안병현
(Byeong-Hyeon An)
1
오정식
(Jeong-Sik Oh)
1
김태훈
(Tae-Hun Kim)
1
박재덕
(Jae-Deok Park)
1
이승윤
(Seung-Yoon Lee)
1
박태식
(Tae-Sik Park)
†iD
-
(Ph. D. course, Department of Electrical Engineering, Mokpo National University, Republic
of Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Life Cycle Assessment, End of Life, Sustainability, Remanufacture, Remanufacturability
1. 서 론
경제 및 산업분야의 급격한 성장은 에너지 및 자원의 소비를 불러왔으며, 이로 인한 환경 문제는 전 세계적으로 문제가 되고 있다. 특히, 제조업체는
정부 및 환경규제 기관으로부터 생산을 줄이고 제품을 재사용 및 재활용해야 한다는 권고를 받고 있다. 위와 같은 문제를 해결하고 지속가능성을 실현하기
위해 최근에는 순환경제 모델이 전 세계적으로 주목받고 있다.
순환경제의 기본 원칙은 제품과 재료를 회복 및 재생할 수 있게 만들고 유용성과 가치를 유지하는 것이다. 이러한 순환 경제 모델을 위해서는 제품의 전체
수명주기 전반에 걸친 접근방식(LCA, Life Cycle Assessment)이 필요하며, 이는 제품이 처음 기획되고 자원을 추출하는 단계부터 폐기
또는 재활용에 이르기까지의 모든 과정을 포괄하는 방식으로 환경에 미치는 영향을 최소화하고 자원 효율성을 높이는 데 중점을 두고 있다. 제품의 수명주기는
일반적으로 Premanufacturing(PM), Manufacturing(M), Use(U), Post Use(PU)의 네 가지 주요 단계로 구분할
수 있다. PM 단계 제품 생산에 필요한 자원의 추출과 가공, 물류, 설계 과정을 포함한다. 이 단계에서는 주로 자원 채굴과 가공에 따른 환경적 영향이
크며, 자원 고갈, 에너지 소비, 탄소 배출 등의 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 친환경 재료 선택 및 재생 가능 자원의 사용이 중요한 고려사항이
된다. M 단계는 원자재가 실제 제품으로 전환되는 공정이 이루어진다. 이 과정에서 에너지 사용, 폐기물 발생, 온실가스 배출 등 다양한 환경적 영향이
발생한다. 따라서, 제조 공정의 효율성을 높이고 에너지 절감 및 친환경 생산 방식을 도입하는 것이 주요 고려사항이다. U 단계는 제품이 소비자에게
전달된 후 사용되는 단계로 이 과정에서의 에너지 소비와 유지 관리가 중요한 역할을 한다. 제품의 내구성과 에너지 효율성이 이 단계에서의 환경적 영향을
결정짓는 핵심 요인이다. 지속 가능한 제품 설계는 제품의 수명을 연장하고 에너지 효율성을 높이며, 자원 낭비를 줄일 수 있다. 마지막으로 PU 단계는
제품이 수명을 다한 후 처리되는 과정을 포함한다. 재활용, 재제조, 폐기 등의 과정이 이루어지며, 이 단계에서 자원의 재활용 가능성 및 폐기물 처리
방식이 환경적 영향을 크게 좌우한다[1-3].
여기서, PU는 수명주기의 마지막 단계로서 EoL(End of Life) 제품을 폐기하거나 원자재로 재활용함으로써 제품의 전체 수명주기의 순환 루프를
형성함으로 가장 중요한 단계로 볼 수 있다. 켄터키 대학의 ISM(Institute for Sustainable Manufacturing)에서 개발한
6R 방법론(Reduce, Reuse, Recover, Redesign, Remanufacture, Recycle)은 제품의 수명주기와 재료의 순환
루프에서 자원의 소모를 최소화하기 위한 과정을 표현하였다[4]. 그림 1은 제품 수명주기에 따른 6R Decision flow diagram을 나타낸다.
그림 1. 6R 의사결정 흐름도
Fig. 1. 6R Decision flow diagram
여기서, PU는 수명주기의 마지막 단계로서 EoL(End of Life) 제품을 폐기하거나 원자재로 재활용함으로써 제품의 전체 수명주기의 순환 루프를
형성함으로 가장 중요한 단계로 볼 수 있다. 켄터키 대학의 ISM(Institute for Sustainable Manufacturing)에서 개발한
6R 방법론(Reduce, Reuse, Recover, Redesign, Remanufacture, Recycle)은 제품의 수명주기와 재료의 순환
루프에서 자원의 소모를 최소화하기 위한 과정을 표현하였다[4]. 그림 1은 제품 수명주기에 따른 6R Decision flow diagram을 나타낸다.
특히, 6R 방법론 중 재제조 기술은 노후 설비를 분해하고 수리 및 교체한 후 재조립하여 설비의 수명을 연장하는 일련의 과정을 말하며 EoL 제품의
고유한 가치를 유지할 수 있어 에너지 절약 및 탄소 배출 감소를 고려하였을 때 EoL 제품을 폐기하는 가장 환경친화적인 방법의 하나로 손꼽히고 있다.
재제조 기술의 장점은 다음과 같다[5-7].
