01 2015 August vol.02 융합Weekly 발행일_ 2015.08.17 발행처_융합연구정책센터 TIP 플라이휠 기술의 시장 전망 류성한 융합정책연구센터 기술설명 및 세부분야 플라이휠(Flywheel)은 기관(엔진 등)의 회전 출력을 고르게 하고 회전운동의 효율을 높이기 위하여 회전축에 추가하는, 높은 관성 모멘텀을 지닌 바퀴(wheel) 형태의 부품 엔진의 회전 속도를 고르게 하는 것이 주요 목적 으로 피스톤 운동시 발생하는 힘을 비축했다가 힘이 생기지 않을 때 사용, 엔진 회전을 고르게 하여 엔진이 안정적으로 작동할 수 있도록 하며, 최근 에너지 저장 용도로 활용 범위가 확대 중 (세부 분야) 하이브리드 엔진 플라이휠, 섬유 소재를 활용한 플라이휠, 탄소 섬유 소재의 초고속 플라이휠, 연료 절감 플라이휠 등 출처 : Energy & Power Systems Technology Alert (Technical Insights), March 2015, Frost & Syllivan (시장 규모) 플라이휠을 포함한 전세계 전력 저장 시장은 2020년 약 47.4조 원에 이를 것 으로 전망됨. (국내 시장 규모는 약 8,600억 원 수준) 플라이휠 구조 (출처: ClearMechanic.com) 출처: 에너지기술정보서비스(www.etic.kr) (기대 효과) 에너지 절약 효과와 함께 높은 에너지 밀도, 짧은 충전 시간, 반영구적 수명, 환경 친화성 등의 기대 효과가 있음
02 국내 외 R&D 현황 해외 주요국 현황 - 미국에서는 플라이휠 연구에 다양한 연구팀들이 참여하여 우주산업부문부터 공공 이동수단 까지 폭넓게 적용되고 있음 미항공우주국(NASA)에서 인공위성의 에너지 저장 및 자세 제어 등의 용도로 플라이휠 에너지 저장 장치를 개발( 13년) - 일본의 ISTEC과 중부전력은 대용량 에너지 저장을 위한 플라이휠 개발 10kWh급 초전도 플라이휠 시스템 시작품을 제작하여 직경 1m에 무게 400kg인 플라이휠 로터를 12,000rpm까지 성공적으로 회전시킴 - 중국의 잉리그룹은 플라이휠 에너지 저장 기술을 응용한 에너지 저장 제품들을 양산할 계획(국가 12 차 5개년 계획, 11년~) 잉리그룹이 개발하고 있는 플라이휠 에너지 저장 방식에서 자국 부품 비율은 100% 수준으로 모든 생산을 독자 적으로 처리 가능 국내 현황 - 한국기계연구원은 플라이휠에너지저장장치에 사용할 수 있는 자기베어링 기술 개발 ( 12년) 전력소비량을 최소화하며 회전체의 안정된 위치제어 제공 효과가 있는 기술 - 한국전력연구원은 100kWh 초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템의 회전체 안정화 기술 개발 을 목표로 초전도 베어링과 복합재 플라이휠 개발 ( 13년) - 한양대 하성교 교수 연구팀은 미국 에너지저장창치 분야 선두기업 비컨파워(Beacon Power)에 플라이휠 에너지저장장치 핵심기술 이전 ( 14년) 지름 1M, 무게 1톤, 회전수 20,000 RPM의 로터를 지지하는 허브를 개발 전력량 50kWh를 넘는 저장 장치 상용화 성공 (기존 한계 전력량은 35kWh 수준) - 국내의 대표적인 청정개발체제(CDM, Clean Development Mechanism) 개발업체 씨피이셀 (CPE Cell)은 잉여전력을 이용한 플라이휠 저장 장치 개발( 15년) 기후에너지 및 청정에너지 등의 1차 전력 저장을 위해 영구 희토 자석을 활용하여 마찰이 거의 없는 플라이휠 시스템 제작(76,000 RPM 이상) 분야별 주력기업 및 시장 (하이브리드 엔진을 위한 플라이휠 기술) 세계적인 자동차 레이싱 대회인 Formular1에서 활용되는 Kinetic Energy Recovery Syetem(KERS) 적용 * 브레이크 사용 시 발생하는 운동에너지(Kinetic energy)를 플라이휠에 보전하여 발진 시에 활용할 수 있도록 하는 하이브리드 엔진 시스템 개발( 13년) - (주력기업) 영국 기반의 GKN HybridPower이 대표 기업으로 Gyrodrive 출시 - (강점) 기존 엔진 사용의 25% 절감 가능, 배터리 대비 넓은 온도 폭에서 사용 가능, 최소한의 재공정 으로 기존 기관에 장착 가능, 상대적으로 긴 사이클의 방전 심도(Depth of discharge)를 보유 등 - (적용되는 시장) 에너지 효율이 중요한 공공이동 수단(예: 버스)에 주로 적용
