대체 전력의 미래는 무엇입니까?
Mike Hayes 작성 2023년 7월 4일 · 9분 읽기
Mike Hayes가 향후 몇 년간 디젤을 대체할 수도 있고 대체하지 않을 수도 있는 건설 장비의 전력 기술을 살펴봅니다.
Wacker Neuson의 1.7톤 EZ17e 완전 전기 소형 굴삭기(사진: Wacker Neuson)
과거에 건설 기계를 교체한다는 생각이 불안을 야기했다면 지금은 눈을 돌리십시오. 상황이 훨씬 더 복잡해질 것입니다.
게다가 이것이 단순히 디젤에서 전기로 전환하는 문제라고 생각했다면, 음, 거기에서도 그렇게 간단하지 않습니다. 우선 배터리 기술을 살펴보자…
건설에 진출하기 시작한 리튬 이온 배터리의 주요 단점 중 하나는 적당한 전력 밀도로 인해 현재 하루 종일 중장비에 전력을 공급할 수 있는 능력이 부족하다는 것입니다.
더 중요한 또 다른 단점은 비용입니다. 기술이 널리 보급됨에 따라 배터리 비용, 즉 배터리로 구동되는 건설 장비의 가격이 하락할 것으로 예상된 반면, 실제로 리튬 가격이 급등했습니다. 이는 현재 배터리 전기 기계의 구매 가격이 디젤 엔진 가격의 2~3배에 달하는 이유 중 하나입니다.
장비 수명 전체에 걸쳐 연료 비용과 유지 관리의 잠재적인 감소를 허용하더라도 많은 계약업체는 특히 현재의 전력 밀도 문제를 고려할 때 급락을 주저할 것입니다.
대체 전원 옵션 강화
예를 들어, 20톤 굴착기는 리튬 이온 배터리로 하루 종일 중단 없이 서비스를 제공하기 어려울 것입니다. 하지만 볼보가 최근 공개한 완전 전기식 22톤 장비인 EC230은 '점심 시간 동안' 고출력 충전으로 8시간 교대 근무를 약속합니다. 이 기계는 현재 고객을 대상으로 시범 운영되고 있지만, 시장에 출시된다면 이 크기 등급의 기계에 있어 획기적인 발전이 될 것입니다.
볼보의 전기 EC230 굴삭기는 디젤 대비 운영 비용을 최대 70% 절감할 수 있습니다. (사진: Volvo CE)
다수의 대형 배터리-전기 기계가 건설에 큰 파장을 일으키고 있음에도 불구하고 전력 저장 용량과 비용 측면에서 상당한 발전이 없다면 전기는 소형 이동 기계에만 선택되는 '연료'로 남을 가능성이 높다는 사실이 남아 있습니다.
소형 장비에서 이 기술은 특히 도시나 기타 민감하거나 밀폐된 지역에서 진행되는 프로젝트의 경우 몇 가지 분명한 이점을 제공합니다. 여기에는 지역 배출 제로, 상당한 소음 감소, 단순화된 유지 관리 및 서비스가 포함됩니다.
예를 들어, 도시 건설 장비 전문업체인 Wacker Neuson은 최근 1.7톤 EZ17e 전기 미니 굴삭기를 출시했습니다. 제로 테일 스윙을 갖춘 최초의 제품입니다.
회사는 이 기계가 일반적인 근무일 동안 작동할 수 있을 뿐만 아니라 전원 연결을 통해 고정 위치에서 지속적으로 작동할 수 있다고 밝혔습니다.
또한 Wacker Neuson은 굴삭기가 일반 240V, 단상 콘센트를 사용하여 5~6시간 내에 재충전될 수 있다고 말합니다.
아직 건설 초기 단계에 있지만 이와 같은 배터리 전기 기계는 도심 프로젝트 입찰에 참여하는 계약자에게 필수 기술로 점점 더 인식되고 있습니다.
그러나 다른 전력 기술도 이용 가능하며 모두 한때 디젤의 유일한 전유물이었던 파이를 조금씩 갉아먹고 있습니다.
HVO의 이점은 무엇입니까?
HVO(수소처리된 식물성 기름)는 장비 제조업체인 Liebherr의 관심을 끄는 제품입니다.
HVO는 예를 들어 폐식용유, 유지 및 지방 잔류물, 폐지방 및 식물성 기름에서 얻습니다. HVO의 제조 및 사용은 생산 과정에서 재생 가능 에너지원만 사용되는 경우 거의 기후 중립적입니다.
순수한 형태로 또는 기존 디젤의 첨가제로서 많은 기계는 이미 거의 기후 중립적인 방식으로 작동할 수 있습니다. HVO는 기계를 변환하지 않고도 기존 연소 엔진과 함께 직접 사용할 수 있기 때문입니다. 그러면 CO2 배출량을 기존 디젤 엔진에 비해 최대 90%까지 크게 줄일 수 있습니다.
Liebherr는 자사의 모든 엔진이 개조할 필요 없이 HVO용으로 승인되었다고 말합니다. 회사는 자사가 사용하는 HVO가 주로 식물성 폐기물이며 팜유가 전혀 포함되어 있지 않음을 보장한다고 밝혔습니다.