자원 효율성 극대화 : 재제조는 기존 부품을 재사용함으로써 원재료 채굴 및 가공에 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 이는 자원 고갈 문제를 완화하고
자원의 순환성을 높이는데 기여할 수 있음
환경적 영향 최소화 : 제품을 폐기하는 대신, 이를 복원하고 재사용함으로써 매립지로 보내는 폐기물을 줄이고, 탄소 배출을 감소시킬 수 있음
비용 절감 : 기존 설비의 부품을 교체하거나 복원함으로써 전체 설비를 대체하는 비용보다 낮은 비용으로 설비 성능을 회복할 수 있으므로, 수명 연장에
따른 장기적인 비용 절감 효과를 기대할 수 있음
리드 타임 감소 : 재제조는 기존 부품을 복원하여 사용하므로 복잡한 물류 과정을 단축할 수 있어 리드 타임을 대폭 절감할 수 있음
지속가능성 발전 기여 : 재제조는 지속가능성에 있어 중요한 부분으로 자원 효율적 사용과 일자리 창출을 통해 경제적 및 환경적 이익에 기여할 수 있음
위와 같은 장점으로 인해 재제조 기술은 지속가능성과 순환경제를 가능하게 하는 핵심 요소 중 하나로 볼 수 있다. 하지만 재제조 기술을 하나의 제품에
적용하기 위해서는 특수 장비, 전문 인력, 복잡한 공정 관리가 필요하며, 이를 위한 설비 투자와 기술 인프라 구축에 대한 초기 비용이 큰 장벽으로
나타나고 있다. 또한, 일부 제품은 재제조를 고려한 설계가 이루어지지 않기 때문에 기술적 한계가 존재할 수 있으며 부품의 운영 이력과 상태가 다를
수 있어 품질 검증과 테스트를 위한 추가적인 비용과 시간이 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 모든 제품이 재제조에 적합한 것이 아니므로 재제조 대상을 선정하는 데 타당성을 평가하는 것이 중요하며, 이러한 제품의 재제조 타당성을 재제조
가능성(Remanufacturability)으로 정의할 수 있다. 재제조 가능성은 대상 제품이 재제조 가치가 있는지 기술적(Technical), 경제적(Economic),
환경적(Environm- ental) 요인 등 다양한 요소를 종합적으로 분석하고 정량적으로 평가하는 과정이다. 이러한 과정은 재제조에 들어가는 노력과
이를 통해 얻을 수 있는 이득을 비교하는 것이 일반적이며, 제품의 분해 및 조립 용이성, 품질, 구조, 손상 정도, 부품의 개수, 활용 가능성의 차이로
인해 재제조 가능성이 다를 수 있다. 이는 해당 제품의 재제조가 효과적인지 아닌지를 사전에 판단할 수 있게 도와준다. University of Kentucky의
Amma Ail은 기계 부품에 대하여 Product Design, Process Technology, Demand or Market, Incoming
Quality, Remaining Life 등 5가지 속성으로 평가하였으며[8], Xugang Zhang은 재제조 가능성에 대한 문헌을 분석하여 3가지 요소(기술적, 경제적, 환경적)로 정리하였다[9]. 또한, Ajith Tom James는 자동차 시스템에 관하여 Handling, Accessibility, Separability, Recoverability,
Re-assembly의 5가지 주요 속성을 바탕으로 크기, 무게, 부품 수, 분해 및 조립 용이성 등 총 37가지 하위 속성으로 나눠 각 속성별 점수를
매기는 방식으로 정량화하였다[10]. 위와 같이 재제조 가능성에 관한 연구가 수행되고 있지만, 대부분의 연구는 기계시스템의 재제조 가능성을 평가하는데 목적을 두고 있으며 열, 기계
및 화학적 현상을 모두 고려해야 하는 전력설비의 경우 재제조 가능성 지수에 관한 연구가 미비한 상태이다. 전력설비의 경우 다양한 부품과 복합적인 요소들로
구성되어 있어 분해, 수리, 재조립이 매우 까다로운 경우가 많으며 고전압 설비 및 전력변환 설비는 특수한 기술이 필수적이다. 또한, 몇몇 전력설비의
경우 신품 제조와 비교했을 때 재제조에 드는 시간과 비용이 더 클 수 있으며 화학물질과 절연재, 냉각유 등을 포함하고 있어 유해물질 세척 및 처리에
대한 사항도 고려가 필요하다. 이러한 이유로 현재 전력설비와 관련된 연구는 주로 Reconditioning이나 Retrofit과 같은 개념에 초점이
맞춰져 있으며 제조업체들은 오래된 변압기나 GIS의 부품을 교체하여 성능을 개선하는 서비스를 제공하고 있다. 예를 들어, 기존 변압기의 코일, 절연유,
냉각 시스템 등을 교체함으로써 수명을 연장하고 효율을 개선하는 프로그램을 제공하고 있다. 이러한 전력설비의 재제조는 변압기(ABB, RESA Power,
Emerald Transformer 등), 수배전반(Eaton, Bowers Electricals 및 National Switchgear 등), GIS(ABB)를
중심으로 상업화가 이뤄지고 있다. 전력설비의 주요 성능을 담당하는 코어 부품의 경우 재제조 기술을 적용하면 복잡한 제조 과정을 생략하여 자원 효율성
및 경제성을 극대화할 수 있다. 또한, 한번 설치되면 짧게는 몇 년에서 길게는 몇십 년 동안 성능을 유지하는 전력설비의 경우 재제조 기술로 단순히
부품을 복원하는 것을 넘어 최신 기술을 반영하여 더 높은 성능과 신뢰성을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
전력설비의 고장은 정전 및 인명 사고, 사회적 혼란 등 2차 피해를 파급시킬 수 있어 높은 신뢰성을 요구받고 있다. 따라서, 노후화된 전력설비에 대한
관리가 필수적이다. 최근 산업화 시기에 대규모로 제작 및 설치된 전력설비의 노후화가 진행되어 교체 주기가 다가오고 있으나 신재생 에너지 발전, 탄소
중립 등 에너지 패러다임의 변화에 대응하고 있어 교체 비용을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다. 또한, 전 세계적으로 지속가능성을 요구받고 있으므로
전력설비에 재제조 기술을 적용하는 것은 비용-효율적인 해결책이 될 수 있다. 본 논문에서는 전력설비 재제조 대상의 타당성 평가를 위한 재제조 가능성
지수를 제안한다. 이러한 재제조 가능성 지수는 전력설비의 재제조 기술에 고려되어야 하는 요소들을 기술적, 경제적, 환경적 관점으로 구분하여 단계별
점수를 할당하는 방식으로 대상 전력설비의 구조와 기능을 분석 및 평가하였다.
