현대사회에서 에너지는 한 사회의 삶의 수준을 결정할 뿐만 아니라 국가 경쟁력과 안보에 막대한 영향을 미치고 있다. 하지만 석유자원의 고갈로 인하여 국가 또는 가정의 에너지 수급 및 비용이 불안정해지는 상황에서 뚜렷한 대체에너지원마저 나오지 않아 불안감은 커져만 가고 있다.

황인상 기자 his@

에너지 신산업에 대한 요구가 높아지면서 ‘에너지이용효율증가’, 전력프로슈머’, ‘분산형 청정에너지’, ‘온실가스 감출’, ‘신재생 에너지 발굴’ 등이 핵심이슈로 제시되고 있다. 이러한 핵심이슈들은 에너지 생산·소비 단위의 지역, 건물, 가정 단위로 분산화가 필요하여 사용자와 에너지시스템이 가까이 존재하게 되어 친환경적이고, 소형화를 요구한다.

에너지 신산업 트렌드의 요건 정확히 반영

▲ 심규호 교수

심규호 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 교수는 “스털링 엔진은 다른 일반적인 엔진의 연료가 정제된 액체 또는 기체 연료로 제한되는 것과 달리, 순수 열에너지를 이용하므로 자연에 산재하는 펠릿 등과 같은 바이오 고체연료, 지열·태양열과 같은 신재생 열에너지, 내연기관 배기열·산업공정 발생 열과 같은 폐열 회수 등 거의 모든 연료 또는 열에너지를 할용할 수 있는 장점을 가지고 있다”고 강조한다. 스털링 컨버터 (Stirling convertor)는 순수 열에너지를 기계 동력으로 변환시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 열·유동 시스템, 기계동역학 시스템, 전자기 시스템이 복합된 에너지 변환 장치다. 비교적 출력 밀도는 낮지만, 고효율에 소음이 적고 배출가스가 없어 실내 설치가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 기존 스털링 엔진은 피스톤을 물리적으로 연결하는 기구부를 구비하는데, 각 피스톤의 운동 및 위상차를 정확하게 조절할 수 있지만, 상당한 측면 하중이 발생하여 피스톤 마멸 문제를 야기한다. 더구나, 이로 인하여 엔진의 크기와 무게가 커지고 기계적 손실과 밀봉 문제로 인하여 성능을 저하시킨다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 현재 심규호 교수는 프리 피스톤 스털링엔진 (Free-piston stirling engine, FPSE)을 이용한 차세대 스털링 컨버터의 개발에 몰두하고 있는데, 이는 기구부를 제거하고 각각의 피스톤에 스프링을 연결하여 스프링의 복원력을 이용한 피스톤의 운동을 발생시키는 진동시스템을 구성한 엔진이다.

심규호 교수는 “스털링 컨버터는 가스터빈, 내연기관과는 달리 열원 제약 없이 전력 생산하여 바이오·고체 연료, 신재생 태양열, 폐자원의 에너지화에 유리하다”면서 “또한 소음·진동이 작고 배기가스가 없어 친환경적인 요소는 모두 갖추고 있다”고 덧붙였다. 현재 해외 상용제품들은 주로 소형 열병합 발전, 신재생 태양열 발전에 적용된다. 즉, 전력이 필요한 곳에서 직접 생산하는 분산발전을 가능하게 하여 송전 손실도 줄이고 남는 전기를 팔 수 있는 전력 프로슈머가 가능하고, 무한한 태양에너지로 전력을 생산하여 신재생에너지도 발굴할 수 있다. 그러므로 에너지 신산업 트렌드인 소규모 친환경 고효율의 열에너지 변환 시스템의 요건을 정확히 반영한다. 하지만 현재 국내 상용화 기술부족으로 전량 해외제품을 수입하여, 국내시장확산에 제한이 되고 있는 실정이다.

스털링 컨버터 상용화 위한 연구 활성화 되어야
스털링 컨버터는 다양한 공학 분야, 즉 열·유체, 진동, 전자기, 윤활 요소가 구조적·이론적으로 높은 밀도로 상호 연계되어 있어 핵심 요소기술을 필요로 하는 동시에 높은 수준의 시스템 통합 기술이 필요하다. 현재 스털링 컨버터는 수십-수kW급에서 미국, 유럽을 중심으로 약 20 여개회사가 개발 중에 있으며, 태양열 발전, 가정용 열병합 발전, 군사, 우주 분야 등에 적용되고 있다. 심규호 교수는 “스털링 컨버터를 이용한 태양열 발전시스템은 접시 형태의 집광기를 통해 태양의 복사에너지를 스털링 엔진에서 흡수하여 전기를 발생시킨다”면서 “약 25?30 %의 태양열 스털링엔진 발전효율을 가진다. 냉각은 공냉방식을 사용하여 냉각수를 구하기 어려운 사막지역이나, 일조량이 많은 지역에서의 사용이 용이하다”고 설명했다. 스털링 컨버터를 이용한 열병합 발전 시스템은 최근 유럽의 보일러 회사를 중심으로 가정용 열병합발전 시스템의 개발 및 상용화가 활발히 진행되고 있다. 또한 군사 보조전원용 및 미래병사체계용 전원으로 스털링 컨버터가 개발되어, 미국을 포함한 우주 강국들은 우주탐사 및 인공위성용 전원공급장치로 개발하고 있다.

아울러 스털링 엔진의 역사이클인 스털링 극저온 냉동기는 극저온 냉동기 및 초전도체 냉각용으로 널리 이용되고 있으며, 이 분야 역시 매우 큰 시장을 형성하고 있다. 심 교수는 “미국, 유럽 등에서는 스털링 컨버터를 상용화하여 신재생 열에너지, 미활용 폐열 등을 사용하여 전력을 공급하고 있다”면서 “국내에도 이처럼 스털링 컨버터의 상용화를 위한 연구가 활성화되어 미래에너지 확보에 앞장설 필요가 있다”고 강조했다. 이어 “스털링 컨버터는 고효율, 정숙성 등의 장점을 기반으로 바이오·고체 연료, 태양열, 폐자원 등 다양한 형태의 열에너지원을 이용한 전력생산으로 미래에너지 개발에 높은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”면서 “스털링 컨버터는 미래에너지 상을 정확히 반영하여 활용도가 매우 높지만, 국내 상용화 기술 부족으로 인해 제품화, 시장 확산이 미흡한 실정이다. 그러므로 여러 기술요소가 복잡하게 연계된 기술적 한계를 극복할 수 있는 여건마련이 필요하다”고 촉구했다. NM