기후 중립적인 수소를 사용하는 연소 엔진과 연료 전지는 농업기계 또는 건설장비에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 독일 하노버에서 11월 12일부터 18일까지 개최하는 아그리테크니카(Agritechnica)와 함께 ‘Systems & Components 2023(시스템 및 구성요소)’ 전시회에서 중점 논의된다.

 

독일 하노버에서 오는 11월에 열리는 ‘Systems & Components’ 전시회는 전기 동력과 함께 다양한 하이브리드 구성으로 사용될 ‘수소 연료 전지 및 연소 엔진 기술’에 대한 실용적인 솔루션을 제시할 전망이다. 전시 참관객들은 수소로 작동하는 굴삭기나 트랙터에 적용될 수 있는 '이상적인' 주행 시스템을 확인할 수 있다.

 

올해 ‘시스템 및 구성요소(Systems & Components)’ 행사에서 소개될 최신 수소 엔진은 지속 가능한 미래를 위해 적응된 익숙하고 검증된 연소 기술을 기반으로 한다. 즉 수소 연소 엔진은 디젤 엔진과 동일한 기어박스, 냉각 시스템 및 유압 시스템을 사용하는 기계에 설치할 수 있다.

 

이 엔진은 먼지가 많은 환경에서 작동할 수 있으며 강한 진동에도 견딜 수 있고 모든 크기와 구성으로 제공된다. 수소 기반 주행 시스템으로 전환하기 위해 차량 제조업체와 차량 운영자는 디젤, 휘발유 또는 천연가스 대신 수소로 구동되는 피스톤 엔진을 사용하는 익숙한 아키텍처를 유지할 수 있는 것이다.

 

확증된 기반, 지속 가능한 연료

연료 전지와는 달리 수소 연소 엔진은 현재의 제조 인프라를 사용해 빠르게 구현할 수 있는 경제적인 대안으로, 농업 및 건설 분야에서 영구 탄소 중립을 달성할 수 있다. 저부하 또는 중간 부하에서의 효율은 연료 전지보다 낮지만, 전체 부하에서는 더 높다.

 

 

이 개념의 예로는 Deutz의 TCG 7.8 H2가 있다. 이는 기존의 모듈식 엔진 시스템을 기반으로 한 6기통 엔진으로 비포장도로 사용에 적합하다. 이 엔진은 탄소를 배출하지 않으며 220킬로와트의 출력을 제공한다. 발전기와 결합된 Genset(엔진 및 발전기)을 사용해 전기 생산을 위한 시험 용도로도 사용될 예정이며, HyCET 프로젝트의 일환으로 18톤 트럭에서도 그 능력을 증명할 것이다. Deutz는 이미 2024년에 이 엔진의 대규모 생산에 돌입할 예정이다.

 

Mahle의 기업 고급 엔지니어링 부문 소장인 Peter Wieske 박사는 "수소의 사용으로 많은 고용량 및 오프로드 응용 분야를 신속하게 탄소 중립화할 수 있다"고 예측한다. 그러나 압축 비율, 엔진 효율 및 출력률을 유지하면서 연소 탁증과 조기 점화를 방지하는 것은 혁신적인 기술이다. 이 과정에서 Mahle Powertrain이 Liebherr Machines Bulle을 위해 개발한 프리챔버 점화가 중요한 역할을 한다. 고압력에도 노킹 없이 안정적인 작동을 달성하기 위해 수소 엔진은 과잉 공기와 함께 작동돼야 한다. 이제 전통적인 불꽃 점화 플러그는 혼합물을 점화시킬 수 없는 상황을 맞을 것이다.

 

안정된 연소를 위한 프리챔버 기술

Mahle Jet Ignition(MJI)은 실린더 프리챔버에서 소량의 가연 혼합물을 점화함으로써 이 문제를 해결한다. 그 결과로 생성된 가스 플라즈마는 작은 구멍을 통해 주 연소실로 유도되며, 높은 에너지 함량 덕분에 주 연소실의 혼합물을 빠르고 균일하게 점화시킨다. 제조사에 따르면 Liebherr의 H966 및 H964 엔진을 사용한 실험에서 연소 속도, 출력 및 배출에 있어 탁월한 결과를 보였다.