2. 전력설비 재제조 가능성 고려사항
일반적으로 제품의 재제조 가능성을 평가하기 위해서는 자체적인 기준에 따라 모든 측면의 전반적인 효율성과 실현 가능성을 종합적으로 평가해야 한다. Lund는
1984년 75가지의 다양한 유형의 제품을 요약하여 제품의 재제조 가능성을 판단하는 7가지 기준(내구성, 기능 손실, 잔존 가치, 부품의 표준화,
원자재 변환비용, 안정성, 소비자 인식)을 제안하였다[11]. 이를 기반으로 많은 연구가 수행되었으며 광범위한 범위를 포함하는 기술적, 경제적, 환경적 관점으로 타당성을 분석하는 방식으로 발전되었다.
그림 2. 재제조 가능성 고려사항
Fig. 2. Considerations for remanufacturability
이러한 세 가지 관점은 서로 복합적으로 연결되어 있으며 각 관점에서 재제조 가능성을 평가하는 방식은 종합적이고 체계적인 의사결정을 지원할 수 있다.
그림 2는 재제조 관점을 나타낸다.
기존 기계시스템의 경우 패스너의 타입과 종류, 개수와 재제조 소요 시간, 필요한 검사와 테스트의 복잡성과 개수, 재활용 가능한 부품의 비율 등으로
정량화하여 적용하고 있다. 하지만, 정량화하기 위해서는 전력설비의 구성 부품에 대한 정확한 데이터가 필요하며 전력설비의 경우 같은 설비라도 용량,
전압 레벨 등에 따라 크기, 무게, 구성이 달라질 수 있다. 본 논문에서는 전력설비별 재제조 고려사항에 대해 등급화하였으며 각 등급 점수를 바탕으로
재제조 가능성 지수를 산출하였다.
2.1 기술적 관점
기술적 관점에서는 전력설비의 재제조가 기술적, 물리적으로 가능한지 판단하는 데 중점을 둔다. 전력설비의 경우 내부 부품이 많고 구성이 복잡하므로 분해,
수리, 재조립이 가능한지 아닌지와 효율성을 평가해야 한다. 특히, 회로 설계가 복잡하고 기계적 부품이 결합된 형태로 존재하기 때문에 부품의 재사용
여부나 복원할 수 있는지에 따라 재제조의 가능성이 좌우된다.
본 논문에서는 분해성, 재조립성, 검사 및 테스트, 세척을 고려사항으로 적용하였으며 난이도를 바탕으로 등급화하였다. 표 1은 기술적 관점의 고려사항을 나타낸다.
표 1 기술적 관점의 고려사항
Table 1 Considerations for technical perspective
|
구분
|
항목
|
평가 기준
|
|
기술적 관점
|
분해성
|
설비 분해 난이도
|
|
재조립성
|
설비 재조립 난이도
|
|
검사 및 테스트
|
검사 및 테스트의 난이도/개수
|
|
세척
|
특수 세척 필요 정도
|
전력설비의 분해성은 설비를 교체 및 수리할 수 있는 개별 부품으로 분리하는 데 필요한 노력을 의미한다. 분해 난도가 낮을수록 재제조 과정의 효율성이
높아지므로 재제조에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있어 등급이 높게 나타난다. 분해 난도는 설비 설계와 관련 있으며 부품 간의 접합 방식에 따라
달라진다. 일반적으로 표준화된 부품을 사용하는 설비는 분해가 용이한 반면, 맞춤형 설비는 부품의 분해와 교체가 어렵다. 또한, 원자재의 강도와 부품의
손상 가능성도 분해 과정에서 고려되어야 한다. 등급화 기준으로는 1등급이 구성 부품이 용접되어 있어 분해가 거의 불가능한 경우이며, 5등급은 볼트로
결합된 모듈화 구조로 분해가 쉽고 간편하며 소요시간이 짧은 경우을 고려하였다. 재조립성은 분해된 부품을 다시 조립하여 원래의 성능을 복원하는 과정으로
정의되며 설비의 모듈화 정도에 따라 난도가 달라질 수 있다. 모듈화된 설비는 개별 부품을 쉽게 교체하거나 복원할 수 있어 재조립이 간편하지만, 개별
부품이 많은 경우 각 부품이 밀접하게 연결되어 있어 조립이 어려울 수 있다. 또한, 대부분 전력설비의 경우 조립과정에서 높은 정밀도가 요구되므로 이를
고려한 등급 선정이 필수적이다. 조립과정에서 필요한 기술 수준이 낮고 비용 및 소요시간이 짧을수록 등급이 높게 평가되었다. 등급화 기준으로는 1등급이
고난도 기술과 고가 장비 및 고급 인력이 필요한 경우이며, 5등급이 모듈화 설계로 도구 없이 간단히 조립 가능한 경우이다. 예를 들어, GIS는 각
파트별 모듈화가 되어 있으며 볼트 결합구조로 분해성과 재조립성에서 높은 점수를 받을 수 있다. 검사 및 테스트는 설비의 상태를 점검하고 기능을 복원하기
위해 필요한 검사와 테스트 과정의 난이도를 평가한다. 필요한 검사 및 테스트의 수가 적고 난도가 낮을수록 등급을 높게 평가하였다. 등급화 기준으로는
1등급이 비파괴 검사와 같은 고난도 기술이 필요한 경우이며, 5등급이 육안검사로 충분히 상태 평가가 확인 가능한 경우이다. 세척은 재제조 과정에서
부품의 오염을 제거하는 데 필요한 기술과 장비 수준을 반영한다. 등급화 기준으로는 1등급이 강한 화학적 세척이 필요하거나 공정이 복잡한 경우이며,
5등급은 물리적 세척으로 간단히 복원 가능한 경우이다. 예를 들어, 변압기의 외함은 육안검사와 물리적 세척이 가능하여 점수가 높을 수 있지만, 내부
권선 및 코어의 절연 및 비파괴 테스트, 절연유로 인한 화학 세척이 필요하므로 종합적인 점수는 낮게 평가될 수 있다. 표 2는 기술적 관점의 재제조 가능성 평가 등급을 나타낸다.
