[기획] 김용주 충남대 교수 '세계 최초 Zero-emission 실현을 위한 수소연료전지' 개발 착수

농림축산식품부 주관 '친환경 동력원 적용 농기계 기술 개발사업' 수행
19개 기관 참여, 4년 9개월간 총 400억 원 규모 사업비 지원

수소연료전지 트랙터 3D 모델링 (예상)

수소연료전지 트랙터 구성

2020년 한국농업기계연감 발표에 따르면 국내·외 트랙터 시장 규모는 트랙터의 대형화로 인해 100마력 이상급 대형 트랙터 시장 규모가 늘고 있다. 연평균 증가율은 국내 45.5%, 국외 9.5%로 나타나고 있다.

국내 기업의 농기계 수출은 매년 증가하고 있다. 대표적인 농기계인 트랙터의 수출물량은 농기계 전체 수출물량의 절반을 차지하고 있다. 하지만 해외 선진사 제품과의 기술 경쟁력 차이가 있어 트랙터의 수입 물량도 커지고 있다. 국내 농기계 산업의 기술 격차는 관련 선진국인 미국과는 3.5년, 독일, 일본 등과 비교하여 약 2.5년 열위에 있다. 또한, 글로벌 시장은 선도기업들의 과점과 국내 기업 수준의 영세함에 따라 국내 농기계 업체의 전체 매출 합계는 세계 1위인 미국의 존디어(John Deere)사 매출의 10% 정도에 불과한 수준으로 규모나 기술 측면에서 모두 미미한 실정이다.

전 세계 환경문제 이슈로 배출가스 규제 강화와 청정에너지 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 우리나라도 온실가스 감축을 위해 2050 탄소중립화를 목표로 하고 있다. 내연기관을 사용하는 이동오염원은 크게 수송목적으로 사용되는 도로용과 특수목적으로 사용되는 비도로용으로 구분된다. 농업용 트랙터는 대표적인 비도로 오염원으로서, 고부하 운전으로 인한 대기오염물질 배출이 높아 트랙터를 대상으로 농업기계 배출가스 인증 의무화를 시행 중에 있다.

미국과 유럽 등 세계 주요 선진회사에서는 그린에너지(Green Energy)를 농기계에 적용하는 연구가 진행 중이다. 미국의 뉴 홀랜드(New Holland)사는 블루 퓨얼 솔루션스(Blue Fuel Solutions)사와 공동으로 세계 최초 수소-디젤 하이브리드 트랙터(H2 Dual Power)를 개발해 2019년 독일 아그리테크니카(Agritechnica) 전시회에서 처음 선보였으며, 존 디어(John Deere)사는 수소와 암모니아 가스 혼합물을 사용한 7810 모델 기반의 수소-암모니아 트랙터 개발을 수행하고 있다. 일본의 쿠보타(Kubota) 사도 2020년 교토 전시회에서 4개의 전기모터를 이용한 전동 트랙터 컨셉 모델 'X-tractor(크로스 트랙터)'을 발표하는 등 친환경 전동 농기계 기술 개발 진행 중이다.

국내는 아직까지 일부 전기 농기계에 대한 연구만 진행된 실정이다. LS엠트론(주)는 전기모터·리튬인산철 배터리 기반의 하이브리드 트랙터를 세계 최초로 2016년 양산에 성공하였고, (주)대동은 농기계 분야 최초 전기 트랙터에 대한 연구를 수행하였으며, 현재 한국전력 전력연구원 및 KT 등 총 10개 기관과 전동 농기계 개발을 위한 협력 체계를 구축하고 전기 트랙터, UTV, 상용차 등에 대하여 활발히 연구 중이다. (주)TYM은 전기모터·리튬이온배터리를 이용한 50 KW급 전기구동 트랙터를 개발하는 등 소형 트랙터의 전동화가 주로 연구되고 있다.

친환경 수소연료전지 기반 대형 트랙터 개발 kick-off 회의

충남대학교 김용주 교수 연구팀 (홈커밍데이)

충남대학교(총장 이진숙) 김용주 교수 연구팀은 세계 최초로 수소연료전지 트랙터 개발에 착수했다. 농림축산식품부가 '2022년도 친환경 동력원 적용 농기계 기술 개발사업'선정 결과를 발표한 가운데 충남대 김용주 교수 연구팀이 '친환경 수소연료전지 기반 110㎾급 대형트랙터 개발' 주관 연구개발기관으로 선정됐다.

