고체 변압기: 전력망 전력화의 미래인가?

우리가 경제와 산업을 장악하는 전기화 과정을 이야기할 때, 주로 전기차, 배터리, 급속 충전기, 재생 에너지 등을 떠올립니다.

하지만 결국 이러한 모든 신기술은 발전소와 태양광 발전소에서 생산되는 고출력 전기를 자동차, 가정, 데이터 센터, 산업 시설 등에서 사용되는 수준으로 변환하는 기본적인 방식에 여전히 의존하고 있습니다.

현대 변압기의 핵심 설계는 19세기 후반으로 거슬러 올라갑니다. 초기 상업용 모델은 윌리엄 스탠리 주니어가 개발했으며, 이후 웨스팅하우스와 니콜라 테슬라의 주도로 교류 전력 시스템이 확장되면서 더욱 발전했습니다. 철심과 구리 권선을 이용한 전자기 유도라는 기본 원리는 1세기 넘게 크게 변하지 않았습니다.

이 설계는 변압기의 유일한 역할이 전력망에서 표준화된 전류를 비교적 안정적이고 예측 가능한 조건에서 적절한 수준으로 변환하는 것이었던 시절에는 충분히 적합했습니다.

하지만 이제 전력망과 발전이 더욱 분산되고, 전력 품질에 대한 요구가 더욱 엄격해짐에 따라, 이것만으로는 충분하지 않습니다.

다행히 반도체 산업의 소재 기술 발전으로 새로운 유형의 변압기인 고체 변압기의 가능성이 열리고 있습니다.

100년 역사의 전력망: 전통적인 변압기의 작동 원리

기존 변압기의 기술적 기초

앞서 설명했듯이 변압기는 특정 전압의 전류를 입력받아 더 낮거나 더 높은 전압으로 변환하는 장치입니다. 일반적인 변압기의 용량과 전류 변환량은 철심 주위에 감긴 구리 또는 알루미늄 코일의 개수에 따라 결정됩니다. 차단기, 부싱, 퓨즈 등의 추가 부품은 변압기가 안전하게 작동하도록 도와줍니다.

융통성이 없고 부피가 크지만, 이 기계들은 매우 내구성이 뛰어나 수십 년, 심지어 한 세기 동안 사용할 수 있습니다. 또한 이는 큰 사업 분야이기도 합니다. 2025년 시장 규모는 69억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 또한 2034년까지 연평균 7.97% 성장하여 135.9억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

하지만 오늘날 생산되는 변압기는 1900년대에 처음 발명된 초기 기술을 사용하는 비교적 조잡한 장치입니다. 교통, 연결성 및 기타 현대적 응용 분야에서 전기에 대한 의존도가 점점 높아짐에 따라 이는 문제가 될 수 있으며, 특히 전력망이 더 이상 소수의 대규모 발전소에만 의존하는 것이 아니라 간헐적이고 분산된 재생 에너지원에 의해 운영되는 상황에서는 더욱 그렇습니다.

"구식 강철, 구리, 기름 변압기는 모니터링이나 제어 기능이 전혀 없습니다. 전력 서지가 발생하거나 발전소 가동이 중단되는 경우, 이는 위험 요소가 될 수 있습니다."

- 드류 바글리노 - 고체 변압기 회사 헤론 파워의 창립자 겸 CEO

고체 변압기(SST)의 작동 원리

이러한 우려를 염두에 두고 엔지니어들은 변압기를 재창조하려고 노력하고 있습니다. 구리와 철 대신, 그들은 전기 자동차와 반도체에 사용되는 탄화규소와 질화갈륨과 같은 신소재에 주목했습니다.

설계상의 또 다른 근본적인 차이점은 고체 변압기(SST)가 하나의 거대한 철 및 구리 블록으로 만들어지는 것이 아니라, 여러 개의 작은 모듈을 조립하여 만들어진다는 점입니다. 결과적으로 용량을 쉽게 변경할 수 있고, 고장 발생 시 해당 부품을 손쉽게 교체할 수 있습니다.

SST는 기존 변압기와 몇 가지 핵심적인 기술적 차이점이 있습니다.

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전 세계 변압기 공급 부족 문제 해결

기존 변압기의 또 다른 문제점은 최근 들어 구하기가 매우 어렵다는 점입니다.

전력화와 수 기가와트급 데이터 센터 건설로 인해 전력망 용량에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 미국 전력 회사들은 전력망을 유지하고 더 나아가 개선하는 데 필요한 변압기를 충분히 확보하기 위해 분주히 움직이고 있습니다.

