[공학저널 전찬민 기자] 상·하수도, 발전, 선박, 자동차, 플랜트, 우주항공 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있는 유체기기는 대부분 모터구동으로 전력을 사용하고 있으며, 전체 전력사용량의 24.3%를 차지할 정도로 대표적인 에너지 다소비 기기로 알려져 있다. 이에 따라 전 세계적인 탄소중립을 위해 유체기기 분야에서도 성능개선과 효율 향상을 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
대표적인 에너지 다소비 유체기기 산업은 현재 중소·중견기업 주력 업종으로 민간 주도의 효율 향상 기술 개발과 보급이 확산되고 있다. 하지만, 보급된 유체기기의 효율적 운전이 어려우며, 관련 기업의 기술력 부족으로 인해 고효율제품 개발과 효율적 운전을 위한 제품군의 공급이 부족해 고효율 기술의 보급과 수요자의 효율적인 운전이 지연되고 있는 실정이다.
이러한 에너지 다소비 유체기기 산업의 기술혁신과 신기술 보급 확대를 위해서는 고효율/가변운전 에너지기기 설계, 운전상태 진단, 제어가 가능한 기기의 보급·확산을 촉진하기 위한 종합적인 기술적 수단이 필요한 상황이다.
이러한 상황에서 에너지 다소비 유체기기를 대상으로 고부가가치 고효율 제품과 부하변화에 신속 대응 가능한 가변 유체기기를 개발·공유하고자 에너지수요관리핵심기술개발사업의 일환으로 지난 2021년 ‘가변형 고효율 유체기기 핵심 기술 및 운영 시스템 개발’ 연구과제가 착수됐다. 이번 연구과제를 통해 중소기업의 기술력을 고도화하고, 에너지 절감과 기술적 파급효과가 큰 대형 가변제품과 대수가 많은 모듈형 제품을 대상으로 제품개발과 실증·검증을 통해 신뢰성을 확보하고 보급 확대가 추진될 전망이다.
이에 따라 고효율화와 운전효율 증대를 위해 핵심 유체기기의 효율 극대화와 운영관리를 통한 시스템효율 향상을 통합한 패키지형 연구개발이 수행되고 있으며, 성공적인 과제수행 후에는 관련 산업의 발전은 물론 에너지절감과 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
이번 연구과제에서 개발되는 핵심 기술은 총 4개의 세부과제로 구분돼 가변형 운전 중대형 펌프기술 개발(1세부), 가변익이 적용된 송풍기 기술 개발(2세부), 1500HP급 터보 공기압축기 가변속 개보수(Retrofit) 효율향상 기술 개발과 실증(3세부) 그리고 AI/ICT 기반 가변형 유체기기 설계·상태진단을 위한 기반·플랫폼 기술과 운영관리 시스템 개발(4세부)이 수행되고 있다.
물론, 이전에도 연구 과제가 수행돼 왔지만 제품의 고효율화 위주였으며, 이번 과제를 통한 핵심 목표는 제품의 고효율화와 더불어 운영효율을 극대화할 수 있는 제품이 개발된 다는 점에서 차별화를 두고 있다.
특히, 4세부 과제는 과제명에도 알 수 있듯이 최적설계기술, 베어링과 실 설계기술 등 제품의 고효율화에 필요한 핵심설계기술을 개발하고 운전효율을 극대화하기 위한 상태진단, 모니터링기술, 최적운전제어기술 등을 통합적으로 개발해서 기존 제품과는 차별화된 효율적인 운전이 가능한 제품을 개발하는 것이 목표다. 이를 위해 총괄연구기관이자 4세부 책임을 담당하고 있는 한국생산기술연구원을 중심으로 산·학·연 전문가들이 다양하게 모인 컨소시엄으로 구성해 과제가 수행되고 있는 것이다.
한국생산기술연구원 최영석 수석연구원(사진)은 “유체기기는 유량, 압력 등 설계점에서의 성능특성을 가진 단일제품이면서 실제로 시스템과 연계되었을 때는 설계점 뿐만이 아니라 시스템의 운전특성에 따라서 부분 부하에서 많이 작동하는 시스템과 연계된 제품”이라며 “시스템에서 요구되는 특성을 맞춰 운전점을 변경하면서도 소비전력이 감소되는 효율적인 운전이 가능한 제품이 보급된다면 기존에 주로 밸브나 바이패스를 통해 운전점을 맞추던 시스템에서 가변형 제품 기능을 사용해 에너지소비를 최소화할 수 있을 것”이라고 말했다.
이와 같이 운전이 된다면 과제 종료 후 제시된 20%이상의 에너지 절감이 충분히 가능할 것으로 예상되고 있으며, 이는 제품 성능시험과 실증을 통해 효율을 입증할 계획이다. 성능시험장치를 통한 성능시험결과를 바탕으로 개발된 가변형 제품이 보급된다면 국내 산업의 에너지절감을 통한 탄소중립에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
2021년부터 올해까지 1단계(3년) 사업이 진행 중인 연구과제는 기존에 수행되지 않았던 가변형 유체기계의 개발과 검증을 다양한 기관이 참여해 국내 최초를 넘어 전 세계에서 경쟁할 수 있는 제품개발을 목표로 최선을 다하고 있다. 또한, 대용량 제품 개발이라는 점에서 시험 등 여러 어려움이 있지만 이를 극복하고자 과제수행 후에는 각 세부 참여기업의 사업화가 가능한 혁신적인 제품개발의 초석을 마련하는 것을 목표로 하고 있다.
최 수석연구원은 “AI/ICT 기술은 유체기계 산업에서 설계 및 운영에 반드시 접목 될 것이 분명하다”며 “과제수행을 통해 개발 검증된 기술은 우선 유체기계 산업의 대표적인 대용량 고부가가치 제품군에 보급 확산될 것”이라고 말했다.
그는 이어 “이를 기점으로 다양한 제품군에 보급되면 에너지절감을 통한 탄소중립효과는 매우 클 것으로 판단된다”며 “상태진단/가변제어/에너지절감 기능을 포함한 제품은 산업의 기반이 되는 유체기계 산업의 핵심제품으로써 새로운 패러다임으로 확대될 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
