미래 개인기기 동력원으로서 가스엔진 파워팩이 가장 경제적

 

유럽, 일본 등 선진국은 이미 초소형 불꽃점화 가스엔진 이용한 동력원 개발·보급
고성능 개인기기의 미래 수요 대응 위한 연구개발 필요

국내외 연구기관들의 미래전망보고서에 근거하여 미래의 메가트렌드를 분석해보면 고령화, 개인화, 무인화가 큰 화두로서 부각됨을 알 수 있다. 

이러한 미래 메가트렌드 내용을 살펴보면 개인 위주의 삶이 점차 확대되고 노령인구의 급격한 증가로 인해 개인기기(Personal Mobility)의 사용이 크게 늘어날 것으로 예측되고 있는데 이러한 개인기기의 종류에는 인공장기로부터 웨어러블 컴퓨터 및 통신기기, 근력 증강 외골격(Exoskeleton), 휴머노이드 로봇, 개인 이동수단 등이 대두되고 있다. 또한 인간이 직접 수행하기에 위험이 따르고 접근이 어려운 곳이나 지속적인 모니터링이 필요한 곳에는 무인기기를 이용한 정찰이나 작업이 필요한데 이러한 무인항공기, 무인선박, 무인잠수정 등에 대한 수요가 꾸준하게 증가할 것으로 예상되고 있다.

▲ 비출력과 비에너지 맵에서 지속 가동시간을 고려한 파워 소스별 포지셔닝((출처 : Personal power systems, 2005, Progress in Energy and Combustion Science 31, pp. 422-465)

이와 더불어 미래에는 인간이 수행하는 여러 가지 작업들을 대체할 수 있는 다양한 로봇의 등장 또한 예견되고 있는데 이러한 로봇의 종류로는 가사 도우미 로봇으로부터 의료용 로봇, 대테러 로봇, 전투로봇 등에 이르기까지 매우 다양할 것으로 전망되고 있다.

이렇게 다양한 개인기기나 무인기기, 파워 로봇 등에는 이들의 구동을 가능하게 할 수 있는 동력원(Power Source)이 필요한데 이러한 동력원은 크게 전기화학적(Electrochemical), 열화학적(Thermochemical), 생화학적(Biochemical) 방법에 의해 작동하는 것으로 나눌 수 있으며 각각의 종류 또한 매우 다양하고 개별적 기기에 요구되는 파워의 크기와 용량에 따라 그 동력원이 결정되어지고 있다.

 이차전지로 대변되는 전기화학적 동력원의 경우 단위 중량당 에너지밀도가 낮지만 사용의 편리성으로 인해 소형 개인기기에 많이 사용되어지고 있으며 왕복동 엔진이나 가스터빈과 같이 연소에 기반 하여 동력을 발생시키는 열화학적 동력원의 경우 탄화수소계 연료의 연소에 기인한 유해 배출물 문제가 있으나 높은 비출력과 경제성에 의해 발전용 및 수송용 개인기기에 광범위하게 사용되어지고 있다.

생화학적 방법을 이용한 동력원의 경우는 연구 초기단계로서 기술적 성숙도가 낮아 현재로선 그 적용처가 매우 제한적이긴 하지만 대부분의 동물의 신진대사를 고려할 때 에너지 이용률 측면에서 유리하기 때문에 아주 작은 양의 에너지를 요구하는 개인기기에 적용이 예상되어지고 있다.

이러한 기존 동력원이나 향후 예상 동력원의 용량 및 수요를 명확하게 파악하기 위하여 요구 전력과 저장 에너지 맵에서 지속가동시간에 따른 각각의 포터블 개인 기기의 포지션을 살펴 볼 때 대부분의 인간 활동을 고려할 경우 권장되는 지속 가능 시간인 10시간을 기준으로 분석해 본다면 현재의 개인기기용 파워 시스템은 그 용량 측면에서 턱없이 부족하기 때문에 이들의 개선이 본격적인 개인기기의 원활하고 편리한 이용을 위해 절실하게 요구되고 있는 부분이다. 현재 사용되고 있는 개인용 기기들의 파워 시스템은 주로 전기화학적 방법인 배터리에 의존하고 있으며 배터리를 사용한 개인기기의 사용시간은 인간의 주요 활동 패턴과 편의성을 고려해 볼 때 많은 제약이 따르고 좀 더 오랜 시간동안 지속적으로 파워를 공급할 수 있는 파워 시스템의 등장이 매우 중요하기 때문에 높은 에너지 밀도를 갖는 파워 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있는 것이 사실이다.

