[김용주 칼럼] 수소연료전지 트랙터 개발 현황

[김용주 칼럼] 충남대학교 농업생명과학대학 스마트농업시스템기계공학과 교수

수소연료전지 트랙터는 2022년부터 5년간 약 300억 원을 투입해 진행하는 농림축산식품부의 대형 프로젝트다. 본 프로젝트는 충남대학교의 주관으로 수소연료전지를 공급하는 현대자동차그룹, 농기계 완성차 기업인 LS엠트론, 대동, TYM 등이 참여하는 등 19개 기관이 참여하는 농식품부 단일 과제로는 가장 큰 규모의 프로젝트라고 할 수 있다. 본 연구는 110kW급 수소연료전지 트랙터 설계를 위해 4개 연구그룹으로 구성돼 있다. E-파워 트레인 및 트랙터 설계 그룹, 구동 시스템 및 샤시 설계 그룹, 파워시스템 설계 그룹 및 안전 그룹으로 이루어져 있다.

본 사업은 세계 최초 수소연료전지 트랙터를 개발한다는 것 외에도 도전적인 측면이 여럿 있다. 우선, 가장 큰 도전은 친환경 자동차에도 최근에 적용된 수소연료전지 기술을 트랙터에 적용하는 것이다. 이를 위해서는 고부하 연속 작업에 대응할 수 있도록 파워시스템 설계와 최적화 등이 필요하며, 동시에 여러 가지 법·제도 개선이 필요하다.
특히, 고압 수소용품을 트랙터에 적용하기 위해서는 관련 법의 검토 및 개정이 필요했다. 연구팀에서는 차량 개발을 위한 우선 샌드박스를 신청했으며, 개발 과정에서 얻은 내용을 바탕으로 규제를 마련하기 위해 여러 자문회의를 거쳐 시험 코드 제정을 위한 준비를 마쳤다. 2027년부터는 관련 법규들이 제정돼, 제도적으로도 수소연료전지 트랙터가 상용화될 수 있도록 모든 준비를 마무리했다.

두 번째는 새로운 트랙터 플랫폼의 설계이다. 전통적으로 국내에서 개발되는 트랙터는 모두 엔진·변속기·후차축·하우징을 연결해 차체 하중을 지지하는 프레임리스 구조(Frameless construction)다. 작업자는 트랙터의 변속기 위에 운전석을 올리고 탑승하며 작업하게 된다. 이러한 구조는 기존 핵심부품을 그대로 이용해 전동화 기술을 적용할 수 있다는 장점이 있는 반면 수소연료전지, 수소탱크 등의 다양한 수소연료전지 부품을 탑재하기에는 공간적인 한계가 있다.

그러므로 기존 트랙터 구조에 수소탱크를 장착할 경우, 구보다의 수소연료전지 트랙터와 같이 루프 위에 수소탱크를 탑재하는 방식을 채택해야 하나, 이러한 구조는 전복 시 수소탱크의 안전성을 확보하기 어렵다. 또 수소탱크를 포함하는 전용 루프를 개발해야 해 다양한 트랙터 라인업에 적용하기도 어렵다.

본 프로젝트는 이러한 한계를 극복하기 위해 수소탱크의 장착이 용이한 수소연료전지 트랙터 전용 프레임을 설계했으며, 이를 이용하여 수소연료전지 전용 플랫폼을 설계했다. 이 플랫폼은 국내 농업기계 분야에서는 아직까지 적용되지 않은 새로운 시도라고 할 수 있다. 전용 플랫폼은 수소연료전지 시스템 탑재에 필요한 공간을 확보하면서, 여러 농기계 기업이 공통으로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 마지막으로 본 프로젝트의 플랫폼 공용화는 농기계 기업별 공용화를 넘어 유인과 무인이 동일한 플랫폼을 갖도록 설계한 점이다.

수소연료전지 공용화 플랫폼은 샤시 하부에 모터, 인버터, 변속기 등 구동부와 수소탱크 등 에너지 장치를 모두 장착할 수 있도록 설계하였기 때문에 국내 트랙터 기업이 자체 캐빈 장착을 통하여 플랫폼을 모두 활용이 가능한 장점이 있는 동시에 캐빈을 제외하여 무인으로 활용이 가능한 장점이 있다. 그러므로 본 수소연료전지 프로젝트는 수소연료전지 기술을 개발하는 동시에 새로운 전동화 플랫폼의 공용화 가능성을 확인하는 도전적인 과제라고 할 수 있다.

특히, 수소연료전지 트랙터 플랫폼은 트랙터가 가지는 작업 특성을 반영하기 위하여 주행 모터, PTO 모터, 유압 모터의 3가지 모터로 구성하여 트랙터를 구동하게 된다. 이러한 구조는 기존 내연기관 대비 비교적 단순한 변속기 구조를 보유할 수 있으며, 이를 통해 동력전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 내연기관의 동력원인 엔진보다 수소연료전지 파워팩이 더 효율이 높기 때문에 동일한 에너지원을 사용하여 더 효율적으로 농작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

수소연료전지 트랙터 과제는 이제 새로운 친환경 에너지원, 공용화 가능한 전동화 전용 플랫폼, 그리고 유인과 무인을 동시에 적용할 수 있는 차세대 플랫폼으로 개발을 완료하고 최종 차량 안정화를 위한 시험들을 수행하고 있다. 트랙터의 성능을 검증하기 위해 한국농업기술진흥원의 트랙터 성능시험 방법에 따라 기존 내연기관 트랙터와 동일한 방법으로 시험하고 있으나 3개의 모터 구성에 따른 별도의 시험 방법 적용이 필요한 실정이다. 이러한 시험 방법은 수소연료전지외에도 기존 내연기관 대신에 하나 이상의 모터를 사용해 구동 혹은 작업하는 전기 트랙터에 모두 활용이 가능한 방법으로 본 연구를 통해 그 시험 방법을 개발하고 있다.

현재 수소연료전지 트랙터는 유인과 무인 트랙터의 시작품 개발을 완료했으며, 성능시험을 완료하여 상용화를 위한 준비가 마무리됐다. 다만, 실제 농가 활용을 위해서는 법·제도 개선, 충전, 안전 등에 대한 제도 개선이 필요하다. 동시에 시장 확대를 위한 친환경 농기계의 보조금 등에 대한 마련이 필요한 실정이다.