모든 것의 전기화를 향하여

우리 사회는 화석 연료에서 재생 가능한 에너지 원으로 전환하려는 더 큰 목표의 일환으로 모든 것을 전기화하려는 집중적인 노력을 목격하고 있습니다. 전기화에는 배터리로 구동되는 차량부터 가스레인지를 전기로 대체하는 것까지 포함되며, 인프라 및 스마트 그리드 기술의 업데이트로 지원됩니다. 특히 주목할 만한 것은 높은 효율의 스위칭을 가능하게 하는 탄화 규소(SiC) 기반 트랜지스터 와 스마트 에너지 그리드를 가능하게 하는 측정 장치와 같은 기기들입니다.

광범위하게 말하자면, 모든 것의 전기화는 수십 년 전에 환경 문제보다는 본질적인 이점 때문에 시작되었습니다. 예를 들어 잔디 관리는 과거에는 기본적으로 가스로 작동하거나 사람이 직접 힘을 들여 실행해야 했던 작업이었습니다. 오늘날 소비자들은 가스를 채울 필요가 없고 내연 방식보다 훨씬 조용한 전기 잔디 깎는 기계를 구입할 수 있습니다. 이와 동일한 기술 덕분에 플러그를 꽂지 않아도 되는 전동 공구를 사용할 수 있으며, 심지어 잔디를 자동으로 관리해주는 보다 진보된 로봇 잔디 깎는 기계까지 사용할 수 있습니다.

스마트폰의 경우, 모든 것의 전기화가 모든 것은 아니더라도 많은 것을 통합할 수 있게 한다고 할 수 있습니다. 이 올인원 패키지는 스틸 카메라, 비디오 녹화기, 계산기, GPS 로케이터, 그리고 세상이 본 적 없는 도서관을 포함합니다. 스마트폰과 일반적으로 소형화된 컴퓨팅은 우리의 전기화된 삶의 거의 모든 측면에 영향을 미칩니다.

전기화가 영향을 확장할 것으로 예상되는 다음 영역들을 고려해 보십시오:

오늘날 미국 도로에는 약 4백만 대의 전기차(EV)가 있으며, 그 수는 2030년까지 3,300만 대에 이를 것으로 예상됩니다. 또한 전기 자전거(e-bike)의 광범위한 보급도 목격하고 있으며, 이는 많은 경우에서 효율적인 개인 교통 수단을 제공합니다. 미국 에너지정보청(EIA)은 2022년 기준으로 미국 1차 에너지 소비의 27%가 교통을 위해 사용되었다고 보고하고 있습니다. 이 분야에서의 추가적인 전기화는 화석 연료 소비에서 주요한 변화를 나타낼 수 있습니다.

대중교통 부문에서도 전기화가 진행되는 모습을 볼 수 있습니다. 전동 버스에서부터 전기로 운행되는 고속열차까지 다양합니다. 이는 전기 자전거의 확산과 함께 교통 체증을 완화하고 전통적인 자동차보다 1마일당 개인당 소비 전력을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 전기화와 관련된 현재의 성과 중 하나로, 원격 근무의 증가는 직접 "그곳에" 있을 필요성을 감소시킵니다. 이는 엄밀히 말해 "전기화된 교통"으로 분류되지는 않을 수 있지만, 개인 이동의 필요성을 크게 줄여 동일한 효과를 제공합니다.

건물 관리는 향후 몇 년 안에 더욱 전기화될 것으로 예상되며, 특히 건물 난방에서 두드러질 것입니다. 전통적으로 열은 현장에서 화석 연료를 태워 직간접적으로 한 지역을 데우는 형태로 발생합니다. 이는 굴뚝과 벽난로, 천연가스로 가동되는 주택 난방 시스템, 또는 스팀을 사용하는 건물 전체 라디에이터 시스템일 수 있습니다.

전기 열 입력은 효율적인 대안입니다. 기본적인 전기 가열 과정은 저항기에 전기를 가해 초과 에너지를 열로 방출하는 것입니다. 일반적으로 비효율적이고 성가신 것으로 여겨지는 현상(냉각이 필요한 컴퓨터와 같은 전자 장치의 열)이 원하는 결과로 나타납니다. 동시에 전기를 직접적인 저항 가열에 사용하는 것은 일반적으로 가스 또는 기타 화석 연료를 태우는 것보다 비용이 더 많이 듭니다.

여기에서 자세히 설명된 것처럼, 더 효율적인 전기 난방 옵션은 대신 히트 펌프를 사용하는 것입니다. 이는 압축 사이클을 통해 간접적으로 열을 집으로 전달하며 에어컨과 반대 방식으로 작동합니다. 이 난방 방법은 극도로 낮은 실외 온도에는 이상적이지 않지만, 대부분의 기후에서 건물 난방에 잘 작동할 수 있습니다.

