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건설기계 ‘수소연료전지’ 적용 ··· 탄소중립 앞당긴다

◧탐방-건설기계부품연구원 수소연료전지연구그룹

오성덕 기자 | 기사입력 2024/04/19 [12:40]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2024/04/19 [12:40]
건설기계 ‘수소연료전지’ 적용 ··· 탄소중립 앞당긴다
◧탐방-건설기계부품연구원 수소연료전지연구그룹
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국내 최고 수준의 건설기계 연료전지 분야 기술력과 연구 노하우를 보유하고 있는 건설기계부품연구원 수소연료전지연구그룹.

 

현재 굴착기와 지게차를 시작으로 휠 로더, 트랙터 등에 친환경 수소연료전지 적용을 위한 연구 개발에 집중하며 건설‧산업기계 분야의 탄소중립 실현에 앞장서고 있어 이목을 집중시키고 있다. 

 

굴착기 지게차 트랙터 등 대상 ‘친환경’ 연구개발 구슬땀

국내 최초 건설·산업기계 전용 ‘수소충전소’ 구축 큰 성과

‘고체수소저장합금’ 적용 험지용 이동형 발전시스템 연구도


최근 친환경 탄소 제로 동력원으로 교체 시 온실가스 감축 효율이 높은 것으로 알려지면서 친환경 건설기계 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

 

현재 국내 건설기계의 온실가스 배출량은 연 2천 670만 톤으로 화물차 배출량의 78%에 달하고, 대당 탄소 배출량은 화물차의 5.3배, 승용차의 15.8배 수준이다. 

 

특히, 지속적인 고출력을 요구하는 건설·산업기계의 운용 특성상 높은 출력은 물론 짧은 충전시간으로 사용 시간을 극대화시킬 수 있는 수소연료전지 동력원이 기존 동력원을 대체할 수 있는 친환경 동력원으로 평가받고 있다.

 

이 같은 추세에 발맞춰 국내에서는 대표적인 건설·산업기계인 굴착기와 지게차를 시작으로 휠 로더, 트랙터 등에 수소연료전지를 적용하기 위한 연구와 기술개발이 ‘수소연료전지연구그룹’을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 

 

수소연료전지연구그룹은 건설·산업기계용 수소연료전지 시스템 개발을 비롯해 연료전지 시스템의 CFD 해석, 수소 저장‧제조‧공급 및 수소 모빌리티 성능과 내구성 검증 등 다양한 연구와 프로젝트를 수행하고 있다. 

 

현재 상용차와 구분되는 수소 건설·산업기계의 운전 특성에 최적화된 연료전지 통합제어 시스템 개발을 위해 ‘14톤급 건설 중장비용 수소연료전지 파워시스템 개발‧실증’ 연구와 함께 ‘친환경 수소 연료전지 기반 110kW급 대형 트랙터 개발’ 등 핵심 국책과제를 성공적으로 진행하고 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 연구에 박차를 가하고 있다. 

 

또한, 저압 충·방전이 가능한 수소저장합금을 적용한 건설용 파워팩 운영기술과 시스템 안전 연구와 함께 파워팩 내진동 기구 설계·제작, 저압용 수소 공급 시스템 연구에도 나서고 있다. 

 

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▲ 수소굴착기 충전 모습    

 

핵심연구

산업통상자원부 주관 아래 지난 2019년 4월까지 진행된 ‘2톤급 전동식 건설중장비용 연료전지 파워팩 개발’ 과제에 참여기관으로 나서 300시간의 내구성 평가와 함께 1회 충전 시 최대 8시간 이상의 작업시간 평가, 내진동성 검증 등의 연구를 성공적으로 수행했다. 

 

이 같은 경험을 기반으로 2020년부터는 산자부가 주관하는 중대형 굴착기 개발 국책과제인 ‘14톤급 건설 중장비용 수소연료전지 파워시스템 개발 및 실증’ 연구를 진행하고 있다. 

 

현재 수소연료전지 시스템을 장착한 14톤급 수소굴착기와 14톤급 수소 휠 로더 등 2종의 건설 장비 개발이 완료된 상태로, 완성차 실증 테스트를 앞두고 있다. 