표 2 기술적 관점의 평가 등급
Table 2 Evaluation level for technical perspective
|
등급
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
분해성
|
매우 어려움
|
어려움
|
보통
|
쉬움
|
매우 쉬움
|
|
재조립성
|
매우 어려움
|
어려움
|
보통
|
쉬움
|
매우 쉬움
|
|
검사 및 테스트
|
비파괴 검사
|
고급 기능 검사
|
정밀 검사
|
기본 기능
검사
|
육안 검사
|
|
세척
|
고온/고압 화학
세척
|
초음파 세척
|
고압 세척
|
화학 세척
|
표면 세척
|
2.2 경제적 관점
경제적 관점에서의 재제조 가능성의 평가는 대상설비의 재제조가 비용 효율적인지, 경제적 가치가 있는지 판단하는 중요한 요소이다. 본 논문에서는 부품의
재사용 비율, 코어 부품의 복잡성, 리드 타임, 설비의 크기 및 무게를 고려사항으로 적용하였다. 표 3은 경제적 관점의 고려사항을 나타낸다.
부품의 재사용 비율은 재제조 과정에서 기존 부품을 재활용할 수 있는 정도로 정의된다. 재제조 과정에서 재사용할 수 있는 부품의 비율이 높을수록 신제품
생산에 필요한 원자재와 부품 비용을 줄일 수 있다. 따라서, 재사용 비율이 높을수록
표 3 경제적 관점의 고려사항
Table 3 Considerations for economic perspective
|
구분
|
항목
|
평가 기준
|
|
경제적 관점
|
재사용 비율
|
재사용 가능한 부품의 비율
|
|
코어 부품 복잡성
|
기능적 핵심 부품의
제작 복잡성
|
|
리드 타임
|
신제품의 리드 타임
|
|
크기 및 무게
|
물류 난이도
|
재제조의 경제적 타당성이 증가한다. 등급화 기준으로는 1등급이 재사용 가능한 부품이 10% 미만일 경우, 5등급은 재사용 가능한 부품이 90% 이상일
경우를 고려하였다. GIS의 경우 동작부의 동작 가능 책무에 도달하지 않은 경우가 많으며 기계적 부품을 복원함으로써 재사용할 수 있어 재사용 비율을
높게 평가할 수 있다. 코어 부품의 복잡성은 전력설비의 기능을 유지하기 위한 핵심 부품의 제작 난이도로 판단할 수 있다. 고전압 설비의 경우 핵심
부품이 매우 복잡하고 정교한 설계를 하고 있으며, 이러한 부품은 제작하는 데 비용과 시간이 많이 소모된다. 코어 부품의 복잡성 평가는 두 가지 관점으로
해석될 수 있다. 첫 번째는 코어 부품의 제작 난도가 높아 신품을 제작하는데 비용과 시간이 많이 들어 해당 부품을 재사용하거나 복원하여 사용하는 것이
경제적으로 유리하다는 관점이며, 다른 관점은 코어 부품의 복잡성이 높아 재제조 과정에 복잡한 공정과 고도의 기술이 필요한 경우 재제조에 소모되는 비용과
시간이 비효율적일 수 있다는 시각이다. 본 논문에서는 첫 번째 관점으로 해석하였으며 재제조 대상설비의 경우 동작이 불가능한 상태가 아니라 제조 수명에
도달했거나 근접하여 노화된 상태를 가정하여 코어 부품의 경우 복원이 가능한 것으로 상정하였다. 따라서, 제작이 복잡할수록 재제조의 경제적 타당성이
증가한다. 등급화 기준으로는 1등급이 간단한 공정으로 제작 가능한 경우이며, 5등급은 고난도 기술과 고가 장비, 고급 인력이 필요하며 긴 제작기간이
소요될 경우이다. 예를 들어, 변압기의 코어 및 권선 제작에는 전문적인 기술과 장비, 시간이 소요된다. 따라서, 변압기의 코어 부품 복잡성은 높으며
경제적 관점에서 높은 등급을 받을 수 있다. 리드 타임은 제품을 공급받아 정상 운전할 수 있기까지의 전체 소요 시간으로 정의된다. 전력설비의 경우
산업 운영에 중요한 역할을 하므로 빠른 복원이 필요한 경우가 많으며 짧은 리드 타임은 설비의 가동 중단 시간을 최소화할 수 있다. 하지만 고전압 전력설비는
생산력에 한계가 존재하기 때문에 리드 타임이 짧게는 몇 주에서 길게는 몇 년까지 소요되는 경우가 존재한다. 따라서, 신품 설비의 리드타임이 길수록
재제조의 경제적 타당성이 높게 평가된다. 등급화 기준으로는 1등급이 1개월 미만으로 즉시 제작 가능한 설비로 재제조 시간 절감 효과가 거의 없는 경우를
