따라서, 기존 이상기체, 정현파 운동 기반 열역학/동역학
해석모델을 비선형 물성 변화를 고려하여 개선하고, 열역학-동역학 모델을 연계한 통합해석모델 개발이 요구됩니다. 또한 초고압 상태를 견디는 열교환기를 포함한 외부 케이싱의 구조 문제 해결도 필요합니다. 현재는 기초연구가 진행되고 있고 실제 개발을 위해서는 많은 연구가 필요합니다.
4. 대체에너지를 생각한다면 스털링 엔진은 매우 획기적인 기술이지만 효율성은 크게 떨어진다고 보고되고 있습니다. 교수님께서는
폐자원의 에너지화에는 스털링 엔진 기술이 매우 유리하다고 말씀하셨는데요. 스털링 엔진을 이용한 디젤 발전기 폐열회수 발전 시스템에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.
스털링 엔진은 내연기관과 비교해 출력제어의 어려움, 초기 가열 시간에 따른 시동 지연, 낮은 출력밀도 등의 단점으로 내연기관에 밀려 그동안 빛을 보지 못한 기술입니다. 하지만 최근 환경오염 문제로 화석연료를 사용하는 내연기관 규제가 심화하면서 스털링
엔진은 다시 주목받고 있습니다. 스털링 엔진은 연료 종류와 관계없이 모든 열원으로 작동 가능하므로 말씀하신 대로 폐자원 에너지화에 매우 유리한 기술입니다. 디젤 발전기 폐열을 이용한 발전은 폐자원 에너지화 사례 중 하나입니다.
전기 공급이 어려운 도서 지역에서는 디젤 발전기를 이용해 전력을 공급하는데, 연료 연소 후 약 30~40%가 배기가스로 버려집니다. 스털링 엔진을 이용한 디젤 발전기 폐열회수 발전시스템은
디젤 발전기의 배기가스로 버려지는 열에너지를 회수하여 스털링 엔진으로 전기를 생산하여 시스템의 복합 효율을 향상합니다.
저희 연구실은 한국전력공사가 주관하는 “디젤발전기 배기열을 활용한 3kW급
스털링엔진 발전시스템 개발” 과제에 2015-2018년까지 3년간 참여하여 3kW 스털링 엔진 설계 및 시험평가를 수행하였고, 출력 3kW를 달성하여 성공적으로 개발을 완료하였습니다.
5. 스털링 엔진의 연구는 쉽지만은 않을 것 같은데요. 새로운 대안은 없는 걸까요?
스털링 엔진은 일반적으로 수 kW급 용량의 열에너지 전력변환장치로 사용됩니다. 그래서 스털링 엔진 대안기술로는 아래 표와 같이 연료전지, 열전소자, 유기랭킨사이클 등이 있습니다. 유기랭킨사이클은 일반적으로 수십-수백 kW 이상 발전에 적합하여 소형 분산 발전기술로는 잘 사용하지 않습니다. 연료전지는 수kW-수백kW의 다양한
출력용량과 친환경(NOx<0.4ppm), 고효율(35~47%) 특성이 매우 좋으나, 가격이 매우 고가이고(1kW 기준 4000만원), 가스연료로 제한됩니다. 또한 열전소자는 시스템이 단순하나 효율이 매우 낮습니다. 따라서 스털링 엔진은 경쟁기술과 비교해 고효율, 적정 가격, 배기가스/소음 적어 기술 우위성을 가지면서 모든 열원을 전기로 변환할 수 있는 장치로, 개발이 쉽지 않음에도 불구하고 지속적으로 연구하고 있습니다.
6. 한국생산기술연구원과 오랫동안 함께 다양한 연구도 함께 진행하시는 것을 알고 있는데요. 구체적으로 어떤 연구를 함께 진행하고 계시는지 궁금합니다.
