한 신뢰성 측면도 중요한 요인이 될 것이다.

슈나이더 일렉트릭의 리튬이온 배터리 기반 UPS 솔루션은 이러한 리튬이온 배터리의 장점을 잘 보여준다. 한 예로, 갤럭시 7000 UPS에서 10분 런타임을 제공하는 1.6MVA 구성을 설치할 때, VRLA 배터리는 50.4㎡ 정도의 면적이 필요하지만, 리튬이온 배터리 기반에서는 65% 절약된 면적인 17.4㎡ 정도로 해결할 수 있고, 무게 또한 VRLA의 18톤보다 76% 가벼운 4.4톤 정도에 그친다. 예상 수명 측면에서도 기존의 5년 정도에서 2.4배 늘어난 12년으로, 이는 TCO 측면에서도 높은 매력을 제공한다. UPS를 위한 냉방 면적이 적어지고, 리튬이온 배터리가 상대적으로 고온에서도 정상적으로 운영되는 만큼 절감되는 냉방비는 덤이다.

▲ 슈나이더 일렉트릭의 3상 UPS 제품군 대부분에서 리튬이온 배터리 솔루션을 사용할 수 있다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

■ 슈나이더 일렉트릭의 3상 UPS를 위한 리튬이온 배터리 솔루션들

슈나이더 일렉트릭의 3상 UPS 제품군 중 리튬이온 배터리를 사용할 수 있는 제품군은 Easy UPS 3 시리즈, 갤럭시 V 시리즈, 그리고 Symmetra PX 250/500 제품군이 있으며, 갤럭시 7000 시리즈나 Symmetra MW 시리즈에서도 리튬이온 배터리의 적용이 가능하다. 이 중 Easy UPS 3 시리즈와 갤럭시 VS는 외장 배터리 구성 사용시 리튬이온 배터리를 사용할 수 있으며, 갤럭시 VM, VL, VX 모델과 Symmetra PX 250/500 제품군에서는 리튬이온 배터리 구성에 대한 별다른 제약사항이 없다. 그리고 갤럭시 V 시리즈나 Symmetra 시리즈에서는 일부 제품군간 호환이 가능한 배터리 캐비닛 솔루션도 마련되어 있다.

슈나이더 일렉트릭의 갤럭시, Symmetra 시리즈를 위한 리튬이온 배터리 랙 타입은 크게 타입 G(17모듈), E(16모듈), S(13모듈), O(10모듈) 등 네 가지 유형이 준비되어 있다. 이 중 랙 타입 G는 갤럭시 7000, 갤럭시 VM, 갤럭시 VX, 갤럭시 VL 제품군과 함께 사용할 수 있으며, 랙당 탑재된 배터리 모듈은 17개이고, 34.6kWh 용량을 갖췄고, 8개 랙 구성시 갤럭시 VX 1500kW 구성에서도 9.3분 정도의 배터리 보호 시간을 확보할 수 있다. 그리고 랙 타입 E는 갤럭시 VS, 갤럭시 VL 제품군에서 사용할 수 있으며, 16개 모듈 구성으로 32.6kWh 용량을 갖추고, 갤럭시 VS의 100kW 구성에서 1개 랙으로도 18분의 보호 시간을 제공하고, 4개 랙까지 확장하면 75분 정도의 보호 시간을 확보할 수 있다.

랙 타입 O는 Symmetra PX 250/500, Easy UPS 3S, 3M 모델과 함께 사용할 수 있으며, 10개 모듈 구성으로 랙당 20.4kWh 용량을 갖췄고, 8개 랙까지의 확장 구성시 500kW 부하 구성에서 18분 정도의 배터리 보호 시간을 확보할 수 있다. 그리고 랙 타입 S는 Symmetra MW 시리즈, 갤럭시 VS 모델과 함께 사용할 수 있으며, 랙당 13개 모듈로 26.5kWh 용량을 갖췄다. 이 유형의 경우 현실적으로 최소 4개 랙 이상의 구성을 가지게 되며, 최대 16개 랙의 확장 구성시, 400kW 환경에서는 60분, 1600kW 환경에서는 14분 정도의 보호 시간을 확보할 수 있다. 한편, 이들 리튬이온 배터리 랙 타입 솔루션은 3년 기본 보증에 배터리 모듈의 10년 보증 옵션도 제공된다.