핵심 요인 중 하나는 전력망이 노후화되고 있다는 점이며, 변압기처럼 견고한 장치조차도 50~70년마다 교체가 필요할 수 있다는 것입니다. 미국 배전 변압기의 절반 이상, 약 40천만 대가 이러한 상황에 처해 있습니다. 이미 예상 수명을 초과했습니다..

원자재 가격, 특히 구리 가격 상승과 맞물려 변압기 가격은 2019년 이후 종류에 따라 45%에서 95%까지 상승했습니다.

"전력 반도체는 계속해서 가격이 저렴해지고 있습니다. 하지만 철강, 구리, 석유는 안타깝게도 그런 상황이 아닙니다. 원자재 가격은 변동성이 크지만, 일반적으로는 상승하는 경향이 있습니다."

- 드류 바글리노 - 고체 변압기 회사 헤론 파워의 창립자 겸 CEO

비용을 증가시키는 또 다른 요인은 외국산 철강 및 기타 금속에 ​​대한 관세인데, 변압기에 필요한 품질의 재료를 제공하는 중국이나 브라질과 같은 국가의 경우 관세가 50% 이상에 달하는 경우가 많습니다.

마지막으로, 변압기 공급을 늘리기 위한 투자가 충분하지 않았으며, 많은 기업들이 2000년대 초반에 문을 닫았는데, 이는 부분적으로 전력 회사들의 전력망 투자 부족 때문이었습니다. 따라서 현재 변압기 공급망에는 다음과 같은 문제가 있습니다. 특수 등급의 강철(전기강판)이 필요합니다.충분한 양이 확보되지 않고 있습니다.

하지만 고체 변압기는 필요한 추가 전력 공급을 제공할 수 있지만, 새로운 변압기의 비용 문제를 즉시 해결하지는 못할 것입니다. 현재로서는 고체 변압기가 기존 변압기보다 5~10배 더 비싸기 때문입니다.

SST 응용 분야: 고체 변압기가 강점을 발휘하는 곳

AI 데이터 센터 및 고출력 인프라

이러한 모든 점을 종합해 보면, 구형 변압기와 고체 변압기 사이의 용량 차이는 변압기의 사용 방식을 완전히 바꿔놓습니다.

이 장치들은 현재 사용되는 다양한 전원 공급 장치의 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 전력 레벨을 안정화하고, 교류를 직류로(또는 그 반대로) 변환하고, 전력망과 배터리에 연결하는 등의 작업을 할 수 있습니다.

이러한 특징 덕분에 SST는 일반 전력 사용자보다 훨씬 복잡한 전력 공급 문제를 해결해야 하는 데이터 센터에 매우 매력적인 선택지가 되었습니다. 예를 들어, SST를 사용하면 무정전 전원 공급 장치(UPS)와 국가 전력망 연결, 배터리 저장 시설, 지역 재생 에너지 생산(자가 발전) 등 여러 가지 요소를 한 번에 해결할 수 있습니다.

더욱 컴팩트한 SST는 데이터 센터에서 공간을 크게 절약해 주어 더 많은 컴퓨팅 랙이나 냉각 시스템과 같은 지원 시스템을 위한 공간을 확보해 줍니다. 따라서 추가 비용은 데이터 센터와 같이 단순한 기존 변압기로는 감당할 수 없는 훨씬 더 많은 용량이 필요한 특수한 경우에 추가적인 비용 절감으로 이어집니다.

"우리가 빼낸 모든 것의 비용을 합산해 보면, 우리는 그 비용의 60%에서 70% 정도를 부담한 셈입니다."

DG Matrix의 공동 창립자 겸 CEO인 하룬 이남은 테크크런치와의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다.

현재까지는 데이터 센터가 이 신기술의 첫 번째 고객이 되었는데, 유연성과 소형화라는 장점 때문입니다. 또한, 이 기술 덕분에 새로운 변압기 설치 대기 시간을 줄일 수 있습니다. 마지막으로, 지금까지는 상당한 추가 투자가 필요했던 전력 안정성을 제공합니다. 예를 들어, 헤론 링크(Heron Link)의 변압기는 백업 전원이 가동되는 동안 컴퓨팅 랙에 최대 30초 동안 전력을 공급할 수 있습니다.

