자동차 배열기술, 배기열회수기, 축열 - 자동차 배열 이용 기술 동향에 관한 조사 결과 2015 / 야노경제연구소

자동차 폐열 이용 기술 동향에 관한 조사 결과 2015
- 연비 개선의 다음 주자  '폐열'을 '에너지'로 -

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【자료 체재】
자료명: 「자동차 배열 이용 기술동향 조사 - 축열∙에너지 변환 기술 -」
발간일: 2015년 5월 29일
체  제: A4판 59page


【조사 요강】
야노경제연구소에서는 다음의 조사요강에 따라 일본, 미국, 유럽의 자동차 배열 이용기술 동향에 관한 조사를 실시했다.
1. 조사 기간 : 2015 년 3 월 ~ 5 월
2. 조사 대상 : 자동차 메이커, 배기계 메이커, 축열재 메이커, 열전발전소자 메이커, 대학•연구개발기관등
3. 조사 방법 : 자사 전문연구원이 직접면담, 전화 • e-mail 취재 및 문헌 조사를 병용


<자동차 배열 이용기술 정의>
 본 조사에서 자동차 배열 이용기술이란 배기열 회수장치, 축열 에너지 변환을 대상으로 한다. 또한 축열은 현열축열, 잠열축열, 화학축열 에너지 변환은 직접방식인 열전발전, 간접방식인 랭킨사이클 기술을 다룬다.
 본 조사에서는 일본내외 자동차 배열 이용기술 동향을 정리하여 실용화를 위한 기술도입에 관련된 과제를 도출하고 향후를 전망한다.


【조사결과 서머리】

◆ 2015 시점에서 배기열 회수기가 실용화
 배기열 회수기는 2015년 시점에서 주로 하이브리드차(HEV)에 채용되고 있다. 디젤엔진에는 효과가 한정적이기도 하여 향후의 채용확대는 어렵다고 생각하지만, 앞으로 HEV를 중심으로 채용을 확대할 가능성이 있다고 생각한다.


◆ 화학축열이 유망시
 자동차의 배열회수는 현열축열, 잠열축열에 의한 탑재 실적은 있지만, 축에너지 밀도나 회수 가능한 배열 온도에 한계가 있다. 보다 고온으로의 축열이나, 높은 축열 밀도라고 하는 점으로 화학 축열이 유망시 되고 있다. 화학축열은 몇 차례 실증 실험을 하고 있지만 고체 충진층의 설계의 최적화, 반복 반응 시 내구성 향상, 코스트 절감(1만엔/kWh의 실현) 등이 과제로 되어 있다.


◆ 열전발전은 빠르면 2023년에 채용 기대
 자동차에서 열전발전의 실용화 실적은 없지만, 자동차 메이커를 비롯해 관련 회사에서 개발이 진행되고 있다. 열전발전 시스템에서는 200~300 W정도의 전력회수로, 시내주행 시 연비개선 효과는 3~5%를 달성할 수 있다고 한다. 실용화를 향해서는 자원적 제약이 없는 재료를 사용한 열전발전소자 효율(ZT치)의 향상과 해당 소자를 이용한 시스템화, 모듈의 양산화와 코스트 절감 등이 과제이다.

【조사결과 개요】

1.배경
 지구규모에 대한 환경문제가 논의되는 가운데 2015년 이후의 연비기준•연비규제 및CO2배출규제 강화에 따라, 자동차의 연비개선이 더욱 요구되고 있다. 지금까지는 내연기관의 고효율화(연소효율의 향상, 마찰손실의 저감), 구동계의 개량, 공기저항의 저감(보디형태 개량), 차체의 경량화, 회전 저항의 저감 등이 진전되어 왔지만, 거듭 연비개선을 실시하려면 새로운 기술혁신이 필요하다고 한다.
 이런 가운데, 새로운 자동차의 연비개선 기술로서 배기열 회수, 축열, 랭킨사이클 등의 에너지변환 기술 등 자동차의 배열을 이용한 기술이 주목 받고 있다.
 한편, 이러한 자동차 배열 이용 기술의 실용화를 위해서는 기술적 과제와 코스트의 문제도 있어, 아직 실용화에 이르지 못했다.
 본 조사에서는 현재 주목 받고 있는 자동차 배열 이용의 기술동향에 대해 조망하여, 향후의 실용화를 전망한다. 2020년에 걸쳐 뒤에 기술하는 각 기술 과제가 해결되면, 최단으로 2023년경에 자동차 탑재가 실현될 것으로 생각한다.

2. 자동차 배열 기술의 동향
2-1.배기열 회수기
 배기열 회수기란, 열교환기를 통해서 배기가스의 열을 엔진 냉각수에 전달함으로써, 엔진 워밍업의 촉진 및 난방 성능의 향상을 도와준다. 콜드 스타트 조건으로 모드연비는 1~2%정도 향상이 가능하다. 겨울철 난방사용의 경우, 최대로 8%의 연비 향상 효과를 얻을 수 있다.
 한편, 배기열 회수기는 사용 가능한 기간이 겨울 또는 워밍업에 한정되어 있다. 상시 배열을 이용 가능하게 하여 열전발전과의 조합 등 새로운 기능이 부가되면 채용 차종 확대로 연결될 것으로  생각된다.
 배기열 회수기는 디젤엔진에서는 효과가 한정적이어서, 향후의 채용확대는 어렵다고 생각하지만 2015년 시점에서 주로 도요타 자동차의 하이브리드차(HEV)에 채용되고 있다. 향후도 HEV를 중심으로 채용이 확대될 가능성이 있다고 생각한다.

