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01 개요
환경 규제가 강화되면서 페리를 비롯한 선박들이 저배출 전기 추진 방식으로 전환하고 있습니다. 지멘스 (Siemens)는 노르웨이 트론헤임에 새 공장을 세워 빠르게 늘어나는 선박용 배터리 수요에 대응하고 있습니다. 시스템 통합업체 인텍 (Intek)이 설계한 고도로 자동화된 생산 라인에서, 지비드의 3D 머신 비전 카메라는 생산 효율을 최적화하는 데 핵심적인 역할을 했습니다.
(모든 이미지: SIEMENS)
02 배경
노르웨이 의회는 선제적인 환경 법안의 일환으로, 2018년 피오르 해역을 운항하는 페리와 크루즈선의 유해 배출을 늦어도 2026년까지 금지하기로 결의했습니다. 여기에는 CO2와 NOx 가스뿐 아니라 수상 소음 공해도 포함됩니다.
이에 현지 해운사와 페리 운영사들은 전기 추진 시스템의 개발과 도입을 크게 앞당겼습니다. 노르웨이 최초로 운항을 시작한 순수 전기 페리의 성능 수치는 그야말로 인상적입니다.
세계 최초의 완전 배터리 구동 페리인 MF Ampere는 라비크(Lavik)와 오페달(Oppedal) 항구 사이를 운항하며, 육상 충전소에서 배터리를 충전합니다. 이 선박은 디젤 선박 대비 배출량을 95%, 운영 비용을 80% 줄인 것으로 알려져 있어, 전 세계 페리 선단에 매력적인 대안이 되고 있습니다.
(모든 이미지: SIEMENS)
비교적 짧은 거리를 오가고 같은 항구에 오래 정박하는 차량·여객 페리는, 세계 해운 업계가 기존 디젤에서 배터리 및 디젤-전기 하이브리드 동력으로 전환하는 데 이상적인 출발점으로 입증되었습니다.
다만 이 근본적인 변화를 실현하려면, 새로운 순수 전기 및 하이브리드 파워트레인에 맞는 배터리를 충분한 물량으로 확보하는 것이 관건입니다.
지멘스는 노르웨이 트론헤임에 유연하고 고도로 자동화된 배터리 공장을 열며 미래 수요에 대응하기 위해 1억 노르웨이 크로네(NOK)를 투자했습니다. 이 공장은 선박 및 해양 석유·가스 분야를 위한 에너지 저장 솔루션을 개발하고 생산합니다.
새 선박용 배터리 생산 라인에 요구되는 높은 수준의 자동화를 실현하고 까다로운 생산성 목표를 달성하기 위해, 지멘스는 라우포스(Raufoss)에 본사를 둔 인텍에 로봇, 3D 머신 비전, 자동화 시스템 통합을 맡겼습니다.
03 도전 과제
순수 전기 페리의 경우 배터리 팩 용량은 보통 약 2MWh가 필요합니다. 일반적인 구성은 배터리 캐비닛 34개로 이루어지며, 각 캐비닛에는 배터리 모듈 9개가, 각 모듈에는 배터리 셀 28개가 들어갑니다. 디젤-전기 하이브리드 동력 시스템이라도 최소 500kWh의 배터리 용량이 필요합니다.
차량·여객 페리 외에도, 완전 또는 부분 전기화로 이점을 얻을 수 있는 어선, 크루즈선, 다목적선, 해양 설비가 수천 척에 이릅니다. 따라서 선박용 배터리 세트와 이를 뒷받침할 생산 능력에 대한 수요는 높으며, 앞으로 기하급수적으로 증가할 것으로 예상됩니다.
지멘스 트론헤임 해양·선박 센터장 토르스타인 솔레-게르트너(Torstein Sole-Gärtner)는 이렇게 말했습니다. “노르웨이의 모든 차량·여객 페리는 결국 어떤 형태로든 에너지 저장 솔루션에 의존하게 될 것입니다. 2020년까지만 해도 약 60척의 하이브리드 또는 순수 배터리 페리가 이곳에서 운항할 것으로 예상합니다.”
그는 이어 “새 공장에서 개발하고 대량 생산하는 배터리 및 전기 추진 제품이 전 세계 다양한 해양 분야에서 이와 유사한 기술 발전을 이끌 것으로 기대합니다.”라고 덧붙였습니다.
지멘스는 2024년까지 세계 선박용 배터리 시장이 두 배로 성장하고, 길이 150m 이하 신조선의 약 80%가 순수 배터리 또는 디젤-전기 하이브리드 방식으로 배터리를 탑재할 것으로 전망합니다.
이러한 미래 수요를 따라잡으려면 트론헤임의 새 생산 라인은 최대한 효율적이고 유연해야 했습니다. 생산 공정에 직접 투입되는 인력은 최소화하고, 로봇 자동화는 극대화해야 했습니다.
시스템 통합업체 인텍의 프로젝트 매니저 올라프 페데르센(Olaf Pedersen)은 당면 과제를 이렇게 설명했습니다. “전체 솔루션을 개발하면서 가장 중요하게 고려한 것은 빠르고 오류 없는 생산 처리량을 유지하는 것이었습니다. 부품 운반부터 조립, 테스트까지 모든 공정에서 높은 생산성을 보장하는 것이 핵심이었습니다.”
