공작기계 운용 에너지 효율화 기술 동향

공작기계 운용 에너지 효율화 기술 동향

<목차>

0. 요약

1. 개요

2. 공작기계 에너지 효율화 관련 정책 및 시장 동향

3. 국내 기술개발 동향

4. 해외 기술개발 동향

5. 시사점

출처 및 참고자료

0. 요약

전 세계적인 환경 규제 강화와 탄소중립 목표에 따라 에너지 저감이 강조되고 있으며, 공작기계의 에너지 효율화는 산업의 경쟁력 강화 및 환경 영향 감소에 필수적이다.
해외 선진 공작기계 제조사들은 공격적인 친환경(탄소 저감) 목표를 제시하고 다양한 친환경기술을 대대적으로 홍보하며, 공작기계 에너지 효율화 분야를 선점하기 위해 노력하고 있다.
국내 공작기계 제조사들도 공작기계 에너지 효율화에 대한 필요성을 인지하고 관련 기술개발을 준비하고 있으며, 최근 국내에서 개발된 공작기계 소비에너지 모니터링시스템과 국제표준에 부합하는 공작기계 소비에너지 평가기술로 그 기반은 마련되어 있다.
국내외 대부분 제조사는 공작기계의 소비에너지를 저감하기 위해 공통으로 공작기계를 구성하는 다양한 부가장치의 에너지 사용량을 줄이려는 방안을 제시하고 있으며, 절삭유 공급장치, 스핀들 및 이송축 냉각장치, 유압장치 등을 필요에 따라 적절하게 제어(on/off 및 성능제어)하는 기술을 개발하고 있다.
공작기계가 사용하는 에너지를 줄이기 위한 가장 손쉬운 방법은 공정 최적화를 통한 가공시간 단축과 장비의 가동률을 높이기 위한 장비 운용기술로, 이는 기존 장비를 대상으로도 적용할 수 있다. 인공지능과 로봇을 장비와 연계하는 자율제조기술은 공작기계 에너지 저감에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

1. 개요

현대 산업사회에서 에너지 효율성은 경제적·환경적 지속 가능성을 달성하기 위한 필수 요소로 자리 잡고 있다. 특히 제조업 분야에서 공작기계는 제품 생산 과정에서 중요한 역할을 수행하면서 상당량의 에너지를 소비하고 있다. 비교적 오래전 통계(2018년)이기는 하지만, 그림 1과 같이 전 세계 전기에너지 수요 중 약 40%를 산업 분야에서 사용하고 있으며, 2~4%를 공작기계가 사용하고 있다. 또한 그 중 대부분을 절삭가공 장비가 사용하고 있다. 이에 따라 공작기계의 에너지소비효율을 향상시키는 것은 운영 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 줄이며, 전반적인 산업 경쟁력을 강화하는 데 중요한 역할을 하게 된다.

본고는 공작기계가 소비하는 에너지를 줄여야 하는 동인을 시장과 정책적인 면에서 살펴본 후 국내외 기술개발 동향을 분석하여 이 분야의 시장 변화와 기술 혁신을 설명하기 위한 목적으로 작성되었다.

2. 공작기계 에너지 효율화 관련 정책 및 시장 동향

글로벌 환경 규제 강화에 따라 제조 분야의 에너지 저감이 중요하게 부각된 건 꽤 오래되었다. 2015년의 파리협정과 2019년의 UN 기후정상회의 등 국제회의를 통해 2050년 탄소 중립이 글로벌 의제로 부상한 이후로 다양한 정책들이 나오고 있다. 최근(2023년 10월)에 시범 시행에 들어간 탄소국경조정제도 (CBAM)에 따라 EU로 수출하는 기업은 탄소배출량을 보고할 의무가 신설되었다. 특히 EU는 에너지 관련 제품 규정인 「ErP; The Energy-related Products Directive)」에 공작기계 에너지 효율과 관련한 규제를 추가할 것을 검토하기 시작한 것으로 알려졌다. 이에 따라 국내 공작기계 제조사들도 최근 EU에 수출할 때 해당 장비의 탄소배출량 정보 및 각 사가 보유하고 있는 에너지저감기술을 제출하라는 요구를 빈번하게 받고 있다. 우리나라 정부도 2050 탄소중립 달성을 위해 ‘제1차 국가 탄소중립·녹색성장 기본계획’을 발표하고 12대 과제 중 하나로 에너지 소비 절감을 선정하여 추진하고 있다.

