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차세대 친환경·고효율 모빌리티 기술개발 ‘총력’

◧탐방 - 건설기계부품연구원 친환경동력연구실

오성덕 기자 | 기사입력 2024/01/19 [15:20]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2024/01/19 [15:20]
차세대 친환경·고효율 모빌리티 기술개발 ‘총력’
◧탐방 - 건설기계부품연구원 친환경동력연구실
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현재 국내는 물론 전 세계가 안고 있는 기후위기 극복과 에너지 안보, 환경 문제 등 현안 해결을 위해 온실가스와 오염물질 배출이 없는 차세대 친환경·고효율 모빌리티동력 기술 개발에 역량을 집중시키고 있는 건설기계부품연구원 친환경동력연구실.

 

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▲ (사진 왼쪽부터) 수소연료전지 실험실, 모터 실험실, 엔진 실험실, 수소충전소 모습    

 

최근 전 세계적으로 배기가스와 소음 등 환경규제와 무역기술장벽 강화에 대응하기 위해 국내 건설기계산업계에서도 동력원 전환을 위한 기술 개발이 속속 개발되고 있다.

 

특히, 친환경동력연구실에서는 수소연료전지부터 전기 동력시스템, 우주·해저용 특수 동력시스템에 이르기까지 선제적이고 차별화된 기술개발에 나서며 국내 건설기계산업 분야의 기술 경쟁력 강화에 크게 일조하고 있다. 

 

현재 친환경동력연구실은 ‘수소연료전지연구그룹’과 ‘그린연료동력연구그룹’, ‘전기동력연구그룹’, ‘특수환경동력연구그룹’ 등 4개 그룹으로 나눠 수소연료전지, 전기식 모듈·부품, 그린에너지시스템 안전·열관리, 우주·해저용 특수 동력시스템 등 특화된 분야별 연구를 성공적으로 수행하고 있다. 

 

친환경 수소 연료전지 기반 110kW급 대형 트랙터 개발 등 

건설·산업용 모빌리티 운용 특성 분석·평가 모드 개발 집중

수소지게차 국산화 모델 ‘설계’ 실증기반 시범사업도 추진

‘기계식 실린더를 전기식으로’ 굴착기용 전기구동실린더 개발

 

‘수소연료전지연구그룹’에서는 연료전지 시스템 연구와 실증 대상 모빌리티의 신뢰성 평가를 주요 연구 테마로 수립하고 다양한 프로젝트를 진행하고 있다.

 

현재 상용차와 구분되는 수소 건설·산업기계의 운전 특성에 최적화된 연료전지 통합제어 시스템을 연구를 위해 ‘14톤급 건설 중장비용 수소연료전지 파워시스템 개발 및 실증’, ‘친환경 수소 연료전지 기반 110kW급 대형 트랙터 개발’ 등 국책과제를 수행하고 있다. 

 

‘특수 목적 모빌리티용 고신뢰성 수소연료전지 기반 동력시스템 및 다중 모듈화 개발’ 과제에서는 내진동 시스템 최적화와 분진 등으로 인한 수소연료전지 시스템 내환경성 분석과 연료전지 스택의 열관리를 위한 최적 조건을 도출하는 연구를 진행하고 있다. 

 

또한, 저압충방전이 가능한 수소저장합금 적용 건설용 파워팩 운영기술과 시스템 안전 연구, 파워팩 내진동 기구 설계·제작, 저압용 수소 공급 시스템을 연구하고 있다. 

 

‘그린연료동력연구그룹’에서는 수소·탈탄소 엔진과 같은 동력원 기술과 건설·산업용 모빌리티 운용 특성 분석·평가 모드 개발에 집중하고 있다. 

 

기존 장비 시스템을 최대한 활용하고, 단시간에 탄소 배출저감과 환경을 개선할 수 있는 최선의 방법은 수소, 암모니아와 같은 무탄소 연료 혹은 E-fuel과 같은 탄소중립 연료 기반 엔진 시스템 개발·탑재인 것으로 알려져 있다. 

 

실제로 장기적 관점에서 수소연료전지 동력원이 탑재된 완전 전기 구동 건설기계의 환경성이 다른 동력원 대비 대체적으로 높을 것으로 전망되고 있다. 

