[떠오르는 특허 기술⑬] 공장에너지관리시스템(FEMS)

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2019/07/26 [20:08]

[떠오르는 특허 기술⑬] 공장에너지관리시스템(FEMS)

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2019/07/26 [20:08]

 

▲ 건물 및 공장 에너지관리시스템 개요     © 특허뉴스

 

공장에너지관리시스템(FEMS)은 공장 내 모든 라인 별 에너지 사용량 데이터를 세분화해 수집하고, 수집된 데이터 분석을 통해 최적으로 관리해 에너지 절감 및 생산성 향상을 제공하는 솔루션이다. IP타깃이 발간한 기술&시장 리포트를 기반으로 공장에너지관리시스템 분야 특허 기술 트렌드 및 시장 동향을 분석한다. <편집자>

 

공장에너지관리시스템(FEMS)?

 

공장에너지관리시스템은 공장에 설치되어 전체적인 설비와 기계들의 에너지 사용을 계측하고 실시간으로 모니터링하며 제어 및 관리하는 시스템이다. 공장 내 모든 라인별 에너지 사용량 데이터를 세분화해 수집하고, 수집된 데이터의 분석으로 가동 상태별 에너지의 낭비요소와 균일하지 못한 에너지 분배요소를 관리해 설비나 기계의 상태를 최적으로 관리한다. 이를 통해 에너지 절감과 생산성 향상을 제공할 수 있도록 하는 에너지관리시스템이다.

 

에너지 사용량 계측부터 측정된 데이터를 저장 및 관리하고, 에너지 사용량을 일정 주기로 분석해 에너지 비용을 산출하는 관리 서버 및 모니터링 단말기를 포함한다. 에너지 소비량 측정 시, 전력 소비량, 공기 소비량, 가스 소비량, 용수 소비량, 스팀 소비량에 대해 공장 라인별 측정 및 관리가 가능하다. 공장별 에너지 가동 상태를 분석해 각 공장 상황에 맞는 에너지 관리를 함으로써 에너지 절감과 생산성을 향상시키는 주요 개량기술이다.

 

공장 라인별 전력 사용량 측정 및 설비별 세분화된 분석을 통해 에너지 누수 확인과 설치 미터기와 시스템 간의 안정적인 연계 상태를 관리 가능하며, 각 공장별 맞춤화한 분석이 가능함으로써 기술 개척성과 차별성에서 우위를 보인다.

 

공장에너지 관리 기술은 현재 기술적용 및 시장형성 초기단계라고 할 수 있고, 미래기술 전망에도 부합하는 기술이다. 대체 기술들 및 제품이 존재하지만 핵심적인 요소를 대체하지는 못하고 있으며 국내 경쟁업체도 많지 않다. 관련 기술이 다소 복잡해 신규 업체가 모방을 통해 유사 제품 확보하기 쉽지 않을 것으로 판단된다. 회피 비용이 높고 및 회피 설계도 쉽지 않은 점을 감안하면, 독창적 강점을 제공한다.

 

공장별 에너지관리시스템의 도입을 통해 라인단위별 전력량에 대한 신뢰성 있는 데이터를 제공 및 관리함으로써 전력량 관리 향상에 기여한다. 기존의 시스템과 연계해 라인단위의 생산량을 통한 기준원단위 산출로 생산량의 효율을 높이며, 에너지소비량, 생산량 분석 시스템에 의한 데이터 신뢰성을 높이고 효율적으로 관리할 수 있다.

 

글로벌 시장 동향

 

2000년대 초반부터 미국은 IBM, GE, 하니웰 등 IT 기업들을 중심으로 FEMS 시장에 본격적으로 진출한 바 있다. 또한, 일본은 원전사태 이후에 전력수급 불안정으로 공장 내 에너지 절감과 설비 갱신 등의 수요가 높아졌다. 이에 정부를 중심으로 클라우드 EMS와 스마트그리드 등 사업을 추진하고 있다. 대기업 중에서는 후지쓰, 히타치, 도시바 등 디바이스 기업들이 FEMS 시장에 진출하고 있다.

중국 역시 우리나라와 유사하게 에너지 패러다임의 변화를 맞으며 공급중심에서 수요관리로의 정책 변화를 시도하며 FEMS 도입을 의욕적으로 추진한다.