말하며, 5등급이 12개월 이상으로 주문 및 맞춤 제작으로 인해 제작기간이 길게 소요되는 설비로 재제조가 복구 기간을 획기적으로 줄일 수 있는 경우를
말한다. 예를 들어, 신품 변압기 제작은 계통의 용량 및 전압을 고려하여 맞춤 설비로 제작되며 일반적으로 12개월 이상 소요될 수 있으며 재제조 적용
시 계통 복구 기간을 줄일 수 있다. 마지막으로 설비의 크기 및 무게는 재제조에 드는 비용 및 시간에 큰 영향을 미친다. 무게가 몇 톤에 달하는 대형
전력설비의 경우 운반, 분해, 조립에 특수한 장비 및 물류 인프라가 필요하며 이는 재제조의 경제적 비효율성을 가져올 수 있다. 이렇듯 설비의 크기와
무게가 작업 편의성과 비용에 영향을 미치며 크기와 무게가 적절할수록 재제조의 경제적 효율성이 높아진다. 등급화 기준으로는 1등급이 매우 크고 무거운
설비로 운반 및 작업이 어려운 경우이며, 5등급이 경량 설계로 휴대 가능하여 운반과 작업이 쉬운 경우로 고려하였다. 표 4는 경제적 관점의 재제조 가능성 평가 등급을 나타낸다.
표 4 경제적 관점의 평가 등급
Table 4 Evaluation level for economic perspective
|
등급
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
재사용 비율
|
20%
이하
|
20 -
40%
|
40 -
60%
|
60-
80%
|
80%
이상
|
|
코어 부품 복잡성
|
코어 부품 없음
|
쉬움
|
보통
|
어려움
|
매우 어려움
|
|
리드 타임
|
1개월 이내
|
1 -
3개월
|
3 -
6개월
|
6 -
12개월
|
12개월 이상
|
|
크기 및 무게
|
매우 크고 무거움
|
크고 무거움
|
보통
|
작고 가벼움
|
휴대 가능
|
2.3 환경적 관점
환경적 관점에서의 재제조 가능성 평가는 대상설비의 재제조가 지속 가능한 경제를 구성하는데 미치는 영향을 평가한다. 본 논문에서는 탄소 배출 감소와
원자재 활용을 고려사항으로 적용하였다. 표 5는 환경적 관점의 고려사항을 나타낸다.
표 5 경제적 관점의 고려사항
Table 5 Considerations for environmental perspective
|
구분
|
항목
|
평가 기준
|
|
환경적 관점
|
탄소 배출 감소
|
신품 제조에 요구되는 에너지 감소량
|
|
원자재 활용
|
재사용 가능한 부품의 원자재량
|
전력설비의 신품 제조는 많은 에너지를 소비하며 그 과정에서 필연적으로 온실가스를 배출하게 된다. 반면, 재제조는 기존 부품을 복원하는 데 필요한 에너지가
신제품 제조보다 훨씬 적기 때문에 에너지를 절감할 수 있으며 탄소 배출 감소에 기여할 수 있다. 해외 문헌에 따르면 재제조는 에너지 소비를 평균 60%
절감하고 탄소 배출을 70%까지 감소시킬 수 있다[12-13]. 또한, 설비를 재제조하게 되면 기존 부품과 자재를 재사용함으로써 폐기물 발생을 최소화하고 자원 절약에 기여할 수 있다. 전력설비의 경우 대체로
철, 구리 등의 원자재로 구성되어 있으며 이를 다시 활용할 경우 원자재 채굴 및 가공 과정에서 발생하는 환경적 부담을 줄일 수 있고 지속 가능한 경제에
영향을 미친다. 탄소 배출 감소는 재제조 과정에서 신품 제작 대비 줄어드는 탄소 배출량을 평가한다. 등급화 기준으로는 1등급이 탄소 배출 감소가 10%
미만인 경우이며 5등급이 탄소 배출 감소가 70% 이상인 경우이다. 해외 재제조 업체들의 사례를 보면 GIS의 상태가 양호한 경우 부품을 재활용함으로써
신품 대비 탄소 배출을 70% 이상 줄일 수 있다고 제안하고 있다. 원자재 활용은 재제조 과정에서 기존 원자재 자원의 재사용 비율을 평가한다. 등급화
기준으로는 1등급이 원자재 활용도 10% 미만, 5등급이 원자재 활용도 90% 이상이다. 변압기의 금속 코어와 외함은 물리적 변형이 일어나지 않았다면
대부분 재활용 가능하며, 높은 등급을 받을 수 있다. 표 6은 환경적 관점의 재제조 가능성 평가 등급을 나타낸다.