2-2.축열
 자동차 배열 이용 기술에서 축열에는 주로 현열축열, 잠열축열, 화학축열이 있다.
현열축열이란 물질의 비열(물질의 온도를 단위 온도만 상승시키는데 필요한 열량)을 이용한 것이며, 물질의 온도를 상승•하강시키기 위해 필요한 열에너지를 축적한다. 축열재에는 물, 콘크리트, 벽돌 등이 이용되고 있다. 비교적 축열밀도가 작고 소형화가 요구되는 자동차 용도에는 부적합하다고 하여, 축에너지 밀도의 문제때문에 향후의 채용 가능성은 낮을 것이라고 생각된다.
 잠열축열이란 물질의 상변화 전이에 따르는 전이열(잠열)을 열에너지로서 이용한 것이다. 예를 들면 물은 얼음(0℃)에서 물(0℃이상)로 상변화하지만 완전히 얼음이나 물로 변화할 때까지 그 물질의 온도는 일정하게 된다. 잠열축열에서는 이 때 출입하는 열을 이용한다. 잠열축열은 1996년의 BMW E39형5시리즈의 엔진 웜업을 위해 채용되었지만, 중량문제로 이후 채용은 하지 않는다. 도요타 자동차에서는 2009년에 발매된 북미를 겨냥한 프리우스 캐니스터의 활성탄 온도를 일정하게 유지하기 위해 잠열축열재를 이용했다. 배열이용은 아니지만 냉방에도 잠열축열재가 이용되고 있다.
 아이들링스톱 탑재 차량의 증가에 따라, 배열이용은 아니지만 잠열축열재의 수요도 증가하고 있다. 향후에도 아이들링스톱 차량을 중심으로 잠열축열재의 채용이 확대될 것으로 생각된다.
 화학축열은 열에너지를 흡열화학반응에 의해 반응화학물질의 형태로 저축하기 때문에 현열•잠열•축열에 비해 축열밀도가 크다. 다만, 화학축열은 화학반응을 수반하기 때문에 화학반응 속도를 고려할 필요가 있다. 화학물질이 안정되면 방열 로스도 거의 없고 장기간에 걸친 축열이 가능하다. 화학축열의 자동차에 대한 실용화 실적은 없지만 소형 전기자동차(EV)에 냉방용 실증실험과 상용차의 냉동차량 냉열생성 실증실험 또는 콜드 스타트 시의 배출가스를 이용한 엔진 워밍업에 의한 냉열생성 실험이 일본의 대학에서 이루어지고 있다.
 자동차의 배열회수는 현열축열, 잠열축열에 의한 탑재 실적은 있지만, 축에너지밀도나 회수 가능한 배열온도에 한계가 있다. 보다 고온에서의 축열과 높은 축열밀도라는 점에서 화학 축열이 유망시 되고 있다. 화학축열은 몇 차례 실증실험을 하고 있지만, 고체충진층의 설계 최적화 반복 반응에 대한 내구성 향상, 코스트 절감(1만엔/kWh의 실현) 등이 과제가 되고 있다.

2-3.에너지 변환
 열에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서는 크게 간접방식과 직접방식으로 구분한다.
 랭킨사이클로 대표되는 간접방식은 물을 작동유체(에너지의 전달역할)로 사용하는 열 사이클이다. 회수한 배열로 증발기(열교환기) 내부의 열매체(물)를 가열해 증기를 발생시켜 그 증기를 동력원으로 발전기를 작동시켜 그 후에 응축기(열교환기)에 의해 증기를 차갑게 액화해 증발기에 되돌리는 일련의 사이클을 반복한다. 직접 구동에너지를 엔진구동에 돌려주는 경우는 동력회수이며 이 동력으로 발전기를 구동시켰을 경우, 발전회수가 된다. 대략 200~600℃의 배열에20~40%의 변환 효율을 실현할 수 있다. 랭킨사이클 시스템의 자동차에 대한 실용화 실적은 없지만 실증실험을 실행하고 있는 자동차 메이커도 있다.
 랭킨사이클 시스템의 채용에는 대폭적인 자동차의 설계 변경이 필요하기 때문에 2025년 시점의 채용은 어렵다고 생각된다.
직접방식으로는 물리현상인 제벡효과를 이용해 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 기술(열전발전)이 있다. 제벡효과란 2 종류의 다른 금속 또는 반도체를 접합하여 양단에 온도 차를 발생시키면 기전력이 생기는 현상이다. 일반적으로는 큰 전위차를 얻기 위해 p형 반도체와 n형 반도체를 조합해 열전변환 모듈로 한다. 열전발전에서는 수μW의 소규모 발전으로부터 수백 W정도까지 같은 변환효율로 발전할 수 있다.
 자동차에 대한 열전발전 실용화 실적은 없지만 자동차 메이커를 비롯하여 관련 회사에서 개발이 진행되고 있다. 열전발전은 2000년~2007년에 걸처 일본 국가프로젝트를 중심으로 산업용과 민생용으로 일본 내에서 개발이 진행되었다. 이러한 개발이 해외에 파급되어 미국 에너지성(DOE)과 유럽체제 프로그램(FP) 등으로 자동차 관련 열전발전 프로젝트가 시작되고 있다.
 열전발전 시스템에서는 200~300 W 정도의 전력회수로 시내주행에서 연비개선 효과는 3~5%를 달성할 수 있다고 한다. 실용화를 위해서는 자원적 제약이 없는 재료를 사용한 열전발전소자효율(ZT치)의 향상과 해당 소자를 이용한 시스템화, 모듈의 양산화, 코스트 절감 등이 과제이다.

표 1.　자동차 배열 이용 기술 채용 타이밍