* 「The Energy-related Products Directive(ErP)」는 유럽연합(EU)의 법적 규정으로, 에너지 관련 제품이 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 설계된 규제임. ErP 지침의 주된 목적은 제품의 전체 수명 주기 동안 에너지 소비와 관련된 환경 영향을 최소화하는 것으로, 이는 제품의 설계 단계에서부터 에너지 효율성과 기타 환경적 요인을 고려해야 함.

** Carbon Border Adjustment Mechanism(CBAM)**은 유럽연합이 기후 변화에 대응하기 위해 도입한 정책으로, 유럽연합 외부에서 수입되는 상품과 관련된 탄소 배출에 대해 비용을 부과하는 것을 목표로 함.

또한 개별 국가별로도 공작기계 에너지 효율화를 촉진하기 위한 다양한 정책을 마련하고 있는데, 이는 역으로 우리나라 공작기계 제조사들에게 무역장벽으로 작용할 가능성이 높다. 해외 주요국의 공작기계 에너지 관련 지원 정책은 다음과 같다.

1) 일본

[제조/상업/서비스 생산성 향상 촉진 보조금] 온실가스 배출 감소, 생산성 향상을 위한 설비·시스템 투자 최대 4천만 엔(투자비의 2/3) 보조금 지원
[첨단 에너지 절약 투자 촉진 지원] 기업 고정자산 취득 지원 보조금 지원(CNC 선반 주축모터 kW 출력당 30만 엔, 머시닝센터 테이블 면적[㎟]당 5천 엔 등)
[ESG 리스 촉진사업] 고효율 공작기계(인버터 또는 가변용량형 펌프 방식의 유압제어장치 적용) 도입 보조금 지원(리스료 65만 엔 이상 2억 엔 이하 기기의 리스료 1% 지원)

2) 독일

[KFW(독일개발은행) 기계 구매 촉진] 새 기계/장비 구입 자금 최대 40% 지원*

* CNC 장비 투자비용의 40%(최대 €200,000), 전체 프로세스 최적화할 경우 투자비용의 50%(최대 €15,000,000) 보조금 지원

3) 이탈리아

[신규 자본자산 투자에 대한 세액공제] 설비 투자 촉진을 위해 기업의 신규 자산 투자에 대해 세액공제*

* 연간 최대 100만 유로 공제(최대 250만 유로까지 투자비용의 20%, 250~1000만 유로/10%, 1,000~2,000만 유로 /5% 세액공제)

이에 따라 일부 선진 해외 공작기계 제조사들은 탄소 저감 효과를 정량화하여 자사 장비가 각 정부가 지원하는 보조금을 받을 수 있음을 적극적으로 홍보하며 영업활동을 하고 있다.

공작기계의 에너지 효율화에 관한 관심이 높아짐에 따라 공작기계가 사용하는 에너지를 측정하는 방법이 국제표준(ISO 14955)으로 제정되었으며, 국내 부합화를 거쳐 국내 표준으로도 활용되고 있다. ISO 14955의 특징은 제정 목적 자체가 공작기계의 에너지 효율 향상으로, 공작기계 및 부가장치의 설계 및 운영 단계에서 에너지 사용을 최소화는 방법에 대한 내용을 담고 있다. 특히 공작기계가 사용하는 소비에너지에 압축 공기처럼 외부에서 공급되는 비전기적 에너지도 포함하고 있으며, 공작기계의 동작 상태를 구분하여 각 단계별 시간 점유율을 고려하여 총 에너지 사용량을 계산하도록 제시하고 있다. ISO 14955의 구체적인 내용은 다음의 표에 정리되어 있다.

3. 국내 기술개발 동향

공작기계산업은 한국의 제조업 핵심 인프라 중 하나로서 에너지 효율성 개선은 우리나라 제조업의 지속 가능한 발전을 위해 중요한 요소다. 국내 공작기계 제조사들도 친환경 공작기계에 대한 개발 필요성을 인지하고 준비하는 단계다. 또 에너지 효율화 관련하여 국내에서 가장 최근에 개발된 기술은 앞서 소개한 국제표준인 ISO 14955를 충족하는 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템과 대기전력 절감기술이다. 특히 2023년에 한국기계연구원과 한국생산기술연구원은 산업부가 지원하는 기술개발 과제를 통하여 ISO 국제표준에 부합하는 공작기계 에너지 소비 평가기술을 개발했다. 이 기술은 공작기계의 에너지 소비를 정확하게 측정하고 분석함으로써 제조 공정의 최적화를 가능하게 한다. 다음의 그림은 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템의 구조를 보여주고 있다. 개발된 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템은 ISO 14955에서 제시하고 있는 공작기계의 동작 상태를 구분하기 위한 CNC와의 통신에 국내에서 개발된 일원화된 CNC 인터페이스 플랫폼인 TORUS(torus.co.kr)를 이용했기 때문에 별도의 추가적인 개발 노력 없이 다양한 제조사에서 공급하는 CNC에서 사용할 수 있다는 점이다. 다시 말해 우리나라에서 주로 사용되고 있는 화낙(FANUC), 지멘스, 미쓰비시 CNC와 현재 국내에서 개발되고 있는 KCNC에 본 소비에너지 모니터링 시스템을 그대로 적용할 수 있다. 또한 ISO에서 제시한 공압, 온도 및 습도에 대한 데이터가 에너지 센서가 측정한 소비 에너지량과 동기화되어 CNC 상태 정보와 함께 저장되도록 개발되어 있다.