저희는 한국생산기술연구원과 스털링 엔진, 전동기 연구를 함께 진행하고 있습니다. 첫 번째로 3kW급 바이오가스 발전용 고효율 스털링 컨버터 시스템 개발을 함께 진행하고 있습니다. 스털링 컨버터 시스템은 스털링 엔진, 선형 발전기, 전력변환 장치로 구성되는데,
저희가 스털링 엔진의 개발을 담당하고, 생산기술연구원에서 선형 발전기 및 전력변환 장치의 개발을 담당하여 진행하고 있습니다. 스털링 엔진은 열에너지를 기계 동력으로 변환하고, 선형 발전기는 기계 동력을 전기에너지로 변환시킵니다. 그리고 전력변환 장치는 생산된 전력을 용도에 맞춰 사용할 수 있도록 변환하는 역할을 합니다.
두 번째로 IE4급 전동기용 융복합 생산기술 개발 연구를 함께 진행 중에 있습니다. 전동기는 국가 전력 소비의 54%만큼 큰 비중을 차지하고 있습니다. 현재 국내시장에서 IE2, IE3급 전동기가 70% 이상 점유하고 있으며, 만일 전동기 효율이 3.3% 향상 시 1GW급 원전
2.5기 저감효과 및 산업 부분 온실가스 감축분 10% 분담 가능한 파급효과가 있습니다. 이를 위해 IE4급 전동기용 융복합 생산기술 개발을 진행하고 있습니다. 생산기술연구원은 전체 주관을 맡고 있으며 저희는 전동기 축계 진동 해석 및 진동 최적 설계 연구를 진행하고 있습니다.
7. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.
연구 진행 중 어려운 점으로 첫 번째는 연구책임자로서 “연구과제의 성공”과 지도교수로써 “학생의 발전” 2가지를 모두 만족시키는 것이었습니다. 스털링 엔진은 열 공급/제거부, 열교환기/재생기, 피스톤, 스프링, 발전기 등 여러 요소 부품이 결합한 시스템이므로 연구범위가 넓고, 다양한 해석/실험이
필요합니다. 하지만 저희에겐 항상 과제 개발 기간이 제한되어 목표달성을 위해서는 상당히 터프한 개발 과정을 요구됩니다. 그런 시기를 지날 때마다 학생들에게는 연구개발에 대한 큰 압박이 가해져 힘들 수 있습니다. 이런 상황이 지속되면 개발은 성공할지 모르나 학생들은 연구를 지속할 수 있는 의지를 잃을 수 있어 학생의 지속적인 발전에는 도움이 되지 않습니다.
저는 이런 상황을 해결하기 위해 지도교수로써 학생들과 지속적으로
소통하면서 어려운 부분이 있는지, 힘든 일이 있는지에 관해 묻고, 문제가 있다면 최대한 학생 입장에서 서서 해결하기 위해 노력하고 있습니다.
두 번째는 연구비 유치입니다. 저희는 스털링 엔진 상용화를 위하여
시제품을 설계/제작하고, 실험설비 구축, 시험평가를 수행하므로 많은 연구비가 소요되고, 또한 우수한 학생들을 지도하기 위해서는 큰 규모의 지속적인 연구비 유치가 필요합니다. 하지만 스털링 엔진기술이 생소하다보니 지속적인 연구비 유치에 어려움이 있습니다. 그래서 저는 정부 및 민간투자를 받기 위해 벤처기업을 설립하여 연구비 유치를 다각화하였고, 현재는 중소벤처기업부에서 지원하는 창업 성장기술개발과제로 “3kW급 바이오가스 발전용 고효율
스털링엔진 시스템 개발”과제를 진행하고 있습니다.
8. 현재 스털링 엔진은 미국, 유럽을 중심으로 약 20여개 회사가 개발 중에 있으며, 태양열 발전, 가정용 열병합 발전, 군사, 우주분야 등에 적용되고 있다고 하는데요. 교수님께서 생각하시는 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?
