미래의 전력을 잡아라: 미국에서의 고체변압기 기술의 전략적 발전

DG Matrix와 Resilient Power는 그들의 고체 변압기(solid-state transformer)가 데이터 센터, 전기 자동차(EV) 충전 허브 등에 전력을 공급하는 비용, 시간, 복잡성을 줄일 수 있다고 말합니다. 수십 년 동안 전기 엔지니어들은 태양광 패널, 배터리 시스템, 현장 발전기를 EV 충전기나 데이터 센터 서버와 같은 고전력 장비와 원활하게 연결할 수 있는 장치를 꿈꿔왔습니다. 이러한 장치들은 많은 양의 비싼 하드웨어 없이도 함께 작동하도록 만들 수 있어야 합니다.

지금, 이들 장치인 고체 변압기가 실제로 시장에 진입하기 시작하고 있으며, 그 타이밍은 더 이상 좋을 수 없습니다.

이는 기술이 데이터 센터, 공장, EV 충전 허브와 같은 대규모 전력 수요를 해결하는 데 핵심적 역할을 할 수 있기 때문입니다. 이러한 수요는 전력망을 압도하고 화석 연료 소비를 증가시켜 지구 온난화에 기여할 수 있습니다.

현재, 이러한 큰 전력 사용자들의 전력 수요는 미국 전력망의 공급 능력을 초과하고 있습니다. 이론적으로, 이 문제는 그들이 자체 태양광 패널, 배터리, 발전기를 설치하도록 허용함으로써 해결될 수 있지만, 이처럼 간단해 보이는 해결책은 실제로 매우 복잡하고 비싸게 구현됩니다.

각 태양광 배열, 배터리, 연료 셀, 발전기 또는 기타 현장 전력 공급원은 전류를 안전하게 직류(DC)에서 교류(AC)로 또는 그 반대로 변환하고, 건물 내 다른 부하의 요구에 맞게 전압을 높이나 낮추기 위해 여러 개의 장비 — 전기 보호 장치, 절연 변압기, 승압 및 강하 변압기, 전력 변환기 — 가 필요합니다.

고체 변압기는 단 하나의 장치로 이러한 모든 기능을 달성할 수 있으며, 라우터가 데이터 흐름을 제어하는 것처럼 유연하게 전기를 제어할 수 있습니다. 이는 특히 고전력 수요 장비(예: EV 충전기) 또는 전력 품질에 극히 민감한 장비(예: 데이터 센터의 서버랙) 관리에 극히 유용합니다.

DG Matrix의 CEO이자 공동 창립자인 Haroon Inam은 이렇게 말했습니다. DG Matrix는 고체 변압기를 실제 활용하기 시작한 몇 안 되는 회사 중 하나입니다. 그는 DG Matrix가 올해 3월에 2000만 달러를 조달했으며 현재 노스캐롤라이나에 공장을 짓고 있으며, 올해 말에 연간 1,000대의 생산 능력을 갖춘 공장이 운영을 시작할 예정이라고 말했습니다. "우리는 거대하고 서비스되지 않은 상업 및 산업 마이크로그리드 시장에 진입하고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "사람들이 이를 하지 않은 이유는 단일, 맞춤형 마이크로그리드를 구축하는 비용이 너무 높았기 때문입니다."

DG Matrix는 유일한 회사가 아닙니다. 테슬라의 전 직원 Drew Baglino가 설립한 스타트업 Heron Power는 4,300만 달러를 조달했으며 2027년까지 첫 고체 변압기를 구축하는 것을 목표로 하고 있습니다. Amperesand는 지난해 1,250만 달러를 조달하여 싱가포르 전력망에서 테스트되고 있는 고체 변압기 개발을 계속하고 있습니다.

대형 전자 회사들도 이에 관심을 가지고 있습니다. 전기 장비 거대 기업 Eaton은 지난 달 Resilient Power Systems를 인수하기로 합의했습니다. Resilient Power Systems는 2021년에 500만 달러를 조달하여 EV 충전 허브 및 기타 고에너지 소비 환경을 위한 전력 변환 장비를 구축하고 배포했습니다. Eaton은 거래 종결 시该公司在交易结束时将向该公司投资5500万美元；根据Resilient Power在未来几年的财务和技术表现，Eaton还可能额外支付9500万美元。 由于您的指示要求翻译为韩语，并且不能改动HTML标签内的结构，我将继续按照指示完成翻译。以下是剩余部分的翻译：

거래 종결 시 Eaton은 해당 회사에 5,500만 달러를 투자하며, 앞으로 몇 년 동안 Resilient Power의 재무 및 기술 성과에 따라 추가로 최대 9,500만 달러를 지불할 수도 있습니다.