H966은 Liebherr의 새로운 크롤러 굴삭기인 R9XX H2의 핵심 요소로 사용되며, 필드 테스트용으로 개발된 수소 엔진이며 포트 연료 분사(PFI)를 기반으로 한다. 이 기술로 얻은 결과는 비포장도로 응용 분야에 대한 수소 동력의 잠재력을 보여준다.

 

Liebherr은 H2 다이렉트 인젝션(DI)과 같은 추가적인 수소 기반 동력 전달 기술도 개발 중이다. 후자는 H2 포트 연료 분사보다 더 높은 전력 밀도를 제공해 건설 및 광업 산업의 중대한 고용량 응용 분야에 적합하다.

 

Bosch도 포트 또는 다이렉트 연료 분사를 사용한 시스템에 대한 연구를 진행하고 전 세계적으로 100개 이상의 프로젝트에 참여하고 있다. 새로운 AFI-LP 인젝터 (대체 연료 인젝터-저압)는 수소뿐만 아니라 메탄올과 같은 다른 연료도 사용할 수 있어 엔진 제조업체에 최대한의 유연성을 제공할 전망이다.

 

엔진 동력 재고

이러한 대체 연료는 최적화된 엔진을 필요로 한다. 이에 Cummins은 이와 같은 새로운 엔진 플랫폼에 대해 연구하고 있다. 유연한 오버헤드 캠샤프트 시스템, 개선된 냉각 및 감소된 마찰을 도입해 더 효율적인 엔진과 더 높은 전력 밀도를 달성하는 것이 목표다. 또 연료 혼합물을 위한 최적화된 연소실을 개발했다.

 

그러나 해결되지 않은 문제 중 하나는 수소의 탱크 용량이다. 수소는 동일한 에너지 함량에 서 디젤보다 훨씬 더 많은 공간을 차지한다(약 5배에서 8배의 탱크 용량). 안정적인 탄소 섬유 압력 용기는 연료 전지나 연소 엔진을 위해 더 큰 수소 용량을 제공하는 가능한 접근 방식이다. 그러나 JCB의 모바일 충전 장치와 같이 실용적인 솔루션도 개발되고 있다. 이 영국의 건설 및 농업기계 제조업체는 수소 엔진에 1억 파운드 이상을 투자하고 굴삭기와 텔레스코픽 로더의 기능하는 프로토타입을 이미 선보였다. 이들은 이제 노즐을 사용해 현장에서 기계를 신속하고 쉽게 충전할 수 있는 모바일 충전 스테이션으로 진화했다.

 

하노버에서 수소의 미래가 시작되다

‘SYSTEMS & COMPONENTS’에서는 농업 및 산림 분야에서의 수소 기술적 잠재력에 대한 논의를 갖는다. 전기 자동차가 도로에 늘어나고 있지만 배터리 전동차의 용량은 일부 소형 기계를 제외하고는 농업 현장 사용에는 충분하지 못하다.

 

공급되는 수소의 온도와 함께 입력 공기의 체적, 습도, 청결도도 중요하다. 이에 ‘Systems & Components’의 전시업체들은 연료 전지를 제어하고 모니터링하기 위해 필요한 모든 구성 요소를 제공하며, 이에 대해 계속해서 연구·개발하고 있다.

 

농업용 수소 인프라에 대한 연구는 협력 프로젝트인 H2Agrar 시험 프로젝트에서 진행됐으며, Fendt도 참여했다. 이 프로젝트에서는 수소 연료 전지로 작동하는 트랙터 프로토타입이 처음으로 독일 로벤브루흐 주 하렌 지역의 농장에 지난 4월부터 공급돼 전체 프로젝트 기간 동안 실제 조건에서 운영될 예정이다. 아울러 농업 부문에 적합한 수소 인프라의 기술적 요구사항에 대한 연구가 진행 중이다. 이처럼 올해 ‘Systems & Components’에서는 11월 12일부터 18일까지 하노버의 전시장에서 기후 중립적인 동력 전달 체계를 실현하기 위한 다양한 접근 방식을 제시할 것이다. 

 

 

이 내용은 <월간 팜앤마켓매거진 2023년 7월호>에서 더 자세히 확인할 수 있습니다.