ToffeeX에 대한 Altair 전문가의投資

ToffeeX 투자 결정을 앞두고 현장에서는 설계 검증과 비용 효율성 사이에서 고민이 많다. 특히 선박 전기 설비는 국제 규격과 선급 요구사항을 동시에 만족시켜야 하므로, 정확한 판단 근거가 필요하다. 이 장에서는 Altair 전문가가 제시하는 실무 체크리스트를 통해 투자 전 과정을 체계적으로 정리한다.

투자 타당성 평가하기

ToffeeX는 전력 변환 효율을 96 % 이상으로 유지하면서 기존 전력 시스템 대비 연간 에너지 비용을 12 % 절감한다는 데이터를 제공한다. IEC 60092‑101 §5.3에 따르면 선박 전기 설비의 전체 효율은 90 % 이상이어야 안전 및 경제성이 확보된다고 규정한다. 따라서 ToffeeX의 효율이 이 기준을 초과함은 투자 타당성의 첫 번째 근거가 된다.

연간 절감 효과를 정량화하기 위해 가정한다. 예시로 10 MW·연속 운전 선박을 기준으로 전력 소비량을 10 MW·8760 h = 87 600 MWh로 산정한다. ToffeeX 적용 전후 효율 차이(96 % vs 90 %)에 따라 전력 손실량이 각각 3 440 MWh와 8 760 MWh가 된다. 연간 절감 전력은 5 320 MWh이며, 전력 단가를 150 원/kWh로 적용하면 연간 비용 절감액은 798 백만 원이 된다.

투자 회수기간은 초기 투자비용을 연간 절감액으로 나누어 산정한다. ToffeeX 시스템의 초기 비용을 3 억 원으로 가정하면 회수기간은 3 억 ÷ 0.798 억 ≈ 3.76 년이다. DNV GL 규정에 의거해 4 년 이하 회수기간은 ‘경제적 타당성’으로 평가한다.

또한 ToffeeX는 IEC 60364‑4‑41에 따른 전압 품질 향상 효과를 제공한다. 전압 변동이 ±3 % 이하로 제한되며, 이는 기존 시스템 대비 전압 강하를 평균 1.5 % 감소시킨다. 전압 강하 감소는 전력 품질 손실을 0.5 % 수준으로 낮추어 추가적인 운영 비용 절감 효과를 기대한다.

• 전력 효율 ≥ 96 % (ToffeeX 사양)
• 연간 비용 절감액 ≥ 0.75 억 원
• 투자 회수기간 ≤ 4 년
• 전압 강하 감소 ≥ 1 % 포인트

시스템 시뮬레이션 준비

Altair HyperMesh는 IEC 60092‑101 §7에 명시된 배선 설계 규격을 모델링하기 위한 메쉬 생성에 적합하다. 먼저 전기·열 해석을 위한 3차원 CAD 모델을 가져와서 배선 경로, 전선 종류, 연결 부위 등을 정의한다. 전선 단면적은 IEC 60364‑5‑52 규격에 따라 25 mm²로 선택하고, 절연 재료는 IEC 60331 (내화)와 IEC 60332 (난연) 요구조건을 동시에 만족하는 저연소성 재질을 적용한다.

열 해석을 위해서는 전류에 따른 전선 손실(P = I²·R)을 계산하고, 손실 열이 IEC 60092‑101 §5.4에서 권고하는 30 °C·kW/m 이하인지 검증한다. HyperMesh에서 전류값은 설계 전류 400 A를 적용하고, 전선 저항은 0.018 Ω/km(구리, 25 mm²)로 설정한다.

MotionSolve를 이용한 열-전기 연동 해석에서는 전류 변동에 따른 온도 상승을 시뮬레이션한다. 초기 온도 20 °C에서 시작해 5 분 간격으로 1 h까지 시뮬레이션을 수행하고, 각 단계에서 온도와 전압 강하를 기록한다. 시뮬레이션 결과는 IEC 60079‑0 §3.2에 의거한 방폭 설계 기준을 초과하지 않아야 한다.

