AI시장에서 최근 ‘온디바이스 AI ’가 새로운 화두로 등장했다 . 온디바이스 AI 란 클라우드 서버를 거치 지 않고 , 기기 자체에서 AI 기능을 구현하는 기술이다 . 쉽게 말해 기기 자체가 AI 의 육신이 되는 것이다 . 주목할 점은 완전자율주행 로봇 트랙터가 대표적인 ‘온디바이스’란 사실이다. 농기계가 자율주행 로봇 AI 시장을 선도하고 있는 셈이다

국내 농기계 업체 , 대동과 TYM 도 완전자율주행 로봇 트랙터 개발에 박차를 가하고 있다 . 본 자료에서는 AI 로봇으 로 탈바꿈하고 있는 K 농기계 시장을 주목했다

1. 전기강판 공급이 어렵다

미국에서 전기강판을 생산하는 업체가 줄어들었다. 한국, 일본에서 생산하는 전기강판 경쟁력에 밀려서 생산을 중단했기 때문이다. 16 년 Allegheny Technologies 가 전기강판 생산을 멈췄다. 그 결과 현재 미국에서 전기강판 생산하는 기업은 AK Steel 이 유일하다.

AK Steel 전기강판 생산량은 연간 250,000톤이다. 그리고 미국에서 대형 변압기 생산에 필요한 연간 전기강판은 약 480,000 톤으로 추정된다. 이 추정치에는 소형,중형 변압기 생산에 필요한 전기강판은 제외했다.

AK Steel 자체도 위태롭다. 20 년 3 월 AK Steel 은 Cleveland Cliffs(NYSE:CLF)에 완전 자회사로 피인수 되었다. 그 결과 전체 사업에서 전기강판 사업부의 중요성이 감소했다. 전체 매출액에서 전기강판/스테인리스 사업부가 차지하는 비중은 8%에 불과하다. 또한 전기강판 사업부는 적자상태에 빠져서 신규투자 역시 어려운 상황이다. 미국에서 유일한 전기강판 생산업체지만, 해외에서 낮은 가격으로 생산되는 전기강판 때문에 가격 인상이 어렵기 때문이다.

포스코에서 판매하는 전기강판 가격은 톤당 약 130 만원인 것으로 알려졌다. 반면에 AK Steel 에서 Stainless/electrical steel 사업부의 단위당 매출액은 톤당 약 290 만원이다. 물론 사업부 안에 스테인리스가 포함되어서 직접적인 비교는 어렵지만, 미국에서 생산하는 전기강판 가격 경쟁력이 떨어지는 것으로 추론할 수 있다.

2. 변압기 공장도 사라졌다

미국은 수입산 변압기 의존도가 높다. 19 년 미국 상무부(DOC)에서 발표한 데이터를 보자. 변압기 용량이 커질수록 수입산 변압기 의존도가 높다. 소형 변압기 수입 침투율 17% → 중형 29% → 대형 42% 순서로 높아진다. 수입 침투율은 미국내 변압기 총 수요에서 수입이 차지하는 비중을 의미한다.

글로벌 변압기 생산업체 중에서도 미국 생산공장을 보유한 업체는 줄어들고 있다. 변압기 산업에서 19 년부터 나타난 주요 이벤트를 정리했다. 

1) Mitsubishi는 효성중공업에 Memphis 변압기 생산공장을 매각했다(19 년). 효성중공업은 한국산 변압기 반덤핑을 피하기 위해 미국현지 공장을 매입하고 증설을 진행하고 있다. 생산라인 증설이후에는 연간 60 대까지 생산이 가능하다. 

2) ABB(NYSE:ABB)는 전력기기 사업부를 Hitachi 에 양도했다 (20 년). 이후 ABB 는 인건비가 저렴한 인도와 중국에 변압기 생산공장을 확장했다. 

