가스와 액체, 고체 연료를 모두 사용할 수 있는 스털링 엔진. 연소조건의 최적화와 제어를 통해 청정한 연소가 가능하고 배기 열손실이 없을 뿐 아니라, 재생기에 의해 열 회수가 가능하므로 원리적으로는 가장 높은 열효율을 달성할 수 있는 것으로 전해진다. 그렇기에 현대시대에 스털링 엔진은 다시 주목을 받고 있다.

자유피스톤 원리의 스털링엔진-발전기

가정에서도 발전이 가능한 시대가 열릴까. 국내 연구진이 실내에 설치 가능한 소형 스털링 엔진-발전기를 개발해 주목을 받고 있다. 박성제 박사팀이 국내 최초로 자유피스톤 스털링엔진-발전기를 개발한 것이다.
“스털링 엔진을 이용한 발전기는 기존 보일러를 대체할 수 있습니다. 현재 스털링 엔진은 가정용 전기와 온수, 그리고 난방 에너지를 공급하는 열병합 발전시스템용으로 대체할 수 있도록 가능성을 높이는 연구가 진행되고 있습니다. 저희팀은 가정용 열병합 발전용으로 1 킬로와트(kW)급 스털링 엔진 및 발전기를 적용하는 시스템을 설계․제작 했습니다. 더불어 양산화를 위해 핵심부품인 요크, 가동자 및 피스톤․변위기의 제조공정 안정화 및 특성실험을 진행했죠.”
스털링 엔진은 일반 왕복동 방식의 내연기관에 비해 소음과 진동이 현저하게 작아 실내 설치조건에도 적합한 것으로 전해진다. 사실 스털링 발전 방식은 1816년, 비교적 빠른 시간에 만들어졌지만 한 동안 증기기관과 내연기관의 빠른 발전 때문에 거의 자취를 잃어 버려 우리에게는 다소 낯선 개념이 됐다.
그러나 최근 내열재료와 씰(Seal)기술이 발전하고 환경오염으로 인한 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 스털링 엔진에 대한 관심을 다시 높아지고 있다. 그도 그럴 것이 열역학적 이론상 가장 높은 효율을 가질 뿐 아니라 연소할 때 폭발행정이 없으므로 엔진의 진동과 소음이 낮고, 폐가스의 정화도 유용하기 때문이다. 더불어 외연기관이기 때문에 석유와 천연가스를 비롯해 목질계 연료, 공장폐열, 태양열 등 여러 가지 열원을 이용할 수 있어 유용성이 매우 높다고 할 수 있다.
“스털링 엔진은 피스톤과 실린더로 이뤄진 공간 내에 헬륨 또는 수소를 넣어 밀봉하고, 외부에서 가열과 냉각을 반복해 피스톤을 구동하는 외연기관입니다. 이번에 저희팀은 스털링엔진의 파워피스톤에 선형발전기를 장착해 전기출력을 생산했습니다. 원천기술을 개발한 거죠.”
현재 1 킬로와트(kW)급의 스털링엔진-발전기는 선진국의 한두 개 회사에서 독점적으로 생산하고 있는 상황이다. 그동안 국내에서의 연구는 기초단계에 머물러 있었다. 선진국에서도 개발은 꾸준히 이뤄졌지만 주로 스털링엔진에 단방향 선형발전기를 접목한 방식으로 진행됐다. 박성제 박사팀은 양방향 선형발전기를 개발, 이를 통해 전기출력과 효율 등의 기본성능은 비슷하게 가져가되 진동과 소음을 대폭 줄일 수 있도록 했다.
“스털링엔진은 이론적으로 가장 높은 효율을 가진 엔진입니다. 이번에 개발한 기술은 직선운동을 회전운동으로 변환하는 과정에서 발생되는 손실을 줄일 수 있는 자유피스톤 방식으로 개발됐습니다. 부하변동에 따른 제어능력을 향상시켰다는 점이 특징이죠.”
박성제 박사에 따르면 스털링엔진은 엔진구조가 단순해 내구성이 우수하고 대량생산시 생산비가 감축되는 효과를 얻을 수 있다. 특히 자유피스톤 방식을 사용해 수명을 연장시킬 수 있으며, 유지보수 기간도 상당히 늘릴 수 있어 여러 모로 장점이 많은 장비라고 할 수 있다.