우선 스털링 엔진을 생산/판매하는 국내기업은 없습니다. 다만 경동나비엔이 네덜란드 Microgen 사의 1kW급 스털링 엔진을 수입하여
보일러와 결합한 전기발전 보일러를 2013년에 출시하고, 서울시 원전 하나 줄이기 정책을 통해 2020년까지 서울시에 1만 대 보급사업 진행 중이라고 알려져 있습니다. 하지만 스털링 엔진을 고가에 수입하여 전기발전 보일러의 판매가가 약 1천만원이므로 겨울에만 보일러 사용량이 높은 우리나라에서는 가격대비 효용성이 낮아 많이 팔릴 수 없는 실정입니다.
해외에서는 말씀하신 것과 같이 약 20여 개의 기업이 열병합 발전, 바이오매스 발전 등에 활용 가능한 스털링 엔진을 생산/판매하고 있습니다. 그중 가장 대표적인 기업은 미국의 Qnergy사로, 핵심제품으로 7kW급 스털링 엔진을 생산/판매합니다. 이 스털링 엔진은
오스트리아의 Okofen 사의 펠릿 보일러와 결합하여 펠릿 전기 발전 보일러에 사용되거나 단독으로 천연가스 발전기로 주로 사용됩니다. 특히 미국 서부의 약 6,300km의 천연가스 파이프라인은 파이프에 미세 전류를 흘려 부식방지를 하는 음극보호가 필요한데, 전기가 공급되지 않는 지역이 많아 매우 긴 파이프의 일정 간격마다 분산 발전기를 적용해야 합니다. 이곳에 스털링 엔진을 적용하여 성공적으로 사용하고 있습니다. 이처럼 우리나라도
전기발전 보일러 뿐 아니라 스털링 엔진의 장점을 살릴 수 있는 적절한 활용 분야를 찾는다면 국내 스털링 엔진의 성공적인 상용화가 되리라 생각합니다.
9. 과거 GM에서 전기차에 하이브리드 엔진으로 스털링 엔진을 장착하는 연구를 하였지만, 전기차 관련 기술 부족으로 상용화되지 못했다고 하는데요. 초고속 마이크로 가스터빈 파워팩 기술을 통해 전기자동차에 장시간 고출력 운전을 가능한 연구를 진행하셨던 것으로 알고 있습니다. 이 연구에 대해 자세한 설명 부탁드립니다.
초고속 마이크로 가스터빈 파워팩은 마이크로가스터빈과 발전기로 구성되고, 터빈 회전축의
10만RPM 이상의 초고속 회전으로 더 작은 사이즈에서 고성능, 고출력이 가능하여 중량 대비 출력밀도가 매우 높은 장점을 이용하여 전기자동차용 레인지 익스텐더 개발 연구를 진행했었습니다. 이 기술은 자동차뿐만 아니라 근본적으로 구동 배터리의 용량 한계를 가지고 있는 로봇에도 적용이 가능하여, 군사용 정찰 로봇이나 재난/구조 로봇에 적용될 경우 기존보다 주행거리를 확장해 임무 수행 능력과 반경을 확장할 수
있습니다.
반대로 좀 더 크게 만들게 되면 전기 버스에 적용이 가능하고, 수소연료를 사용하면 수소 전기차에도 활용 가능합니다. 모든 전기차는 배터리 용량의 한계로 인한 주행거리의 약점을 가지고 있는데, 가볍고 출력이 큰 터빈 기술의 적용을 통한 레인지익스텐더는 전기차, 수소차, 드론, 로봇 등에 효과적인 보완기술이 될 수 있습니다.
10. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.
저희 스털링엔진 개발목표는 Qnergy사의 7kW급 이상의 스털링 엔진 기술을 국산화하고, 이에 적합한 시장 모델을 발굴하여 상용화하는 것입니다. 특히, 커피 찌꺼기를 바이오 연료로 활용하여 전력 생산함으로써 폐기물 처리 비용을 절감하고, 전력생산 수익을 창출할 수 있는 커피 찌꺼기 재생 에너지화 연구를
기획하고 있습니다.
