지속가능 섬유 소재 추적성과 저탄소화 공정

원래의 공급망 추적성(supply chain traceablity)의 개념은 비즈니스 품질과 사회적 책임을 평가하기 위한 목적으로 원료 출처, 생산 위치, 유해물질 여부, 직원의 업무강도 등을 기록, 관리하는 광범위한 개념이다. 하지만 최근에는 지속가능성을 평가하기 위한 목적으로 원료 추출에 의한 탄소배출량, 에너지, 자원의 소비량 등의 데이터를 추가 수집하여 분석한다(“Traceability and Transparency”, 2021).

Fig. 1.

Schematic diagram of sustainability keywords. Traceability and Transparency(2021). https://unece.org

Fig. 2.

Schematic diagram of traceability between other groups within valuechain. Traceability and Transparency(2021). https://unece.org

섬유 산업에의 추적성은 원사, 원단의 제조공정에서부터 유통, 소비, 폐기 및 재활용에 이르는 전체 수명 주기를 추적하는 기능이다. 예를 들어 면 제품의 경우 목화를 재배하여 수확하는 과정에서부터 방적, 제직, 염색, 봉제 등 제조공정을 거쳐 유통과 소비자 사용 후 폐기까지 전 과정 데이터를 추적한다.

지속가능성을 위한 추적성은 매우 중요하다. 기업과 제품의 지속가능성을 객관적으로 평가하여 입증하기 위한 중요한 도구이다. 예를 들어 원단 기업의 리싸이클 소재 사용 비중을 판단하기 위해서는 원사의 출처를 증명하고 제품별 생산량과 혼용율 등의 데이터가 필요하다. 현재는 GRS 등의 인증을 통해 관리하고 있지만 지속적인 데이터 수집과 분류, 분석을 통해 객관성을 높이고 보급화 하는 것이 필요하다. Nimbalker(2015)의 연구에 따르면 브랜드의 약 15%가 원자재 공급업체에 대한 정보가 없고 전체 공급망에 대한 완전한 정보가 있는 브랜드는 10% 미만이었다.

본 논문에서 주로 언급할 ‘에너지 소비’도 마찬가지이다. 전력, 스팀, 화석연료 등의 사용량이 공정별로 구분되어 있지 않으며 제품별 에너지 사용량을 ‘추측치’로만 산정 가능하다. 따라서 개체별 센서, 계측기 등을 사용하여 직접 데이터를 수집하여 제품별 정확한 에너지사용량 산출이 필요하다.

섬유 산업의 추적성의 한계는 물리적으로 분산된 공급망과 데이터 수집 비용이다. 특히 섬유 산업의 공급망은 고도로 분산되어 추적성을 구현하기가 어렵다. 예를 들어 면은 미국, 인도, 양모는 호주가 중심 생산국이며 그 외에도 다양한 원료 공급원이 존재한다. 원사의 경우 중국, 베트남 등이고 원단의 경우 중국, 방글라데시, 베트남 등이며 모든 공급원에 일괄적인 데이터 포맷을 적용하여 많은 데이터를 수집하는데 한계가 있다(Obser, 2015).

또한 이러한 데이터를 취급하는 기관의 공인성과 데이터 수집, 관리하는 방법의 신뢰성을 확보하는 것도 과제이다. 인증 기관과 글로벌 주요 브랜드를 중심으로 표준을 개발하여 취급하고 있지만 추적성의 보급화와 투명성 확보는 여전히 쉽지 않은 상황이다(Kumar et al., 2017).

추적성은 크게 물리적 추적성(physical traceability)과 디지털 추적성(digital traceability)로 나눌 수 있다.

물리적 추적성은 원사, 원단 소재에 식별(identified) 기구를 탑재하여 활용하는 방법으로 미시적(micro) 식별 기구와 거시적(macro) 식별 기구로 나눌 수 있으며 미시적 식별 기구 사례는 목화, 플라스틱 등의 화학성분을 식별화하여 면 제품의 원료를 추적(社Oritain, 社Fibertrace)하거나 DNA를 식별화하는 방법(社Haelixa)이고 거시적 식별 기구는 수 μm 크기의 미세바코드를 원사 또는 원단에 식각하는 방식이다.

Fig. 3.

Schematic diagram of physical dispersion and limitation of supply chain of textile industry. Obser (2015).

Fig. 4.