재생에너지 및 전력망 에너지 저장

대부분의 발전 시스템은 초기에 석탄, 가스 또는 수력 발전소에서 터빈을 회전시켜 생산했던 교류(AC)를 기준으로 설계되었습니다. 그러나 주요 에너지원으로 성장하고 있는 태양광 발전은 자연적으로 직류(DC)를 생산하기 때문에 전력망으로 보내기 전에 인버터를 통해 직류로 변환해야 합니다.

배터리도 마찬가지입니다. 배터리는 교류(AC) 전력망에 연결될 수 있지만 입력과 출력 모두 직류(DC)가 필요합니다.

결과적으로 인버터와 변압기 두 가지 역할을 모두 수행할 수 있는 고체 변압기는 두 개의 표준 시스템을 각각 구매하는 것과 같은 가격이 될 수 있습니다.

전기차 충전 및 양방향 지원

공간과 시설의 전체적인 규모는 전기차 충전소 설치에 제약 요인이 될 수 있습니다. 이러한 점에서 SST의 높은 밀도는 경쟁 우위로 작용할 수 있습니다.

배터리 파크와 마찬가지로, 이들도 전압을 변경할 수 있는 능력과 AC-DC 인버터 역할을 수행하는 능력으로부터 이점을 얻을 것입니다.

마지막으로, 충전소에 고체 변압기를 사용하면 동일한 장치가 전력망에서 전력을 끌어오거나 전력망에 에너지를 공급하는 역할을 번갈아 수행할 수 있으므로 충전소를 추가적인 에너지 저장 장치로 활용할 수 있습니다.

현재로서는 전기차 운전자들이 "이동식 배터리" 역할을 하는 데 큰 관심을 보일 가능성은 낮습니다. 하지만 미래에는 자율주행 차량들이 중요한 순간에 자체 저장 용량을 "임대"하고, 충전소와 스마트 태양열 발전기(SST)를 활용하여 전력 수요가 높은 시간대에 에너지를 전력망에 다시 공급함으로써 수익성을 높일 수 있을 것입니다.

이러한 추세는 전기차 배터리 팩의 내구성이 점점 더 향상되고, 잦은 충방전 주기에도 성능 저하가 거의 또는 전혀 발생하지 않게 됨에 따라 더욱 보편화될 것입니다.

스마트 전력망의 미래

현재로서는 SST(태양열 발전기)는 너무 비싸고 새로운 기술이라서 전력 회사들이 자사의 전력망에 통합하기에는 어려움이 있었습니다.

하지만 장기적으로 볼 때, 이러한 기술들은 전력망 관리 방식에 근본적인 변화를 가져올 수 있습니다. 특히, 전기 요금 인상의 가장 큰 원인 중 하나인 송전 및 배전 비용을 절감하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.

이는 고체 변압기가 변화하는 환경에 반응할 수 있기 때문에 전력망 운영자가 동일한 송전선을 통해 더 많은 전력을 보낼 수 있게 해주고, 전력 소비가 증가함에도 불구하고 새로운 송전선 건설의 필요성을 줄여주기 때문입니다.

"실제로 동일한 전봇대와 전선에 더 많은 킬로와트시를 공급할 수 있기 때문에 인프라 비용을 더 저렴하게 만들 수 있습니다. 100년 전에 설계된 수동적인 기계 장치 대신 지능형 시스템을 도입하면 바로 이러한 차이를 만들어낼 수 있습니다."

- 드류 바글리노 - 고체 변압기 회사 헤론 파워의 창립자 겸 CEO

주목할 점은 실리콘 카바이드와 같은 전력 응용 분야용 반도체가 전기차 붐 덕분에 불과 10년도 채 되지 않아 대량 생산되기 시작했다는 것입니다. 따라서 더욱 효율적인 제조 방식이 개발되고 업계가 규모의 경제를 통합함에 따라 이러한 제품의 가격이 점차 낮아지는 것은 당연한 결과입니다.

이는 전력 회사들이 대규모로 고체 변압기를 설치하기 시작하는 데 필요한 단계가 될 가능성이 높으며, 그 결과 두 번째 규모의 경제 효과가 발생할 것입니다.

고체 변압기 시장 결론

고체 변압기는 아직 매우 새로운 기술로, 대중 시장에 처음으로 적용될 분야를 찾고 있습니다. 데이터 센터에서 서서히 그 가능성을 보여주고 있으며, 태양광 발전소에서도 점차 활용도가 높아지고 있습니다.

