하이브리드 전력: 한 가지 사이즈가 모두 맞는 것은 아니다.

하이브리드 전력: 한 가지 사이즈가 모두 맞는 것은 아니다.

 

전 세계의 환경 문제와 엔진 배기 가스 배출 규제는 전기 및 하이브리드 엔진의 위상을 높이는 데 도움이 되었다. 이러한 규제를 만족시키기 위해서, 효율을 향상시키고 밑그림을 지켜보기 위해서, 제조업체들은 모든 기계에 맞는 하나의 전력 솔루션은 없다는 것을 빠르게 배우고 있다.

 

이러한 파워트레인(powertrains)의 잠재력에 대한 인식이 높아지고 있지만, 업계에는 여전

히 이 분야에 대한 투자가 긍정적인 결과를 낳을 것이라는 확신을 필요로 하는 사람들이 있다.

 

건설의 경우, 전력 솔루션의 선택은 OEM(Original Equipment Manufacturers) 장비 설계와 고객 요구사항, 듀티 사이클(duty cycle) 및 비용에 달려 있다.

 

건설업계의 하이브리드 엔진의 장단점에 대해 커민스의 오프웨이 마케팅 및 커뮤니케이션 담당 이사인 스티븐 넨딕은 하이브리드 시스템은 자동차, 버스, 트럭 등 온로드 애플리케이션에서 입증됐지만 지금까지 건설업계에 미치는 영향은 미미하다.

 

"그들의 주요 이점은 연료 비용을 절감하고, 서비스 비용을 절감하며, 전반적인 배출량을 줄이기 위해 소형 디젤 엔진을 하이브리드 드라이브라인과 결합하는 능력이다(NOx, PM, CO2). 문제는 기술의 추가 비용이다. 이 비용을 회수하려면 정당한 사업 사례가 있어야 한다. 이는 온 로드(on-road)에서 정부 보조금으로 주로 지원되어 왔지만 오프로드(off-road)에 대한 유사한 전략은 없다."

 

미국에 본사를 둔 이 전력 솔루션 회사는 세계 건설 부문을 위한 '한 가지 크기' 전력 솔루션은 없다고 말한다. 쿰민의 범위에는 완전 전자화, 초정밀 디젤 및 하이브리드 전력이 포함되며, 포트폴리오를 더 발전시키기 위해 매년 거의 10억 달러가 투자된다고 Nendick은 말한다.

 

이 회사는 Brammo, Johnson Matthe Battery Systems, Efficient Drive Trains와 같은 배터리 기술, 하이브리드 및 전기 구동 트랙에 대한 전문지식을 얻기 위해 많은 인수를 했다. 좀 더 최근에는 쿰민스가 수소를 인수해 국내 현대자동차와 연료전지 기술 활용을 검토하기로 하는 협약을 체결했다.

 

■ 건설 장비 적합성

 

중요한 질문은 어떤 기계가 하이브리드 엔진에 더 적합한가 입니다. Nendick은 이것이 기계의 사용률(duty cycles)에 크게 좌우된다고 말한다. "사용률(duty cycles)이 낮은 소형 장비는 전기화의 기회를 제공하지만, 현재의 배터리 기술과 충전 인프라는 중용 기계에 맞지 않을 수 있다.

 

"하이브리드화는 대형 굴착기나 바퀴 달린 적재기와 같이 전력 소모가 많은 대형 기계에서 풀 전기와 디젤 사이의 간격을 메울 수 있는 실현 가능한 방법이다. 그것은 디젤의 출력 밀도를 제공하며, 배기가스를 금지하는 특정 위치에서 배터리로 구동할 수 있다. 마찬가지로, 작업 현장에 충전 인프라가 없는 경우 최종 사용자에게 유연성을 제공한다."

 

하이브리드 솔루션을 채택하고 있는 또 다른 제조업체는 JDPS(John Deere Power Systems)이다. 이 회사는 건설 및 채석용 바퀴형 로더에 전기 구동 기술을 최초로 도입한 회사 중 하나로 2013년 644K 하이브리드 휠드 로더와 2015년 944K 하이브리드 휠드 로더를 생산했다.