 

해외의 대표적인 적용사례를 보자면 우선 IBM2013‘GIView FEMS’의 수립을 발표했다. 이는 공장의 에너지상황을 1분 단위로 수집해 수급을 관리하는 시스템으로 이용 최적화를 목표로 한다. 공장의 전력수요에 대한 정보뿐만 아니라 모듈별 에너지이용 상황을 수집해 가시화할 수 있는 점이 특징이다. 이는 공장 전반에 걸친 공급망의 최적화를 지원하는 생산관리 솔루션인 ‘IBM Global Integrated Vies(GIVies)’와 공장에너지관리시스템을 결합한 형태이다.

 

이에 앞서 IBM2000년부터 공장의 에너지사용 및 에너지 발생 업체에 약 6만여 개의 계량기를 설치한 바 있으며 이를 통해 에너지량에 대한 모니터링, 분석, 피드백 제어체제를 구축한 바 있다. 이러한 Smart Metering 구축 이후인 2001년부터 생산량은 30% 증가했음에도 불구하고 에너지소비를 20% 절감하는데 성공했다. , IBM2000년대 초반부터 에너지관리의 중요성에 대해 인지하고 설비단위당 계측기 설치를 통해 에너지소비 형태를 파악하고 절감 아이디어에 대한 공모와 투자를 지속하면서 개인별 목표관리 등 적극적인 에너지효율화 활동을 실행하고 있다.

 

독일 지멘스의 스마트공장인 EWA(Electronic Works Amberg)’는 대표적인 성공사례로 언급되고 있는데 매일 5,000만 건의 정보를 수집해 제조공정마다 자동으로 작업지시를 내리고 있다. 전 공정의 모든 제품에 대한 라이프사이클의 관찰이 가능한 상황이며 에너지소비 또한 기존의 공장과 대비해 30% 정도 낮아져 에너지효율을 높이고 있다.

 

공장에너지관리시스템 특허 기술 동향

 

에너지 효율 향상을 위한 가장 효과적인 접근 방법 중 하나는 합리적 에너지 사용을 위한 체계적인 에너지관리이다. 에너지정책은 공급 위주 정책에서 수요관리정책으로 패러다임이 변화하고 있다.

 

또한 에너지관리 방식도 과거 매뉴얼에 따른 수동적 관리에서 ICT를 활용한 능동적 관리로 패러다임이 변화하고 있다. 이에 따라, 에너지관리 수단으로 에너지 흐름의 모니터링 기능과 제어기능을 제공하는 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)이 세계적으로 크게 주목받고 있다.

 

삼성물산이 등록한 산업시설의 에너지 관리 시스템특허는 공장이나 건물 전체의 에너지를 관리하는 시스템이다. 에너지를 소비하는 각종 설비기기로부터 기기별 에너지 소비량을 실시간으로 감지하는 에너지 소비량 수집부와 기기별 에너지 소비량을 합산해 각종 설비기기의 계통별 에너지 소비량 및 전체 에너지 소비량을 산출하고 저장하는 관리서버로 구성된다.

 

▲ 산업시설의 에너지 관리 시스템 특허 도면     © 특허뉴스

 

계통별 에너지 소비량을 시각적으로 인식할 수 있는 그래프, 문자 등 모니터에 표시된 GUI 요소를 선택하거나 명령어를 입력하는 입력부도 포함한다. 모니터부에 표시되는 그래프는 공급되는 전체 에너지로부터 각 계통별 에너지 소비량이 비율에 따른 크기로 분기되도록 표시되어 전체 에너지 흐름을 설비기기의 계통별로 시각적으로 파악할 수 있는 것이 특징이다.

 

한국생산기술연구원이 등록한 제조현장용 에너지 관리 시스템특허는 스마트폰을 기반으로 에너지 원격검침 및 자동 제어, 원 단위 관리, 설비관리, 에너지종합관리 기술을 적용해 에너지 절감 및 사용 효율 분석을 제공한다. 각종 설비자원을 중앙제어방식에 의해 효율적으로 통제 및 활용할 수 있도록 하여 제조 설비의 최적운전과 운용을 도모함으로써 제조 현장 환경을 쾌적하게 유지함과 동시에 제조 설비 시스템의 에너지 성능 극대화 및 수명 연장을 도모할 수 있다.

