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‘수소 연료전지 지게차’ 이어 그린연료 동력원 확보 ‘구슬땀’

탐방 - 건설기계부품연구원 그린연료동력연구그룹

오성덕 기자 | 기사입력 2024/06/24 [15:30]
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‘수소 연료전지 지게차’ 이어 그린연료 동력원 확보 ‘구슬땀’
탐방 - 건설기계부품연구원 그린연료동력연구그룹
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건설·산업기계의 그린연료 기반 친환경 동력원 연구를 성공적으로 수행하며 지속 가능한 미래 환경을 그려 나가고 있는 건설기계부품연구원 ‘그린연료동력연구그룹’.

 

그동안 국내 최초로 수소 연료전지 지게차의 대규모 상용화를 위한 실증 연구와 함께 노후 엔진의 재제조 및 배출가스 저감 기술 연구, 2기통 수소 연소 엔진의 기초 성능 개발 연구들을 성공적으로 수행하며 관련 산업계의 든든한 동반자로 자리매김하고 있다. 

 

특히, 이처럼 다양한 연구 경험을 바탕으로 수소, 암모니아와 같은 무탄소 연료 기반의 차세대 탈탄소 엔진 및 탑재 장비 대상 성능 개발 연구를 비롯해 친환경 그린연료 동력원 확산을 위한 연구에 박차를 가하고 있어 귀추가 주목된다. 

 

무인 운반차량 ‘탑재’ 최고 출력 1.6kW급 수소 연료전지 스택 선봬

‘대량 수소 연료전지 지게차’ 실제 제련 공정과 물류 환경 투입 주력

 

지속 가능한 미래를 위한 건설기계의 친환경 전환이 전 세계적으로 빠르게 진행되고 있는 가운데 건설기계분야에서도 기존 엔진의 저공해 기술을 비롯해 수소 엔진과 같은 차세대 탈탄소 엔진 기술, 수소 연료전지 스택 기술의 중요성이 증대되고 있다. 

 

특히, 가혹한 조건에서 빈번히 운전되는 건설·산업기계의 특성을 반영, 높은 신뢰성과 경제성을 높은 확보할 수 있는 수소 연소 엔진과 탁월한 환경성을 자랑하는 수소 연료전지는 차세대 친환경 동력원으로 평가받고 있다.

 

특히, 실제로 기존 장비 시스템을 최대한 활용하고, 단시간에 탄소 배출저감과 환경을 개선할 수 있는 최선의 방법으로 수소, 암모니아와 같은 무탄소 연료 혹은 E-fuel과 같은 탄소중립 연료 기반 엔진 시스템 개발 및 탑재로 알려져 있다.

 

이에 건설기계부품연구원 그린연료동력연구그룹에서는 ‘수소 연소 엔진 성능 개발 및 탑재 장비 실증’ 연구와 ‘수소 연료전지 탑재 장비 실증 및 평가 모드 개발 연구’에 집중하고 있다. 

 

특히, ‘건설기계용 수소 기반 파워트레인 신뢰성 평가 기반 구축’ 사업 중 ‘수소 연소 엔진’ 관련 연구를 수행하며 성공적인 평가 기반 구축에 나서며 친환경 그린연료 동력원 확보에 구슬땀을 흘리고 있다. 

 

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핵심 연구

그린연료동력연구그룹의 연구 주제는 크게 ‘그린연료 동력원 연구’와 ‘그린연료 장비 연구’로 구분된다. 

 

‘그린연료 동력원’ 연구 분야에서는 ㈜블루플래닛과 함께 ‘2기통 수소 엔진의 기초 연구’를, 에스아이에스㈜와는 ‘전지 ESS 기반 에너지산업 혁신 생태계 구축 사업’을 성공적으로 수행했다. 

 

‘2기통 수소 엔진의 기초 연구’에서는 기존 2기통 가솔린 엔진을 대상으로 최소한의 하드웨어 변경과 함께 EMS 캘리브레이션을 통해 정상 상태에서 안정적으로 수소를 연소로 한 운전이 구현되는 가능성을 확인했다. 

