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재규어랜드로버-배출가스로 만드는 전기
재규어랜드로버가 낭비되는 배출가스를 전기로 바꿔 엔진효율을 높이는데 도전한다
2018년 02월 06일 (화) 16:40:08 제시 크로스(JESSE CROSSE) c2@iautocar.co.kr
   
열전기 발전기가 프로젝트의 핵심이다

 

버려지는 배기열을 에너지로 회수하는 기술이 영국에서 개발되고 있다. 이 기술을 통해 내연기관의 연료소비를 최대 5% 개선할 것으로 보인다. 200만 파운드(약 29억 원) 규모의 정부재정 지원을 받는 이 계획의 이름은 VIPER2 (자동차 통합 파워트레인 에너지회수)이며 재규어랜드로버가 이끈다. 그밖에도 포드, 유러피언 서모다이내믹스, 노팅엄 대학 등이 참여한다. 프로젝트 목표는 현재 국제표준배출가스시험절차(WLTP) 사이클을 진행하고 있는 가솔린엔진으로부터 최대 300W의 전기에너지를 회수하는 것이다. 그렇게 회수된 에너지는 주변장치나 하이브리드 모터를 구동하는 데 쓸 수 있다.
 

프로젝트의 핵심요소는 촉매변환기에서 이어지는 배기시스템에 설치되는 열전기발전기(TEG)다. 가솔린엔진은 연소되는 연료로부터 35% 정도만 기계적 에너지로 변환한다. 연료가 갖고 있는 나머지 에너지는 대부분 열과 마찰 손실로 소모된다. 또 팽창하는 고온의 배출가스가 갖는 에너지 일부는 터보차저를 구동하거나 촉매변환기와 미립자필터를 가열하는 데 쓰인다. 나머지는 배기구를 통해 배출되거나 차의 냉각시스템에 흡수되고, 그렇지 않으면 대기 중으로 방출된다. 촉매변환기를 거쳐 나오는 배출가스는 무척 뜨겁다. TEG는 여러 개의 열전기 모듈로 구성되는데, 각 모듈에는 고온측과 저온측이 있다. 뜨거운 배출가스가 TEG의 통로 한쪽으로 흘러 들어가고, 먼저 모듈들을 거쳐 가야지만 장치를 빠져나갈 수 있다.
 
   
배기계통을 통해 손실되는 에너지량을 억제하는 것이 내연기관 엔진의 미래를 지키는 열쇠다

 

또한, TEG의 각 모듈은 한쪽은 양극, 다른 쪽은 음극인 두 종류의 열전기 반도체 소재로 구성되어 있다. 이 장치는 ‘제벡 효과’(Seebeck effect)를 활용한다. 한 쌍의 반도체 한쪽 끝에 열이 가해지면, 모듈의 고온측과 저온측 사이의 온도차가 직류전기를 만든다. 양쪽 사이의 온도차가 클수록 전류도 커지므로, 온도차를 유지할 수 있도록 모듈은 액체로 냉각된다. 가솔린엔진 차는 배출가스 온도가 높기 때문에, 모듈이 과열되는 것을 막아야한다. 배출가스를 전환하는 밸브가 그 역할을 담당한다. 2025년까지는 양산 준비를  마치고, 다양한 차종에 사용될 것으로 보인다. 

 
다른 열에너지 회수시스템
 
   
 
VIPER2 프로젝트가 시험하고 있는 열전기 발전기가 유일한 열 에너지회수 시스템은 아니다.
유기 랭킨(Rankine) 사이클 시스템(ORC)는 유기 액체를 물이 끓는점보다 낮은 온도에서 기화시켜 생긴 압력으로 터빈 등을 이용해 동력을 만든다. 토요타 C-HR의 엔진(오른쪽)에는 배기 열회수시스템(EHRS)이 있다. 이 장치는 냉간 시에 엔진 냉각시스템 온도를 더 빨리 끌어올려 엔진효율을 높인다. 고온가스와 저온가스 사이의 온도차를 이용해 동력을 만드는 스털링(Sterling) 엔진도 낭비되는 열 에너지를 회수하는 방법으로 검토되고 있다. 이런 개념들은 모두 발견된 지 100년 이상 되었다.
 
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