디젤에서 가스 발전으로 데이터 센터 전환

 


마르셀로 알그레인(Marcelo Algrain) 박사
수석 엔지니어링 기술 관리자
Caterpillar, Inc. 전력 사업부


2016년 10월


소개

데이터 센터(DC) 업계의 에너지 요구는 지속적으로 빠르게 증가하고 있습니다. 과거에는 원하는 DC가 저렴하고 신뢰할 수 있는 전력원 근처에 위치해 있었습니다. 오늘날에는 이러한 위치를 확보하기가 점점 더 어려워지고 있으며, 특히 전기 수요가 많은 경우에 그리드에서 요구되는 비용이 적게 드는 대체 솔루션을 찾아야 하는 압력이 크게 늘어나고 있습니다.

많은 DC가 디젤 대기 장치에 의한 충분한 자가 발전 용량을 가지고 있음에도 불구하고 이러한 장치를 가동하여 그리드 혼잡을 완화하는 것은 경제적으로도 실현 가능하지 않으며(연료 비용이 높기 때문에 운영 비용이 엄청날 것) 연간 사용 시간을 제한하는 현행 대기 위원회 규제에 의해서도 허용되지 않습니다. 디젤 비상 장치의 기능은 오로지 유틸리티 정전 시에 DC의 백업 전력을 위한 것입니다.  

반면에 가스 기반 발전은 디젤 발전에 비해 환경 영향이 훨씬 적으며 연료 비용이 크게 절감됩니다. 또한 일부 유틸리티는 그리드 혼잡 시에 소비를 감소시키는 재정적인 인센티브를 제공합니다. 이러한 조건 하에서 비상 시가 아닐 때 DC에서 열병합에 가스 발전기 세트를 사용하는 것이 경제적, 환경적으로 가능해집니다. 얼마나 많은 열병합이 필요한지는 특정 상황에 따라 좌우되지만 전체 DC 시설에 전력을 공급하기 위한 지지 비임계 부하만큼 적을 수 있습니다.

말할 필요도 없이 최고 수준의 탄력성을 제공해야 하는 산업의 경우, 디젤 동력에서 가스 동력으로 전환하는 아이디어는 어떤 사람에게는 너무나 급진적으로 여겨지는 기술적 도약일 것입니다. 이 경우, 점진적 단계를 통한 접근법이 좋습니다.  

디젤 동력에서 가스 동력으로의 DC 전환은 여러 가지 방법으로 달성될 수 있습니다. 몇 가지 옵션이 아래에 요약되어 있습니다. 일반적으로는 큰 장점이 없어 보이는 솔루션조차도 특별한 경우에는 적절한 솔루션이 될 수 있습니다. 

 

DC와 화목 한 발전소 건설

첫 번째 옵션은 DC에 가장 방해가 되지 않는 옵션입니다. DC 전기 수요를 줄일 필요가 있을 때 피크 전력 발전소가 파견될 것입니다. 발전소에서 추가 그리드 지원 기능을 제공할지 여부는 소유자가 결정합니다. 발전소가 그리드를 지원하려면, 해당 국가의 그리드 코드(예를 들어 미국에서는 IEEE 1547)를 준수해야 합니다. 반면에 피크 전력 발전소가 DC만을 지원하고 유틸리티에 대한 부하를 상쇄하는 경우 대부분 그리드 코드가 적용되지 않아 설치, 연결 승인 프로세스, 자본 비용 절감이 간단해집니다.

 

이중 연료 장치로 디젤 장치 변환

디젤 엔진을 이중 연료(디젤 및 가스)로 전환하는 것은 기술적으로 매력적인 솔루션입니다. 이 솔루션을 선택하면 디젤 엔진에 응답하면서도 가스 엔진의 연료 비용과 거의 비슷한 발전기 세트를 이용할 수 있게 됩니다. 안타깝게도 현재의 규제 환경에서 장치는 주 동력 디젤 엔진의 규정을 준수해야 하며 처리 후 상당한 비용의 광범위한 배기가 필요할 수 있습니다. 

 

가스 장치가 장착된 전력 비임계 부하

세 번째 옵션인 가스 장치가 장착된 동력 비임계 부하는 유틸리티에 대한 DC 부담의 일부를 상쇄하는 부분적인 해답을 제공합니다. 일반적으로 비임계 부하는 전체 DC 부하의 4분의 1 미만을 차지합니다. 그 정도가 충분한 저감이라면 가능한 해결책이 될 수 있습니다. 또한 DC가 가스 장치에 의해 생성된 열의 일부를 열병합 발전(CHP) 솔루션으로 사용할 수 있다면 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

 

디젤 장치를 보다 높은 부하 인가 능력을 가진 가스 장치로 교체

디젤 발전기 세트를 가스 발생기 세트로 직접 교체하는 것은 이상적인 솔루션입니다. 가스 장치가 디젤 장치에 비하여 부하 인가 능력에서 뒤쳐진다는 것이 일반적인 인식이지만 최근 가스 엔진 기술의 발전 덕분에 엔진 성능이 획기적으로 향상되었으며 부하 인가 능력이 크게 개선되었습니다. 