"많은 사람들이 이 기술을 10년 넘게 연구해 왔다"고 Eaton의 Critical Power Solutions 사업부 수석 부사장 겸 총괄 매니저인 Aidan Graham은 말했습니다. 이제 몇 가지 주요 공학 기술의 진보 덕분에 이 기술이 마침내 황금기를 맞이할 수 있게 되었습니다. 유틸리티와 다른 기관들이 이를 테스트하기 시작했습니다.

고체 변압기의 진화

Eaton은 오랜 기간 동안 고체 변압기 연구 및 개발을 진행해 왔습니다. 회사는 아직 Resilient Power의 기술을 규모화된 제조 및 배포 방법을 공개하지 않았습니다. 그러나 Graham은 "EV 충전 및 배터리를 데이터 센터 및 기타 중요한 환경에 통합하는 것과 같은 몇 가지 영역을 탐색하고 있다"고 말했습니다. '전력 손실이 단 한 순간이라도 발생하면 사람들의 생명을 위협하고 막대한 비용을 초래할 수 있다.'

DG Matrix의 최고 책임자인 Michael Wood III는 회사가 ABB, Duke Energy, Southern Co. 소유의 대형 마이크로그리드 및 데이터 센터 전력 시스템 개발업체 PowerSecure와 같은 회사들과 장비 테스트를 진행하고 있다고 말했습니다.

"다음 기가와트의 에너지를 얻는 가장 좋은 방법은 분산 시스템을 구축하는 것입니다," Wood는 말했습니다. "오늘날 이러한 프로젝트를 원활하게 작동시키려면 모든 이러한 장치가 필요합니다. DG Matrix는 모든 이러한 시스템 사이의 균형을 제거하고 이를 단일 시스템으로 단순화합니다."

Inam은 DG Matrix의 고체 변압기를 사용하는 비용은 다양한 기술 표준을 조합하여 일반적인 현장 마이크로그리드 구성 요소를 연결하는 비용의 절반에 불과하다고 말했습니다. 또한, 데이터 센터, EV 충전 허브, 기타 잠재적인 마이크로그리드 사이트의 시스템 구성 변경이나 장비의 빠른 조합 및 변경을 용이하게 합니다.

그렇다면 고체 변압기가 이렇게 유용한 기술이라면, 왜 지금까지 도입되지 않았을까요?

DG Matrix의 투자자인 Clean Energy Ventures의 파트너이자 General Electric의 산업 전기화 사업 베테랑이며 올해 스타트업의 이사회에 합류한 Vlatko Vlatkovic은 그렇게 오랜 시간이 걸린 이유가 있다고 말했습니다.

전력망은 과거 1세기 동안 거의 변화가 없는 비교적 단순한 전자기 장치에 크게 의존하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 태양광 인버터나 EV 드라이브 시스템과 같은 장치가 가능해지는 데 일부 진전이 있었지만, 현대 컴퓨팅을 가능하게 하는 반도체는 아직 전력망에서 널리 사용되지 않았습니다.

"산업계가 더 많은 전력 전자 장치를 사용하도록 밀어붙이는 것은 큰 도전이었다"고 Vlatkovic은 말했습니다. 특히 고전압 전력망에서는 더욱 그렇습니다. 최근까지 기초 기술은 "충분히 크거나 신뢰성이 없었다. 기술적인 문제가 있었다."

Resilient Power의 투자자인 Energy Transition Ventures의 파트너인 Neal Dikeman은 고전압 산업 응용 분야에서 고체 변압기에 유사한 도전이 있었다고 말했습니다. 그는 실리콘 카바이드 반도체의 지속적인 발전과 효율적인 전력 변환을 위한 컴퓨팅 파워의 개선이 도움이 되었다고 말했습니다. "하지만 쉽지 않았다."

Inam은 2023년 DG Matrix에 합류하기 전 그리드 전력 제어 제공업체 Smart Wires의 최고 기술 책임자(CTO)로 일하면서, 스타트업이 이 단계에 도달하기 위해 몇 가지 주요 도전을 해결해야 했다고 언급했습니다.

첫째, 고전압에서 AC-DC 변환으로 발생하는 열을 방출하는 것이 어렵습니다. "전자기 잡음" 또는 고주파 전기 스위칭으로 인한 간섭을 처리하는 것도 포함됩니다. "잡음을 효과적으로 줄이는 방법을 모르면 모든 것이 영향을 받습니다. 과열, 폭발, 성능 저하를 초래할 수 있습니다"라고 Inam은 말했습니다.

그러나 이러한 도전을 해결하는 것은 그 자체로 보상이 됩니다. "우리의 기술은 이제 충분히 성숙하고 정교해져서 신뢰성 있는 장비를 출시할 수 있습니다"라고 Vlatkovic은 말했습니다.

