“현대 경제학자들은 에너지에 몰두하는 것에 대한 보상과 상을 받지 못하고, 현대 사회는 주요 상업적인 형태의 에너지 공급이 위협을 받아 가격이 치솟을 때만 에너지에 대해 걱정하게 됩니다.” How the World Really Works, Vaclav Smil
많은 산업에서는 디지털 전환 및 인더스트리 4.0 모범 사례를 통해 현재의 에너지 위기에 대처하고 있습니다. 자동화와 디지털 방식의 전력 관리가 없었다면 많은 제조업체가 전기 및 가스 비용 상승으로 인해 살아남지 못했을 것입니다.
이제는 산업 부문에서 더 많은 로봇, 어두운 공장 및 점유 감지 센서를 사용하고 있습니다. 또한 최신 무선 기술을 갖춘 스마트 공장은 기계와 운송을 원격으로 관리할 수 있습니다. 많은 공장들은 현재 태양열 패널, 태양광 창, 점유 감지 센서 및 기타 절전 기술을 보유하고 있습니다.
“어두운 공장”의 부상
“어두운 공장”이라는 문구는 작업 시 빛을 필요로 하는 사람들이 존재하지 않고 조명 없이 어둠 속에서 작동할 수 있는 제조 시설을 나타냅니다. “불이 꺼진 생산”으로도 알려져 있으며 클라우드, 머신 러닝, 인공 지능(AI) 및 디지털 트윈과 같은 새로운 기술을 구현하여 완전 자동화된 생산이 발생할 수 있다는 생각을 기반으로 합니다.
어두운 공장은 완전히 자동화되어 있으며 현장에 직원이 없어도 됩니다. 공장에서 원자재를 납품하는 것부터 완제품을 납품하는 것에 이르는 모든 생산 과정은 전적으로 자동 제어되는 기계에 의해 수행됩니다.
이미지 인식 및 머신 러닝은 품질 관리 및 생산을 최적화하여 전력과 비용을 절약함
머신 러닝 및 에지 컴퓨팅과 같은 새로운 AI 기술로 품질 문제와 생산 중단을 감지할 수 있습니다. 머신 러닝을 이용한 이미지 처리는 사람이 직접 점검하는 기존의 방식보다 훨씬 효율적이고 정확하다는 것이 입증되었습니다. 이를 통해 가동 정지와 제품 낭비를 줄여 시간과 에너지를 절약할 수 있습니다.
또한 순환 경제 원칙을 수십억 개의 연결된 지능형 장치에서 생성된 정보와 결합하면 혁신과 지속 가능한 사용을 이루어 내고, 제품 수명을 연장하고 이차 사용을 이끌어 낼 수 있습니다.
기존의 에너지 절약에 지장을 주는 운영을 변화시키는 신재생 에너지
최근까지 에너지 사용량이 많은 산업에서는 낮은 전기 요금의 혜택을 받기 위해 비수기 시간에 작동하는 것이 일반적이었습니다. 많은 전력을 사용하는 여러 공장들은 저렴한 전기 요금의 혜택을 받기 위해 야간 작업을 선택합니다. 공공 시설이 산업 업체에 낭비될 남는 전력을 사용하도록 비용을 지불하는 경우도 있습니다.
팬데믹과 현재의 에너지 위기 때문에 이러한 상황은 극적으로 변했습니다. 오늘날, 특히 유럽에서는 가장 저렴한 전기 요금은 하루 중 언제든지 실현될 수 있습니다.
한 가지 이유는 태양광 발전을 이용한 발전량의 증가입니다. 태양열 패널은 낮에만 작동하기 때문에 그리드로 유입되어 가격이 하락하고 밤에는 다시 상승합니다. 게다가, 풍력 터빈의 용량이 큰 곳에서는 같은 상황이 역전될 수 있습니다.
가장 저렴한 요금으로 혜택을 받을 수 있는 기회를 최적화하기 위해서는 공장 운영의 효율성과 유연성이 매우 높아야 합니다.
TSN과 무선 통신의 사용
기계, 차량, 건물 및 작동을 연결하는 것은 인더스트리 4.0의 핵심 요소 중 하나입니다. 제조 공정의 모든 측면을 모니터링하고 원격으로 제어하면 효율성을 향상시키고, 고장을 예측하며, 안전성을 개선하고, 예측적 유지 보수가 가능합니다.
매우 효율적이고 신뢰할 수 있으나 5G 개인 네트워크와 같은 새로운 기술에 의존하면 전력 소비가 많이 늘어날 수 있습니다. 무선이 유일한 옵션인 경우, LoRaWAN 또는 Zigbee와 같은 LPWAN 표준은 셀룰러 네트워크보다 전력 효율이 훨씬 높습니다.