 

실제로 연구 결과, 엔진 하드웨어의 큰 변경 없이 기존 가솔린 정격 출력 대비 약 75% 이상의 출력을 안정적으로 구현했고, 이산화탄소 배출량의 경우 기존 가솔린 대비 99% 이상 저감하는 성과를 도출했다. 

 

수소 엔진은 현재 기술 수준에서 다른 차세대 동력원 대비 높은 내구성능 확보는 물론 대량 생산 시 낮은 단가에 공급도 가능하다. 

 

이와 함께 산업통상자원부의 지원 아래 진행된 ‘전지 ESS 기반 에너지산업 혁신 생태계 구축 사업’에서는 무인 운반 차량에 탑재 가능한 최고 출력 1.6kW급 수소 연료전지 스택을 선보이고, 무인 운반 차량에서 요구하는 동력 특성에 대한 모의 검증도 완료했다. 

 

‘그린연료 장비 연구’ 분야는 ‘수소 연료전지 탑재 장비’ 부문과 ‘친환경 엔진 탑재 장비’ 부문으로 나눠진다. 

 

현재 ‘수소 연료전지 탑재 장비’ 부문에서는 산업부 지원 아래 건설기계부품연구원을 중심으로 진행 중인 ‘수소 지게차 상용화를 위한 실증 기반 신뢰성 검증 기술 개발’ 연구 수행에 역량을 집중시키고 있다. 

 

5톤급 이하 수소지게차의 실증‧시범사업 기반 신뢰성 확보 및 보급 기반 마련을 목표로 진행 중인 이 과제는 기존에 진행된 수소 연료전지 지게차의 기술 실증을 넘어 대량의 수소 연료전지 지게차를 실제 제련 공정과 물류 환경에 투입해 신뢰성을 검증하고 보급 제반을 마련하는 연구다. 향후 고려아연 온산제련소에서 실증이 이뤄질 예정이다. 

 

현재 건품연에서는 지게차 실증 데이터 관리와 신뢰성 분석 연구 등을 추진하고 있다.

 

또한, 한국자동차연구원을 주관연구기관으로 산업부의 지원 아래 진행 중인 ‘연료전지 시스템 적용분야 확대를 위한 모빌리티 운행 모드 개발’ 과제에도 참여, 건설기계 및 농기계 대상 운행 모드 개발 연구에 집중하고 있다. 

 

현재 믹서트럭, 지게차, 굴착기, 트랙터 등 건설‧농기계를 대상으로 운행 장비에서 취득한 데이터를 기반으로 통계 분석을 통해 요구 동력 특성을 도출하는 연구를 진행하고 있다. 

 

또한, 장비 주행 특성 및 활동도 분석과 장비별 운영 조건을 반영한 운행모드 개발 연구와 함께 보기류 에너지 소모 상관도 분석을 위해 PTO 출력 특성 모델 개발에 나서는 한편, 지게차 확장형 운행모드 개발 연구도 병행하고 있다. 

 

‘친환경 엔진 탑재 장비’ 부문에서는 중소벤처기업부의 지원 아래 정우정공㈜을 중심으로 진행된 ‘LNG 엔진형 자동차형 건설기계 실증사업’ 과제에 참여, 천연가스 연료 엔진 및 확장형 액화 천연가스 연료탱크가 장착된 자동차형 건설기계의 안전성과 효용 검증 연구를 성공적으로 수행했다. 

 

또한, ㈜크린어스를 중심으로 산업부의 지원 아래 진행된 ‘300kW 이하 건설기계 노후엔진의 재제조 기술 및 전자제어 후처리 장치 개발을 통한 Tier-4 배출가스 저감 기술 개발’ 과제에서는 노후 굴착기 대상 개발 기술의 환경성과 작업성에 대한 검증 연구를 진행했다. 

 

최근에는 산업부의 지원 아래 HD현대인프라코어를 중심으로 진행 중인 ‘건설기계 상용차용 300 kW급 Zero 이산화탄소 수소 연소 엔진 시스템 및 저장 공급계 개발’ 과제에 참여한 가운데 수소 엔진이 탑재된 건설기계의 검증에 역량을 집중시키고 있다. 