3) SPX Technology(NYSE:SPXC) 변압기 사업부를 GE 에 매각했다(21 년). 공식적으로 SPX 는 본업에 집중하기 위함이라고 말했지만, 실상은 수년간 변압기 사업부 수주 잔고가 감소했기 때문으로 보인다.

3. 인력이 부족하다

변압기 생산에 필요한 숙련된 인력이 부족한 상황이다. 변압기 생산과정에서 권선 조립 공정은 수작업으로 이뤄진다. 작업 숙련까지 약 9 개월 소요가 되는데, 인력 충원이 어려운 것으로 파악된다. 노동 집약적인 변압기 생산공정, 그리고 지리적인 위치는 젊은 직원에게 매력적인 선택지가 아니기 때문이다. 그리고 미국 실업률은 사실상 완전 고용 상태에 있다. 타 산업과 비교했을 때 변압기 공장에서 숙련공 확보가 어려운 상황이다.

23 년 기준으로 현재 변압기 사이클은 상승 초기 단계로 판단한다. 근거는 다음과 같다. 

1) 22 년을 시작으로 국내 변압기 수출금액 증가, 커버리지 기업의 매출액 증가, 영업이익률 상승이 나타났다. 대표적으로 현대일렉트릭 영업이익률은 21 년 0.5% → 22 년 6.3%로 상승했다. 과거 08 년 당시 영업이익률이 17.6%였던 것에 비교하면 아직 상승초기단계라 판단할 수 있다

2) 미국에서 대형 변압기의 발주에서 납기까지의 리드 타임 1 년이 넘어가고 있다. 사이클 후반부에는 리드 타임 2 년이 넘어가는 것을 생각하면, 리드 타임이 더 증가할 가능성이 있다.

3) 20 년부터 미국내 전력 유틸리티 송배전망 투자가 증가하기 시작했다. 리드타임 1 년을 고려하면 변압기 생산업체의 매출액, 영업이익까지 전이되기 시작한 시점은 빠르게 잡아도 21 년이라고 추측된다. 업황 주기가 최소 3 년이라고 가정한다면, 보수적으로 봐도 사이클이 끝나는 시점을 24 년까지 잡을 수 있다.

이번 변압기 사이클 진앙지는 미국이다. 앞서 언급한 것처럼 신재생에너지 증가, 노후그리드 교체로 유틸리티 기업의 송배전망 투자가 증가하고 있는 추세다. 그리고 국내변압기 수출금액에서도 미국의 비중과 성장률은 타 국가 대비 절대적이다. 미국에 공장을 보유한 현대일렉트릭, 효성중공업이 수혜를 받을 것으로 예상할 수 있다.

1. 철심 조립(Core) 

철심은 1 차 코일에서 발생한 전류를 2 차 코일까지 전달한다. 전류를 전달하는 과정에서 생기는 전력손실이 낮아질수록 변압기 에너지 효율은 높아진다. 변압기 철심에서 발생하는 전자기력 손실을 철손(core loss), W/kg 단위로 측정한다. 

변압기 내부 전력손실을 최소화 하기 위해 변압기 철심은 전기강판(Electrical Steel)을 사용한다. 일반적인 강철이 아닌 규소를 첨가한 특수강철이다. 철에 1~5% 비율로 규소를 첨가하면 다양한 전자기적 특징을 이끌어내서 전기가 필요한 제품의 에너지효율을 높일 수 있다. 변압기, 모터 등 다양한 전기장치에서 사용되기 때문에 전기강판이라 부른다.

전기강판은 결정 배열에 따라서 방향성, 무방향성 전기강판으로 나뉜다. 압연 방향을 따라서 결정이 일정한 방향으로 정렬되면 방향성 전기강판, 결정이 무작위로 형성되면 무방향성 전기강판이라 한다. 방향성 전기강판은 이름 그대로 특정 방향에서만 자기 특성을 보유한 반면, 무방향성 전기강판은 모든 방향으로 자기를 띈다.