일반적으로 지금까지 알려진 개인용 기기의 파워 소스를 살펴보면 아래 그림과 같은 종류들을 나열할 수 있겠는데 아래 그림은 중량당 파워 밀도와 중량당 에너지 밀도를 로그 스케일로 그린 그래프로서 다양한 파워 소스의 에너지 스펙트럼을 이해하기 쉽게 보여주고 있다.

이렇게 각기 다른 종류의 파워 소스의 적용에 있어 크고 작은 장단점들을 가지고 있겠지만 앞서 언급했던 이상적인 지속가능시간과 고비출력 측면에서 요구되는 성능을 고려해 본다면 소형 불꽃점화 엔진만이 요구 성능을 만족시킬 수 있는 것으로 파악되고 있다. 다시 말해, 아래의 그림에서 퍼스널 파워 타깃 영역에 부합하는 파워 소스로는 현재 소형 불꽃점화 엔진이 유일하며 배터리와 연료전지와 같은 파워 소스의 경우는 목표 비출력과 비에너지를 만족시키지 못하고 있는 것으로 조사되고 있다. 또한 수 kW급 이하 소형 전기발생 파워팩의 경우는 내연기관 엔진이 다른 동력원에 비해 내구성 및 경제성이 월등히 우수한 것으로 보고되고 있는 것이 엄연한 사실이다.

하지만 소형 내연기관의 경우 소형 엔진구조에 기인한 탄화수소 연료의 연소 특성상 질소산화물과 같은 유해 배출물 배출과 효율 저감이 문제점으로 보고되고 있기 때문에 이들의 해결을 위한 기술개발이 필요한 상황이다.

▲ 일본혼다사의 GE160V 소형 천연가스엔진(a), 이를 장착한 Cogeneration unit (Ecowill, b) 및 불꽃점화엔진 기반 포터블발전기 EU30i(c)의 모습

본격적인 개인기기의 출현에 선행하여 이와 같은 소형 내연기관 기반 동력원이 현재 적용되고 있는 분야는 바로 소형 또는 초소형 열병합발전 분야이다. 내연기관 연계 소형 발전시스템의 경우 유럽 및 일본 등 선진국에서는 소규모 주택단지를 겨냥한 열병합발전시스템의 동력원으로 다양하게 개발되어지고 있다. 내연기관 기반 파워시스템은 연료전지 및 스털링 엔진을 이용한 파워시스템에 비해 신뢰성과 경제성이 우수하며 1∼30kW급 범위에서 다양한 종류의 파워시스템이 보고되고 있고 5kW급 이하의 불꽃점화 엔진의 경우 효율과 정숙성을 향상시키는 연구가 진행 중이다. 가장 대표적인 소형 가스엔진으로서 일본의 혼다(Honda)사는 2003년 단기통 내연기관 엔진인 GE160V를 독자 개발하였고 이를 1kW급 가정용 열병합발전시스템의 동력원으로 적용하였는데 GE160V는 세계에서 가장 작은 천연가스 엔진으로 이론공연비에서 운전하도록 설계되었으며 질소산화물과 같은 유해배기가스의 저감을 위해 삼원촉매를 적용하였다. 2006년에는 발전효율을 20%에서 22.5%로 향상시킨 2세대 모델이 출시되었으며 2010년 말까지 자국 내에서 약 110,000대의 판매실적을 기록하였을 뿐만 아니라 미국, 유럽 등으로 수출이 이루어지고 있다. 혼다의 GE160V는 0.17리터 4행정 단기통엔진으로서 발전효율이 22.5%이고 소음 수준은 약 45dB이며 기존 대비 이산화탄소 저감량은 대당 연간 약 1ton 인 것으로 보고되어지고 있다. 혼다는 또한 0.7, 1.5, 2.5 & 5kW급의 소형 발전기 시리즈를 보유하고 있는데 모두 가솔린을 연료로 사용하는 불꽃점화 엔진을 기반으로 제작되었으며 Atkinson Cycle (Extended expansion thermodynamic cycle)을 적용하여 효율을 높였고 다중 링키지 시스템을 적용한 컨넥팅 로드 구조 개선과 육면체형 방음박스 적용과 외벽 이중구조 설계를 통해 소음 문제를 대폭 개선한 것으로 보고하고 있다.