다음의 그림은 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템의 사용자 인터페이스를 보여준다. 실시간으로 공작기계의 상태와 중요한 상태 정보들이 표시되며, 공작기계의 구성 요소별 에너지 소비량이 실시간으로 구분되어 표시되고 있다. 더불어 온도와 습도, 공압 사용량이 함께 저장되는 것을 확인할 수 있다.

개발된 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템을 이용하여 실시간으로 측정되어 저장된 데이터를 활용하여 측정 리포트를 생성한 결과는 다음과 같다. 리포트가 제시하는 에너지 소비량은 ISO 14955-3에 따라 직접적으로 측정된 전기적 소비전력과 측정된 압축공기 사용량을 기준으로 환산된 소비전력을 기반으로 계산된다. 리포트는 본문과 부록으로 나뉘는데, 본문에는 측정 결과 및 연간 에너지 소비량이 제시되며, 부록에는 서보 드라이브, 압축공기 및 주요 주변장치별 소비전력(에너지) 분석 결과가 추가로 제시된다.

개발된 공작기계 소비에너지 모니터링 시스템을 이용하여 국내에서 생산한 머시닝센터 3종을 대상으로 연간 에너지 소비량을 분석해 본 결과는 그림 7과 같다. 동급의 머시닝센터를 비교한 것은 아니므로 본 결과를 토대로 한 상호 간 비교는 의미가 없다. 그러나 하나의 공작기계를 대상으로 연간 에너지 소비량이 국제표준에 따라 측정되어 계산될 수 있으며, 특히 공작기계의 구성 요소별로 제시되는 것은 공작기계를 에너지 관점에서 효율적으로 운용할 수 있는 기초가 마련된 것이라고 평가할 수 있다. 본 결과를 통해서 알 수 있는 몇 가지 중요한 점을 제시하면 다음과 같다. 우선 공작기계별로 에너지를 주로 사용하는 구성 요소가 차이가 난다는 점이며, 두 번째로 직접적인 절삭공정에 사용되는 에너지(Servo Drive)보다 공압, 스핀들/이송축 냉각 및 절삭유 공급을 위한 에너지가 상당히 많은 부분을 차지한다는 것이다. 즉 공작기계의 소비에너지 효율을 높이기 위해서는 공압 등 부가적인 에너지 소비량을 줄이기 위한 노력이 우선적으로 진행되어야 함을 알 수 있다.

상기 개발된 공작기계 소비에너지 평가시스템을 이용해서 국내 공작기계 제조사가 자사의 공작기계가 사용되는 공장에서 소비에너지를 분석하자 소비에너지 저감을 위한 다양한 방법을 제시할 수 있었다. 이를 통해 절삭유 펌프 시스템을 개선하고, 압축공기의 상시 소모량을 제어하는 것만으로도 상당한 개선 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 즉 서보 드라이브, 절삭유 펌프, 냉각시스템의 소비에너지를 줄이기 위해 사용되는 모터의 등급(IE; International Efficiency)을 올리는 것만으로 큰 효과가 있었다. 그러나 이러한 방법은 장비의 제조원가 상승을 수반하기 때문에 가격경쟁력 하락으로 이어지게 된다. 이러한 이유로 국내 공작기계 제조사는 공작기계의 주요 부가장치들을 필요한 만큼만 가동하게 하는 시스템 기술에 대해 계발 계획을 세우고 있으며, 산업부에서도 이를 지원할 방안을 마련하고 있다. 해외 선진사들도 공작기계의 주요 부가장치에 대한 실시간 가동률 제어가 가능한 장비를 친환경 장비라고 적극적으로 홍보하고 있다.