Tracking method through chemical composition fingerprinting on cotton. Oritain (2023). https://oritain.com.

디지털 추적성은 데이터의 고유성을 관리하는 데에 초점이 맞춰져 있으며 먼저 섬유 소재의 식별을 물리적 식별 방법 또는 QR코드, RFID칩 등을 사용하여 디지털 스캔할 수 있으며 식별된 데이터의 고유성을 증명하기 위해 블록체인으로 관리된다.

社Textile Genesis와 社Trustrace는 디지털 블록 체인 기반 토큰인 ‘Fibercoins’를 사용하여 섬유, 필라멘트, 직물, 원사, 의류 등 자산의 세부 정보를 디지털화 하고 관리한다. 저장된 정보는 오픈 API로 누구나 조회할 수 있으며 소비자는 구매한 제품의 원료-원사-원단-제품까지의 제조과정, 성분 등을 확인할 수 있다.

특히 社Crystalchain은 탄소배출과 관련된 정보를 블록체인화하여 관리 할 수 있으며 ‘에코코인(eco-coin)’을 사용하여 ‘자원 · 물사용’, ‘에너지사용’, ‘운송 · 유통’ 등의 정보를 담아 취급한다. 社Crystalchain은 이산화탄소 배출량을 산출하기 위하여 각 공정의 계측기를 설치하고 정해진 매뉴얼에 따라 데이터를 수집한다.

섬유 산업의 탄소배출량을 추적하기 위해서는 제품기획-제조-유통과정의 특성과 탄소배출원에 대한 파악이 필요하다. 특히 섬유산업은 앞서 언급한 바와 같이 제 · 편직, 염색가공 등 제조공정에서 에너지 사용으로 인한 이산화탄소 배출량이 절반 이상이므로 각 공정에서 사용하는 에너지원과 소비 과정을 이해하는 것이 중요하다.

염색가공 공정에서 사용되는 주 에너지원은 스팀과 LNG이다. 염색, 정련, 수세 공정 등은 제품별로 다소 차이는 있지만 90~130^oC 정도로 급수(supply water)를 가열하여 사용하고 주로 원통다관 형태의 ‘열교환 가열기’를 사용한다. 가열 원리는 폐수 열교환기 일부 원리와 동일하다.

Fig. 5.

Tracking method through cotton DNA identification. Haelixa (2023).

Fig. 6.

Tracking method using blockchain. Textile Genesis (2023).

Fig. 7.

Information of carbon emission including energy consumption. Crystalchain (2023).

가열된 급수는 염색, 정련, 감량, 수세 등의 공정에서 사용한 뒤 약 70^oC 내외 고온폐수로 배출된다. 염색가공 기업에서 배출되는 고온폐수는 기업당 연 8만톤 정도이며 전체 폐수량(20만톤)의 약 40%이고 스팀사용량(17,310톤)의 약 4.7배이다(대구염색산단 124개사, 2018년 기준). 고온폐수의 폐열을 회수하여 신규 급수를 가열하는데 사용하면 스팀사용량 약 10~20% 정도를 절약할 수 있으며 연간 277~554톤 CO₂의 이산화탄소 배출을 절감할 수 있다(Kim & Lee, 2023)

건조, 텐터, 모소, 호발 등의 공정은 LNG 버너를 사용하여 수~수십 m³이상의 넓은 공간을 150~200^oC로 가열한다. 물론 원단의 촉감, 컬러 등의 특성에 따라 스팀으로 작동되는 열매식 가열기(heat medium), 캔드라이어(can dryer) 등을 사용하기도 한다.

건조, 텐터 등의 공정에서 배출되는 120^oC이상의 고온 배기가스는 기업당 320 m³/min 이상(환경공단 대기배출시설 구분 3종 사업장 이상 기준)의 속도로 배출되며 대부분의 배기가스는 열회수 없이 폐기된다. 배기가스의 폐열을 기체-액체 열교환을 통해 급수로 열을 회수하면 10% 정도의 스팀을 절약할 수 있으며 이산화탄소 277톤 CO₂ 배출을 절감할 수 있다(반월 염색공단 ㈜평화 설치사례).

단 섬유공정에서 배출되는 배기가스 온도는 철강(1000^oC 이상), 석유화학(400^oC이상) 등의 타 산업 공정에 비해 온도가 낮아 폐열 회수 효과는 상대적으로 낮을 수 있다(Lee, 2001).

