현대사회에서 에너지는 한 사회의 삶의 수준을 결정할 뿐 아니라 국가 경쟁력과 안보에 막대한 영향을 미치고 있다. 하지만 석유자원의 고갈로 인하여 유가의 지속적인 상승으로 인하여 국가 또는 가정의 에너지 수급 및 비용이 불안정해지는 상황에서 뚜렷한 대체에너지원마저 나오지 않아 불안감은 커져만 가고 있다. 따라서 앞으로 닥칠 에너지 고갈에 대비해 에너지의 90% 이상을 수입에 의존하고 있는 에너지 자원빈국인 우리나라의 현실을 극복키 위한 친환경 고효율 에너지 시스템 개발은 필수적이다.
서울과학기술대학교 차세대에너지시스템연구실(심규호 교수)이 혁신적이고 고효율의 에너지 변환시스템의 연구개발로 에너지 신산업에 대한 새로운 미래 가치를 창조해 나가는 데 일조하고 있다. 전 세계적인 에너지, 환경에 대한 기술적 요구에 대응하기 위해 ‘인간의 삶의 질 향상을 위한 에너지시스템 기술’이라는 비전을 가지고, 자연이나 일상생활, 산업현장에 존재하는 다양한 미활용 에너지들을 사용하기 편리한 전기에너지 형태로 변환 및 수확하기 위한 친환경, 고효율, 고성능 에너지 시스템에 대한 연구를 수행하고 있다. 주요 연구 분야는 신재생 열에너지 회수를 위한 스털링 엔진 발전기, 초고속 터보기계 또는 모터발전기를 위한 가스베어링-회전체 시스템 개발이다. 심규호 교수는 “미래 에너지 복지사회를 구현하기 위해서는 고효율 에너지 변환시스템이 반드시 필요하다.”고 강조했다.
신재생 열에너지 회수를 위한 스털링 발전기
스털링 엔진발전기는 에너지 신산업의 핵심트렌드, 즉 ‘에너지이용 효율증가’, ‘전력프로슈머’, ‘분산형 청정에너지’, ‘온실가스 감축’, ‘신재생에너지 발굴’ 등을 정확히 반영한 것으로 신재생 열에너지 및 산업폐열 회수를 통한 에너지 이용효율 증가의 핵심장치다. 스털링 발전기는 순수 열에너지를 기계동력으로 변환시켜 전기에너지를 생산하는 장치로 조용하고 유해가스의 배출이 없다는 장점을 지니며, 특히 소형 열병합 발전 시스템은 전력이 필요한 곳에서 직접 생산하는 분산발전이기 때문에 송전 손실도 줄이고, 남는 전기는 되팔 수 있는 장점을 가진다. 현재 스털링 엔진 기술은 국내 일부 기관에서 연구를 진행해 왔지만 여전히 상용화 단계에 이르지 못했으며 수입에 의존할 수밖에 없는 상황이다. 심 교수는 지속적인 연구개발를 통해 기술의 국산화를 이루고 에너지 주권을 확보할 수 있을 것이라 설명하며, “스털링 엔진 기술개발은 국가 산업적으로 에너지 관련 원천기술 확보 및 응용제품 경쟁력 차원에서도 의미가 있다. 특히, 사용 목적에 따라 다양한 형태로 개발이 가능해 수십 와트에서 수킬로 와트까지, 휴대용 보조전원, 소형 열병합 발전, 디젤 배기열 발전, 신재생 태양열 발전 등에 활용함으로써 다양한 에너지 신산업 창출을 목표로 진행 중이다.”고 강조했다. 차세대에너지시스템연구실은 현재 자체 개발한 스털링 해석/설계 기술을 바탕으로 프로토타입 엔진을 제작 완료하고, 다양한 성능 최적화 시험 및 핵심기술 개발 연구를 진행하고 있다.
초고속 가스베어링-회전체 시스템 개발
기존 에너지 산업의 대표적인 기계시스템인 터보기계, 모터발전기 등의 핵심요소인 회전체시스템은 최근 소형/경량화, 고효율화, 고출력밀도를 위하여 초고속화, 구조단순화의 경향을 보이고 있다. 이에 차세대에너지시스템 연구실에서는 회전체-베어링 시스템의 성능 향상을 위하여 가스베어링을 이용한 초고속화, 경량화 연구를 진행하고 있다. 특히, 가스베어링을 이용한 초소형 가스터빈 파워팩 기술은 매우 높은 에너지/출력 밀도로 인하여 다양한 모바일 기계시스템의 구동전원으로 적용 가능하다. 예를 들면, 군사용 정찰 로봇이나 재난/구조 로봇, 무인항공기 등에 적용될 경우 기존 배터리 전원보다 주행거리와 시간을 획기적으로 확장시켜 임무 수행 능력을 향상할 수 있다. 심 교수는 “초소형 가스터빈 파워팩 기술은 제한된 배터리 용량의 한계를 극복함으로써 전기 구동 시스템의 성능과 적용 범위를 향상함으로써 경제적·사회적으로 큰 파급효과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다”고 피력했다. 현재 폴리머 재료를 이용한 새로운 가스베어링 형태를 제시하며 초고속 회전체 시스템의 주요 이슈인 회전체 동역학 불안정성의 억제 및 지연연구를 수행하고, 실험 검증 결과의 해외 논문 발표를 마쳤다.
기술상용화와 인재양성에 최선의 노력 경주할 것
심규호 교수는 연세대학교 기계설계학과를 졸업하고 KAIST에서 병렬처리기법을 이용한 구조 유한요소해석으로 석사학위를, Texas A&M University에서 가스베어링 회전체 및 열성능 연구로 박사학위 취득했다. 이후 삼성종합기술원에서 IT기기 소음 및 진동해석 연구를, 한국과학기술연구원에서는 터보기계 및 초고속 모터의 회전체 시스템 관련 연구를 수행했다. 현재는 이 모든 것을 아울러 차세대 에너지 시스템 기술개발을 위해 학술 연구와 기술 상용화를 활발하게 진행하고 있다. 심규호 교수는 “연구실의 기술개발이 단순히 연구에만 그치지 않고 실생활에 적용될 수 있도록 연구 협력을 통한 기술상용화에 적극 나서고 있다.”며 “궁극적으로 연구실에서 배출된 공학도들이 경쟁사회 속에서 자신의 위치를 확보할 수 있는 경쟁력을 갖추고 사회에 기여할 수 있도록 인재양성에 심혈을 기울일 것.”이라고 의지를 표했다.