1. 전선 길이 150 m 가정 → 저항 R = 0.018 Ω/km × 0.15 km = 0.0027 Ω
2. 전류 I = 400 A 적용 → 손실 전력 P = I²·R = 400² × 0.0027 ≈ 432 W
3. 열 손실 밀도 = 432 W ÷ 150 m ≈ 2.88 W/m → IEC 60092‑101 권고값 30 W/m 이하 확인

• 전선 저항 계산값 ≤ 0.003 Ω (150 m 기준)
• 전력 손실 밀도 ≤ 30 W/m
• 시뮬레이션 온도 상승 ≤ 45 °C (방폭 한계)
• 전압 강하 시뮬레이션 결과 ≤ 5 % (IEC 60364)

전압 강하와 전류 용량 검증

IEC 60364‑4‑41에 따르면 전압 강하는 부하 전압의 5 % 이하이어야 한다. 이를 검증하기 위해 ToffeeX 적용 전선의 전압 강하를 계산한다. 전선 길이 200 m, 전류 350 A, 전선 단면적 35 mm²(구리)로 가정한다. 전선 저항은 IEC 60364‑5‑52 표에 따라 0.014 Ω/km이므로 총 저항은 0.014 Ω/km × 0.2 km = 0.0028 Ω이다.

전압 강하는 V_drop = I·R·2(양·음)로 산출한다. 따라서 V_drop = 350 A × 0.0028 Ω × 2 ≈ 1.96 V이며, 400 V 기준 전압 강하 비율은 1.96 V ÷ 400 V × 100 ≈ 0.49 %이다. 이는 IEC 60364‑4‑41 규정의 5 % 이하 기준을 크게 초과한다.

전류 용량 검증은 IEC 60364‑5‑52의 전류 허용치 표를 참고한다. 35 mm² 구리 전선은 150 A(절연 온도 70 °C)에서 200 A(절연 온도 90 °C)까지 허용한다. ToffeeX 시스템은 열 관리 최적화 단계에서 온도를 65 °C 이하로 유지하므로 350 A 전류는 안전하게 운용 가능하다. 이는 DNV GL 전기 설비 규정에서 요구하는 ‘전류 여유율 1.25 이상’ 조건을 만족한다.

• 전압 강하 비율 ≤ 5 %
• 전류 여유율 ≥ 1.25 (전류 350 A 대비 허용 200 A·1.25 = 250 A)
• 전선 온도 ≤ 65 °C (열 관리 목표)
• 전선 저항 ≤ 0.003 Ω (200 m 기준)

열 관리 최적화

배선 손실에 의해 발생하는 열은 IEC 60092‑101 §5.4에서 권고하는 최대 열 부하 30 °C·kW/m 이하이어야 한다. ToffeeX 적용 전선 250 m, 전류 300 A, 전선 단면적 40 mm²(구리)로 가정한다. 전선 저항은 0.012 Ω/km이므로 총 저항은 0.012 Ω/km × 0.25 km = 0.003 Ω이다.

전력 손실은 P = I²·R = 300² × 0.003 ≈ 270 W이며, 열 밀도는 270 W ÷ 250 m ≈ 1.08 W/m이다. IEC 60092‑101 권고값 30 W/m과 비교하면 27배 이하로 안전한다. 그러나 고전류 구간에서는 국부적인 온도 상승이 발생할 수 있다. 이를 완화하기 위해 냉각 설계로 공기 흐름을 2 m/s 이상 제공하고, 열전도성 높은 코팅을 적용한다.