Liebherr는 자사의 모든 엔진이 변환 없이도 HVO를 수용할 준비가 되어 있다고 말합니다. (사진: Liebherr)
이 연료의 문제점은 가용성입니다. HVO 생산에 필요한 적합한 폐기물의 양이 영구적으로 충분한 양으로 확보될 가능성은 거의 없습니다.
그럼에도 불구하고 Liebherr는 HVO가 현재 업계의 화석 제거에 중요한 기여를 할 수 있는 연료 옵션을 대표한다고 믿습니다.
또 다른 주요 제조업체인 Komatsu도 식물성 기름에 대한 강력한 의지를 갖고 있으며 최근 유럽에서 생산되는 장비의 공장 충전 연료를 HVO로 전환한다고 발표했습니다.
이러한 움직임은 지난달 독일 하노버와 영국 버틀리 공장에서 시작됐다.
Liebherr와 마찬가지로 Komatsu는 건설 및 철거 산업을 위해 생산된 엔진을 포함하여 자사 기계의 연소 엔진을 수정 없이 HVO로 작동할 수 있으며 이 스위치가 환경에 미치는 영향을 줄이기 위한 주요 단계라고 설명합니다.
HVO로의 이러한 전환은 전기 및 수소 구동 기계와 같은 다양한 대체 전력 기술 및 솔루션에 대한 Komatsu의 지속적인 연구 및 개발과 함께 진행됩니다.
건설 장비의 연료로 사용되는 수소
수소에 관해 말하자면, 배심원단은 수소 연료전지 기술이 우위를 점할 것인지 내연기관 내 연료로서의 수소가 우위를 점할 것인지에 대해 여전히 의견이 분분한 것으로 보입니다.
그러나 두 기술에 대한 광범위한 연구를 통해 JCB는 연료로서 수소의 장점을 칭찬해 왔습니다.
독일 하노버 공장에서 Komatsu 기계에 HVO를 채우고 있습니다(사진: Komatsu)
KHL의 Becky Schultz와 JCB가 이 기술을 개발하는 데 쏟은 시간과 노력에 대해 이야기하면서 회사의 최고 혁신 및 성장 책임자인 Tim Burnhope는 다음과 같이 말했습니다. '우리는 대학과 일류 기업의 실험인 76개의 논문을 연구했으며, 연구를 마치고 나서 깨달은 것은 이러한 엔진의 대부분이 변환된 엔진이라는 것입니다.'
연구자들은 대부분의 학문적 시도가 기존 스파크 점화 엔진에 수소를 넣으려는 시도와 관련이 있다는 것을 깨달았습니다.
Burnhope는 '디젤 엔진에 휘발유를 넣고 그것이 작동할 것이라고 기대하지는 않을 것입니다. 그리고 이것이 바로 사람들이 수소를 사용해 왔던 일입니다.'라고 말했습니다.
'문제는 연소가 아마도 고압, 고온이었을 것이라는 것입니다. 연료가 너무 풍부했을 것입니다. 그래서 결과는 상당히 나빴습니다.'
JCB 엔지니어들은 연구를 분석한 후 해결해야 할 11가지 핵심 기술 과제를 식별했습니다. Burnhope는 이들 중 대다수가 훨씬 낮은 온도와 압력, 그리고 수소와 공기의 매우 희박한 혼합에서 연소해야 하는 필요성을 포함하여 처음에 수소를 연소하는 방법으로 돌아갔다고 말했습니다.
JCB는 현재 수소 연소 엔진을 장착하여 여러 장비에서 작동하고 있으며, 사전 생산 엔진은 영국의 전용 생산 라인에서 출시되고 있습니다.
JCB의 수소 엔진 성능, 제어 및 통합 수석 엔지니어인 Paul McCarthy는 개발에 대해 '우리는 실제로 50번째 수소 엔진을 제작했기 때문에 이것은 과학 실험이 아닙니다. 이것은 실제입니다. 이런 일이 일어나고 있습니다. 우리는 이미 생산 기술을 입증하고 있어 제작 준비가 완료되었습니다.'라고 말했습니다.
연료 전지 스택
최근 독일에서 열린 하노버 메세(Hannover Messe) 행사에서 엔진 제조업체인 Cummins의 사업부인 Accelera는 최신 연료 전지 기술을 포함한 다양한 수소 솔루션을 전시했습니다.
회사는 자사의 양성자 교환막(PEM) 연료 전지 기술이 순수 수소를 사용하여 건설 중장비에 사용할 수 있는 배출가스 없는 전기를 생산한다고 밝혔습니다.
Accelera의 4세대 연료전지 엔진 – FCE150(사진: Accelera)
실제로 Accelera는 이 기술이 확장 가능하고 가벼우며 모든 규모의 애플리케이션 요구 사항을 충족하도록 사용자 정의할 수 있다고 주장합니다.
독일 부스에서는 4세대 연료전지 엔진인 FCE150을 전시했다. 모듈식 엔진은 온실가스나 일반 배출가스 없이 작동하며, 쌓아 올려 300kW 솔루션을 생성할 수 있어 중부하 오프로드 장비에 적합합니다.
엔진 제조업체와 장비 제조업체가 전력 기술의 미래에 대해 울타리에 앉아 있다고 말할 수도 있습니다. 그들 스스로는 건설 산업에서 디젤을 대체할 단일 동력원이 없다고 말할 것입니다.
계약자는 앞으로 한동안 장비 구매에 대해 불안을 느낄 수 있습니다.
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