다음 단계는 생산 규모를 확대하고 실제 운영 환경에서 이 변압기 설계가 기존의 전통적인 설계보다 더 효율적이고, 더 신뢰할 수 있으며, 궁극적으로 더 저렴할 수 있음을 입증하는 것입니다.

몇몇 스타트업들이 SST 도입을 추진해 왔는데, 그중에는 다음과 같은 기업들이 포함됩니다. 헤론 파워테슬라의 전 임원이 설립한 회사입니다. DG 매트릭스데이터 센터에 초점을 맞추고 있으며 암페레샌드싱가포르에 본사를 두고 있지만 미국에서도 서비스를 제공할 수 있습니다.

이러한 신생 기업들이 시장을 장악할지, 아니면 기존 전기 산업의 거대 기업들이 장악할지는 두고 봐야 할 문제이며, 투자자들은 이러한 기술 변화에 대한 기존 변압기 회사들의 반응을 핵심 관전 포인트로 삼아야 할 것입니다.

고체 변압기 투자: 이튼(ETN)

이튼은 전기 장비 분야의 거대 공급업체로, 미국 내 전력 변환 장비, 저전압 및 중전압 전기 장비, 항공우주 유압 장치 및 연료 펌프 분야에서 1위를 차지하고 있습니다.

이 회사는 2025년에 240억 달러의 매출을 올릴 것으로 예상되며, 유기적 매출 성장률은 8%에 달할 것으로 전망됩니다. 미주 지역이 회사에서 가장 큰 비중을 차지하며, 최근 데이터 센터가 최대 고객 부문(전체 매출의 거의 4분의 1)으로 부상했습니다.

이로써 회사는 전력화, 데이터 센터 건설, 재산업화(특히 반도체 공장), 재생 에너지 구축 등의 추세에서 큰 이점을 얻을 수 있는 최적의 위치에 놓이게 되었으며, 회사의 명시된 목표는 다음과 같습니다.

“우리는 세계 최고의 전력 관리 회사가 될 것입니다.”

이러한 목표를 달성하기 위해 회사는 1억 달러를 투자하여 생산 능력을 2만 평방피트 확장했습니다.

또한, 이 회사는 상용 트럭 변속기 및 클러치(미주 지역 1위)와 전기 이동성에 대한 수요를 충족하는 "모빌리티" 부문도 운영했습니다.

전체적으로, 2025년 회사 수익성의 90%는 전기 및 항공우주 부문에서 발생할 것으로 예상됩니다.

항공우주 부문은 F-35, 보잉 KC-46A, 시코르스키 CH-53K, 보잉 777X, 보잉 B737MAX, 에어버스 A350, 에어버스 A320NEO 등과 같은 민간 및 군용 항공기에 핵심 부품을 공급하는 것을 포함합니다. 또한 SpaceX, Blue Origin, Ariane Group, Amazon, Eutelsat Group 등과 같은 우주 관련 기업에 부품을 공급하고 있습니다.

전기 장비에 대한 수요 증가를 반영하여 이튼의 수주 잔고는 2020년대 내내 꾸준히 증가하여 2025년에는 사상 최고 수준에 도달할 것으로 예상됩니다.

2025년 8월, 이튼은 고체 변압기 회사인 레질리언트 파워 시스템즈를 8,600만 달러에 인수했습니다.

해당 스타트업은 기존 배전망에 직접 연결되는 초소형 전기차 충전소 설계안을 제시했고, 이튼은 데이터 센터 및 에너지 저장 분야에서 추가적인 성장 가능성을 보고 있으며, 기존 관계를 활용하여 더 많은 거래를 더 빠르게 성사시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

"이튼에 합류하게 되어 매우 기쁩니다. 양사의 팀, 역량 및 선도적인 기술력이 결합되어 데이터 센터를 포함한 새로운 제품 및 시장에서 지속적인 성장을 뒷받침할 것이라고 확신합니다. 당사의 초소형 고체 변압기는 에너지 효율을 개선하고 프로젝트 출시 기간을 단축하며 안정적인 전력망 구축을 지원할 수 있습니다."

— 레질리언트 공동 창립자 겸 최고 경영자 톰 케이스터

대부분의 SST 기업들이 여전히 비상장 기업인 상황에서, 레질리언트 파워 시스템 기술과 이튼의 풍부한 경험, 판매 네트워크, 제조 역량이 결합되는 것은 투자자들이 신기술의 시장 진입으로 인한 혼란의 위험 없이 전력 변환 부문 전체에 투자하고, 오히려 그 혜택을 누릴 수 있는 좋은 방법으로 보입니다.

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