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그림 1: 75% 단계적 부하저항기 부하 변화에 대한 전압 및 주파수 과도

그림 1은 75% 단계적 부하 변화에 대한 전압(왼쪽)과 주파수(오른쪽) 과도 특성을 보여줍니다. 파란색 트레이스는 기존 가스 발생기 세트에 해당하며 빨간색 트레이스는 새로운 동적 응답 가스 발생기 세트에 해당하며 초록색 트레이스는 디젤 발전기 세트에 해당합니다. 그림 1에 나타난 것처럼 새로운 가스 엔진 기술의 부하 인가 능력은 디젤 장치의 기대 성능 수준에 도달하기 시작합니다. 일부 경우에는 디젤 장치를 가스 장치로 직접 교체하는 것에 가깝다고 할 정도입니다. 또한 부하 시퀀싱 최적화, UPS 램프 시간 연장, 블록 부하의 크기 축소를 통해 DC 부하 프로파일을 차세대 가스 발전기 세트의 부하 인가 능력 범위 내로 만들 수 있어 가스 구동 DC를 실현할 수 있습니다.

 

가스와 디젤 장치가 혼합된 하이브리드 발전 시스템 사용 

마지막으로 비상 상황에서 디젤 발전기 세트 성능을 유지하면서 그리드 혼잡 시에 유틸리티에 대한 DC 요구를 상쇄하기 위해 가스와 디젤 장치가 결합된 하이브리드 솔루션이 있습니다. 이는 대체로 DC에서의 정상 상태 부하가 느리게 변하고 발전기 세트 과도 응답에 대한 요구가 심각하지 않기 때문에 가능합니다. 하나의 전원 소스에서 다른 전원 소스로의 전환할 때 문제가 나타납니다. 디젤 발전기 세트는 예전부터 지금까지 이러한 전환을 사고 없이 처리할 수 있었습니다. 반대로, 기존의 가스 장치는 디젤 장치의 과도 기능과 아직 일치하지 않습니다. 그러나 하이브리드 가스-디젤 시스템은 과도 응답 요건을 충족시킬 수 있을 것이고 비상 시에 발전 기능을 제공하여 피크 수요 시기에 유틸리티에 대한 부하를 완화할 수 있습니다.

보다 간단한 디젤-가스 하이브리드 DC의 변환은 가스와 디젤 발전기 세트를 혼합한 병렬 부스 구성입니다. 기본적으로 가스와 디젤 발전기 세트는 병렬 부스 공유 로드에 연결됩니다. 가스 장치는 일반적으로 디젤 장치보다 부하 인가 능력이 낮기 때문에 기본 부하 모드에서 가스 장치를 실행하고 부하 추적 모드에서 디젤 장치를 실행하는 것이 유리합니다. 디젤 발전기를 통해 충분한 전기 부스 강성을 제공하면서 비상 시가 아닐 때 필요한 발전 수준을 기반으로 얼마나 많은 가스 대 디젤을 선택해야 하는지를 배분하여 비상 상황에서 목표 전력 품질을 유지해야 합니다. 디젤과 가스의 비율은 경우마다 다를 수 있지만 합리적인 출발점은 50/50 분할입니다.

단일 발전기 세트가 UPS를 통해 IT 부하에 전력을 공급하는 모듈식 설계를 사용하는 DC의 경우, 하이브리드 구성을 개발할 때 보다 광범위한 절충안이 필요합니다. 일반적으로 모듈식 시스템은 어느 정도의 발전 중복, N+1 또는 N+2 등을 가지고 있습니다. 중복 발전기 세트는 하이브리드 형성의 가능성이 있습니다. 그림 2는 모듈식 DC의 단선 다이어그램을 간소화하여 보여줍니다. 다음과 같은 두 가지 분명한 가능성이 있습니다. 

1. 중복에 가스 발전기 세트가 사용되고 기본에 디젤 장치가 사용됩니다

2. 중복에 디젤 발전기 세트가 사용되고 기본에 가스 장치가 사용됩니다

첫 번째 경우 유틸리티 부하 저감 용량은 중복 수준에 따라 1/N 또는 2/N입니다. 이는 디젤 지배적인 구성입니다. 두 번째 경우는 잠재적으로 DC에 필요한 모든 전력을 제공하는 가스 지배적인 구성입니다. 각 경우의 타당성은 비상 시가 아닐 때 자가 발전  목표의 수준에 따라 달라집니다.