 

올해 두 모델(644K와 944K) 모두 이 분야에서 총 100만 시간이 넘는 영업시간을 기록했다. JDPS는 이러한 이정표가 전기화가 '혁신적이고 효과적일 뿐 아니라 오프하이웨이(off-highway) 시장의 요구를 충분히 견딜 수 있을 만큼 내구성이 있다는 것을 보여준다고 말했다.

Bauma에서 JDPS는 오프하이웨이(off-highway) 시장의 ‘강제 수요’(rugged demands)를 충족시키기 위해 특별히 설계된 새로운 전자식 구동력(drivetrain) 부품을 선보였다. 소형 고속 모터는 존 디어 전자 솔루션의 전력 전자 장치로 제어된다. 이 회사는 이러한 e-Machine 구성 요소가 다양한 John Dre 펌프 구동 및 변속기 솔루션에 통합되어 있어 유연한 구동력(drivetrain) 포트폴리오를 제공한다고 말한다.

 

JDPS의 전 세계 마케팅 지원 매니저인 Darrin Treptow는 "우리는 디젤, 전기 또는 하이브리드 전력으로 off-highway 장비의 안정적인 전원을 공급하기 위해 무엇이 필요한지 알고 있으며, 고객의 애플리케이션과 비즈니스 요구에 맞는 솔루션을 만들기 위해 그러한 전문 지식을 활용했다"고 말했다.

 

선택된 차량의 경우, 단일 속도 변속기 및 발전기 펌프 구동 프로토타입 기회가 연말 전에 시작될 것이다. 선택된 애플리케이션을 위한 새로운 3단 트랜스미션 프로토타입이 내년부터 제공될 것이다.

 

■ 대체 전원 솔루션

 

독일에 본사를 둔 엔진 제조업체인 Deutz는 Bauma를 이용해 제로탄소 off-highway ‘내일의 응용 프로그램’을 위한 새로운 드라이브 시스템을 선보였다. 이 회사는 이제 모듈식 제품 시스템의 일부로 디젤, 가스, 수소, 하이브리드 및 전기 드라이브의 개별 조합을 제공할 수 있다.

 

Deutz의 영업, 서비스 및 마케팅 매니저인 Michael Wellenzohn은 "우리는 고객들과 함께 성능, 부하 프로필 및 배출 특성 같은 매개변수를 정의하는 것으로 시작한다. 그런 다음 우리는 그러한 특정 요구 사항을 충족하도록 최적의 드라이브 시스템을 구성한다. 그 결과는 다양한 연료를 사용하는 연소 엔진일 수도 있고 하이브리드 또는 전기 구동 장치일 수도 있다. 우리는 스스로를 고객을 위한 개발 파트너이자 시스템 통합업체로 본다."

 

전기화된 솔루션뿐만 아니라, Deutz의 드라이브 개념에는 수소와 다른 대체 연료를 사용하여 탄소 중립을 기반으로 실행할 수 있는 '첨단' 연소 엔진이 포함된다. 수소연료와 ‘e-연료(e-fuels)’(재생에너지에 기초한 합성연료)’는 새로운 탄소를 추출하지 않고, 사용되는 에너지원이 지속가능하기 때문에 탄소중립이라고 회사측은 설명한다.

 

이 엔진 제조사는 2022년까지 전기 구동 시스템의 5-10% 매출과 관련하여 연간 174만톤의 CO2 절감을 목표로 하고 있다고 말했다.

 

■ 신 하이브리드 기술

 

2019년 하이브리드 추세를 이어가면서 영국에 본사를 둔 Perkins는 건설 기계의 특정 요구에 맞게 개조된 엔진 3개에 새로운 하이브리드 기술을 제공했다. 이는 하이브리드 엔진과 전기화 연구에 상당한 투자를 하고 있다는 것이 회사의 설명이다.

 

하이브리드-전기, 하이브리드-기계, 하이브리드-유압 전력 기술은 Perkins의 기존 0.5-18리터 범위의 디젤 엔진을 보완하는데, 이 기술은 OEM과 그 고객이 더 생산적이고, 더 조용하며, 연료 소비량이 낮은 기계의 혜택을 보장한다고 회사측은 말한다.