 

기존 굴착기를 대상으로 실제 사용 조건을 반영한 복합 모드 구성 연구와 함께 디젤 굴착기 동력과 배출 특성 시험 연구에 나선다. 

 

또한, 디젤 굴착기 동력 및 배출 특성 시험과 같은 조건에서 수소 엔진 굴착기의 시험을 진행, 수소 엔진의 작업 성능과 환경성 결과를 도출하는 한편, 작업별 엔진 동력 특성에 따른 해석모델을 개발하고 검증에도 나설 계획이다. 

 

이외에도 수소 엔진 탑재 건설기계의 원활한 운용을 위해 수소 충전 관련 규제특례도 진행하고 있다. 

  

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수소 연소 엔진 연구 성공적 수행

‘튜브트레일러’ 활용 설비구축 ‘자긍’

 

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건설기계부품연구원 김준석 그룹장은 “그린연료동력연구그룹은 지속 가능한 미래 환경을 위해 건설·산업기계용 수소 엔진 등 그린연료기반 동력원 기술 연구와 함께 탑재 장비 평가, 보급 제반 마련 등 다양한 연구를 수행하고 있는 그룹”이라고 소개했다.

 

건설·산업기계의 특성상 미래 동력원 시장은 운용 환경에 따라 다양한 형태의 동력원이 공존할 것으로 전망되고 있다. 

 

이어 “따라서 각광 받고 있는 배터리 전기식과 수소연료전지 전기식은 물론 수소 연소 엔진과 같은 탈탄소 엔진, 탄화수소계 연료 기반의 저공해 엔진 기술 역시 지속적인 연구개발이 필요한 시점”이라고 말했다. 

 

이 같은 필요성에 부응하기 위해 그린연료동력연구그룹은 기계공학과 컴퓨터공학을 전공한 구성원들의 역량을 기반으로 기존 탄화수소계 연료 엔진의 저공해 기술 연구부터 수소 연료를 사용하는 차세대 탈탄소 연소 엔진 및 수소 연료전지 스택 기술에 이르기까지 연료의 화학에너지를 전환하는 형태의 동력원에 대한 폭 넓은 연구를 수행하고 있다. 

 

김 그룹장은 “특히, 올해부터 수행 중인 ‘건설기계용 수소 기반 파워트레인 신뢰성 평가 기반 구축’ 사업 중 수소 연소 엔진에 대한 연구를 성공적으로 수행해 공공연구기관 최초로 수소 튜브트레일러를 활용한 수소 연소 엔진 전용 신뢰성 평가 설비를 구축하는 한편, 국내 수소 엔진 연구개발 기반 확충에 기여할 계획”이라고 강조했다. 

 

이어 “이와 함께 발전용 수소 연소 엔진을 탑재한 직렬 하이브리드 동력 시스템을 탑재한 건설·산업기계와 수소 연소 엔진으로 구동되는 건설기계의 기술 효용 실증 연구 준비에도 만전을 기하고 있다”고 말했다.

 

직렬 하이브리드 동력 건설·산업기계 실증 주력

 

이 같은 연구와 함께 그린연료동력연구그룹에서는 실제 운행 중인 건설·산업기계의 데이터를 수집해 장비의 종류와 작업 환경에 따라 통계적으로 요구하는 동력 특성을 도출하고, 평가 모드를 개발하는 연구를 수행하며 차세대 동력원 연구를 지원하고 있다. 

 

또한, 수소 연료전지 지게차의 신뢰성 검증 기술 개발과 보급 제반을 마련하기 위해 대규모 실증 과제도 성공적으로 수행하고 있다.

 

끝으로 김 그룹장은 “차세대 탈탄소 엔진의 핵심 기술 연구와 친환경 장비의 성능 평가 및 검증을 통해 공공연구기관으로서 국내 중소·중견기업 지원의 책무를 충실히 수행하며, 건설·산업기계의 그린연료동력원 분야의 국가 경쟁력 확보에 기여해 나가겠다”고 덧붙였다.

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