표 6 환경적 관점의 평가 등급
Table 6 Evaluation level for environmental perspective
|
등급
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
탄소 배출 감소
|
10% 미만
|
10 - 30%
|
30 - 50%
|
50 - 70%
|
70% 이상
|
|
원자재 활용
|
10% 미만
|
10 - 30%
|
30 - 50%
|
50 - 70%
|
70% 이상
|
3. 전력설비 재제조 가능성 평가
앞서 설명한 세 관점의 정밀한 평가를 위해서는 평가 등급이 정량화되어야 한다. 하지만 전력설비 재제조에 관한 구체적인 데이터는 부족한 경우가 많아
정확하게 평가하기가 쉽지 않다. 특히, 전력설비는 복잡하고 다양한 형태를 가지며, 각 장비의 교체 주기나 재제조 가능성도 상황에 따라 다르다. 같은
설비라도 전압, 용량, 제조사에 따라 다양한 크기, 구조 부품을 가지는 등 개별 설비 간 특성 차이가 도드라진다. 또한, 재제조 관련 데이터는 주로
일반 산업용 제품이나 기계 부품에 집중되어 있어 전력설비와 같은 대형 설비에 대한 구체적인 데이터는 상대적으로 부족하다는 문제점이 있다. 본 논문에서는
위의 문제점으로 인해 해외 문헌 및 정성적인 평가를 통해 전력설비의 재제조 가능성을 평가하였으며 대상은 자산관리 시스템의 적용 대상인 송/배전 변압기,
개폐기 가공전선, 케이블을 선정하였다. 이 중 개폐기의 경우 신뢰성과 안정성으로 인해 주로 사용되는 GIS를 고려하였다.
3.1 전력용 변압기(Tr, Transformer)
전력용 변압기는 크게 송전용 변압기와 배전용 변압기로 구분할 수 있으며 각각의 규모와 구조에서 차이가 존재함으로 재제조 가능성에서 차이점이 나타난다.
구조는 주로 코어, 권선, 절연 시스템, 냉각 시스템, 부싱, 탭절환기와 같은 주요 구성요소로 이루어져 있으며 내부에 절연유를 채워 냉각하는 유입식
변압기가 대부분이다. 핵심 부품으로는 코어와 권선, 절연 시스템이 있으며 코어는 변압기의 가장 핵심적인 부분으로 전력 변환 과정에서 자기 회로를 형성한다.
주로 규소강(Silicon Steel) 또는 철손을 줄이기 위해 얇은 철판을 적층하여 구성된 라미네이트 구조가 사용되며 철판 사이에 절연처리를 하게
된다. 권선은 변압기의 전력을 자속으로 변환하는 역할 한다. 주로 구리(Copper)나 알루미늄(Aluminum)으로 만들어지며 고압 및 전압 권선으로
나뉘는 1차, 2차 권선으로 구성된다. 고압 권선은 높은 전압을 처리할 수 있도록 설계되며 높은 레벨의 절연이 필요하고 저압 권선의 경우 상대적으로
낮은 전압을 견디며 두꺼운 권선을 사용하여 전류 용량을 키운다. 전력용 변압기의 절연 시스템은 일반적으로 절연유, 절연지, 프레스보드로 구성된다.
절연유는 열을 분산시키고 전기전 절연을 제공하며 절연지 및 프레스 보드는 권선과 코어 간의 절연을 제공한다. 코어와 권선은 크고 복잡한 형태를 가지며
제조 기간이 길고 변압기 비용 및 원자재의 70%를 차지하고 있어 기능적 테스트를 통해 상태를 평가하고 복원한다면 재제조의 경제적 이점을 살릴 수
있다. 하지만 열화로 인해 내부 절연 관련 요소들의 교체 및 정밀한 검사/테스트가 필요하며 절연유 배출, 권선 및 코어 분리, 부싱 및 냉각 시스템
교체, 절연유 수분 제거, 코어 및 권선 재조립 등 기술적인 난도가 높아 기술적 관점에서 재제조 가능성이 작을 수 있다. 하지만 배전용 변압기의 경우
송전용 변압기에 비해 구조가 단순하며 소형 및 경량화된 설계를 가지므로 기술적인 관점에서의 재제조 가능성을 확보할 수 있다.
3.2 가스절연개폐기(GIS, Gas Insulated Switchgear)
GIS는 고전압 전력 시스템에서 사용되는 개폐기로 SF6(Sulfur Hexafluoride) 가스를 절연 매체로 사용하며 기존의 공기 절연 개폐장치에
비해 컴팩트하고 신뢰성이 높아 발전소, 변전소, 부하 밀집 구역 등에 널리 사용된다. 주요 구성요소로는 차단기, 단로기, SF6가스 및 챔버, 계기용
변압기, 버스바, 부싱, 접지 스위치 등이 있다. 차단기는 GIS의 핵심 부품 중 하나로 전류를 안전하게 차단하거나 통전하는 역할을 하며 차단기 내부의
접촉부는 개폐 메커니즘으로 인해 마모되기 쉬우며 재제조 과정 중 이를 수리하거나 교체하여야 한다. 부싱은 GIS 내부의 고전압 회로와 외부를 연결하는
절연 부품으로 열과 전기적 스트레스에 노출되어 열화가 진행되며 재제조 과정에서 절연 성능과 물리적 강도를 평가하여 전기적 특성을 유지하는 것이 필요하다.
SF6가스 및 챔버의 경우 GIS의 절연 및 소호 기능을 담당하므로 가스의 순도를 유지하고 가스 밀폐 정도를 체크하여야 한다. 버스바는 GIS 내부에서
전류를 전달하는 도체로 전기적인 열화가 진행될 수 있어 접속부와 도체의 열화 상태를 복원하는 것이 중요하다. GIS는 내부 구조가 매우 복잡하며 정밀한
부품으로 이루어져 있어, 분해 및 재조립 과정에서 고도의 기술과 정밀한 장비가 필요하다. 특히, SF6가스를 회수 및 재충전하는 과정에서 특수한 장비와
전문 인력이 필수적이다. 하지만 기계적인 파트와 전기적인 파트가 혼합되어 있으며 파트별 모듈화가 되어 있어 분해하여 운송하기 쉽고 부품의 재사용 비율이
높아 경제적 관점에서 재제조 가능성을 확보할 수 있다.