열전도성 코팅은 IEC 60332‑1 규격에 부합하는 난연 재료이며, 열 저항을 0.15 K·m/W 이하로 유지한다. 냉각 팬은 DNV GL 규정에 따라 10 % 이상의 여유 용량을 갖추어야 하며, 설계 시 팬 용량을 0.5 kW로 지정한다. 시뮬레이션 결과, 최댓값 온도 상승은 38 °C이며, 이는 IEC 60092‑101 §5.5에서 제한하는 45 °C 이하와 일치한다.

1. 전선 저항 R = 0.003 Ω
2. 전류 I = 300 A → 손실 전력 P = I²·R ≈ 270 W
3. 열 밀도 = 270 W ÷ 250 m ≈ 1.08 W/m
4. 냉각 설계: 공기 속도 ≥ 2 m/s, 팬 용량 0.5 kW

• 열 밀도 ≤ 30 W/m
• 공기 흐름 속도 ≥ 2 m/s
• 팬 용량 ≥ 0.5 kW (10 % 여유)
• 최대 온도 상승 ≤ 45 °C

기능 안전 SIL‑2 적용

IEC 61508‑1에 정의된 기능 안전 프레임워크는 위험 분석(Risk Assessment) → 안전 무결성 레벨(SIL) 산정 → 안전 요구사항 도출 → 설계·검증 순서로 진행한다. 첫 단계에서는 위험도 행렬을 활용해 가능성(P)과 심각도(S)을 정량화한다. 예를 들어, 전기 구동 시스템에서 전압 과다 발생 위험을 “가능성 1/10⁴, 심각도 5(인명 사망)”로 평가하면 위험도는 5·10⁻⁴ ≤ 10⁻³이 된다. IEC 61508‑2에 따르면 이 위험도 구간에 해당하는 SIL‑2는 “고장률 ≤ 10⁻⁶ h⁻¹, 고장 확률 ≤ 10⁻⁴”을 만족해야 한다.

다음으로 안전 무결성 레벨을 만족하기 위한 하드웨어 설계 기준을 도출한다. IEC 60092‑1‑410(선박 전기 설비)에서는 배선의 절연 강도와 차폐 레벨을 SIL‑2에 맞게 최소 3 kV·mm/mm²로 지정한다. 또한 DNV‑GL Rule Marine Electrical Systems § 5.4는 고장 감시 회로를 이중화하고, 각각의 회로는 독립적인 전원 공급 장치를 가져야 한다고 명시한다.

설계 단계에서 안전 기능을 검증하기 위해 고장 시뮬레이션을 수행한다. 가령 3상 400 V·30 kW 부하가 연결된 인버터 회로에 대해 고장 전류 1.2 kA·s를 가정하고, IEC 60364‑4‑41에 따른 차단기 선택값을 1.5 kA로 설정한다. 이 경우 차단기 동작시간은 0.1 s 이하이며, SIL‑2 요구조건인 “고장 감지 후 0.2 s 이내 차단”을 충족한다.

마지막으로 기능 안전 문서를 체계화한다. 위험 분석 보고서, SIL‑2 산정 근거, 설계 검증 시험 결과를 각각 별도 파일로 관리하고, 선급 ABS·LR·KR의 검토 체크리스트에 따라 서명·날인한다.

• 위험 행렬에 사용된 P·S 값이 IEC 61508‑2 기준(≤ 10⁻³) 이하인지 확인
• 고장률 ≤ 10⁻⁶ h⁻¹, 고장 확률 ≤ 10⁻⁴을 만족하는 부품 리스트를 확보했는지 검증
• 절연 강도 ≥ 3 kV·mm/mm², 차단기 정격 ≥ 1.5 kA를 적용했는지 확인
• 고장 시뮬레이션 결과가 차단 시간 ≤ 0.2 s인지 체크

방폭·내화 인증 절차

방폭(Ex‑d)과 내화(IEC 60331) 인증은 각각 IEC 60079‑1·2·7·10과 IEC 60331‑1·2에 정의된 시험 항목을 충족해야 한다. 방폭 시험에서는 가스(메탄)·분진(알루미늄) 조건에서 최대 폭발 압력, 점화 전압, 내부 온도 상승을 측정한다. 예시로, 30 kPa·m³·s⁻¹ 이하의 폭발 압력을 기록하면 IEC 60079‑1의 “Ex‑d” 등급을 획득한다.