 

▲ 제조현장용 에너지 관리 시스템 특허 도면     © 특허뉴스

 

제조현장 조명과 전력을 감시 제어하는 조명 및 전력 감시부와, 제조현장 에너지 사용량을 실시간으로 계측하고, 유무선 통신기능을 탑재해 데이터의 보관(Logging) 및 전송을 하는 계측기기부로 구성된다. 정보를 전송할 수 있는 원격제어부와 에너지관리의 필수 요소인 전력, 가스, 용수의 실시간 데이터 추출 및 에너지 절약 제어를 위한 사용자 인터페이스도 포함한다.

 

특히 스마트폰에서 수집된 에너지 데이터를 통합 관리하고 에너지분석 및 모니터링을 위한 기반이 되는 통합에너지관리 DBMS(DataBase Management System)는 저장된 에너지 데이터를 기반으로 에너지 사용량에 대한 분석을 실시한다. 에너지 사용실적, 에너지 품질분석, 에너지 효율분석, 에너지 비용분석, 에너지 사용 모니터링, 에너지 사용에 대한 평가관리, 기초정보, 권한관리 부분에 대한 정보를 제공한다.

 

한양대학교가 등록한 자원 거래 방법 및 에너지 관리 시스템특허가 제안하는 에너지 관리 시스템은 에너지 소비를 위한 시스템에서 에너지를 절약해 자신 또는 다른 사람(또는 전력 디바이스)에게로 제공하기 위한 에너지원을 추가 확보하거나 에너지 저장 장치 또는 에너지 발전 장치의 가동을 통해 확보된 에너지원을 자신 또는 다른 사람이 사용할 수 있도록 거래할 수 있는 에너지 프로슈머로의 확장된 시스템이다. , 에너지 공급 단계별 에너지 소비 가격과 자신이 확보할 수 있는 에너지 량과 에너지 매수 가격이 결정되며, 또한 자신이 사용하지 않고 절약해 남는 것에 대해서는 에너지 매도 가격이 결정될 수 있다. 에너지 관리 시스템은 결정된 매수 가격 및 매도 가격을 이용해 자원 거래를 중계할 수 있다.

 

▲ 자원 거래 방법 및 에너지 관리 시스템 특허 도면     © 특허뉴스

 

글로벌 에너지관리시스템 시장

 

글로벌 EMS 시장은 건물에너지관리시스템(BEMS)과 공장에너지관리시스템(FEMS)이 주도하고 있다. 현재 세계 각국은 클라우드 기반 BEMS를 정부 정책적으로 도입하고 있고 동시에 에너지 다소비 건물을 대상으로 규제와 인센티브를 동시에 제공하고 있다.

 

건물에너지관리시스템이란 건물(사업용건물, 주택, 공동주택 등)에 에너지 모니터링 시스템이 설치되어 있어 실시간으로 에너지 소비 현황을 파악할 수 있고, 사용 상황이 효율적이지 않다고 판단될 경우 자동으로 조절하거나 담당자 또는 관련 부서에 통보해 에너지절약을 유도하는 기술이다.

 

▲ 에너지관리시스템 기대효과     © 특허뉴스

 

BEMS는 건물관리자가 건물 사용자의 쾌적하고 기능적인 업무환경을 효율적으로 유지 보전하기 위해 ICT 기술을 이용해 합리적인 건물 에너지 사용이 가능하도록 구현하는 건물에너지 통합시스템이다.

 

BEMSFEMS의 차이점으로는 FEMS는 생산시설의 효율적인 에너지 사용에 목적을 두는 반면 BEMS는 건물의 실제 사용자의 에너지소비 패턴을 분석하고 전체 건물의 설비의 에너지 사용 효율화에 목적을 두고 있다.

 

건물에너지에 대한 관심이 고조되고 있고, 각국 정부의 다양한 건물에너지 효율에 대한 인센티브 및 규제로 인해 BEMS의 시장은 꾸준히 성장해왔다. 글로벌 BEMS 시장의 경우 Navigant Research2013년 약 21,000억 원 규모에서 2017년 약 36,221억 원으로 연평균 14.6% 성장한 것으로 조사된다.

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