제직, 편직 등의 공정은 모터를 사용하여 실을 꼬고 실 패를 감아 이송한 후에 적절한 조직으로 배치하여 원단을 생산하는 공정으로 주로 모터, 컴프레셔 등의 설비를 통해 전기에너지를 기계 에너지로 전환해 사용한다.

모터의 경우 권사, 연사, 사가공 등의 공정에서 기업당 수 백개의 5 kW 미만 소형 모터를 사용하고 있으며 정경기, 편직기, 제직기 등의 공정에서는 10~20 kW의 중소 용량 모터와 40 kW 이상의 고용량 모터가 사용된다. 용량이 큰 모터를 사용하는 생산 설비는 실이 빔에 모여 무겁고 높은 토크를 요구 한다.

한편 컴프레셔는 제·편직 공정에서 두루 사용되고 있으며 기업 전체 전력 사용량의 절반 이상을 사용한다. 특히 제직 공정은 위사를 횡방향으로 이송하기 위해 에어젯 또는 워터젯 방식의 노즐을 사용하는데 노즐에 공급되는 공기압을 생산하기 위하여 많은 컴프레셔의 전력을 사용한다.

ATY 등 사가공 공정에서도 실의 부피감, 벌키함 등을 부여하기 위해 많은 공기압이 사용되며, 지그(jig), 밸브(valve) 등 ‘공기압 액츄에이터’ 작동을 위해서도 컴프레셔가 사용된다.

또한 제·편직 공정은 실 또는 원단 간 마찰이 빈번히 발생하여 제품 손상과 화재가 발생하기 쉽다. 이를 방지하기 위해 공장 내 일정 이상 습도를 유지하는 것이 중요하며 가습기, 물펌프 등의 공조(air condition) 설비 전력 사용량도 높다.

Fig. 8.

Schematic diagram of dyeing·finishing process and low-carbonize facilities. Korea Textile Trade Association(KTTA, 2023), p.12~13.

Fig. 9.

Facilities of dyeing and finishing process using steam and LNG; (a) heating apparatus for a dyeing machine (shell-and-tube heat exchange), (b) tenter machine, burner for dryers (lng burner), ⒞ can dryer (using steam), (d) steam boiler. KTTA (2023), p.16~27.

노후된 모터, 컴프레셔, 펌프 등은 과부하에 의해 전력이 낭비되며 주기적으로 저전력 신품으로 교체하는 것이 필요하다. 또한 생산과정에서 발생하는 과부하를 실시간으로 모니터링하고 차단하여 효율 개선을 통해 이산화탄소 배출을 감축할 수 있으며, 기업당 10~20%(약 60~120만kWh, 대구·경북 직물기업 전력사용 평균) 정도 전력을 절약할 경우 285~570톤CO₂의 이산화탄소를 감축할 수 있다. 전력 절감에 따른 이산화탄소 감축량 산출식은 식 1과 같다(Ministry of Strategy and Finance - Korea Environment Corporation, 2022).

염색가공 공정에서 에너지 절약 효과가 가장 좋은 저탄소화 방법은 공정에서 발생하는 고온 폐수의 폐열을 회수, 재활용하는 방법이다.

Table 2.

Properties and varieties of heat exchanger (liquid to liquid)

염색가공 공정에서 배출되는 고온 폐수는 70^oC 이상이며 염료, 용매, 섬유 찌꺼기 등의 부유물이 포함되어 있어 그대로 재사용하지는 못하지만 ‘액체-액체 열교환(liquid-liquid heat exchange)을 통해 청급수(pure water)를 가열하여 폐열을 재활용할 수 있다.

액체-액체 열교환기 선택 시에는 생산현장과 제품에 따라 폐수 상태가 다르며 기업 실정에 맞는 설비를 선택하는 것이 매우 중요하다. 특히 부유물에 의한 막힘 대응(청소주기 등)이 가능한지 여부와 공급되는 스팀압력, 염색온도 및 속도 등에 따라 열교환기 종류, 용량이 달라진다.

액체-액체 열교환기는 다단순환형, 원통다관형, 판형 총 3개 타입으로 나눌 수 있으며, 가장 많이 사용되고 있는 다단순환형은 폐수가 흐르는 수로의 폭이 넓어 부유물에 의해 잘 막히지 않는 것이 최대 장점이다. 반면에 전열(heat exchange)되는 표면적이 적어 열교환 효율은 높지 않다.