변압기처럼 움직이지 않는 기기를 정지기(static machine), 반대로 모터처럼 움직이면 회전기(rotary machine)이라 한다. 변압기는 전자기가 정해진 방향으로 움직여야 해서 방향성 전기강판을 사용한다. 반대로 모터는 회전 방향과 무관하게 다양한 방향으로 전자기를 띄어야 해서 무방향성 전기강판을 사용한다.

방향성 전기강판은 한국, 미국, 중국, 일본, 프랑스, 독일, 인도 폴란드, 체코, 러시아,브라질에서 생산이 가능하다. 하지만 미국 에너지부(DOE)가 제시하는 기준에 만족하는 제품을 생산할 수 있는 국가는 한국, 일본, 독일 3 개 국가로 한정된다. 한국에서는 포스코가 전기강판을 생산한다.

전기강판은 고부가가치 제품으로 소수의 철강사에서 생산하며 수요처 역시 변압기,모터 등으로 시장이 한정되어 사용된다. 전기강판 거래는 1:1 계약으로 체결되어 공식적으로 발표되는 전기강판 가격은 따로 없는 상황이다.

2. 권선 조립(Winding)

변압기 권선을 원통형 디스크 모양에 맞춰서 코어를 감는 작업을 권선 조립이라고 한다. 변압기에 사용하는 권선은 구리 전선에 절연지로 피복한 특수한 권선을 사용한다. 절연을 해야 하나의 구리 덩어리가 아닌 여러 겹의 전선으로 전류가 흐른다. 그리고 절연 및 냉각을 위해서 전선 사이에 일정한 간격으로 절연지(press board)를 둔다. 이 과정을 수작업으로 한다. 전선을 모두 감은 뒤에는 코일에 일정한 열을 가하고 압력을 줘서 작업을 마무리한다.

변압기 생산비용은 원재료인 전기강판, 구리 가격에 의해 결정된다. 전체 무게를 나누면 전기강판 40%, 강철 19%, 절연유 19%, 구리 16%, 절연지 1% 순서로 구성되어 있다. 그리고 데이터에 따라서 차이가 발생하지만 전체 생산비용에서 전기강판은 30%, 구리는 25~40%를 차지한다.

3. 코어 조립(Core Assembly)

코어 조립공정에서 세부적인 과정은 다음과 같다. (1) 수직으로 세워진 철심에 권선을 조립한다. (2) 변압기에 남아있는 수분을 증발시킨다. 약 15 시간동안 고온에서 건조 과정을 거친다. (3) 수분을 증발시킨 이후에 외함에 코어 조립체를 넣는다. 외함은 변압기 부품을 보호하는 역할로서, 전기강판이 아닌 일반 강철을 사용한다. (4)절연유를 주입하고 다양한 성능시험을 거치면 변압기 생산이 마무리된다.

4. 운송(Transport)

변압기는 그 자체가 거대한 철, 구리 덩어리다. 운송이 까다로울 수 밖에 없다. 변압기 운송을 위해서는 육상은 트럭과 철도운송, 해상은 벌크선을 활용한다. 철도운송이라 하더라도 일반적인 열차를 사용하진 않는다. 열차가 지탱할 수 있는 하중은 100 톤인 반면 대형 변압기는 400 톤 이상까지 무게가 나가기 때문이다. 하중을 견디기 위해서 특수한 열차(Schnabel railcar)를 사용한다. 운송비는 변압기 생산비용의 20~30%를 차지한다.

미국 에너지부(DOE) 에서 구분한 기준을 차용하면 대형 변압기는 10,000kVA 이상, 중형 변압기는 500~10,000kVA, 마지막으로 500kVA 이하는 소형 변압기로 나눴다. 중대형 변압기는 변전소에서 사용한다. 현대일렉트릭, 효성중공업의 주력 아이템이다. 반대로 소형 변압기는 전력을 최종 수용하는 주상 변압기가 대부분이다. LS 일렉트릭, 제룡전기가 생산한다.