난방비 절감 효과 가져올 발전

스털링 소형 발전이 가정에서 사용될 때는 일반 보일러 안에 함께 장착하게 될 것이다. 박성제 박사는 “보일러는 가스를 연소시켜 열을 이용해 물을 데우고, 데워진 물로 난방을 하는 구조다. 스털링 엔진 발전을 가정에 장착할 경우 보일러가 연소되며 발생하는 열을 일부 공급해주는 방식이 될 것”이라고 이야기 했다.
“공급하는 비용에 따라 다를 수 있지만 스털링 엔진을 사용하면 비용절감 효과도 가져올 수 있습니다. 현재 조율되고 있는 공급비용으로 생각한다면, 가정에 설치 한 후 5년 이내에 투자금을 회수할 수 있지 않을까 싶어요. 에너지 비용이 많이 드는 시대에 매우 유용한 연구라고 할 수 있죠.”
박성제 박사가 해당 연구를 진행한 것은 새롭게 주목받는 스털링 엔진을 더욱 잘 활용할 방법을 고민하면서부터다. 그는 “2009년부터 연구에 대한 기획을 했다”며 “태양열에 이용할지, 가정 열병합으로 이용할지, 혹은 자동차 엔진 쪽으로 이용해야 할지 고민이 많았다. 많은 고민 끝에 경제적으로 가능성이 높아 보이는 가정용 열병합 발전을 대상으로 하는 게 적합하겠다는 생각이 들었다. 개발된 연구는 지금까지 5년 정도 연구를 진행한 결과”라고 이야기 했다.
5년의 시간 동안 어려움도 있었다. 무엇보다 국내에서 스털링 엔진을 성공적으로 작동시킨 사례가 없던 만큼 초반에는 설계와 작동이 동시에 구현되도록 하는 게 쉽지 않았다. 박성제 박사는 “연구 초반에는 역설계로 시작했다”며 “그러다가 독자 모델로 가면서 자체 개발이 가능하게 됐다. 그러다보니 여러 가지 어려운 지점들이 나타났다. 가장 힘들었던 것은 무엇보다 효율을 높이는 일”이었다며 연구 과정을 회고했다.
개발된 스털링 엔진은 앞으로 약 14만 대가 수요 될 것으로 기대되고 있다. 현재 외국에서 개발된 후 국내로 수입되는 발전에 대한 대체효과까지 생각한다면 시장은 더 열릴 것으로 보인다. 무엇보다 가정에서 각자 발전을 하게 된다면 전력 최고점에 대한 대응도 효율적으로 할 수 있어 여러 모로 경제적인 기술이 될 것이라는 게 박성제 박사의 설명이다.
“지금까지는 정해진 기간에 개발을 하고 가장 기초적인 신뢰성을 확보한 정도입니다. 앞으로 제대로 상용화할 수 있으려면 신뢰성과 수명 문제가 더욱더 시험돼야 합니다. 현장에서 직접 적용하는 실증 시험을 통해 혹시 모를 문제에 대비해야 해요. 다양한 대응책을 마련해 변수를 줄이는 게 관건이죠.”
박성제 박사팀은 앞으로 이보다 조금 큰 용량의 발전기를 개발할 계획이라고 이야기 했다. 현재는 1 킬로와트(kW) 급의 발전이지만 앞으로 5 킬로와트(kW), 10 킬로와트(kW) 등으로 만들어 폭넓게 사용할 수 있도록 만든다는 것이다.
“버려지는 폐열을 이용해 발전이 가능할 수 있도록 연구하고 싶어요. 저온도 차의 스털링 엔진 부분을 좀 더 개발해 산업에 적용할 수 있도록 하고 싶습니다. 자동차에서 나오는 배기가스는 버려지잖아요. 스털링 엔진을 이용하면 이 열도 활용할 수 있어요. 그 방안을 고민할 것입니다. 또한 해당 발전은 잠수함의 보조동력원으로도 사용할 수 있고 수십 와트 급은 군용으로도 사용이 가능합니다. 개인용이나 로봇 등에도 사용할 수 있겠죠. 배터리 등으로도 활용돼 같은 것 개인 병사들이 컴퓨터를 사용되거나 여러 가지 전자 기기를 설계하는데 동력원이 될 수도 있습니다.