다음으로 일본의 얀마(Yanmar)사는 4, 10, 25 kW급의 세 가지 열병합발전시스템 제품을 상용화하였는데 이중 가정용으로 개발된 4kW급 CP4WE의 경우 효율 향상을 위해 희박연소 및 밀러(Miller) 사이클을 적용한 3기통 천연가스 엔진을 장착하였으며 발전효율 26.7%, 소음 수준 53dB의 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 유럽에서는 발전용 소형 파워팩의 경우 5kW급을 중심으로 형성되었는데 이것은 주요 시장이 가정용 열병합발전시스템이기 때문이다. 유럽의 Baxi-Senertec사에서 5.5kW급 열병합발전시스템인 Dachs G5.5을 선보였는데 여기에 장착된 불꽃점화 엔진은 580cc 4행정 천연가스 단기통 엔진으로 약 27%의 발전효율과 52-56dB의 소음을 발생하는 것으로 알려져 있다. 독일의 Vaillant사에서는 4.7kW급인 Ecopower e4.7과 3kW급인 e3.0을 상용화하였으며 두 제품 모두 4행정 272cc 천연가스 엔진을 장착하고 있는데 소음 수준은 56dB 이하이고 질소산화물(NOx) 배출량은 50mg/N㎥ (@ O2 5%) 이하인 것으로 보고되고 있다.

이와 같이 유럽 및 일본 등 선진국에서는 이미 초소형 불꽃점화 가스엔진을 이용한 발전시스템 및 가정용 열병합발전시스템이 다른 동력원을 사용하는 것에 비해 가장 신뢰도가 높고 가격경쟁력이 있음을 인지하고 개발 및 보급을 확대하고 있다. 우리나라에서도 기존의 연료전지와 스털링엔진 위주의 연구개발에서부터 왕복동 불꽃점화엔진으로 연구주제를 넓혀가고 있으며 현재 한국기계연구원과 ㈜테너지 컨소시엄에서 1kW급 내연기관을 이용한 가정용 초소형 열병합 발전시스템 개발을 진행하고 있다.

향후 한국기계연구원에서는 5kW급 이하의 초소형 불꽃점화 가스엔진 기술을 고도화 개발하여 이를 열병합발전시스템이나 냉열병합발전시스템에 적용할 뿐만 아니라 그 적용 범위를 미래 메가트렌드와 연결시켜 앞서 언급했던 각종 개인기기와 무인기기의 동력원으로 확장시켜 나갈 계획을 수립하고 실행에 옮겨가고 있다.

고령화, 개인화, 무인화라는 미래 메가트렌드는 멀지 않은 장래에 다가올 것이 분명하다. 이러한 미래 메가트렌드에 따라 개인기기의 수요는 크게 증가할 것이고 그 종류 또한 매우 다양해질 가능성이 높다. 현재까지 대두된 주요 개인용 기기들의 전력 수요와 현재 작동시간, 권장 전력과 이상적 작동시간을 분석해 보았을 때 공히 대부분의 개인기기에서 단위 중량당 출력이 매우 높은 고비출력과 최소 10시간 이상의 지속적인 작동시간을 요구하고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 이와 같은 고성능 개인기기의 미래 수요에 대응하기 위해서는 이상적인 목표 비출력과 비에너지를 만족시킬 수 있는 파워 소스의 개발과 출현이 반드시 필요하다. 지금까지 알려진 여러 종류의 파워 소스를 고려해볼 때 소형 가스엔진 기반 파워팩을 고도화 개발하는 것이 미래 개인기기의 동력원으로서 가장 경제적이고 현실적인 방안임을 다시 한 번 강조하면서 글을 맺고자 한다.

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