원통다관형은 수십 mm 직경의 원통관을 수로로 사용하여 전열 면적이 넓고 열교환 효율이 높으나 원통관 간 사이를 통과하는 폐수 수로가 좁아 막히고 세척 및 관리하기가 어렵다. 판형식은 가격이 저렴하고 구조가 단순하다는 큰 장점이 있으며 열교환 효율은 보통 수준이고 반면에 부유물에 의한 수로막힘에 가장 취약하며 고압에서는 사용이 어렵다.

원통다관형과 판형식은 부유물에 취약한 점을 극복하기 위하여 최근 역세식 세정장치(back washing)를 사용해 단점을 보완하였다.

최근 열교환기를 도입한 기업 사례를 살펴보면 다단순환형(62.5%), 원통다관형(25%), 판형(12.5%) 비중으로 설치 되었으며 일 100톤~600톤 용량의 설비를 사용하였다. 특히 70^oC이상의 고온 폐수를 처리하는 기업은 상대적으로 용량이 적은(일100톤~450톤) 설비를 사용하였지만 40~50^oC의 종합폐수를 처리하는 경우 일 600톤 이상 용량의 설비를 사용하였다.

액체-액체 열교환기를 통해 감축된 이산화탄소 감축량(E_R)은 식 2와 같이 계산할 수 있으며 열교환 전, 후의 고온 폐수 간온도차(△T_ex)와 일 처리 용량(m_ex), 가동일수(d_ex), 열교환 효율(η_ex)을 통해 산출할 수 있다.

다음으로 건조, 텐터 등의 배기가스 열을 회수하기 위한 설비이다. 배기가스 열을 회수하는 설비는 크게 2가지로 나눌 수 있으며 ‘기체-액체 열교환 법(gas-liquid heat exchange)’과 ‘열전 발전(seebeck’s thermal-electric generating)’이다.

Table 3.

Case of installing heat exchanger(KTTA, 2023)

Fig. 12.

Examples of heat exchanger(gas to liquid) installation and principle to heat exchange. KTTA (2023), p.24

기체-액체 열교환기는 철강, 석유화학 등의 수백 ℃ 이상의 배기가스에서 주로 사용하는 방법이나 최근 설비 기술의 발전으로 120~200^oC에서도 열교환이 가능한 설비가 공급되고 있다(Ansan Green Environment Center, 2012).

국내 공급되고 있는 설비를 살펴보면 주로 냉각탑(백연저감 등)의 앞 단에 설치하고 형상은 원통다관형과 유사하다. 여러개의 관을 통해 고온의 배기가스가 주입되고 주변에 급수가 함께 공급되어 열교환하는 구조이다.

기체-액체 열교환 기술에서 중요한 점은 상대적으로 이동 자유도가 높은 기체의 유체역학적 특성을 고려하여 기체관을 설계하고 기체의 열 분포가 균일하게 유지되는 것이 중요하다. 국내 기업 중 한 곳은 기체관 내부를 ‘싸이클로닉 날개(cyclonic vane)’ 구조로 설계하여 열교환 효율을 높였다.

기체-액체 열교환기를 통해 감축된 이산화탄소 감축량(E_R)은 가열된 급수의 온도변화를 통해 산출할 수 있으며 산출방법은 식 3와 같다.

열전 발전기는 배기가스열을 전기에너지로 전환하는 설비이다. 반도체 소자 양면의 온도차에 의해 전자와 정공이 이동하여 전력이 생산되는 제백 효과(Seebeck’s effect)를 활용한 방법이다. 공장에서 사용되는 대규모의 열전발전기는 기체 이송의 어려움을 극복하기 위해 액체로 열교환 후 제백 소자를 통해 발전(generating)한다.

하지만 기체-액체 열교환기과 마찬가지로 극고온(수백 ^oC 이상)의 배기가스 배출 산업에서 주로 사용하는 설비이며 온도가 낮을 경우(200^oC 미만) 기체-액체 열교환기보다는 효과가 적다. 생산전력은 10 kW 미만으로 알려져 있다.

염색, 정련, 수세 공정 등은 ‘열교환 가열기’를 통해 스팀의 열을 급수에 전달, 가열하며 Fig. 14과 같다. 열을 빼앗긴 스팀은 응축·액화(condensate and liquefaction) 되며 응축수로 생성되어 바이패스(bypass)로 배출된다.