왜 지금이 고체 변압기의 시기인가?

타이밍은 더 이상 좋을 수 없습니다.

"자동차부터 산업, 주택에 이르기까지 모든 것이 전기화되고 있습니다"라고 Vlatkovic은 말했습니다. "앞으로 10~20년 동안 전력망이 전송해야 할 전력의 예측을 보면 적어도 전력망 용량을 두 배로 늘려야 한다는 것을 알 수 있습니다. 일부 예측에서는 기존 용량의 세 배가 필요하다고도 합니다."

Inam은 데이터 센터의 전력 수요를 충족시키는 것이 특히 큰 기회라고 말했습니다.

기술 거대 기업들의 야심찬 인공 지능 계획은 버지니아, 조지아, 텍사스와 같은 데이터 센터 중심 지역의 유틸리티 전력망에 큰 부담을 주고 있습니다. 이로 인해 데이터 센터 개발자들은 근처나 현장에 발전기와 배터리를 건설하여 전력망의 부담을 줄이는 방법을 탐색하고 있습니다.

"세 가지 주요 문제는 전력 공급 속도(고객이 충분히 빠르게 전력을 받을 수 없다), 전력 비용, 그리고 유연성을 위한 여러 리소스의 집합"이라고 Inam은 말했습니다. "수백 또는 수천 개의 사이트를 보유한 기업 고객들과 이야기를 나눴습니다. 그들이 직면한 가장 큰 도전은 각 사이트를 처음부터 설계해야 한다는 것입니다. 그들은 1,000개의 사이트를 배포하는 도전을 위한 턴키 솔루션을 찾고 있습니다."

고체 변압기는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 수 있다고 Vlatkovic은 말했습니다. "복잡한 설치와 여러 회사에서 한 회사가 모든 것을 관리하게 되는 것이다."

더 작은 패키지에 더 많은 기능을 넣기

Eaton의 Graham은 "고전력밀도" 패키징은 데이터 센터와 EV 충전소와 같은 협소한 환경에서 소중한 공간을 절약할 수 있다고 말했습니다. 고체 변압기는 공장에서 대량 생산되어 현장에서의 전기 작업 비용과 시간을 줄일 수 있습니다. "제어된 제조 환경으로 돌아갔습니다"라고 Graham은 말했습니다.

또한, 여러 작업을 수행할 수 있는 단일 장치는 공학 요구 사항을 단순화한다고 Dickman은 말했습니다.

"오프더셀프 컴포넌트를 사용하여 복잡한 시스템을 설계하면 서로 다른 장치의 불일치로 인해 시스템 요구 사항을 완전히 충족할 수 없습니다. 이는 비용을 증가시키고 효율성을 감소시킵니다"라고 그는 말했습니다. "맞춤형 제품으로 이를 해결할 수 있지만, 이는 더 비싸고 위험합니다. 태양광, 에너지 저장, 데이터 센터, 그리고 빠르게 움직이고 신뢰성 있고 저렴한 것을 필요로 하는 사람들에게는 이러한 모든 것이 무너집니다."

마이크로그리드 개발업체 PowerSecure의 전략 포트폴리오 개발 담당 디렉터 Joaquin Aguerre는 이러한 모든 잠재적인 이점이 PowerSecure를 최소 두 가지 고체 변압기 기술의 파일럿 프로젝트를 시작하게 만들었다고 말했습니다. "우리는 이 기술의 선두에 서려고 노력하고 있습니다."

PowerSecure는 대형 소매점, 병원, 유틸리티, 데이터 센터 등 다양한 고객을 위해 2.4GW 이상의 마이크로그리드 용량을 설계 및 설치했습니다. 회사는 특히 "태양광, 에너지 저장, 천연가스 발전기, 연료전지, EV 충전 — 무엇이든 생각할 수 있는 것"을 결합한 "효율적인 하이브리드 마이크로그리드"를 통합하기 위해 고체 변압기에 특히 집중하고 있습니다.

"실제 시장 수요가 나타나기 시작했습니다"라고 Aguerre는 말했습니다. 동시에 "이들 대부분의 회사는 아직 초기 단계에 있습니다.... 다음 논리적인 단계는 적절한 파일럿 프로젝트를 수행하여 실제 고객 사용 사례를 소규모로 관찰하고 관련 기술의 내구성과 신뢰성을 테스트하는 것입니다."

결국, 전통적인 변압기와 비교하여 최첨단 전력 전자 장치가 어떤 단점이 있더라도 "그들은 자주 실패하지 않습니다"라고 Aguerre는 지적했습니다. "모든 사람이 고체 변압기를 보면서 동일한 신뢰성을 기대합니다."