【기획】 친환경 수소트랙터, 어떻게 개발되나

세계 각국은 기후변화에 대응하기 위한 고강도 탄소중립 정책들을 쏟아내고 있다. 농기계의 경우에도 예외는 아니어서 이미 배기가스 규제를 통한 수출입 제한을 하고 있으며, 점진적으로 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 동력원의 농기계만을 허용한다는 방침이다. 우리나라는 ‘2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)’ 및 ‘2050 장기 저탄소 발전전략(LEDS)’에 따라 농업분야 탄소중립 전략을 추진하고 있어 대표적 화석연료 의존산업인 농기계의 화석연료 대체 동력원 개발이 시급한 실정이다. 이에 따라 농식품부는 최근 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 농기계 연구개발에 본격 나서고 있다. 2026년까지 총 사업비 400억원을 투입해 세계 최초의 배기가스 제로인 ‘친환경 수소트랙터’를 개발해 상용화하기로 하고, 충남대학교를 비롯한 19개 기관이 참여하는 컨소시엄을 사업자로 선정해 R&D사업이 진행되고 있다. 친환경 수소트랙터는 어떤 과정과 절차를 통해 개발될 예정인지 연구과제 주요내용을 살펴봤다.

대동·LS·TYM, 2026년부터 수소트랙터 공동생산

▶친환경 수소트랙터 개발개요

‘친환경 수소연료전지 기반 110㎾급 대형트랙터 개발’ R&D사업에는 정부지원연구개발비 308억7500만원, 총 사업비 400억원이 투입되고, 충남대학교와 공동연구기관인 긴트·KAIST·현대모비스·한국자동차연구원·대동·LS엠트론·TYM 등 19개 기관이 컨소시엄으로 참여해 2026년까지 수소트랙터 완성품을 선보인다는 계획이다.

1차 연도인 올해에는 시스템 설계를 중심으로 모터·감속기 설계, 제어기·인버터·컨버터 설계, 수소연료전지 시스템설계, 슈퍼 커패시터 설계가 진행된다.

2차 년도에는 핵심부품 개발에 나서 모터·감속기 1차 개발, 제어기·인버터·컨버터 1차 개발, 수소연료전지시스템 1차 개발, 슈퍼 커패시터 1차 개발이 완료될 예정이다.

이어 3차 년도에는 1차 시작품이 제작될 예정으로, 차량 플랫폼 1차 시작품 개발이 이뤄지고, 트랙터 1차 시작품이 개발된다.

4차 년도에는 시험 및 개선사항 반영으로 트랙터 1차 시작품을 평가해 완성도를 높인 모터·감속기 2차 개발, 제어기·인버터·컨버터 2차 개발, 수소연료전지시스템 2차 개발, 슈퍼 커패시터 2차 개발이 이뤄질 예정이다.

이를 통해 5차 년도에 최종적으로 차량 플랫폼 2차 시작품이 제작되고, 트랙터 2차 시작품 개발과 농작업 실증이 진행될 예정이다.

▶시스템 구성요소

이번에 개발될 110㎾ 수소 연료전지 트랙터의 핵심부품 구성은 기존 내연기관과 변속기로 이뤄진 동력 구동체계를 수소 연료전지와 전기모터로 구동할 수 있는 시스템으로 개발된다.

전체 시스템 구성은 출력 90㎾ 이상의 수소 연료전지에 출력 20㎾의 슈퍼커패시터, 용량 20㎾h의 공랭식 리튬이온 배터리가 개발되며, 구동부와 E-PTO 모터 드라이버를 제어할 수 있는 컨트롤시스템, 감속기, 출력 4㎾의 유압펌프용 모터, 구동부·E-PTO용 AC모터, 모터 드라이버 등으로 핵심부품들이 개발될 예정이다.

샤시 및 플랫폼은 국내 트랙터 제조사인 대동, LS엠트론, TYM이 공용으로 사용 가능한 친환경 수소 연료전지 기반 110㎾급 트랙터 시제품 제작이 이뤄진다. 이를 위해 기존 내연기관 플랫폼은 프레임 구조로 변경될 예정이며, 수소 연료전지 시스템 장착이 가능한 Modular Frame으로 개발되게 된다. 이미 존디어, 뉴홀랜드 등 선진사에서는 프레임 타입을 이용해 모듈화를 통해 트랙터 라인업에 적용하고 있지만 국내에서는 기계식 변속기 사용에 따라 적용 어려움이 있어 수소 연료전지 시스템을 장착할 수 있는 프레임 적용이 가장 큰 쟁점이 될 것으로 예상된다.

연료전지 파워시스템으로는 110㎾급 트랙터의 농작업 부하 특성을 고려해 수소 연료전지 파워넷의 동력 최적화 기술개발이 이뤄지게 된다. 파워시스템 구성은 수소 연료전지(90㎾)+슈퍼 커패시터(20㎾)+배터리(20㎾h,옵션)으로 이뤄진다. 동력전달 시스템으로는 110㎾급 단일 구동모터와 감속기를 통해 차량을 구동하며, 45㎾급 전륜모터와 65㎾급 후륜모터가 적용된다. PTO 구동은 90㎾급 PTO 모터와 감속기가 적용되며, 독립된 유압모터를 통해 조향장치, 브레이크, 작업기 제어가 이뤄진다.