한편, 슈나이더 일렉트릭은 갤럭시 V 시리즈를 위한 리튬이온 배터리 캐비닛 솔루션도 선보이고 있다. 이 리튬이온 배터리 캐비닛은 갤럭시 VS, VM, VL, VX 등 갤럭시 V 시리즈 전반에 모두 호환되는 것이 특징이며, 리튬이온 배터리의 장점을 살려 설치에 필요한 면적도 VLRA 배터리 기반의 클래식 배터리 캐비닛 대비 크게 줄일 수 있다. 이 배터리 캐비닛의 경우 13, 16, 17 배터리 모듈 구성이 준비되어 있으며, 사용되는 배터리 모듈의 용량은 개당 2.04kWh 정도다. 그리고 셀과 모듈, 캐비닛 등 모든 단계에서 배터리에 대한 명확한 가시성과 예측 가능한 성능, 배터리 셀과 캐비닛 단계에서의 내장 퓨즈를 통한 안전성 확보, 에코스트럭처 파워 모니터링 익스퍼트(PME: EcoStruxure Power Monitoring Expert)를 통한 실시간 상태 확인이 가능하다.

▲ 슈나이더 일렉트릭의 리튬이온 배터리 솔루션은 다양한 장점을 가장 신뢰성 있게 제공하는 선택이다 (자료제공: 슈나이더 일렉트릭)

슈나이더 일렉트릭의 리튬이온 배터리 솔루션이 제공하는 중요한 장점 중 하나는 검증된 ‘신뢰성’이다. 이미 슈나이더 일렉트릭은 UPS와 관련해, 제품과 지원 모두에서 오랜 시간동안 충분히 검증된 바 있으며, 이러한 신뢰성은 새로운 유형의 배터리인 리튬이온 배터리 솔루션에서도 이어진다. 제품 수준에서는 셀과 모듈 단위에서부터 기술적으로 높은 신뢰성을 갖춘 구성을 사용하며, 모듈 단위부터 랙, 시스템 레벨에 이르기까지 정교한 배터리 관리 시스템을 사용해 배터리의 성능과 안정성을 최적화한다. 이러한 신뢰성을 바탕으로, 슈나이더 일렉트릭은 리튬이온 배터리 솔루션이 기존의 VRLA 배터리 대비 2배 이상 긴 수명을 가지고 있다고 소개하며, 기본 보증 3년과 함께 배터리 모듈에 10년 보증을 옵션으로 제공하고 있다.

리튬이온 배터리의 활용으로 배터리 수준에서의 운영 기대 수명부터 길어짐에 따라, 더욱 길어지는 제품의 생애 주기 전반에 걸친 안정적인 지원 측면도 중요한 부분이 될 것이다. 슈나이더 일렉트릭과 파트너 생태계는 이 부분에서도 오랜 기간동안 증명한 높은 신뢰성, 뛰어난 전문 역량과 함께, 고객이 상황과 요구 사항에 적합한 솔루션을 선택 도입하고 안정적으로 운영할 수 있도록 폭넓은 선택지를 제공한다. 또한 슈나이더 일렉트릭이 제공하는 ‘에코스트럭처 IT 익스퍼트(EcoStruxure IT Expert)’와 ‘애셋 어드바이저(Asset Advisor)’ 서비스는 언제 어디서나 UPS의 상태를 확인하고, 이상 발생시 즉시 확인, 대응할 수 있게 하며, 미래의 문제 발생 가능성을 예측하고 사전에 대응할 수 있게 해 가용성을 극대화한다.

앞으로 사회의 디지털화가 더욱 고도화되면서, 더욱 많은 시설과 장비들에 안정적인 전원 공급이 중요해질 것이며, 이에 따라 UPS 의 활용 또한 늘어날 것으로 예상된다. 하지만 기존에 UPS들이 활용하던 VRLA 배터리는 무게와 부피, 수명 등에서 물리적인 한계가 존재하며, 이는 UPS 활용 다변화에 있어 걸림돌이 되고 있기도 하다. 그리고 리튬이온 배터리 기반 솔루션의 도입은 전체 UPS 시스템의 무게와 부피를 크게 줄이고, 더욱 긴 수명을 제공해, 기존의 VRLA 배터리 기반 UPS 대비 운영 기간이 길어질수록 유리한 TCO를 제공함은 물론이고, 지금까지는 부피와 무게의 제약으로 UPS를 제대로 활용할 수 없는 환경에까지 UPS 활용을 확대할 수 있게 해, 지속가능한 디지털 사회를 위한 안정성과 효율의 수준을 한층 높여 줄 것으로 기대된다.

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