현재 무선 통신은 공장에서 많은 장치, 기계 및 기타 자산을 연결하는 가장 빠른 방법으로 인정받고 있지만, 에너지 관리의 핵심은 고효율 DC/DC 솔루션을 사용하여 프로세서를 최대한 저전력 대기 모드에 있도록 하고 무선 통신을 최소화하는 것입니다.
현재 이더넷은 산업용 사물 인터넷(IIoT)에 필요한 센서 노드의 폭발적인 증가로 인해 필드버스를 대체하고 있습니다. 단, 이더넷은 대기 시간이 늘어나고 결정론적이지 않다는 단점이 있습니다. IIoT에는 결정론적 시스템이 필요하며 TSN(Time-Sensitive Networking)이 그 해답입니다. 시간이 중요한 데이터에 대해 우선 순위가 높은 경로를 제공합니다. TSN은 실시간 통신으로 기계 손상을 방지하여 가동 정지를 방지하고 비용을 절감할 수 있습니다.
또한 TSN은 단일 연선 이더넷을 통해 제한된 짧은 대기 시간, 저패킷 지연 변동 및 저패킷 손실로 광대역 연결과 보장된 패킷 전송을 제공할 수 있습니다. TSN은 IEEE 802.1의 프레임워크 내에서 표준화된 기본 기술을 만들어 서비스 품질(QoS)을 보장하고 이더넷 수요를 늘립니다. 이는 OSI 2계층 통신에만 영향을 미치고 사용자 인터페이스에는 영향을 주지 않습니다.
분산 제조 및 3D 프린팅을 통해 에너지를 더욱 절약하고 지속 가능한 생산 실현
산업용 3D 프린팅으로 많은 기하학적 구조를 생산할 수 있으며 제품 설계 프로세스를 단순화할 수 있는 비교적 환경 친화적인 기술입니다. 3D 프린팅으로 중소 규모의 생산에서 리드 타임과 총 생산 비용을 줄일 수 있습니다.
기존 제조와 달리 단위당 비용은 물량에 좌우되지 않습니다. 3D 프린팅으로 전 세계 어디서나 동일한 사양으로 동일한 부품을 생산할 수 있으므로 운송 비용과 에너지 사용을 추가로 절약하여 더욱 지속 가능한 생산을 실현합니다. 또한, 산업용 3D 프린터의 가격이 저렴하고 속도가 빨라짐에 따라 필요에 따라 부품을 제조할 수 있어서 보관과 대형 재고에 대한 필요성이 줄어들게 됩니다.
HP에 따르면 100,000개 미만의 동일한 부품을 생산하는 공정은 추가 비용 없이 현지에서 3D 프린팅이 가능하여 시간을 절약하고 신속하게 변경할 수 있습니다. 3D 프린터는 기존의 사출 성형 공정에 비해 에너지를 극히 일부만 사용하기 때문에 훨씬 지속 가능한 제조 방법이기도 합니다.
“Industry 4.0이 경제적으로 분산 제조가 가능하다는 사실은 제품의 구축 및 배포 방식을 바꿀 수 있다는 것을 의미합니다.” HP의 3D 프린팅 부사장 겸 총괄 관리자인 Ramón Pastor가 IoT Times와의 인터뷰에서 한 말입니다. “세계에서 소비되는 연료(이 경우 화석 연료)의 최대 절반이 제품이 생산되는 곳에서 소비되는 곳으로 운송하는 데 사용된다고 추정되기도 합니다. 그런 의미에서 인더스트리 4.0, 디지털 제조 및 3D 프린팅을 결합하면 이러한 패러다임을 바꾸고 분산형 제조로 전환할 수 있습니다. 즉, 필요한 순간에 바로 옆에서 필요한 것을 즉시 제조할 수 있습니다.”
화석 연료 덕분에 지난 세기 동안 우리는 오염되기는 하였지만 값싼 에너지를 무한하게 이용하며 역사상 가장 폭넓은 산업 성장을 누렸습니다. 오늘날 우리는 기후 변화와 새로운 지역 분쟁의 영향에 직면하고 있기 때문에, 깨끗한 에너지원으로 전환하고 전력 소비를 줄이는 것이 중요합니다.
기존 산업은 인더스트리 4.0 모범 사례와 기술을 시급히 채택하여 경쟁과 생존을 위해 에너지 위기를 해결해야 합니다.