4. 해외 기술개발 동향

유럽과 일본은 공작기계의 에너지 효율성 향상을 위한 기술개발에서 선도적인 역할을 하고 있다. 유럽은 특히 탄소중립 목표를 달성하기 위해 장비 제조 및 운송 과정에서 에너지 소비를 최소화하는 기술개발에 집중하고 있으며, 일본의 공작기계 제조업체들도 에너지 소비를 줄이기 위한 기술개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 2023년 독일의 하노버에서 개최된 공작기계박람회(EMO)는 공작기계 소비에너지 효율화에 대한 주요 선진 공작기계 제조사들의 각축전이라 할 만큼 다양한 기술과 제품이 소개되었다. 디엠지모리(DMG MORI)는 2030년까지 공작기계에서 발생하는 이산화탄소의 양을 2019년 대비 30% 줄이겠다고 선언했으며, 마작(MAZAK)도 2030년까지 2010년 대비 환경효율을 4배 향상시키겠다고 선언하는 등 강력한 탄소중립 의지를 수치화하여 구체적으로 제시했다. 해외 선진사 대부분은 공통적으로 공작기계 주변 장치들의 실시간 제어, 대기전력 저감 및 공정 최적화를 통해 소비에너지 저감기술을 상용화하고 있다. 주요 해외 선진사들의 기술개발 동향을 정리하면 다음과 같다.
공작기계 소비에너지 저감에 대해 가장 공격적인 기술개발 및 마케팅 활동을 벌이고 있는 업체는 디엠지모리다. Green Mode라는 브랜드명을 통해 절삭유 공급 펌프와 스핀들/이송계 냉각을 위한 유량 제어를 중심으로 다양한 에너지저감기술을 소개하고 있다. 소비에너지 저감을 위한 총 13개의 방법을 그림 8과 같이 제시하고 있으며, 자사의 공작기계용 사용자 인터페이스인 CELOS를 기반으로 에너지 소비 데이터를 수집하고 분석하여 작업자가 에너지 사용을 최적화할 수 있도록 지원하고 있다. CELOS는 기계의 상태를 실시간으로 모니터링하여 에너지 낭비가 발생하지 않도록 조치할 수 있으며, 장비의 대기 상태와 작동 모드 사이의 전환을 관리하여 에너지 소비를 최소화하도록 지원하고 있다.

공작기계는 정밀도를 유지하기 위해서 스핀들과 이송축을 일정한 온도로 유지하기 위한 냉각시스템을 장착하는 경우가 많은데, 이러한 냉각시스템을 운용하기 위해서 상당한 에너지가 소비되고 있다. 디엠지모리는 냉각시스템을 최적으로 운용하기 위해서 역동적 모델링을 통해 냉각시스템의 거동을 예측하고 제어하는 기능을 개발하여 제공하고 있다. 절삭유 공급과 관련해서도 가공하는 제품의 품질을 유지할 수 있는 최적의 유량과 압력을 설정하고 유지할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 다양한 공구가 사용되는 공작기계에서 공구별로 최적화되어 조절되는 절삭유 공급장치는 항시 일정한 압력과 유량으로 절삭유를 제공하는 일반적인 절삭유 공급장치에 비해 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다고 소개하고 있다. 그림 9는 동일한 형상을 가공할 때 일정한 압력의 절삭유를 사용할 때와 비교해서 절삭유 공급을 적절하게 조정함에 따라 약 20%의 에너지 저감 효과가 있음을 보여주고 있다.

디엠지모리는 자사의 여러 가지 기능을 복합적으로 적용하여 ISO 14955를 기준으로 에너지 소비량을 최대 36%까지 줄일 수 있음을 수치화하여 제시하고 있으며, 이산화탄소 및 비용적인 효과를 정량화하여 제시하고 있다.

일본의 공작기계 제조업체인 마작과 오쿠마(Okuma)도 각각 GO GREEN과 ECO SUITE라는 브랜드명을 통해서 에너지 저감 기술을 소개하고 있다. 마작과 오쿠마도 디엠지모리가 제공하고 있는 소비에너지 저감 방법을 대부분 제공하고 있다. 즉 냉각장치 및 절삭유 공급장치의 에너지 소비를 저감하기 위한 기술을 유사하게 제공하고 있다.

마작은 공작기계에 장착되는 유압장치와 냉각장치의 효율을 높여서 연간 20%에 달하는 에너지를 줄일 수 있다고 제시하고 있다. 그 외에도 절삭유의 슬러지를 99% 제거하는 효율적인 절삭유 공급장치를 제공하고 있다. 마작이 제공하는 사용자 인터페이스인 마자트롤(Mazatrol)의 에너지 세이버를 통해 절삭유를 제어하고 대기전력을 저감하는 기능도 함께 제공하고 있다.