 

이에 그린연료동력연구그룹에서는 빠르게 확산 가능한 친환경 동력원 개발을 위해 수소·탈탄소 엔진과 같은 동력원 기술을 개발하고 있다. 

 

또한, 하이브리드 시스템 구성을 위해 건설·산업용 모빌리티의 종류와 운용 환경을 반영할 수 있는 운용 특성 분석과 평가 모드 개발을 위한 방법론 연구, 수소지게차의 국산화 보급 모델을 설계하기 위해 실증기반 시범사업 수행하고 있다.

 

‘전기동력연구그룹’은 국내외 건설·산업기계에 적용되는 전동화 시스템과 요소 부품분야를 중점적으로 연구하고 있다.

 

최근 글로벌 배출가스 규제 강화로 인해 건설·산업기계에 전동화 시스템 적용 요구가 증대되고 있는 가운데 기존 전기 자동차 대비 충격, 분진, 강우 등 가혹한 작업환경과 고부하 작업특성 등을 고려한 신뢰성 확보 기술과 전동부품기술개발이 필수적으로 떠오르고 있다.

 

이에 전기동력연구그룹에서는 전기·수소 모빌리티용 전기구동시스템의 핵심 요소 부품들인 전기 모터, 인버터, 전력변환장치, 전기구동액추에이터 등에 대한 설계·해석·제어 기술 등 부품기술개발과 전동시스템 적용 실차의 성능 및 신뢰성 연구, 중소기업의 전동기술 확보를 위한 지원을 수행하고 있다.

 

대표적인 연구로는 이동형 충전기술과 모터 등 주요부품 국산화기술, 배터리 팩 공용화 기술을 개발하는 ‘전기식 건설기계용 충전 인프라 및 기반기술개발’ 사업과 기계식 실린더를 전기식으로 대체하기 위한 ‘굴착기용 전기구동실린더 개발’ 연구를 수행 중이다.

 

‘특수환경동력연구그룹’은 특수, 극한환경 동력시스템과 에너지시스템 안전기술 연구에 집중하고 있다. 

 

최근 미국의 아르테미스 프로젝트를 필두로 월면기지 구축을 위한 연구가 진행되고 있는 가운데 천문학적인 에너지 비용과 건축자재의 수송비용으로 인해 현재 달에 존재하는 현지자원을 활용하기 위한 개념(ISRU, In situ resource utilization)이 대두되고 있다. 

 

이 같은 현지자원 활용 기반의 월면기지 구축을 위해서는 달의 남극부문에 존재하는 얼음을 활용한 물 채취, 월면토를 활용한 건설자재 생산, 월면기지 건설기술 등이 필요한 것으로 알려져 있다. 이를 위해서는 극저온, 무산소, 저중력 등의 환경에서 작동할 수 있는 우주건설기계 개발이 필수적이다.

 

이에 특수환경동력연구그룹에서는 우주건설기계와 관련된 원자력전지 열전소자와 ISRU 수소연료전지 등의 동력원, 극한온도에서의 열관리시스템과 소재 기술 등에 대한 기초연구를 수행하고 있다. 

 

또한, 극저온 조건인 남극 기지구축에 필요한 건설기계의 친환경 동력원 기술과 방산·해저 분야 등 기타 특수환경에서의 동력원에 대한 기술개발에도 노력을 기울이고 있다. 

 

이외에도 친환경 전기식 및 수소 건설기계 시장 확대로 인해 효율과 신뢰성 향상을 위한 에너지시스템 열관리 중요성이 점차 커지고 있는 가운데 건설기계용 수소연료전지와 배터리의 열관리시스템 성능 향상기술 연구에 박차를 가하고 있다. 

 

또한, 전기식 건설기계의 안전성 확보를 위한 배터리 열폭주 제어기술과 수소건설기계 사용시간의 획기적인 증가를 위해 극저온 액화 저장기술에 대한 연구도 병행하고 있다. 

