건설기계 동력의 변화(2)

건설기계 동력의 변화(2)

 

건설기계산업연구원 원장 김인유

 

 

 

3. 건설기계의 수소 연료 전지는 얼마나 실행 가능할까?

 

수소 연료 전지 (HFC : Hydrogen fuel cell) 기술과 건설기계 분야 적용 가능성에 대해 많은 논의가 되고 있지만, 실제 응용 분야에서 얼마나 비용 효율적일 수 있는지에 대한 의문이 제기되고 있다. 현재까지 주로 지게차에 사용되어 배터리 충전/교환에 비해 낮은 운영비, 배기가스 배출 감소, 신뢰성 향상, 연료 교체속도 향상 등을 제공하고 있다.

 

개념은 매우 간단하다. 즉, HFC는 수소와 산소를 결합하여 모터를 구동하는 전기를 생산하며, 유일한 부산물은 열과 물이다. 연료 전지 역시 소형이어서 배터리보다 공간을 적게 차지하므로 장비 제조업체는 기계 설계에서 더 많은 공간을 활용할 수 있으며, 기존의 납축 배터리와 달리 수소 연료 전지는 전력 저하가 없다는 것이다.

 

단점으로는 오랜 시간 테스트를 거친 기술보다 비용이 높다는 것이다. 그러나 전문가들은 채택이 증가함에 따라 시간이 지나면 감소할 것이라고 보고 있다. 또한, 장점으로는 그리드 의존성이 없고 태양광을 활용하여 현장에서 수소를 만들 수 있으므로 개념적으로 지속 가능한 기술이 될 수 있다는 것이다.

 

일부 회사는 건설 현장에서 HFC를 실현하기 위해 열심히 노력하고 있다. 예를 들어 Cummins는 최근 연료 전지 생산 능력을 위해 Hydrogenics를 인수했다. 그들의 기술은 트럭과 철도에서 테스트 되고 있으며 향후 언젠가는 산업용으로 적용될 것이라고 Nendick은 말합니다. “동력 솔루션으로서의 수소는 매우 흥미롭고 미래의 장비에서 수소 연료 전지의 개발을 위한 미래가 분명합니다.”라고 그는 말합니다.

 

“Cummins는 장기적인 수소 능력에 투자하고 있다. Hydrogenics 인수 이후 우리는 또한 Loop Energy 및 NPROXX와의 관계도 발전시켜 수소 저장 및 운송 및 생산을 검토했다.”

물론 이 기술에는 어려움이 있다. MAN의 Haberland는 수소의 원자 구조가 매우 불안전하여서 저장 및 유통이 매우 어렵다고 지적한다.  "차량 자체에 매우 복잡하고 값비싼 저장 인프라가 필요합니다." 그는 또한 “이 기술은 재생 가능 자원에서 수소를 생산하기 위해 전기를 사용하는 경우에만 유용하다는 점을 언급하면서 화석 연료를 사용한다면 친환경 기술이 아니라는 것이다.”

JCB는 최근 건설 업계 최초로 수소 동력 굴착기의 시제품을 개발했다고 발표하였다. 수소 연료 전지로 구동되는 20톤 220X 굴착기는 JCB의 채석장 시험장에서 12개월 이상 테스트를 진행하고 있습니다.

JCB 회장인 Lord Bamford는“최초의 수소 연료 굴착기 개발은 우리가 탄소 제로 세계를 향해 노력하면서 매우 흥미롭습니다.

"앞으로 몇 달 동안 JCB는 시제품의 고급 테스트를 통해 이 기술을 계속 개발하고 개선할 것이며, 우리는 탄소 제로 미래를 구축하기 위해 설계된 기술의 선두에 계속 서 있을 것입니다.“

 

 

 

4. 동력 선택에 대한 비용 고려

 

동력 비용은 중요한 고려 사항이다. 전력 소비는 디젤에 비해 초기 투자 비용이 높고 운영 비용이 낮습니다. 배터리의 비용, 용량 및 수명은 건설 분야 채택에 있어 주요 과제이지만 기술이 발전함에 따라 비용이 낮아질 것이다.

 

업계는 이미 점점 더 많은 제조업체들이 소형 장비의 주 전원으로 전기를 채택하고 있으며, 특히 엄격한 배출 및 소음 규제가 있는 도시 환경에서 장비가 작동하는 경우 더욱 그렇다.