3.3 가공전선(OHL, Over Head Line)
가공전선은 전력 전송을 위해 사용되는 전선으로 철탑이나 기둥을 통해 연결된다. 일반적으로 공중에 설치되기 때문에 공기 절연을 사용하며 설치 비용이
상대적으로 저렴하고 유지보수가 용이하여 널리 사용된다. 주요 구성요소로는 도체(Conductor), 절연체(Insulator), 스페이서 등의 금구류로
구성된다. 도체는 주로 알루미늄이나 구리로 제작되며 일반적으로 강심 알루미늄 연선(ACSR, Aluminum Conductor Steel Reinforced)이
사용된다. 여기서 알루미늄은 도체로, 강선은 내구성과 강도를 보강하는 역할을 한다. ACSR의 재제조는 알루미늄 도체 및 강선의 재사용이 주를 이룬다.
알루미늄의 경우 재성형이 쉬워 비교적 쉽게 재활용할 수 있으나 에너지 소모가 신품 제조에 비해 5% 정도만 감소하며 도체의 특성을 유지하기 위해서는
고도의 정제 과정이 필요하다는 단점이 있다. 강선의 경우 부식과 기계적 강도를 점검하는 것이 필수적이며 세척 및 재도금을 통해 재사용하지만, 노후화로
인해 심하게 부식된 강선은 교체를 진행해야 한다. 또한, ACSR의 경우 신품의 리드 타임이 짧아 경제적 재제조 가능성이 작을 수 있다.
3.4 케이블(Cable)
케이블은 지중에서 전력을 전송하는 데 주로 사용되며 주요 구성요소로는 도체, 절연층, 내장재 및 충전재, 차폐층, 외피 등으로 구성되어 있다. 전력
케이블 재제조의 핵심은 도체의 재사용 정도이다. 구리나 알루미늄 도체는 재활용할 수 있지만 전력 케이블의 절연층과 차폐층은 시간이 지남에 따라 열화가
진행되며 일반적으로 분해 후 복원할 수 없는 경우가 많아 새롭게 코팅이 필요하다. 따라서, 전력용 케이블의 경우 각 구성요소를 분해 및 재조립하기
어려워 기술적 관점에서 재제조 가능성이 작으며 도체만을 새로 성형하여 사용할 수 있으므로 경제적 관점에서도 재제조 가능성 확보가 어렵다고 판단할 수
있다.
3.5 전력설비 재제조 가능성 평가 결과 분석
앞서 분석한 전력설비의 특성을 바탕으로 재제조 가능성 지수를 평가하였다. 표 7은 전력설비 5종의 재제조 가능성 평가 결과를 나타낸다. 평가 결과를 살펴보면 송전 변압기의 경우 분해 및 재조립 과정이 어렵고 특수 세척과 테스트가
필요하므로 기술적 관점에서의 평가 점수는 낮지만 코어와 권선을 재사용함으로써 생기는 경제적 및 환경적 이점이 높은 것으로 나타났다. 배전용 변압기의
경우 송전용 변압기와 비교했을 때 비교적 간단한 구조를 가지고 있어 기술적 관점에서의 평가 점수가 높은 것을 확인하였다.
표 7 전력설비 재제조 가능성 평가 결과
Table 7 Results of power equipment remanufacturability
|
|
항목
|
송전 변압기
|
배전 변압기
|
GIS
|
가공
전선
|
케이블
|
|
기술적 관점
|
분해성
|
1
|
3
|
3
|
3
|
2
|
|
재조립성
|
1
|
3
|
3
|
2
|
1
|
|
검사 및 테스트
|
1
|
2
|
2
|
3
|
2
|
|
세척
|
1
|
1
|
1
|
3
|
1
|
|
소계
|
4
|
9
|
9
|
11
|
6
|
|
경제적 관점
|
재사용 비율
|
2
|
2
|
4
|
3
|
1
|
|
코어 부품 복잡성
|
5
|
4
|
3
|
1
|
2
|
|
리드 타임
|
5
|
3
|
4
|
1
|
2
|
|
크기 및 무게
|
1
|
3
|
3
|
3
|
2
|
|
소계
|
13
|
12
|
14
|
8
|
7
|
|
환경적 관점
|
탄소 배출 감소
|
4
|
2
|
3
|
1
|
1
|
|
원자재 활용
|
5
|
5
|
4
|
4
|
2
|
|
소계
|
9
|
7
|
7
|
5
|
3
|
GIS는 구조가 복잡하지만, 모듈형으로써 분해 및 조립, 운송이 간편하고 재사용 비율이 높아 기술적, 경제적 관점에서 높은 점수가 책정되었다. 가공전선의
경우 구조가 간단하여 기술적 재제조 가능성은 크지만, 도체의 활용 정도나 재성형에 있어 강선의 재활용 등 경제적, 환경적 평가에서 낮은 등급이 책정되었다.
케이블의 경우 전체 구조에서 도체만을 재활용할 수 있으며 나머지 구성요소를 교체해야 한다는 점에서 낮은 등급이 책정되었다.
위에서 평가한 등급을 바탕으로 재제조 가능성 지수를 산출하기 위한 방식이 필요하다. 이러한 방식의 종류에는 가중 합 방식(Weighted sum method),
계층적 의사결정법(AHP, Analytic Hierarchy Process), 연관 관계 분석을 통한 그래프 이론(Graph Theory) 등이 있다.