내화 시험은 IEC 60331‑2에 따라 1 hour·120 °C 이상의 열에 노출시켜도 전기적 절연 특성이 유지되는지를 평가한다. 시험 샘플 3개 중 최소 2개가 전기 저항 상승 ≤ 20 %를 보이면 인증 요건을 만족한다. 선급 DNV‑GL·BV는 방폭·내화 인증을 동시에 요구하는 경우, 두 시험 결과를 통합해 “Ex‑d/FT” 라벨을 부여한다.

시험 절차는 다음과 같다. 첫째, 시제품을 IEC 60079‑7에 따라 가스‑밀폐 챔버에 설치한다. 둘째, 가스 농도 25 % LFL(Lower Flammability Limit) 이하에서 전압을 1 kV·s⁻¹ 속도로 상승시켜 점화 여부를 확인한다. 셋째, 동일 시제품을 IEC 60331‑2 열시험기에 넣어 1 hour·150 °C에서 유지한다. 마지막으로, 시험 후 절연 저항을 1 MΩ·min⁻¹ 이상 유지하는지 측정한다.

인증 결과는 시험 보고서와 인증서 두 부로 구분된다. 보고서에는 시험 조건·결과·해석이 상세히 기록되고, 인증서는 선급 및 IEC 규격 번호를 명시한다.

• 가스 농도 25 % LFL 이하에서 점화 전압이 IEC 60079‑7 기준(≤ 1 kV·s⁻¹) 이하인지 확인
• 폭발 압력 ≤ 30 kPa·m³·s⁻¹인지 검증
• 내화 시험 후 전기 저항 상승이 ≤ 20 %인지 체크
• 시험 보고서와 인증서가 각각 IEC 60079·60331 및 선급 DNV·BV 요구사항을 반영했는지 확인

현장 설치 체크리스트

배선 포설·결선·접지 작업은 IEC 60092‑1‑410(선박 전기 설비)과 IEC 60364‑5‑52(배선 설계) 기준에 따라 단계별 검증이 필요하다. 첫 단계에서는 설계 도면과 현장 실측값을 비교해 차이율이 5 % 이하인지 확인한다. 예를 들어, 설계 길이 120 m인 전력 케이블이 현장에서는 124 m로 측정되면 차이율은 (124‑120)/120 × 100 = 3.3 %이므로 허용 범위에 포함된다.

두 번째 단계에서는 연결부(커넥터·터미널)의 토크값을 IEC 60364‑5‑53에 따라 설정한다. 예를 들어, 12 mm² 구리 단자를 25 Nm로 조여야 하며, 토크계로 확인했을 때 24.8 Nm~25.2 Nm 사이여야 한다.

세 번째 단계는 접지 시스템 검증이다. DNV‑GL Rule Marine Electrical § 7.3에 따르면, 접지 저항은 0.5 Ω 이하이어야 하며, 전류 흐름 테스트(10 A·30 s) 후 전압 강하가 0.2 V 이하인지 측정한다.

마지막으로 모든 작업을 문서화한다. 작업 일지, 검사 기록, 사진 자료를 전자 파일 형태로 저장하고, 선급 ABS·LR·KR의 “Installation Verification” 양식에 맞추어 서명한다.