큰 장비의 경우 디젤은 오랜 시간 힘든 작업을 할 수 있는 유연성과 재 연료 공급의 용이성으로 인해 '찾는 사람'들에게 동력원으로 남아 있을 가능성이 크다. 그러나 전기 기계는 내연 기관 및 유압 시스템에 비해 더 나은 토크 응답을 제공한다는 사실을 잊지 말아야 한다.

 

Danfoss Editron의 off-highway 비즈니스 라인 디렉터인 Antti Väyrynen에 따르면, 이는 장비의 전반적인 생산성과 성능을 향상시킨다.

“전기 기계는 더 오랜 시간 동안 훨씬 더 높은 피크 전력으로 작동할 수 있으므로, 기계의 duty cycle과 크기를 최적화하면 작동 성능이 더욱 향상될 수 있다.”라고 그는 말합니다.

전기 구동 장비는 또한 충격과 진동에 대한 높은 내성을 자랑하여 작업자에게 더 나은 신뢰성과 향상된 경험을 제공할 수 있습니다.

Väyrynen은 "이러한 이점은 전기 기계의 수명이 기존의 유압 장치들보다 훨씬 길다는 것을 의미한다."라고 말합니다. "우리의 전기 모터는 동기식 자기 저항 보조 영구 자석 기술로 작동하며, 이는 넓은 작동 영역에서 낮은 에너지 소비와 더 작은 배터리 크기 측면에서 뛰어난 효율성을 제공합니다.“

 

 

5. 배터리는 동력 장비를 위한 최고의 선택

 

배터리 기술은 전기화 솔루션이 어떻게 진화하는지에 흥미로운 역할을 할 것이다. off-highway 애플리케이션의 동력 필요 요구 사항으로 인해 배터리 기술에서 총 작업시간 동안 작동을 할 수 있는 킬로와트 시간(배터리를 충전하는데 걸리는 시간과 함께)으로 가까운 미래에  off-highway 애플리케이션이 완전히 전기적으로 되는 것을 어렵게 한다.

 

John Deere Power Systems의 Couasnon은 “off-highway 전기화 솔루션을 추진하는 특정 시장이 있다. “이것은 그들이 환경 문제를 낮추고보다 효율적인 발전 방법을 사용하여 배출 규제를 해결하는데 투자되기 때문이다. 여기에는 자재 취급, 채광, 철도 운송 및 하이브리드 발전이 포함된다.” 그녀는 "이러한 주요 전기화 선도 시장을 지원하기 위해 off-road 애플리케이션의 전기화 개발을 지원할 것"이라고 덧붙였다.

 

동력에 대한 미래 예측은 전문가마다 다르게 나타나고 있지만, 다수가 디젤 엔진의 역할은 남아 있을 것으로 믿고 있다. off-highway 산업은 계속 성장하고 수요는 유지될 것이며, 다양한 응용 분야에서 고객의 기대를 충족할 수 있는 제품을 꾸준히 요구할 것이다. 디젤 엔진은 현재 다른 연료 및 에너지원과는 비교할 수 없는 방식으로 off-highway 애플리케이션의 요구 사항을 충족시켜주고 있다.

 

Nendick은“건설 현장 관리자가 전기 동력을 채택하려면 충전 문제를 해결해야 한다. 우리는 궁극적으로 미래의 작업장에 충전소가 포함될 것으로 예상합니다. 이는 더 큰 규모 임에도 불구하고 주유소와 일부 주차장에서 볼 수 있는 고속 충전소와 다르지 않을 것이다.

"고정 충전 타워는 다양한 고전력 및 고전압 차량 충전 애플리케이션에 적합할 것입니다."라고 그는 덧붙입니다. “그리드(grid) 지원이 아닌 충전을 지원하고 배터리에 유용한 두 번째 수명을 제공할 수 있는 휴대용 에너지 저장 솔루션도 사용할 수 있다. 이러한 충전소를 최대한 활용하려면 에너지 가용성, 충전기 근접성을 모니터링하고 조정하기 위한 향상된 충전 관리가 필요하며 궁극적으로 자율 기계를 지원하는 자기 주도형 플랫폼이 포함될 수 있다.”

건설 발전의 미래는 업계의 다양한 요구를 충족하기 위해 다양한 옵션으로 구성될 것으로 보인다.