 

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그림 2: 모듈식 DC 구성의 예

가스 발생기 세트가 디젤 장치의 부하 인가 과도 응답을 완전히 일치시킬 수 없다는 가정하에, 하이브리드 시스템이 어떻게 이러한 필요성을 충족시킬 수 있는지를 검토해 봅시다. 중복 장치가 가스 장치인 1번 경우에 이러한 발전기 세트는 비상 상황에서 유틸리티에 대한 부하를 줄이기 위해 사용될 수 있습니다. 가스 발생기 세트는 기본 부하 모드에서 작동합니다. 유틸리티가 손실되는 경우 가스 장치의 작동 여부에 관계없이 디젤 장치가 평소와 같이 시동이 걸리고 UPS에 전원을 복원합니다. 드물게 디젤 장치 중 하나가 시동되지 않는 경우, 가스 장치가 디젤 장치를 대체할 수 있지만 가스 발전기 세트로의 UPS 워크 인은 가스 장치의 부하 인가 능력까지 느려질 필요가 있습니다. 또는 시동에 실패한 디젤 장치를 대체할 가스 장치가 2개 이상 있는 경우(예: N+2 시스템) 한 쌍의 가스 장치의 부하 인가 능력 범위 내에서 UPS 워크 인을 수행할 수 있습니다.

중복 발전기 세트가 디젤이고 기본이 가스인 두 번째 하이브리드 구성에서는 유틸리티가 부하를 받지 않고 전체 DC 전기 소비를 충족시킬 수 있는 비상 시가 아닐 때의 긴급 발전 용량이 충분합니다. 그럼에도 불구하고 전력원을 보강하고 여분의 중복을 추가하기 위해 유틸리티에 연결된 상태로 유지하는 것이 유리합니다. 가급적이면 시동 시퀀스는 유틸리티에 연결된 동안 발생하는 것이 바람직하기 때문에 가스 장치에 의해 IT 장치가 완전히 처리되고 관련 유틸리티 브레이커를 통해 전류가 흐르지 않는 수준까지 가스 발전기 세트가 상승할 수 있습니다. 유틸리티가 없는 상태에서 가스 발생기 세트를 시동해야 하는 경우 중복 디젤 발전기 세트는 IT 부하를 가스 장치로 전송하는 데 필요한 전기 부스 강성을 제공합니다. 이 프로세스는 모든 가스 장치가 자가 시동 조건에서 가동될 때까지 순차적으로 반복되어야 합니다. 이 프로세스는 특히 마지막으로 들어가는 유닛에서 UPS 가동 시간을 연장시킵니다. 그러나 몇 분의 방전 시간 용량을 가진 배터리 UPS의 경우에는 발전기 세트 워크를 우선적으로 인덱싱하면 모든 장치에서 UPS 가동 시간이 안정되기 때문에 어떤 제한도 없습니다. 이 마지막 접근 방식을 통해 DC는 그리드 혼잡 상황에서 유틸리티 소비를 거의 제로 수준으로 줄이고 DC 소유자는 유틸리티가 제공하는 경제적 인센티브를 활용할 수 있습니다.

 

결론

요약하자면 이 백서에서는 DC를 디젤에서 가스 발전으로 전환하는 여러 옵션을 설명했습니다. 이 마이그레이션은 점진적 변환에서부터 완전한 변환이 될 수 있습니다. 얼마나 멀리 나아갈지에 대한 결정은 주로 높은 전력 수요가 있는 시간에 필요한 그리드 저감의 정도와 열병합의 사용을 통한 데이터 센터 외부 전력 소비를 줄이기 위한 경제적 인센티브에 의해 결정될 것입니다. 현재 추세에 따르면 과거의 유산인 발전소가 해체되고 재생 가능 에너지의 침투와 가변 발전 자원의 보급이 증가함에 따라 그리드 혼잡이 계속 증가할 것입니다. 최근 전기 에너지 시장의 변동성에 대응하기 위해 가스 발전은 DC 시설에 탄력적, 환경적, 경제적으로 양호한 솔루션을 제공합니다. 천연 가스 비용은 역사적으로 낮은 수준이며 공급량은 풍부합니다. 미 국방부의 위탁을 받은 한 연구1는 천연 가스 시스템은 일반적으로 전기 그리드에서 2주에서 3개월까지의 정전을 처리할 수 있을 정도로 견고하다는 결론을 내렸습니다. 역사적으로 천연 가스 배전 시스템에 거의 정전이 발생하지 않았으며 공급 확정 계약은 99.999% 이상의 신뢰성을 나타냅니다. 요컨대 천연 가스는 데이터 센터에 연료를 공급할 수 있는 실행 가능한 옵션입니다.

1출처: 국방부: 전력 생산 시스템 및 천연 가스 시스템의 상호 의존성 및 2013년 에너지 안보에 대한 시사점

 

Caterpillar 정보

90년 동안 Caterpillar Inc.는 지속 가능한 발전을 가능하게 하고 모든 대륙에서 긍정적인 변화를 주도해 왔습니다. 고객들은 인프라, 에너지, 천연 자원 자산 개발을 위해 Caterpillar의 도움에 의지하고 있습니다. Caterpillar는 2015년 매출 및 수익 470억 천만 달러를 자랑하는 세계 유수의 건설 및 광산 장비, 디젤 및 천연 가스 엔진, 산업용 가스 터빈 및 디젤 전기 기관차 제조업체입니다. 당사는 주로 자원 산업, 건설 산업, 전력 계통 등 세 가지 제품 부문을 통해 운영되며 금융 제품 부문을 통해 금융 및 관련 서비스도 제공합니다.

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