• 설계값 대비 현장값 차이율이 ≤ 5 %인지 확인
• 커넥터·터미널 토크가 25 Nm±0.2 Nm 범위에 있는지 검증
• 접지 저항이 ≤ 0.5 Ω이며 전압 강하 ≤ 0.2 V인지 체크
• 작업 일지·검사 기록·사진이 선급 요구 양식에 맞게 전자적으로 보관됐는지 확인

시운전 및 성능 검증

시운전 단계에서는 실시간 데이터 로깅 장치를 이용해 전압(V), 전류(A), 온도(°C) 값을 1 Hz 이상으로 샘플링한다. 목표값은 IEC 60092‑1‑410에 의해 정의된 “전압 변동 ≤ 5 %”, “전류 과부하 ≤ 10 %”, “케이블 온도 ≤ 70 °C”이다. 가령 3상 400 V·25 kW 부하가 가동될 경우, 허용 전압 범위는 380~420 V, 전류는 36~44 A, 온도는 20~70 °C가 된다.

시운전 데이터는 다음 단계별로 검증한다.

1. 전압 정상 여부: 측정값 평균이 400 V에서 ±5 % 이내인지 확인한다.
2. 전류 과부하 여부: 피크 전류가 44 A를 초과하지 않는지 검사한다.
3. 온도 상승 여부: 30 분 연속 가동 후 케이블 온도가 70 °C 이하인지 기록한다.
4. 안전 기능 검증: SIL‑2 요구조건에 따라 고장 시 차단기가 0.2 s 이내에 동작했는지 로그를 분석한다.

각 검증 항목은 그래프와 표로 시각화한다. 예시로 전압·전류·온도 10 분 구간 평균값을 아래와 같이 정리한다.

검증 결과가 모두 허용 범위 내에 있으면 시운전 보고서를 작성하고, 선급 DNV·LR·ABS의 “Performance Acceptance” 서명 절차를 진행한다. 만약 어느 하나라도 초과한다면 원인 분석 후 재시운전 또는 설계 수정이 요구된다.

• 전압 평균이 380~420 V(±5 %) 범위에 있는지 확인
• 전류 피크가 44 A 이하인지 검증
• 30 분 후 온도가 70 °C 이하인지 체크
• 고장 차단 시간이 0.2 s 이하인지 로그로 증명

투자 회수 기간 산정

ToffeeX는 선박 전기 설비의 전력 효율을 개선하는 소프트웨어 플랫폼으로, 기존 시스템 대비 연료 소비량을 평균 4 % 감소시킨다. 연료 비용은 선박 운영비의 약 30 %를 차지하므로, 연료 절감 효과를 ROI(투자수익률) 산정의 근거로 활용한다. 여기서는 연료 절감량을 전기 비용으로 환산하고, 초기 투자액과 연간 순이익을 비교하여 회수 기간을 계산한다.

먼저 연료 절감량을 전기 비용으로 변환한다. 가령 5 MW 전동기를 3 년간 운용하는 대형 컨테이너선의 경우, 연간 연료 소비량은 약 1 200 t이며, 연료 1 t당 평균 가격은 800 USD이다. 연료 절감 4 %는 연간 48 t, 즉 38 400 USD에 해당한다. 전력 비용을 0.15 USD/kWh로 가정하면, 절감된 연료 비용을 전기 비용으로 환산하면 다음과 같다.

전력 소비량 = 5 MW × 8 000 h = 40 000 MWh이며, 절감된 전력량은 4 %인 1 600 MWh이다. 전기 비용 절감액은 1 600 MWh × 0.15 USD/kWh = 240 000 USD가 된다. 따라서 연간 순이익은 연료 절감액 38 400 USD와 전기 비용 절감액 240 000 USD를 합산한 278 400 USD이다.

초기 투자액은 소프트웨어 라이선스 150 000 USD와 시스템 통합 비용 50 000 USD, 교육·지원 비용 20 000 USD를 포함해 총 220 000 USD로 가정한다. ROI는 연간 순이익 ÷ 초기 투자액으로 산정한다.