Fig. 13.

Schematic diagrams of principles and construction of thermoelectric generator; (a) seebeck effect, (b) construction of thermoelectric generator. KTTA (2023), p.24

Fig. 14.

Schematic diagrams of dyeing process by steam. KTTA (2023), p.18

응축수는 새로운 스팀이 공급되는 것을 방해하기 때문에 빠르게 배출하는 것이 중요하며 응축수는 스팀과 혼재되어 있기 때문에 스팀 트랩(steam-trap)을 사용하여 스팀의 누수를 차단하고 응축수만 빠르게 배출해야 한다.

일반적으로 염색기당 응축수 생성속도는 분당 1~5 리터 정도이며 현재 가장 많이 보급된 ‘기계식 스팀 트랩(mechanical trap)’은 응축수 배출통로가 좁아 분당 0.5 리터 미만의 속도로 배출한다. 응축수 생성에 비해 배출속도가 느리면 염색 공정의 가열속도(생산속도)를 떨어뜨리고 트랩에 손상이 발생한다.

실제 현장에서는 트랩이 손상되고 응축수 배출 불량이 발생해 가열속도가 지연되는 경우가 많으며 현장 근로자들은 생산속도를 맞추기 위해 수동 밸브(non-steam trap valve)를 임의 개폐하는 경우가 많았다. 고장난 트랩에서 누수되는 스팀 손실과 현장 근로자 임의조작에 의한 손실 양을 모두 합치면 전체 스팀사용량의 5~10% 정도가 손실된다.

따라서 응축수가 배출되는 속도에 제한이 없고 스팀은 정확하게 가둘 수 있는(trapping) ‘전자식 스팀트랩(electronic trap)’ 도입이 확산되고 있다. ‘전자식 스팀트랩’은 볼(ball)의 부력을 통해 통로를 개폐하는 ‘기계식’과는 다르게 ‘수위 센서(water level sensor)’를 사용하여 응축수 양을 측정하고 정해진 수위 이상이 되면 배출하는 구조이다. Fig. 15와 같이 구조상 배출통로 직경의 제한이 없으며 전자식 센서를 사용하여 정확도가 높고 파손의 위험도 적다.

Fig. 15.

Schematic diagrams of steam traps by type; (a) machanical ball trap, (b)electrical trap. KTTA (2023), p.18

Table 4.

Case of installing electrical steam trap

최근 전자식 트랩을 설치한 기업의 스팀 절약효과는 약 10% 정도이며 배치식 염색기(윈치, 래피드 등), 로터리워셔, 정련기 등에 설치하였고 기업당 5~15대를 설치하여 58~271톤 CO₂의 이산화탄소를 감축하였다. 스팀 절약을 통해 감축된 이산화탄소 양은 다음 식 4와 같이 산출한다.

텐터 공정은 염색가공에서 고온의 배기가스를 배출하는 가장 대표적인 공정이다. 텐터는 원단의 폭을 일정하게 규격화하고 수축률(세탁, 일광 등)을 낮추는 공정이며 후가공을 위한 전처리를 목적으로도 사용한다.

주로 LNG 버너를 사용해 열을 생산하고, 생산된 열은 2%만이 원단에 흡수된다. 나머지는 챔버열을 유지(37%)하거나 손실(61%)된다. 손실되는 열의 절반은 배기휀을 통해 손실되고 나머지는 챔버 벽 또는 원단 출구를 통해 손실된다(Park, 2016).

텐터기는 수십 미터의 챔버로 구성되었으며 배기휀 작동에 따라 내기를 외부로 유도 배출한다. 너무 많은 양이 배기휀을 통해 배기 되면 손실되는 에너지가 클 뿐 아니라 습도가 낮아져 원단의 품질에도 악영향을 줄 수 있다. 반대로 배기량이 너무 적을 경우 습도가 높아지고 챔버압이 높아져 설비에 문제를 초래한다.

따라서 적정량, 적정 시점의 배기휀을 제어하는 것이 필요하며, 최근 Fig. 16과 같이 챔버 내에 온·습도센서를 설치하고 원단 표면의 온도를 함께 측정하여 데이터를 기반으로 배기휀을 제어하는 시스템이 관심을 받고 있다.

Fig. 16.

Schematic diagrams of heat energy efficiency before and after install stenter fan auto control systems. KTTA (2023), p.25

Table 5.