제어 시스템으로는 차량제어기가 각각의 하위 제어기를 통합 제어해 트랙터의 작업성능을 구현하는 방식으로 구성된다. 하위 제어기인 전륜구동 모터 제어기, 후륜구동 모터 제어기, E-PTO 모터 제어기, 유압 모터 제어기, BMS 제어기, 수소 연료전지 제어기, TMS 제어기 등 단품들 프로토콜은 컨소시엄에 참여한 각 기관에서 제공하며, 최상위 제어기는 긴트에서 통합제어하게 된다. 구동부 최적 동력 제어기술은 수소 연료전지(70~90㎾)+슈퍼 커패시터(20㎾)+배터리(20㎾h)를 이용해 최적의 동력을 제어하게 된다.

▶전체 개발일정 및 사업화전략

4년 9개월의 전체 개발일정은 1단계 및 2단계로 나눠 추진되며, 1단계인 올해와 내년까지 시스템 설계와 핵심부품 개발이 완료되고, 2단계인 2024~2026년까지 시작품 제작과 평가를 거쳐 최종 2차 시작품이 생산될 예정이다.

1단계인 내년까지 모터·감속기 설계, 제어기·인버터·컨버터 설계, 수소 연료전지 시스템 설계, 슈퍼 커패시터 설계와 핵심부품 1차 개발이 완료되고, 프레임·차량시스템인 차량 플랫품 설계와 캐빈·외장 등 트랙터 시스템 설계가 완료될 예정이다.

2단계의 1차 년도에는 차량플랫폼 1차 시작품과 트랙터 1차 시작품이 개발되고, 2차 년도에는 1차 시작품 평가(Merry-go-round)를 거쳐 모터·감속기 2차 개발, 제어기·인버터·컨버터 2차 개발, 수소 연료전지 시스템 2차 개발, 슈퍼 커패시터 2차 개발이 이뤄진다.

이를 통해 2단계의 최종 3차 년도에는 차량 플랫폼 2차 시작품(3대) 개발, 트랙터 2차 시작품(3대) 개발을 통해 2차 시작품의 농작업 실증평가가 이뤄지게 된다.

1차 시작품 평가(Merry-go-round)는 독일 DLG 시험장과 동일조건의 국내 시험장에서 100시간, 2차 시작품 평가 100시간을 거쳐 내구성 및 안정성을 검증하게 된다. 또한 최종단계의 2차 시작품의 농작업 실증평가를 위한 필드시험은 건설기계부품연구원 나포 종합시험센터의 포장지에서 플라우, 로타리, 베일러 등의 작업기를 통해 내구성 시험과 실증시험을 수행할 예정이다. 수소 연료전지 트랙터 실증을 위한 수소 충전시설은 현재 건설기계부품연구원에서 추진 중인 수소충전소를 활용하게 된다.

수소 연료전지 트랙터의 사업화 전략으로는 E-파워트레인 프랫폼, 트랙터용 수소 연료전지 시스템, 트랙터 등 총 3가지 제품의 국내 및 해외 사업화를 추진한다는 계획이다. 우선 연구개발 5차 년도인 2026년부터 대동, LS엠트론, TYM을 통한 국내 시범공급으로 조기 사업화를 실현하고, 2029년부터는 해외시장 진출을 통한 사업화를 촉진할 예정이다.

▶기관별 역할분담 및 과제관리

컨소시엄에 참여한 19개 기관을 △E-파워트레인 및 트랙터 설계 △파워시스템 설계 △구동시스템 및 샤시 설계 △안전 등 총 4개의 연구그룹의 편성해 정략적 목표배분에 따른 연구과제를 추진하게 된다.

E-파워트레인 및 트랙터 설계는 충남대학교를 중심으로 한국농어기술진흥원, 경북대학교, 서울대학교, LS엠트론, 대동, TYM 등이 참여하고, 파워시스템 설계에는 현대모비스를 중심으로 한양대학교, 삼화전기, EG트로닉스, K-퓨얼셀 등이 참여하게 된다. 또한 구동시스템 및 샤시 설계는 (주)디아이씨를 중심으로 카이스트, 긴트 등이 참여하며, 안전분야는 한국자동차연구원을 중심으로 경희대학교, 한국가스안정공사, 건설기계부품연구원 등이 참여한다.

각각의 연구그룹은 세부 연구계획 수립, 과제수행과 함께 매월, 분기, 연차 중간평가를 거쳐 연말에 농기평 주관으로 연구개발평가를 받는다.

이번 연구과제를 통해 수소 연료전지 농기계 관련 특허는 플랫폼 설계, 제어, 고장진단, 인터페이스, 안전 등 총 15건이 출원되며, 지식재산권 확보 및 수소 연료전지 트랙터 관련 우수 IP 확보를 위해 한국특허전략개발원과 업무협력 협약을 기반으로 정부 R&D 특허전략 지원사업을 추진할 예정이다.

이번에 개발되는 친환경 수소 연료전지 기반 110㎾급 대형 트랙터는 국내외 홍보를 위해 2024년 KIEMSTA 전시회를 통해 수소연료전지 트랙터의 연료전지 파워팩, 컨버터, 인버터, 모터, 공용화 플랫폼 등의 부품전시를 할 예정이며, 2025년에는 수소연료전지 트랙터 완성차 및 시스템 모듈화 제품을 해외 메이저 농기계 박람회에 출품한다는 계획이다.

정상진  jsj1234@alnews.co.kr

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