 

Perkins사의 제품 담당자인 Matt Coleman은 "미래 동력 열차에 대한 우리의 연구 프로그램은 배터리 강화와 같은 기본적인 기술과 시스템 통합에 초점을 맞췄다. 우리는 OEM 파트너들이 미래의 기계를 개발하는 것을 도울 수 있는 뛰어난 기술 리더십의 위치에 서 있다."

 

Perkins는 고객의 요구를 충족하는 데 필요한 긴밀한 기술 협업을 제공하기 위해 확장된 오퍼링 팀(Expanded Offering Team)을 만들었다.

 

Perkins의 확장 오퍼링 팀(Expanded Offering Team)의 Tom Nankervis는 "일부 하이브리드는 제로 배기 가스 배출 기능을 가지고 있는데, 이는 고용 사이트에 가기 위해 입주한 건물을 여행할 때 유용할 수 있다. 하이브리드는 또한 엔진의 크기를 줄이는데 도움을 줄 수 있고, 이는 차례로 작업 현장 주변의 소음 수준을 감소시킬 수 있다. 디젤 비용이 큰 애플리케이션에서는 하이브리드 차량을 이용해 전체 연료비를 적용 기준으로 최대 20%까지 줄일 수 있다."

어떤 기계가 하이브리드 엔진에 가장 적합할 것인가에 대해, 난커비스는 부하 프로파일이 다른 기계가 바퀴 달린 로더와 같은 하이브리드화의 좋은 후보가 된다고 말한다.

 

Perkins의 Coleman은 수백만 시간의 기계 작동 데이터에 대한 접근은 실제 건설 기계의 작동 주기가 응용 프로그램마다 다르며 기계 크기가 증가함에 따라 다르다는 것을 확인했다고 말한다.

 

"모든 기계에 맞는 솔루션은 없습니다,"라고 Coleman은 말한다. "퍼킨스는 다중 하이브리드 및 전력 기술을 갖춘 통합업체로 자리매김하고 있다. 오프웨이(Off-highway) 기계와 작동 조건의 차이는 자동차, 트럭, 해양 등 다른 분야에서의 기술 이전가치가 제한되어 있다는 것을 의미한다."

 

Perkins는 EU Stage V 전원 범위에서 6 ~ 470kW의 하이브리드 및 전기 기술을 제공하고 있다.

 

난커비스는 하이브리드의 미래를 내다보며 하이브리드 채택은 경제학에 의해 좌우될 것이라고 말했다. 대량 자재 적재 애플리케이션에서 바퀴 달린 로더와 작업 간 부하를 차단하는 텔레 핸들러와 같은 하이브리드 차량으로 이동하는 주요 애플리케이션의 특정 하위 집합을 볼 수 있다."

 

그 후 배터리 전력 밀도와 용량의 개발이 개선되어 비용이 계속 감소한다면 하이브리드 전력 솔루션은 인기가 높아질 뿐이다. 디젤 엔진 또한 이전보다 더 효율적이고, 깨끗하고, 강력해짐에 따라, 그들의 장비에 전원을 공급하는 방법을 선택하는 사람들은 선택을 위해 망가지고 있다.

 

■ 유럽전기

 

대만 배터리 기술 전문가인 Xing Mobility는 EST-Floattech와 유럽 건설 및 광산 시장에 고급 파워트레인 솔루션을 도입하는 유통 계약을 체결했다.

 

전 NASA와 테슬라의 엔지니어 아지지지 터커가 2015년 설립한 Xing은 2017년 몰입 냉각 배터리 시스템을 출시, 엔지니어링된 유체에 리튬이온 전지를 직접 담그는 개념으로 지속적인 고배출 출력, 배터리 수명 향상 및 안정성을 높일 수 있음을 입증했다.

 

동사는 특허받은 모듈형 형태도 배터리 팩을 쌓고 어떤 형태와 크기로든 연동시킬 수 있다고 말한다. Xing은 EST-Floattech에 배터리팩을 공급할 예정이며, EST-Floattech는 유럽 전역에서 배터리팩을 홍보, 보급, 서비스할 예정이다.

두 회사는 Xing의 모듈 기술의 빠른 배치와 빠른 시제품 제작 능력이 파트너십이 시장 수요에 따라 산업 장비 제조업체에 전기화된 함대를 공급할 수 있도록 하는데 중요한 역할을 할 것이라고 말한다.