 

이번 연구에서 수소연료전지연구그룹에서는 개발 장비의 내진동‧내환경성 확보와 실차 내구성 테스트를 담당했다.

 

특히, 국내 최초로 건설·산업기계 전용 수소충전소를 구축하는 성과를 도출했다. 현재 이 수소충전소는 5만 3천 평 규모의 종합시험센터와 연계한 수소연료전지 건설·산업기계의 연구개발과 실증에 활용되고 있다.

 

지난 2022년부터는 농기계로도 연구 개발 범위를 확장, 농림축산식품부가 주관하고 충남대, 현대모비스, 대동, TYM, LS엠트론 등이 참여하는 ‘친환경 수소 연료전지 기반 110kW급 대형 트랙터 개발’ 과제를 수행하고 있다. 

 

이 과제는 내연기관이 장착된 트랙터가 갖는 환경오염 등의 문제 해결을 위해 국내 종합농기계 3사가 참여한 가운데 수소연료전지 시스템을 탑재한 대형 트랙터를 개발하는 과제다.

 

현재 연구원에서는 모빌리티의 구동 환경 특성을 고려한 연료전지 시스템의 내진동‧내환경성을 확보하고, 이를 반영한 실차 탑재 성능과 내구성을 평가하고 있다. 

 

특히, 험지용 연료전지 시스템 개발에도 참여하며 눈길을 끌고 있다. 

 

중소벤처기업부 주관 아래 ㈜햅스와 함께 수행 중인 ‘특수 목적 모빌리티용 고신뢰성 수소연료전지 기반 동력시스템 및 다중 모듈화 개발’ 과제에서 진동 특성 분석과 내환경 기술을 적용해 진동·분진 등이 많이 발생하는 가혹한 환경에서 수소연료전지 시스템의 내환경성 분석과 열관리 개선 등을 연구하고 있다.

 

한편, 수소연료전지연구그룹은 건설산업 현장으로의 수소 활용 분야는 물론 수소 공급 분야로도 연구를 확장하고 있다. 

 

현재 오지 또는 험지인 경우가 많은 작업 현장에 수소 공급이 어려운 점을 개선하기 위해  ‘고체수소저장합금’을 적용한 이동형 발전 시스템 연구에 나서고 있다. 

 

이 과제는 산업부가 주관하고, ㈜지필로스, ㈜케이피씨엠, ㈜에스퓨얼셀 등이 참여한 ‘건설현장용 10kW급 탄소제로 이동형 저압 메탈하이드라이드(MH) 탑재 수소연료전지 전력공급장치 개발’ 과제로, 외부전력이 공급되지 않는 험지 또는 건설현장에서 이동·설치가 간소화된 수소연료전지 적용 전력공급장치를 개발하고 있다. 

 

수소연료전지연구그룹에서는 수소연료전지 파워팩 운영기술과 시스템 관련, 안전에 대한 연구와 파워팩 시스템용 내진동 기구 설계·제작, 저압용 수소저장합금 수소 공급 시스템 개발 연구를 수행하고 있다.

 

 

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세계적 환경규제 무역기술장벽 ‘기술력’으로 허문다

 

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▲ 박상균 그룹장    

건설기계부품연구원 박상균 그룹장은 “수소연료전지연구그룹은 국내 건설‧기계산업의 친환경성 확보를 위한 연료전지 시스템 연구와 함께 모빌리티의 신뢰성 평가를 진행하며 전 세계적인 환경규제와 무역기술장벽 강화에 대응할 수 있는 마중물 기술들을 연구, 개발하고 있다”고 소개했다. 

 

특히, 국내 최초로 유일하게 2톤급 수소굴착기의 300시간 내구실험과 1회 충전 8시간 평가를 완료하며, 앞선 기술력을 입증했다.

 

올해에는 14톤급 수소굴착기·로더와 7톤급 수소트랙터에 대한 평가에 집중하는 한편, 수소건설기계의 성능과 내구성 평가 프로세스 수립, 건설기계 적용을 위한 스택과 파워팩 등의 핵심부품, 실차 내진동성 확보를 위한 진동 평가방법과 평가 조건 수립 등에도 나선다. 