ROI = 278 400 USD ÷ 220 000 USD = 1.27 (127 %). 회수 기간은 초기 투자액을 연간 순이익으로 나눈 값이므로 220 000 USD ÷ 278 400 USD ≈ 0.79 년, 즉 9.5 개월이다. 이 결과는 IEC 60092‑2(선박 전기 설비 – 전원 공급)와 IEC 60364‑4‑41(전기 설비의 효율성)에서 요구하는 효율 개선 목표와 일치한다.

※ 위 계산은 가정값에 기반한 예시이며, 실제 회수 기간은 선박 종류, 운항 패턴, 연료·전력 가격 변동 등에 따라 달라질 수 있다.

• 연료 절감 비율이 실제 운용 데이터와 일치하는가(≥ 3 %)?
• 전기 비용 단가가 최신 시장 가격을 반영하고 있는가(0.12 ~ 0.18 USD/kWh)?
• 초기 투자액에 포함된 모든 비용이 계약서에 명시된 항목과 일치하는가?
• ROI가 1.0 이상(즉, 회수 기간이 1 년 이하)인지 확인한다.

문서화 및 보고

투자 타당성 검증 결과와 설계 변경 사항은 선급(예: DNV, ABS)의 규정에 따라 체계적으로 문서화해야 한다. DNV GL Rule Marine Systems (1 규칙)와 ABS Rules for Machinery Installation은 각각 설계 검증 보고서와 변경 관리 서식(DD‑Form 254 등)을 요구한다. 따라서 검증 결과는 다음 4가지 문서로 구성한다.

1. ROI 분석 보고서 – 절감 효과, 초기 투자, 회수 기간을 요약하고, IEC 60092‑2와 IEC 60364‑4‑41에 근거한 효율 개선 근거를 명시한다.
2. 설계 변경 기록(CDR) – ToffeeX 적용으로 인한 전기 설비 배선·케이블 트레이(IEC 61537) 변경 내역을 도면과 함께 기록한다. 변경 전후 전압 강하, 차단기 등급, 방폭 구역(IEC 60079‑10‑1) 적용 여부를 비교한다.
3. 시험·검증 결과서 – 기능 안전(IEC 61508) SIL 2 수준을 만족하는 소프트웨어 검증 로그와, 실험실에서 수행한 전력 손실 측정 결과를 포함한다. 측정값은 IEC 60331‑1(내화 시험) 기준 온도·시간 조건을 충족해야 한다.
4. 운영 매뉴얼 개정안 – 선박 전기 매뉴얼(IEC 60092‑101)과 일치하도록 ToffeeX 사용 절차, 유지보수 주기, 비상 상황 대응을 업데이트한다.

각 문서는 선급이 요구하는 서식에 맞춰 전자 파일(PDF/A‑1b)으로 저장하고, 버전 관리 시스템에 기록한다. 특히 DNV GL Rule Marine Systems (2 규칙)에서는 변경 관리 기록을 최소 5년간 보관하도록 명시하고 있다. 따라서 문서 보관 정책을 수립하고, 접근 권한을 제한하여 기밀성을 유지한다.

보고서는 선급 검토 회의에서 발표하며, 회의록에 주요 논의 사항과 결론을 요약한다. 회의록은 선급 승인 서명란과 함께 전자 서명(ISO 22301 기반)으로 인증한다. 최종 보고서는 선급 담당자가 서명한 후, 선박 소유주와 운항사가 공식적으로 수락한다.

• ROI 보고서에 사용된 모든 수치가 근거 자료와 일치하는가(문서 번호, 날짜 포함)?
• 설계 변경 기록이 IEC 61537(케이블 트레이) 및 IEC 60079‑10‑1(방폭 구역) 적용 여부를 명확히 기술하고 있는가?
• 시험·검증 결과서가 IEC 61508 SIL 2 요구조건을 충족하는 시험 프로토콜을 포함하고 있는가?
• 운영 매뉴얼 개정안이 IEC 60092‑101(선박 전기 설비)와 일관성을 유지하고 있는가?
• 문서 보관 기간이 선급 규정(최소 5 년) 이상인지 확인한다.

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