HS 코드는 냉각 방식에 따라서도 변압기를 나눈다. 변압기 냉각 방법은 유입식, 건식 두 종류가 있다. 건식 방식은 변압기 내부를 비워서 공기의 대류 작용으로 냉각을 한다. 그 반대로 유입 변압기는 내부에 절연유를 채워서 냉각하는 방법이다. 냉각 효율은 유입 변압기가 더 높다. 하지만 환경(절연유 누수), 비용(더 높은 유지보수)에서 단점이 있다. 건식 변압기는 일반적으로 전력 사용량이 적은 산업현장, 화재 위험이 있는 실내 또는 지하실에서 사용된다.

변압기는 철심 구조에 따라서는 내철형(core), 외철형(shell)으로 나뉜다. 내철형은 말 그대로 철심이 안에 있고 권선이 철심을 휘감는 구조다. 반대로 외철형은 권선이 내부에 위치하고 철심이 권선을 보호하는 형태다. 생산이 쉽고 저렴한 내철형 변압기가 널리 사용된다. 반대로 외철형은 전기강판을 더 사용하지만 전선이 서로 붙어 버리는 단락(short circuit) 현상이 덜 발생한다. 안전이 중요한 초고압 변압기, 산업용 변압기에 외철형 변압기를 사용한다.

변압기는 사용 장소에 따라서 승압, 감압, 산업용 변압기로 나뉜다. 전력손실 없이 장거리 송전을 하기 위해서는 전력을 높여야 한다. 고압 전력으로 바꿔주는 전압기를 승압 변압기(step-up transformer)라고 한다. 반대로 수용가에서 전기를 안전하게 사용하기 위해서는 전압을 220v 까지 감압(step-down) 해야 한다. 전압을 내려주는 변압기를 감압 변압기(step-down transformer)라고 한다. 그 외에 제철소, 정유화학 플랜트, 병원 등 대규모 전력을 소비하는 공장은 자체적으로 변압기를 구비한다.

변압기 작동원리

변압기 외함을 열어 보면 하나의 철심을 두 개의 권선이 감고 있다. 철심은 하나의 덩어리가 아닌 얇은 철판을 쌓아 올렸다. 이렇게 적층한 이유는 강판 두께가 얇을수록 와전류 손실이 줄어들어 변압기 효율이 올라가기 때문이다. 두 개의 권선 중에서 외부전원과 연결된 쪽을 1 차측 코일(primary winding), 부하와 연결된 쪽을 2 차측 코일(secondary winding)이라고 한다. 1 차측 코일은 외부 전류를 변압기로 받는 곳, 2 차측 코일은 변압기 내부 전류를 외부로 보내는 코일이다.

변압기에 전류가 들어오면 1 차측 코일을 통과하며 자기장이 생성된다. 이 자기장은 철심을 통해서 2 차측 코일로 이동한다. 2 차측 코일에서 생성되는 자기장으로 전기가 생산되며 부하까지 이동한다. 이 과정에서 코일의 권수비를 조절해서 전압을 높이거나 내린다. 1 차측 코일보다 2 차측 코일 권수가 많아지면 전압도 비례해서 높아진다. 반대로 전류는 낮아진다.

전기차 충전 인프라 필수 요소 스마트 그리드

• 스마트그리드는 기존 전력 인프라(Grid)에 정보통신 인프라를 결합하여 공급 및 소비 데이터를 실시간 교환이 가능한 차세대 전력망

• 양방향 통신을 통해 전력 인프라의 모든 데이터를 관리가 가능하며 실시간 제어가 용이해 전력 효율 극대화 전망

• 전력 수요의 분산과 전력생산이 불규칙한 신재생에너지의 보급 활성화에 기여하며 에너지 효율 향상 기후변화 대응 등이 가능함

• 스마트 그리드는 디지털 기반의 인프라로 통신 자동차 가전 등 다양한 산업과 연계하여 고부가 가치 창출이 기대됨

스마트 그리드 구성 요소

• 스마트 계량계(AMI) 에너지 관리시스템(EMS) 에너지 저장시스템(ESS)