물론, 온도 관리는 건물을 최적의 상태로 유지하는 유일한 측면이 아닙니다. 화재 및 보안 시스템도 중요하며, 전반적인 유지 관리는 기계 학습 및 예측 기술을 통해 지원될 수 있습니다. 사용자 인터페이스 기능은 일반적으로 표준 컴퓨터나 스마트폰에서 액세스할 수 있으며, 전용 터미널을 사용하는 대신 다목적 장치를 활용하여 효율성을 극대화합니다.

산업 난방은 건물 관리 시나리오와 마찬가지로 전기화가 동일한 근본적인 문제에 직면하는 주목할 만한 적용 분야입니다. 가스 버너를 전기 난방 요소로 효율적으로 교체할 수 있는 레트로핏 키트와 같이 산업을 겨냥한 새로운 기술들이 개발되고 있습니다. 화석 연료에서 전기 난방으로 전환하는 것과 함께, 기존 난방 시스템을 더 효율적으로 만들어 일부 에너지 수요를 완화하려는 노력도 진행 중입니다.

난방을 넘어 산업체는 압축 공기 사용을 줄이거나 비효율적인 백열 전구를 LED 조명으로 교체하는 것과 같은 다른 공정 에너지 비효율성을 검토할 수 있습니다. 이러한 프로젝트는 즉각적이고 쉽게 측정 가능한 투자 수익을 제공하며, 이는 기업 차원과 전반적인 환경 측면에서 모두 윈윈이 될 수 있습니다.

모든 것의 전기화가 고귀한 목표처럼 보이지만, 여기서 주목해야 할 점은 현재 우리의 인프라가 오늘날의 요구에 맞춰져 있다는 사실입니다. 추가적인 전기화는 전력 수요 증가를 의미하며 공급의 견고성과 유연성을 필요로 합니다. 혁신적인 개념 중 하나는 재생 가능한 자원과 그리드 저장 시설을 통합하고 신중하게 관리하여 다양한 전력원을 적절히 활용하는 “가상 발전소”입니다. 이 개념은 스마트 에너지 그리드 개념이 최적으로 작동하기 위해 양방향 미터링과 정교한 제어 구조와 같은 역량을 필요로 합니다.

스마트 그리드 구성 요소인 탄화규소 기반 트랜지스터, 고품질 IGBT, 그리고 보다 전통적인 실리콘 MOSFET은 에너지 원과 소비자 간의 에너지 손실을 최소화하며 전력 관리를 가능하게 합니다(상황에 따라 역할이 바뀔 수도 있습니다). 전류 감지 기술 은 스마트 전력 그리드에서 자원을 통해 전기를 공급하거나 소비해야 할 시점을 파악하고 이 변동적인 상황에 대해 청구하는 방식을 결정하는 데 중요합니다.

공정 가열은 명백히 전원을 필요로 하는 작업이지만, 많은 전기화된 "기기"들은 휴대 가능하며, 따라서 자체적으로 포함된 전원 공급 장치(배터리)가 필요합니다. 비교적 최근의 배터리 기술 발전, 특히 리튬 이온(Li-ion) 및 리튬 폴리머(Li-Po) 기술 덕분에 전기자동차와 스마트폰과 같은 휴대용 기기가 가능해졌습니다.

휴대용 장치 관점에서 Li-Po/Li-ion 배터리 기술의 추가 발전과 더불어 더 많은 셀 생산을 가능하게 하는 관련 제조 인프라의 개발을 기대하십시오. 동시에 현재 배터리 기술에는 한계가 있습니다. 가까운 미래에 근본적으로 새로운 배터리 패러다임이 대두될 가능성도 있습니다. 여기에서 탐구된 것처럼, 연구자들은 전기 에너지 저장을 위해 그래핀을 실험하고 있으며, 이는 현재 가능 수준보다 훨씬 더 빠른 전기 충전 및 방전 사이클을 가능하게 할 수 있습니다.

전기화의 속도와 방법론은 아직 열린 질문입니다. 어떤 엄청난 예기치 못한 상황이 없으면, 전기화의 추세는 확실히 더 진행될 것입니다. IoT 기기를 통한 엣지 및 클라우드의 더 높은 컴퓨팅 파워는 SiC 및 기타 관련 기술의 발전과 함께 인프라 관점에서 이를 더욱 추진할 것입니다.

그러나 다가오는 몇 십 년 동안 전동화가 어떻게 진행되든, 그것은 스마트폰의 확산처럼 의식적인 고려 없이 지나칠 수 있습니다. 어느 순간에 이 전기 자동차, 전기 자전거, 그리고 다른 새로운 전동 기술들이 우리에게 다가와 암묵적으로 받아들여지고 (바라건대) 우리의 세상을 더 나은 곳으로 만들어 줄 것입니다. 한편, 이러한 기술을 실현 가능하게 하고, 더욱 전동화된 세상을 구동할 스마트 그리드 인프라 업그레이드를 구현하려면 더 많은 작업이 필요합니다.