Main component of stenter auto fan control system

Table 6.

Varieties of insulation facilities

Table 7.

Methods of reducing electric energy for motor

Table 8.

Proportion of cause of overload for decrepit motor parts

텐터 배기휀 제어시스템의 주요 구성품은 챔버 내 온습도를 측정하는 센서, 원단 온도센서, 센서 제어 단자박스, 배기휀 제어 부품 및 소프트웨어이며 특히 온·습도 센서는 독일 기업인 社PLEVA에서 유일하게 공급하고 있다.

텐터 배기휀 제어를 통해 감축된 이산화탄소량(ER)은 절약 된 LPG량으로 산출 할 수 있으며 산출방법은 식 5와 같다.

동절기에 생산설비와 배관에서의 열손실로 인해 스팀, LNG 소비량이 최대 20% 증가한다(Park, 2016). 따라서 단열재 및 금속 케이싱을 통해 방출되는 열을 차단하여 에너지를 절약할 수 있다.

보온단열재는 글라스울, 미네랄울, 세라믹울 3가지 종류가 있으며 세라믹울이 가장 열수축 온도가 높고 가격이 비싸다. 염색가공 공정 온도는 200^oC 미만임으로 가격이 저렴한 글라스울을 사용해도 충분하다.

금속 케이싱의 경우 스테인리스(SUS)와 알루미늄(STS) 두 가지 종류가 있으며, 스테인리스는 강도가 좋으나 무겁고 열전도율이 떨어져 주로 염색기, 온수 탱크 등에 사용하고 알루미늄은 가볍고, 열전도율이 높아 주로 배관 및 덕트 등에 사용한다.

과부하가 발생하는 노후된 모터를 IE3급 이상의 저전력 신품으로 교체하면 최대 18% 이상의 전력 절감 효과가 있다. 또 인버터를 부착하여 운전과정에서 과부하를 여과하면 5% 이상의 추가 전력 절감효과가 있다(Park, 2016).

공장에서 사용하는 산업용 모터 대부분은 교류전동기이며 고정자(스테이터) 권선에 공급되는 교류전력에 의해 생성된 자기장이 회전자(로터)의 영구자석에 유도되어 전자기력 발생에 의해 회전한다.

노후된 모터의 과부하 원인 대부분은 스테이터의 권선(코일)의 손상(45%)이며 로터의 영구자석 손상(28%), 베어링 등 기구손상(19%) 순이다. 노후된 모터의 과부하를 차단하는 것만으로 5~10%의 전력이 절약된다(Park, 2016).

기업에서 사용하는 노후된 모터 대부분 IE1/IE2 등급이며 IE3로 교체시 4.5% 이상 전력 효율이 개선된다. 모터 등급은 코일, 자석 등의 신소재 사용과 설계 개선 등에 의해 높아지며 IE4 등급의 경우 6.0% 이상 전력 효율이 증가하고 IE5의 경우 IE4에 인버터 기능이 탑재되어 7.8% 이상 전력 효율 개선을 기대할 수 있다(Park, 2016).

적정한 모터 교체 주기는 5년(Park, 2016).이며 IE3 5.5kW 1백대 기준으로 투자 회수기간이 1년 정도인 것을 감안했을 때 주기적인 모터 교체가 오히려 더 경제적이다. 높은 토크가 요구되는 고용량 모터는 IE4 이상 모터로 교체하는 것이 좋다.

최근 노후된 모터를 교체한 기업 사례를 살펴보면 대부분 연사기(twisting machine)의 소형 모터를 교체한 경우이며 5.5kW 모터 1백여 대를 IE3급으로 교체하고 약 300톤 CO₂ 이상의 이산화탄소를 감축하였다.

모터는 적정한 출력과 알맞는 교류 주파수를 사용하여 과부하를 방지하는 것이 필요하다. 실제로 기존 모터를 ‘다운사이징’ 하여 전력 사용을 절감한 사례가 많다. 인도의 Energy Manager Training([EMT], 2008a)에 따르면 정련기의 22 kW모터를 15 kW로 교체하여 연간 12 MWh를 절약한 사례가 있으며 와인딩 설비의 4.5 kW 모터 4개를 2.2 kW로 교체하여 연간 5.5 MWh를 절약하였다.

Table 9.

Improvement effects and prices of low-powered motor by grade

Table 10.