• 전기차 및 충전소 분전원 신재생에너지 양방향 정보통신기술

• 냉난방 운영설비 지능형 송배전 시스템 등으로 구성

모디 총리는 2021년 핵심 운송수단인 도로, 철도, 항공, 대중교통, 해운, 물류에 2024~25년까지 약 100조 루피(1조 2500억 달러)규모의 투자가 예상되는 ‘총리 인프라 부흥계획(PM Gati Shakti)’을 발표한 바 있으며, 자동차·부품, 특수철강, 반도체, 전자기기 등 총 14개 품목에 대한 현지 생산 장려 제도인 인도 생산연계 인센티브(PLI-Product Linked Incentive)제도를 발표하였다. 

2022년 1월 인도 건설 장비 제조업체 협회의 발표한 바에 따르면 인도 건설 산업은 2021-22 회계연도 2분기에 47%의 성장을 기록했다. 도로공사장비, 콘크리트장비, 자재처리장비 등 나머지 3개 부문은 각각 35%, 31%, 17% 성장했다.

정부의 집중적인 인프라 구축에 대한 의지와 이를 뒷받침하는 정책들로 인도 건설 시장은 앞으로 크게 성장을 예고하고 있으며 그에 따라 건설장비 시장 또한 크게 활성화되며 큰 수출 기회의 시장으로 발전할 것으로 전망한다. 

독일 건설기계산업 트렌드

 여타 다른 산업과 마찬가지로 건설기계산업 트렌드의 테마는 “지속가능성과 디지털화“다. 이는 크게 아래와 같이 나눠 볼 수 있다.

 1. 미래의 시공 방법과 자재 : 건설기계산업은 지속가능성에 있어 수많은 도전을 마주하고 있다. 그 중 하나는 건설의 대표 시공 자재인 시멘트 생산에서 배출되는 이산화탄소를 줄이는 것이다. 또한 철거 시 발생하는 폐자재의 효과적인 처리방법과 재사용법 및 신소재 등이 앞으로의 도전과제이다. 현재 이와 관련해서 3D 프린팅을 이용한 시공 방법과 모듈식 설계 및 신소재 개발에 집중하고 있다.

2. 자율/자동화 기계 : 건설과 광산 분야에 있어서 완전자동화를 위한 건설기계의 개발은 아직 더디지만 점점 나아지고 있다.  건설 과정과 기계를 자동화하고 디지털화 함으로써 온실가스 배출을 줄일 수 있고, 전문가 부족 문제를 해결하는 동시에 생산성을 보장할 수 있다.

3. 건설의 디지털화 : 효율성 외에 디지털 계획과 건설과정은 환경보호, 안전 특히 경제성을 보장해야 한다. 이를 위한 기본 요구사항은 제조업체 표준인 M2M(Machine-to-Machine Communication)이다. 또한 디지털화를 통해 건설현장 제어를 위한 모듈의 연결, 기계에 부착되는 새로운 인터페이스 시스템 역시 건설기계와 결합 가능한 분야이다. 그 외에도 데이터 관리, BIM(Building Information Modeling), 가상현실 및 증강현실, 디지털 트윈은 건설과 광산업의 성공적인 디지털화를 위해 그 중요성이 점점 커지고 있다.

 * 디지털 트윈(digital twin)은 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 미리 예측하는 기술이다.

4. 탄소배출 제로 : 건설 및 건설기계산업에서 온실가스 배출의 제로화를 위한 해결방안을 찾고 있으며, 건설기계 구동계의 하이브리드 및 완전 전기화와 CO2 저감 자재 개발 등에 힘쓰고 있다.