 

2톤급 수소굴착기 300시간 내구실험 등 

1회 충전 8시간 평가 완료 입증 ‘자긍’

 

이 같은 핵심연구와 성과 중 수소연료전지연구그룹을 설명할 때 국내 최초로 구축한 건설·산업기계 수소충전소를 구축을 빼놓을 수 없다. 

 

박 그룹장은 “지난 2022년 구축한 연구용 수소충전소는 국내 최초의 수소건설·산업기계 전용 수소충전소로, 종합시험센터 내에 설치돼 있다”고 말했다. 

 

이어 “현재 종합시험센터 내 다양한 시험시설과 연계해 수소건설·산업기계의 다양한 차량시험이 가능한 장점을 살려 지금까지 공항물류차량과 수소지게차 등의 실차시험에 활용했다”고 설명했다. 

 

이 수소충전소는 앞으로 개발 예정인 14톤급 굴착기와 휠로더를 비롯해 트랙터와 스키드로더, 대형 수소엔진굴착기, 험지 크레인인 RT 크레인 등 개발 중인 다양한 수소건설·산업기계의 실차 시험 과정에도 활용될 예정이다. 

 

박 그룹장은 “최근까지 수행한 연구 개발 분야가 건설·산업기계용 수소연료전지 개발과 같은 수소 활용에 집중했다면, 향후에는 수소 생산-공급 분야로 연구 테마를 확대해 건설·산업기계 분야의 수소 전주기 밸류체인 구축에 나설 계획”이라고 밝혔다.

 

현재 건설현장은 전력공급이 어려운 오지 또는 험지에 위치한 경우가 많아 작업기계의 연료 공급이 가장 큰 이슈다.

 

박 그룹장은 “특히, 비도로용 건설기계는 큰 규모의 차체와 낮은 기동성으로 인해 충전소로 이동하는 데 한계가 있는 만큼 수소건설기계 보급 확대에 대비한 이동식 수소충전소의 개발은 반드시 이뤄져야 한다”고 강조했다.

 

이어 “이에 수소연료전지연구그룹은 전력 사용이 불가능한 험지와 건설현장 등에 수소를 공급할 수 있는 고내구성·무전력 이동식 수소 충전 시스템 개발을 추진하고 있다”며, “이를 위해 외부 전원이 필요 없는 무동력 충전시스템 기술 개발과 함께 이동 시 실차와 충전 핵심 부품의 내진동성을 확보할 수 있는 기술 개발에 나설 계획”이라고 설명했다. 

 

한편, 고분자 전해질 막 수전해 장치(PEMWE)는 시스템 소형화와 순화가 가능하고 낮은 구동 온도로 부하 변동에 빠르게 대응할 수 있어 건설현장에서 수소 발생원으로 도입하려는 기술로 알려져 있다. 

 

실제로 건설·산업기계의 수소연료전지 동력원으로의 전환은 해외에서 이미 빠르게 진행되고 있다. 미국의 Plug power사는 수소연료전지 파워팩 개발과 수소 지게차 상용화에 성공하고, 지난 2023년도 기준, 미국 전역에 6만 대 이상의 판매를 기록했다. 일본의 TOYOTA는 수소지게차 개발을 완료하고, 현재 실증 테스트를 진행하고 있는 것으로 알려져 있다. 

 

국내에서도 HD현대인프라코어나 두산밥캣 등 완성차 업체를 중심으로 중소형 건설기계의 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 

 

박 그룹장은 “두산밥캣의 경우 현대모비스와의 합작으로 지난 1월 3톤급 수소지게차를 공개했고, 수소연료전지연구그룹은 지난 2021년 울산 규제자유특구에서 진행한 수소연료전지 지게차 실증사업에 특구 사업자로서 가온셀, 현대모비스 등과 함께 참여했다”고 밝혔다. 

 

이어 “국내 친환경 건설기계 개발의 중심에서 기술을 선도해 나가는 친환경동력연구실 수소연료전지연구그룹은 이 같은 연구 성과와 결과물이 세계 기술 표준이 될 수 있도록 최선을 다하고 있다”고 덧붙였다. 

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