이에 따라 김용주 교수 연구팀은 4년 9개월간, 정부지원연구개발비 308억 7500만원, 참여기관 부담금 90억원 등 총 400억원의 사업비를 지원받아 본격적으로 수소연료전지 트랙터 개발에 돌입한다. 이번 연구 사업은 농림축산식품부에서 진행하는 역대 최대 규모의 과제로, 충남대 김용주 교수 연구팀을 주관기관으로 현대모비스, KAIST, ㈜긴트 등 총 19개의 대학·연구소·기업이 컨소시엄으로 참여한다.

국내 트랙터 3대 업체인 (주)대동, LS엠트론(주), (주)TYM이 모두 수요기업으로 연구개발기관에 편성되어 있으며, 110 ㎾급 대형트랙터 개발을 목표로 국내 트랙터 제조사가 공용으로 사용 가능한 플랫폼을 개발할 계획이다. 또한 세계 최고 수준의 수소연료전지 기술을 보유한 현대모비스(주)가 공동연구개발기관으로 참여하고 있다.

수소연료전지 기반 시스템은 배터리구동시스템보다 에너지 밀도가 높다. 트랙터는 자동차와 달리 지속적인 부하 수준이 크기 때문에 높은 에너지 수준을 요구한다. 김용주 교수 연구팀이 개발하려는 110kW급 대형 트랙터의 경우 고부하 조건에서 오랜 시간 농작업을 수행하기 때문에 에너지 밀도를 고려해 배터리구동시스템 보다 수소연료전지 기반의 구동시스템 적용이 적합하다고 할 수 있다.

이번 연구의 핵심인 '제로 에미션(Zero-emission) 수소연료전지 트랙터'는 기존 디젤 엔진 기반의 동력원 대신 수소연료전지를 사용하는 세계 최초의 수소연료전지 트랙터로서, 고토크 모터를 통해 기존 트랙터와 유사한 수준의 작업 성능을 구현하고, 추가적으로 슈퍼 커패시터를 구성하여 고부하 농작업에 대응하는 것을 목표로 한다.

또한, 독립 구동 동력전달시스템의 개발을 통해 기존 전기모터의 토크 한계를 극복하고 고토크의 농작업을 4시간 연속으로 가능하게 하며, 4개의 전기모터를 적용하여 토양 조건에 따른 슬립 제어가 가능하고 최소회전반경을 구현하기 위한 Zero-turn 선회 제어를 가능하도록 하며, 무단 변속 기능이 탑재된 E-파워트레인의 적용을 통해 작업의 편의성 향상을 도모할 계획이다.

E-파워트레인은 엔진을 대체하여 배터리, 모터, 감속기 등으로 구성돼 있으며 전동화 동력전달이 가능한 시스템으로 차세대 플랫폼으로 각광 받고 있다. 기존 반자동 방식의 변속기 대신 무단변속기능을 탑재해 농작업 시 편의성 향상에 기여할 수 있으며, 이산화탄소 배출이 없어 친환경 농작업 구현이 가능하다. 향후 E-파워트레인이 개발됨에 따라 이에 대한 성능평가 및 실차 연구를 진행해 상용화할 계획이다.

김용주 충남대 교수는 "2026년에 연구개발이 마무리되면 세계 최초의 제로 에미션(Zero emission) 수소연료전지 트랙터 개발과 상용화 사례가 될 것으로 보인다"며 "기존 반자동 방식의 변속기 대신 무단변속기능을 탑재한 E-파워트레인으로 대체해 농작업 편의성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

김용주 교수 연구팀은 농업용 전자통신 ISO 국제표준, 농기계용 전기구동 플랫폼 및 전기구동 작업기 등의 연구와 농업기계의 온실가스 배출에 관한 국가고유 계수 산출 등의 연구를 수행해 오고 있으며, 이는 한국 농기계 산업이 식량 위기에 대처하며 그린 에너지(Green Energy)를 성공적으로 적용하기 위한 최적의 연구팀임을 알 수 있다.
김소희 기자