본 논문에서는 각 관점의 평가 항목이 비교적 간단하여 관점별 연관성을 고려하기 위해 점수를 곱하는 방식으로 지수를 산출하였다. 식 (1)은 산출 방식을 표현하고 있다.
여기서, RI는 전력설비 재제조 가능성 지수이며 T, C, E는 각각 기술적, 경제적, 환경적 관점에서의 평가 등급을 나타낸다. 표 8은 전력설비 재제조 가능성 지수 산출 결과를 나타낸다.
전력설비 재제조 가능성 지수 산출 결과를 살펴보면 GIS가 가장 높게 나타났으며 배전 변압기, 송전 변압기, 가공전선, 케이블 순으로 나타났다.
표 8 전력설비 재제조 가능성 지수
Table 8 Remanufacturability index of power equipment
|
|
기술적
|
경제적
|
환경적
|
재제조 가능성 지수
|
|
송전 변압기
|
4
|
13
|
9
|
468
|
|
배전 변압기
|
9
|
12
|
7
|
756
|
|
GIS
|
9
|
14
|
7
|
882
|
|
가공전선
|
11
|
8
|
5
|
440
|
|
케이블
|
6
|
7
|
3
|
126
|
4. 결 론
본 논문에서는 기계시스템의 재제조 가능성 지수를 확장하여 전기 시스템이 결합된 전력설비의 재제조 가능성 지수 평가 방안을 제안하였다. 제안된 방식의
목적은 전력설비의 재제조 타당성 평가 및 대상설비 선정이다. 전력설비 재제조 가능성 지수는 기술적, 경제적, 환경적 관점에서 평가하였으며 총 10개의
하위 항목으로 등급을 선정하여 점수화하였다. 그 결과 GIS가 재제조 가능성 지수가 가장 높게 나타났으며, 이는 기계적인 파트와 전기적인 파트가 혼합되어
있고 모듈화가 되어 있어 분해 및 조립, 운송이 쉬우며 재사용 부품의 비율이 높기 때문으로 해석할 수 있다. 송전용 변압기의 경우 경제적, 환경적
이점은 크지만, 핵심 부품의 분리 및 재조립이 어려우며 특수 세척과 테스트가 필요하여 기술적 관점에서의 재제조 가능성이 적은 것으로 나타났다. 배전용
변압기의 경우 송전용 변압기와 비교했을 때 비교적 간단한 구조로 분해, 조립, 운송 난도가 낮아 재제조 가능성 지수가 높게 나타났다.
재제조 기술은 신제품 제조와 비교하여 비용 절감 측면에서 매우 경제적이며, 원자재 가격 상승과 탄소 배출 저감 측면에서 큰 장점을 제공한다. 하지만
전력설비 재제조에 관한 연구 및 데이터가 현저히 부족한 실정으로 기술적 난이도를 극복하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료 된다. 재제조 과정에서의
기술적 난이도는 분해, 재조립, 검사 및 테스트 과정에서 주요 이슈로 나타난다. 용접된 부품이 많은 설비(ex. 변압기)에서는 추가적인 장비와 작업
시간이 요구되며, 심각한 경우 부품 훼손으로 인해 재제조가 불가능할 수 있다. 이를 개선하기 위해 해외의 연구에서는 재제조가 쉽도록 구조를 변경하여
설계하는 연구 사례가 발표되고 있다. 또한, 재제조 설비의 신뢰성 확보를 위해서는 부품별 상태 평가 기술이 필수적이다. 상태 평가는 부품의 물리적
상태와 전기적 특성을 분석하여 설비의 기능적 서비스 가능성을 평가하는 방식으로 진행되며, 이를 위해 비파괴 검사 등과 같은 정밀 테스트가 필요로 한다.
이러한 과정은 재제조 설비 품질의 일관성을 확보하는 데 필수적이다. 하지만 기계적 특성과 전기적 특성이 복합적으로 이루어져 있는 전력설비의 경우 절연체의
상태 평가, 열화 정도 등 상태 평가의 기술적 난도가 높은 편이다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 재제조 상태 평가에 관한 연구가 진행되고 있으며
전력설비 재제조 프로세스가 활성화됨에 따라 표준화된 검사 및 테스트 절차를 도입하고, 기술 교육 프로그램과 자동화 시스템을 활용함으로써 기술적 난도를
낮추고 신뢰성을 보장할 수 있을 것으로 생각된다.
Acknowledgements
본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역 혁신 사업의 결과입니다. (2021RIS-002)
본 연구는 한국전력공사의 2022년 착수 사외공모 기초 연구 사업에 의해 지원되었음(과제번호 : R22XO02-20)
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저자소개
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is currently
Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea
since 2021. His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion
device design.
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is currently
Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea
since 2018. His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion
device design.
He received B.S. in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea,
in 2017. He Has M.S. degree in Electrical Engineering from the Mokpo National University
of Korea, in 2020. He is currently a Ph.D. course in Electrical Engineering from the
Mokpo National University of Korea.
He received B.S. in 2019 and M.S. in 2021 at Mokpo National University. He is currently
a Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University of Korea.
His primary work is in the areas of Power grid connection and Power Conversion device
design.
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is
currently Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University
of Korea since 2022. His primary work is in the areas of Power grid connection and
Asset Management.
He received a B.S. and M.S. from Mokpo National University of Korea and he is
currently Ph.D. course in Electrical Engineering from the Mokpo National University
of Korea since 2022. His primary work is in the areas of Power grid connection and
Asset Management.