페데르센은 생산 라인의 디팔레타이징 구간에서 배터리 부품을 처리하는 일이 특히 까다로웠다고 말합니다. “다른 생산 셀과 달리, 첫 번째 셀은 배터리 셀, 프레임, 커넥터 등 종류가 다양하고 예측하기 어려운 부품을 자동으로 처리해야 했습니다.”
“입고 자재는 팔레트, 골판지 트레이, 플라스틱 블리스터 팩 등에 무작위로 놓인 채 들어옵니다. 이렇게 다양한 자재를 빠른 속도로 처리하는 작업은 자동화하기 까다로운 과제입니다.”
04 솔루션
지멘스 트론헤임 선박용 배터리 생산 라인은 독립적으로 구성 가능한 로봇 셀 8개와, 셀 간 물류를 담당하는 무인 운반차(AGV) 7대로 이루어져 있습니다. 인텍이 12개월에 걸쳐 설계·구축한 이 라인은 부품 피킹부터 최종 배터리 테스트와 문서화까지 모든 과정을 자동으로 처리합니다.
가장 중요한 디팔레타이징 셀에는 맞춤 설계한 진공 그리퍼를 장착한 KUKA KR9 로봇 암에 Zivid One 실시간 3D 머신 비전 카메라를 탑재했습니다. 제어와 연산은 지멘스 PLC와 고속 산업용 PC가 담당합니다.
페데르센은 그 이유를 이렇게 설명합니다. “Zivid One 카메라의 고품질 3D 포인트 클라우드를 활용해 팔레트나 트레이의 윤곽을 손쉽게 찾아내고, 그 안에 담긴 부품의 외곽 치수를 매우 정확하게 측정한 뒤, 최고 수준의 정확도로 픽 앤 플레이스를 수행할 수 있었습니다. 또 카메라 한 번의 촬영만으로 충분했기 때문에 속도도 매우 빨랐습니다.”
“이처럼 실용적인 접근 방식 덕분에 무작위로 놓인 부품 문제를 해결할 수 있었습니다. 부품을 바로잡아 정해진 위치로 옮기기 위한 기계식 정렬 장치나 작업자 개입이 필요 없었습니다. 복잡한 부품 CAD 파일을 일일이 프로그래밍할 필요도 없었습니다. 결과적으로 매우 유연하고 신뢰할 수 있는 솔루션이 되었습니다.”
Zivid One 카메라 기반 머신 비전 시스템은 안정적인 ‘피킹’뿐 아니라 매우 정확한 ‘플레이스’도 보장합니다. 페데르센의 설명처럼, 이는 서로 연결된 생산 셀 전체의 효율을 좌우하는 핵심 성능 기준입니다.
“로봇 암이 비교적 작은 AGV 위에 부품을 자동으로 쌓기 때문에, 시스템은 하중 분산을 반드시 고려해야 합니다. AGV는 이동 중에도 완벽하게 균형을 유지해야 하니까요. 또한 AGV가 목적지 생산 셀에 도착하면 다른 로봇이 정해진 위치에서 부품을 피킹합니다. 따라서 AGV 위에 부품을 정확하게 놓는 것도 필수적이었습니다.”
노르웨이에서 가장 먼저 Zivid One 3D 컬러 카메라 기술을 도입한 인텍은, 자체 개발한 소프트웨어 알고리즘으로 카메라의 3D 포인트 클라우드 데이터를 처리해 생산 라인 처리량을 극대화했습니다.
05 결과
(모든 이미지: SIEMENS)
셀 단위로 구성된 지멘스 선박용 배터리 생산 라인은 전 세계 시장 수요 증가와 빠른 기술 발전에 맞춰 역량을 유연하게 조정하고 생산 능력을 늘릴 수 있습니다. 배터리 설계와 생산도 각 선박의 용도와 운항 사이클에 맞게 쉽게 최적화할 수 있습니다.
최첨단 머신 비전, 로봇, AGV를 활용한 트론헤임 생산 라인은 최고 수준의 자동화를 달성해, 생산 구역에 단 3명의 인력만 필요합니다. 이를 통해 지속 가능한 에너지 솔루션을 더 효율적이고 경제적으로 생산할 수 있습니다.
특히 부품 디팔레타이징 셀에 적용된 지비드의 3D 머신 비전 카메라는 높은 생산 처리량을 확보하는 데 큰 역할을 했습니다. 카메라의 고품질 컬러 3D 포인트 클라우드 덕분에, 로봇 암은 기계 시스템을 개조하거나 소프트웨어를 대대적으로 재개발하지 않고도 제품 변경에 대응할 수 있습니다.
고효율 엔드 투 엔드 자동화 생산 라인을 갖춘 지멘스는 연간 150~200척의 페리에 배터리를 공급할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 약 400MWh의 배터리 모듈 용량에 해당합니다. 이 공장은 순수 전기 페리 한 척에 필요한 배터리 모듈을 4일 이내에 생산할 수 있습니다.
디젤 선박에서 순수 배터리 또는 하이브리드 선박으로의 전환이 환경에 미치는 긍정적인 영향은 결코 과소평가할 수 없습니다. CO2와 NOx 배출, 수중 소음 공해 감소 효과는 지역은 물론 전 세계적으로 체감될 것입니다. 배출가스 제로, 저소음 해상 운항은 충분히 도전할 가치가 있는 목표입니다.