Case of substituting decrepit motors with low-powered motors

컴프레셔는 제직, ATY 등의 공정에 고압의 공기압을 공급하는 핵심 설비이다. 모터와 마찬가지로, 노후에 따라 발생하는 과부하를 해소할 경우 5~10% 전력 절감효과가 있으며 인버터를 부착할 경우 10%의 추가 절감효과가 있다. 구형인 ‘왕복동식’ 컴프레셔를 ‘스크류형’으로 교체할 경우 5% 절감효과가 추가된다.

특히 컴프레셔 선택 시 고려해야하는 중요한 사항은 ‘적정용량(마력수)’, ‘인버터 포함 여부’, ‘비급유식 여부’이다.

보통 공장에서는 100~300 마력 컴프레셔를 3~10대 내외로 운영하는 것이 일반적이며 생산량에 따라 유기적으로 작동 대수를 조절한다. 컴프레셔 용량을 선택할 시에는 전체 운영체계에서의 ‘평균 토출량’, ‘최적 압력’, ‘사용 패턴’, ‘배관구조’, ‘양정’ 등을 고려하여 적정 용량을 산출 하고 모터와 마찬가지로 다운사이징을 하여 에너지를 절약할 수 있다.

Table 11.

Methods of reducing energy using low-powered air compressor

Table 12.

Price and varieties of air compressor(KTTA, 2023)

Table 13.

Case of substituting decrepit air compressor with low-powered air compressor

컴프레셔용 인버터는 토출량을 감응하여 메인 모터의 교류전기 주파수를 조절하는 장치이다. 기존 정속식 컴프레셔는 일정 주파수로 구동되기 때문에 과부하가 발생하지만 인버터를 사용하여 가변속으로 작동하면 과부하를 줄이고 전력을 절약할 수 있다.

Fig. 17.

Schematic diagrams of FEMS for preventing energy loss in weaving process. Energy Greenhouse gas Total Information Platform Service (2020) https://tips.energy.or.kr.

또한 컴프레셔 일부 제품은 공급되는 공기의 청결함을 유지하기 위해 비급유식을 사용한다. 비급유식 컴프레셔는 불순물 함유량이 적어 원단 기업에서는 매우 선호하지만 대신 가격이 비싸다. 최근에는 급유식 컴프레셔에 필터를 부착해서 불순물을 여과하는 경우도 있다.

「2023 섬유소재 공정저탄소화 기반조성 사업」에 참여한 제직, 가연 기업을 중심으로 현장진단 한 데이터를 분석한 결과 노후 컴프레셔 교체 전,후 비교했을때 20% 이상의 전력 절감 효과가 있었으며 특히 기존 설비 보다 적은 용량의 설비로 교체한 곳이 효과가 높았다. 또한 왕복동식을 스크류식으로 교체한 경우가 효과가 높았다.

국내 섬유 산업은 전력 사용 비중 74% 이상으로 매우 높다(Energy Greenhouse gas Total Information Platform Service, 2020). 앞서 언급한 바와 같이 섬유 공정에서는 모터와 컴프레셔 중심으로 전력을 사용하며 설비의 노후, 오버스펙 등에 따른 과부하 발생으로 전력 손실이 발생한다.

FEMS는 설비별 전력 측정을 통해 모니터링하고 분석, 제어를 통해 에너지 손실을 최소화 하는 시스템이다. 다만 모니터링 만으로 에너지 절약 효과가 발생하지 않으며 모니터링 결과를 바탕으로 제어가 별도로 수반되어야 한다.

섬유 공정에서는 FEMS를 활용할 수 있는 다양한 방법이 제시되고 있으며, 다만 직각적인(intuitional) 에너지 절감 효과가 발생하려면 관리 개체 수가 많고 변수 제어가 어려워 에너지 손실이 발생하는 공정이어야 한다. ‘직각적인 효과’란 FEMS설치 직후에 발생하는 실질적 에너지 절약 효과를 의미한다. 이러한 효과를 얻기위해서는 센서, 데이터를 기반으로 제어 솔루션을 제공해야 한다.

예를 들면 제직 공정의 수 십대의 직기와 메인모터가 교류전력에 의해 동작하는데 각각의 메인 모터에 과부하 여부를 측정하기 위한 센서, 계측기를 부착하고 인버터를 통해 모터별 최적의 교류 전력을 분배(distribute)하는 시스템을 구현할 수 있다.