커피는 0.2%의 맛과 향만 소비하고, 99.8%는 쓰레기로 버려지는데, 우리나라는 세계 6위 규모의 커피 소모국으로 국내 2014년 기준 연 27만톤의 커피 찌꺼기가 발생되어 환경오염 및 폐기처리 비용이 7,642억 발생하였습니다. 그래서 최근 축산퇴비, 탈취제 등 다양한 방식으로 재활용하는 시도가 있으나, 대부분 재활용되지 못하고 버려지고 있습니다. 하지만, 커피 찌꺼기는 단순히 폐기처리가 필요한
쓰레기가 아니라 석탄 수준의 열량을 가진 에너지 자원임과 동시에 탄소배출 zero 바이오매스 자원입니다. 세계적으로 커피 찌꺼기를 에너지 연료로 사용하려는 많은 시도가 있는데, 현재는 주로 바이오 연료로 변환하는 연구/상용화가 주로 진행되고 있습니다. 국내는 커피 수거시스템 부재, 기반기술 부족, 사회적 인식 부족으로 아직 사업화 초기 단계입니다.
제가 기획하고 있는 연구는 스털링엔진 기술을 이용하여 커피 찌꺼기를 바이오 연료로 변환하지 않고 직접 연소 시켜 전력 생산하는 차세대 커피 찌꺼기 에너지화입니다. 기존 커피 찌꺼기 에너지화 기술은 커피 찌꺼기를 열분해/발효, 고형화 공정 등을 통하여 바이오 원유/펠릿으로 변환하여 연료화하는데, 본 기술은 커피 찌꺼기 직접 연소 전력변환을 통하여 추가 에너지 변환 비용이 없고, 커피 찌꺼기 발생 장소에서 직접 전력생산이 가능하여 대형 설비가 불필요합니다. 또한 기존 신재생에너지인 풍력/태양광 등은 사계절 환경과 넓은 설치면적 등으로 제한사항이 많지만, 커피 찌꺼기를 이용한 발전은 실내 구동 조건에서 계절/환경 등에 영향을 받지 않으므로 높은 가동률 유지가 가능합니다.
커피 찌꺼기의 에너지 자원화는 쓰레기 재활용을 통한 경제적/사회적 비용 절감뿐만 아니라 전력생산을 통한 부가가치 창출의 추가 이익까지 발생시킬 수 있습니다. 경제적 이익으로 전력생산 499GWh (100MW 화력발전소 1년 전력생산량, 27만 톤 기준), 폐기처리 비용 7,642억 절감, 온실가스 5만 톤 감축이 가능합니다. 더불어 폐기물 매립부지/소각장 절감을 통해 사회적 갈등을 감소시킬 수 있습니다.
두 번째로 콜드 체인용 스털링 냉동기 개발 및 전기냉동화물차용 PCM-스털링 하이브리드 컨테이너 개발을 기획하고 있습니다. 콜드 체인은 온도관리가 필요한 식품/의약품/바이오/반도체/화학제품 등을 운송, 저장, 공급할 수 있는 유통체계를 말하고, 전 과정에서의 정밀온도관리가 핵심요소입니다.
국내 콜드 체인은 주로 냉동화물차를 이용합니다. 하지만 냉동화물차와 같은 상용차의 전기차화는 친환경, 미세먼지 저감 요구로 피할 수 없는 대세입니다. 특히 신선 제품 온라인쇼핑의 기하급수적 성장으로 배송 차량 및 저온 물류 시장 역시 많이 증가하고 있습니다. 따라서 전기 냉동화물차가 필요한데 한 가지 문제점이 있습니다. 일반적인 디젤 냉동탑차의 냉각 컴프레셔는 엔진 샤프트에 물려 엔진 동력으로 작동합니다. 반면 전기 냉동탑차의 컴프레셔는 배터리에 연결되므로 과도한 전력 사용으로 차량의 주행거리가 짧아지게 되는 문제점이 있습니다.