오쿠마도 디엠지모리나 마작과 유사한 에너지 저감 방안을 제시하고 있으며, 특히 열적 안정성 확보를 위한 장비의 구조 개선을 통해 냉각시스템 자체의 사용량을 줄이는 노력을 함께 진행하고 있다. 또한 장비가 가동되지 않는 시간에는 필요하지 않은 부가장치의 전력을 차단하고, 기계가 다시 작동할 준비가 될 때 최소한의 에너지로 빠르게 재가동할 수 있는 대기전력 저감기술도 상용화하여 고객에게 제공하고 있다.

상기 서술한 바와 같이 공작기계의 소비에너지를 저감하기 위한 기술개발은 해외 선진 공작기계 제조사를 중심으로 활발하게 이루어지고 있다. 소비에너지에 대한 규제는 무역장벽이 될 소지가 크기 때문에 우리나라 공작기계 제조사들의 적극적인 대응이 요구되는 시점이다. 산업부의 지원을 통해서 국제표준에 기반한 공작기계 소비에너지 측정시스템이 우리나라 자체 기술로 개발되어 현장에서 검증을 거치고 있는 점과 이 측정시스템을 활용해서 우리나라 공작기계의 소비에너지 저감을 위한 핵심 방법을 제시할 수 있다는 것은 이러한 노력의 기초를 다질 수 있는 시의적절한 시도였다고 평가할 수 있다.
공작기계 에너지 저감이 중요한 마케팅 전략의 하나가 되고, 이는 이 시점에 산업부의 지원을 통해서 ‘에너지 저감기술이 적용된 친환경 지능형 공작기계 개발’ 과제가 시작하게 된 것은 큰 의미가 있다. 2024년 시작하는 본 과제는 2027년까지 국내 공작기계산업의 주력 품목인 터닝센터와 머시닝센터를 대상으로 해외 선진사와 비교해서 동등하거나 우월한 에너지 저감율(30%)을 갖는 신규 장비를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
우리나라는 공작기계 소비 기준으로 전 세계 6위에 해당하는 큰 시장임에도 불구하고 EU나 일본 등 주요 국가에 있는 고효율 공작기계 도입 장려 정책이 없다는 것은 글로벌 탄소중립 규제에 대한 대응과 우리나라가 추진하는 탄소중립 추진전략 모두에 배치된다. 운송 기계에 적용되고 있는 에너지효율등급과 유사한 인증체계가 공작기계 산업에도 필요할 것으로 예상되며, 국제표준 기반의 공작기계 소비에너지 평가체계는 좋은 척도가 될 것이다.
마지막으로 공작기계가 소비하는 에너지를 줄이는 또 하나의 중요한 방법으로 공작기계를 효율적으로 운용하기 위한 공정 최적화의 중요성을 강조하고자 한다. 너무 당연한 말이라서 강조하는 것이 무색하기도 하지만, 공작기계가 다양한 친환경 요소를 가지고 있다고 해도 장비 가동률을 높게 유지하지 못하거나 가공시간의 단축을 위해 노력하지 않는 경우 에너지 저감 효과는 크게 떨어진다. 해외 선진사 모두 공정시간 단축을 목표로 공정 최적화를 위한 다양한 기술을 공작기계에 탑재하고 있는데, 가공시간을 줄이는 것이 소비에너지를 효율적으로 줄이는 가장 손쉬운 방법이기 때문이다. 소재, 공작기계, 절삭공구, 부품의 형상/ 품질 등이 밀접하게 연계되어 상호 간에 영향을 주는 절삭공정을 최적화하기 위한 연구가 앞으로 지속적으로 필요한 이유이기도 하다.

5. 시사점

출처 및 참고자료

1. Berend Denkena, et. al., Energy efficient machine tools, CIRP Annals, Vol. 69. Issue 2., pp. 646-667. 2020.; doi.org/10.1016/j.cirp.2020.05.008

2. “Energy Efficiency Directive”, European Commission.; energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency /energy-efficiency-targets-directive-and-rules/energy-efficiency-directive_en

3. “EU carbon border adjustment mechanism: Implications for climate and competitiveness”, European Parliamnet, 2023.06.13.; europarl.europa.eu/thinktank/en/document/EPRS_BRI(2022)698889

4. HMIPlatform 홈페이지.; www.torus.co.kr

5. DMG MORI 홈페이지.; en.dmgmori.com

6. Mazak 홈페이지.; www.mazak.com

7. OKUMA 홈페이지.; www.okuma.com

8. “ISO 14955-1:2017”, International Organization for Standardization, Edition 2, 2017.11.; iso.org/ standard/70035.html

저자 : 심창섭 첨단장비PD / KEIT 박진용 책임 기계로봇장비실 / KEIT 이동윤 수석 / 한국생산기술연구원 이재학 선임 / 한국생산기술연구원

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