03 영국 기반의 GKN HybridPower이 대표 기업으로 Gyrodrive 출시 (대규모 에너지 저장을 위한 저비용 플라이휠) 섬유 소재를 활용하여 경제적인 제조 원가로 에너지 저장 용도의 대형 플라이휠 생산 - 이 기술은 전통적 플라이휠 기술의 두 가지 한계점을 극복 1) 높은 제조 단가를 절감 2) 회전 시 발생하는 마찰과 움직임을 최소화 자이로스코프의 고리(gimbal) 구조를 적용, 마찰을 줄이기 위한 자석을 통해 질화규소 볼 베어링(silicon nitride ball bearings)이 공중 부양하도록 함 - (주력기업) 美 Velkess : 유리섬유(E-glass fiberglass) 소재의 플라이휠 생산 - (강점) 금속이나 탄소섬유 대비 제조원가가 90%이상 저렴, 단기적으로 고에너지를 생산하는 기존 엔진 과는 달리, 방전에 오랜 시간이 걸리는 배터리와 유사하게 활용 가능, 수평 축을 기준으로 플라이휠을 추가하면 대규모 출력 가능, 지진 등과 같은 상황에서도 안전성 확보 가능 - (적용되는 시장) 그리드 규모의 에너지 저장 시장이 타겟으로 2017년 48V, 2019년 240V, 2022년 600V 수준의 에너지(태양광 등) 유틸리티 시장 창출을 목표로 함 기존 컴퓨팅 방식과 두뇌 모방형 컴퓨팅의 개념 비교
04 (고속 플라이휠) 탄소섬유 기술을 기반으로 제작, 자석을 활용하여 완전한 공중 부양 상태에서 사용 가능한 플라이휠 제작(1분에 56,000번 회전 가능) - (주력기업) 美 PowerThru, 탄소섬유를 활용한 초고속 플라이휠 개발 2010년 Phillips Service Industries (PSI)는 Pentadyne Corporation의 플라이휠 제조사업부를 인수하여 Powerthru를 설립 - (강점) 기존 금속 플라이휠이 무겁고 자석이 열에 민감한 문제를 해결, 자석을 활용한 공중 부양으로 베어링 사용이 불필요하기 때문에 마찰과 에너지 소모 없음 진공 슬리브 디자인을 통해 용기 내의 공기를 99% 이상 제거 가능 에너지 소모율을 88% 절감, 열에 의한 에너지 낭비 93.75% 절감 - (적용되는 시장) 대규모 에너지 저장 시설 또는 군대 병원 등의 긴급 에너지 활용 시스템에 적용 가능 PowerThru 플라이휠 기술 개요 (출처: power-thru.com) (연료 절감을 위한 플라이휠 기술) 자동차 제동(Braking) 시 발생하는 에너지를 저장하여 발진시 추진 동력으로 재활용하도록 하는 기술 - (주력기업) 볼보 (Volvo, 英 ) 승용차에 적용 가능한 연료 절감용 플라이휠 제작 Volvo는 Torotrak 그룹의 계열사인 Flybrid와 스웨덴 정부와 함께 R&D를 수행 1분 동안 최대 60,000번 회전, 기계적 방식의 무단변속기(CVT)를 사용하여 후방 차축에서 자유롭게 탈부착이 가능 - (강점) 연료 효율성 25% 개선, 기존 엔진 대비 80마력 증가, 변속기 무게가 기존의 5분의 1에 불과, 8초의 제동으로 150와트의 전력이 생산(25개의 아이폰 충전 가능), 20cm의 길이 6kg의 무게, 정지 상태에서 시속 62mph까지 걸리는 시간은 1.5초 - (적용되는 시장) 주행과 정지를 반복하는 도시형 승용차 모델에 적합, 볼보의 S60 T5 모델에 파일럿 테스트를 실시 중으로 2017년 본격 출시를 목표로 함
05 Volvo-Flybrid 플라이휠 적용 엔진 구조 (출처: gaadi.com) 시장예측 및 전략 두 축의 플라이휠 시장이 성장할 것으로 기대되며 활발한 인수합병과 특허의 지속적 증가 추세로 시장 전망은 밝음 - 1) 자동차, 트럭, 건설기기 등을 위한 이동형 시스템과 2) 대형 철도 시스템 또는 전력망(Power grid) 을 지원하기 위한 고정형 시스템으로 양분 - 안정성과 구조적 이점으로 인해 아직까지는 금속 플라이휠이 주류를 이루고 있으나 무게 절감이나 제조 원가 이슈 등으로 향후 시장 변동이 예상됨 - (인수합병) 활발한 인수합병을 통해 주요 플레이어들의 시장 진출 가속화 GKN PLC의 William Hybrid Power 인수(GKN PowerHybrid), PSIs의 Pentadyne Corporation 인수(PowerThru), Rockland Capital의 Beacon Power Corp 인수(Beacon Power LLC) 등 - (특허) 플라이휠을 활용한 에너지 저장 시스템 관련 특허 출원은 최근 몇 년 사이 급격하게 증가 중으로 향후 다양한 어플리케이션이 개발됨에 따라 그 수는 더 증가할 것으로 보임 2013년 최대 특허가 출원되었으며 이중 미국이 45%를 차지 정부 지원 등 정책적 환경은 우호적인 것으로 판단 - 美 정부는 플라이휠을 활용한 에너지 저장 기술 개발을 지원하기 위한 펀딩 프로그램을 런칭 Advanced Research Projects Agency-Energy (에너지첨단연구프로젝트, ARPA-E) - 英 정부도 Department of Energy & Climate Change의 Energy Entrepreneurs Fund를 통해 관련 R&D 지원 중 활성화 요인을 적극적으로 활용하고 제한 요인을 보완하기 위한 전략 필요 - (활성화 요인) 상대적으로 긴 사이클의 방전 심도, 유지보수 부담이 적음, 환경적 영향이 적음, 정책적 지원으로 새로운 기업들의 진입 장벽이 낮음 - (제한 요인) 낮은 에너지 효율성, 높은 투자 비용(특별히, 자석 관련 설비)으로 단기 자본 회수가 어려움, 회전자(rotor)의 빠른 속도로 인한 안정성 이슈