 

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수소연료전지 기반 전기동력시스템

건설기계산업분야 현안 해결 ‘최적’

 

“건설기계부품연구원 친환경동력연구실은 온실가스와 오염물질 배출이 없는 차세대 친환경 고효율 모빌리티 동력기술을 중점적으로 연구하고 곳이며, 현재 전기화학 기반의 수소연료전지 기술과 배터리 기반의 전기동력기술, 연소 기반의 무탄소연료 내연기관, 무산화제 기반의 우주극한 환경 동력기술 등 4개 분야 연구에 집중하고 있습니다.”

 

현재 건설기계산업 분야에서는 자동차 분야와 같이 국가별로 존재하는 배기가스 규제가 각각의 국가기술 보호를 위해 배타적 장벽으로 나타나고 있다. 

 

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▲ 김희수 실장    

건설기계부품연구원 김희수 실장은 “기존 탄화연료를 이용한 기계식동력시스템으로는 국가별 배기가스 규제와 최근 대두되고 있는 무인화, 지능화기술에 대한 요구에 대응하기 어렵다”며, “따라서 궁극적으로는 수소연료전지 기반의 전기동력시스템이 건설기계산업 분야의 현안 해결을 위한 최적의 방안 중 하나”라고 밝혔다. 

 

이어 “하지만, 요소기술개발 속도와 수준이 각 분야별로 상이하고 인프라 구축과 인증, 표준 등 사회적 시스템 구축이 필요한 점, 기계식 부품기술 위주의 현 건설기계 산업현황, 글로벌 시장에서의 다양한 대안 기술이 경쟁하고 있는 점을 고려한다면 안정적인 산업변화를 위해 무탄소연료 엔진을 비롯한 다양한 기술을 협력적으로 때로는 경쟁적인 개발도 수반돼야 한다”고 강조했다.

 

무산소 극저온 에너지시스템 연구 반드시 진행돼야

 

그는 또, “특히, 정부가 우주와 남극 등 극한환경산업에 진출을 예정하고 있는 시점에 발맞춰 선제적으로 무산소환경과 극저온 환경에서의 에너지 시스템 연구도 반드시 진행돼야 한다"며, "이번 연구는 첨단 기술이 집약돼 미래 건설산업분야의 동력기술을 이끌 것”이라고 말했다. 

 

한편, 김 실장은 “지난해 9월 건품연 시험평가인증센터에서 국내 최초로 건설기계용 수소충전소가 설치됐다”며, “수소충전소는 저압으로 저장된 수소를 고압으로 압축해 건설기계나 자동차 등에 충전하는 시설”이라고 밝혔다.

 

이번에 준공된 수소충전소는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 지원 아래 진행 중인 ‘14톤급 건설 중장비용 수소연료전지 파워시스템 개발 및 실증’ 사업의 일환으로 구축됐다. 

 

이어 “이번 수소충전소 구축으로 향후 건설기계는 물론 각종 비도로형 특수 모빌리티 장비의 수소 동력화 연구개발이 가속화하고 시험·인증 편의성이 향상될 것”이라고 전망했다.

 

지난해 12월에는 친환경동력연구실 중심으로 ‘전기식 건설산업기계발전포럼’이 발족됐다.

 

김 실장은 “이번 포럼은 전기식 건설·산업기계 보급 확산을 위한 기술과 시장 경쟁력 확보 방안 도출을 목표로 출범됐다”며, “특히, 현재 외국보다 크게 뒤처진 전기동력 부분 R&D와 대외 기술경쟁력, 국내시장 확대를 위해 산학연관 관계자들이 참가하는 정책적·제도적 논의의 플랫폼으로 매우 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다. 

 

이어 “앞으로 산학연 전문가와 함께 전기식 건설·산업기계 개발동향과 상용화 진행 단계를 공유하고 발전정책과 육성방안을 논의하는 장으로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.

 

끝으로 김 실장은 “올해로 개원 10주년을 맞은 건설기계부품연구원은 더욱 치열해진 국가별 경쟁과 기술의 급격한 변화 속에서 국내산업보호는 물론 글로벌 기술경쟁력 확보를 위해 보다 큰 열정으로 연구개발에 계속 매진하겠다”고 강조했다. 

 

이어 “또한, 건설기계산업 분야의 발전을 도모할 수 있는 정책 개발과 반영을 위해 산학연관의 대화 통로 역할을 담당해 나가겠다”고 덧붙였다. 

 

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