그래서 이 문제를 해결하기 위해 저희가 생각한 대안은 PCM-스털링 하이브리드 냉각기를 적용한 전기냉동화물차입니다. 이 전기냉동화물차의 냉각방식은 전력 소모가 없는 PCM 쿨러를 주요 냉각기로 사용합니다. 하지만 PCM은 얼음, 드라이아이스와 같이 정온에서 일정한 냉열공급은 가능하지만, 온도제어가 불가능하여 전기구동 제어가 가능한 보조 냉각기가 필요하므로 스털링 냉동기를 적용하여 정밀온도제어를 하는 것입니다. 참고로 스털링 냉동기는 보조 냉각에 사용되므로 전력 소모가 작아 전기 트럭(현대 포터2 일렉트릭 배터리 용량 58.8kWh) 배터리 용량의 5% 또는 별도의 보조배터리를 사용할 경우 배터리 중량 30kg(리튬인산철 기준 3kWh) 사용 시 12시간 동안 구동할 수 있어 높은 효용성을 가집니다.
PCM의 보조냉각기로써 기존 컴프레셔 냉동기를 사용할 수도 있지만, 스털링 냉동기는 컴프레셔 냉각 대비 4가지 우위성이 있습니다.
1) 스털링 냉동기는 소형일 경우 컴프레셔 냉각기에 비해 동일 출력일 때 중량이 30-40% 수준으로 작습니다. 물류 산업에서 중량은 비용을 결정하는 가장 중요한 요소이므로 스털링 냉동기는 컴프레셔 방식보다 콜드체인 운송에 더 적합합니다.
2) 많은 부품과 복잡한 배관으로
구성되는 컴프레셔 방식과 달리 스털링 방식은 단일 유닛 형태이므로 소형모듈화가 가능하여 간편하게 설치 가능합니다.
3) 컴프레셔 방식은 On/off 구동으로 온도를 제어해 온도정밀도가 비교적 낮지만, 스털링 방식은 연속적인 피스톤 진폭조절로 온도를 제어해 온도정밀도가 매우 높습니다.
4) 스털링 냉동기는 지구온난화지수(GWP)가 “0”인 헬륨을 냉매로 사용해 GWP가 “1430”인 R-134a를 냉매로 많이
사용하는 컴프레셔 방식보다 친환경적이고, 글로벌 환경규제에 자유롭습니다.
이러한 우위성으로 스털링 냉동기는 소형 패키징과 결합되어 액티브 냉장 박스로 고부가 저온 물류 유통에서도 활용될 수 있습니다. 이와 같이 향후, 콜드 체인 기술로써 스털링 냉동기의 우수성이 입증되고 경제성이 확보되면 다른 냉동기술에 비해 가질 수 있는 저중량/구조적 단순성 및 정밀한 온도 유지능력으로 인해 정밀 온도제어가 필수적인 바이오·식품 등의 냉동·냉장 물류시스템과 접목되어 기존 저온물류시스템의 냉동 기술을 대체 가능할 것으로 예상합니다.
11. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.
제가 연구하고 있는 스털링 엔진과 초고속 회전체는 전통 기계에 가깝습니다. 현재 4차 산업혁명의 시대 흐름 상 전통 기계 시스템에 관해 연구하는 학생들이 많지 않은 것으로 알고 있습니다. 하지만 4차 산업혁명도 결국 산업 전반에 걸쳐 기계 시스템이 기반이 되고 활용하는 부분들이 많기 때문에 꼭
필요한 분야입니다. 제 생각에는 필요한 분야에 누구나 인정하는 전문가가 되면 그 사람은 쓰이게 되어 있음으로 묵묵하고 치열하게 본인의 길을 걸었으면 좋겠습니다.
