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BMW와 마쓰다의 수소 엔진자동차

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2005-06-15 05:36:50

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BMW와 마쓰다의 수소 엔진자동차

2005 서울모터쇼에 BMW의 수소엔진 레이싱카 H2R이 출품되었고 지난 6월 7일에는 메르세데스 벤츠가 A클래스 연료전지차를 서울에 가져와 소개했다. 이미 이 난을 통해 소개했듯이 필자는 수소를 자동차의 연료로 사용하고자 하는 아이디어를 가장 먼저 한 것은 BMW라고 생각해왔다.
그런데 최근 일본의 한 자동차 저널리스트로부터 새로운 이야기를 듣게 되었다. 수소 엔진은 일본의 한 대학에서 이미 실험을 한 적이 있었다는 것이다. 무장(武臧)공과대학 기계공학과 내연기관연구실에서 1970년대에 실험용 수소엔진차를 만들어 캠퍼스 내를 주행했었다고 한다. 지금까지 BMW가 가장 먼저 수소엔진을 착안했다는 것은 사실과 다르다는 얘기이다. 물론 자동차회사로서의 선구적인 존재는 BMW가 분명하다.
어쨌든 BMW가 1998년 디트로이트쇼에 처음으로 수소엔진차를 발표했을 때 연료전지에 더 비중을 두고 있는 미국에서 열리는 쇼답게 한 미국의 기자로부터 질문을 받았다. 세계의 많은 메이커들이 하이브리드와 연료전지차의 개발에 대해 연구하고 있고 화제를 집중시키고 있는데 BMW는 연료전지차를 개발하지 않는가 하는 것이었다. 이에 대해 당시 BMW 관계자는 “BMW는 하이브리드에는 전혀 흥미가 없다.”고 답했었다.
1993년에 뮌헨에서 이미 BMW의 수소엔진차를 잠깐이나마 시승해 본 경험이 있는 필자의 입장에서는 BMW측의 이 명쾌한 해답으로 인해 수소 엔진차가 현실적이지 않는가 하는 생각을 하게 되었다. 물론 처음 7시리즈에 채용된 수소엔진차를 탔을 때는 그저 아직은 연구단계이구나 하는 정도의 수준이었었다. 그리고 90년대 말부터는 연료전지에 대부분의 시선이 집중되어 필자 또한 연료전지만이 대안이라고 생각했었다.
알다시피 연료전지와 수소엔진차의 기술은 전혀 다르다.
다만 내연기관 엔진 기술에 대해 남다른 애착을 보여왔으며 또한 성능 향상이 선구적인 입지를 구축해 온 BMW의 입장에서는 수소엔진차가 어쩌면 당연한 선택이었는지도 모른다. 수소 엔진은 기존 가솔린 엔진의 연장선상에 있는 기술이기 때문에 수소 에너지를 실용하는데는 훨씬 접근이 쉽다고 할 수 있을 것이다. 특히 전문적인 지식이 없는 필자와 같은 입장에서는 수소엔진이 현실적으로 실용화에의 접근이 더 쉬울 것이라는 생각을 갖게 했다.
이후 BMW만이 수소엔진 개발에 열중해 어떻게 보면 고독한 전쟁을 해왔는데 2003년 디트로이트쇼에서 미국 빅3 중 하나인 포드가 수소엔진의 가능성을 제시하고 그해 동경모터쇼에서는 마쓰다가 수소 로터리 엔진을 발표하면서 다시 주목을 끌기 시작했다. 다시 말해 백금 문제 등으로 연료전지가 난관에 봉착해 있는 상황에서 수소엔진에 대한 가능성이 더 부각되어 보이고 있는 것이다.
이미 설명했지만 다시 한번 BMW의 수소 엔진에 대해 살펴 보자. BMW의 7시리즈에 탑재되어 있는 수소 엔진은 기존 내연기관 엔진을 개량한 것이다. 가솔린 또는 수소 모두 사용할 수 있도록 2 종류의 탱크를 갖고 있다. 이것을 바이 퓨얼(Bi-Fuel) 방식이라고 부른다. 수소 충전소가 아직 한정적으로밖에 설치되어 있지 않았기 때문에 당장에는 가솔린과 수소를 병용한다고 하는 아이디어다. 수소를 공급할 수 없는 지역에세넌 가솔린으로만 달릴 수 있다.
가솔린과 수소는 차 안에서 주행중에 전환이 가능하다. 현행 7시리즈의 선대 모델인 750을 베이스로 한 750hL의 경우 가솔린에서 수소로 전환할 때 파워가 약간 떨어진다. 가솔린보다 수소쪽이 열량이 더 낮기 때문이라고 한다.
BMW 엔지니어의 목표는 수소로만 운행하는 것이다. 이것을 터보차저로 과급하고 압축비를 16 정도까지 높여주는 것이다. 이 엔진으로 독일의 뉘르부르크링 서키트(한바퀴 약 20km의 와인딩 서키트)를 테스트 주행했다고 한다. 그 결과 랩 타임은 10분. 750hL의 수소 탱크는 140리터. 가득 체웠을 때의 항속거리는 약 350km라고 한다. 실제 타 보면 극히 조용하다거나 파워 넘친다거나 하지는 않는다고 한다. 하지만 수소로 주행하는만큼 카본을 함유하지 않기 때문에 이산화탄소는 전혀 배출되지 않는다. 배기관에서 나오는 것은 물 뿐으로 아주깨끗하다. BMW는 2020년에는 BMW차의 50%를 수소 엔진으로 한다는 생각이라고 한다.
BMW 의 수소엔진의 특징은 액체수소를 사용한다. 저온탱크에 탑재된 액체수소는 에너지밀도가 압축수소보다 높아 항속거리를 비약적으로 늘릴 수 있어 연료전지자동차에 액체수소를 채용하는 메이커도 있다. 하지만 액화 과정에서 에너지의 약 30%가 손실되고 만다. 이것이 액화수소의 난점이다.
수소엔진에 관해 토요타자동차에서 미래기술연구를 담당하고 있는 책임자는 효율성이 높지 않다고 지적하고 있다. 하지만 이것은 토요타와 BMW라고 하는 메이커의 관점의 차이로 어느쪽이 옳은 것인가 하는 성질의 문제는 아닐 것 같다. 프리미엄 세그먼트에서 세계를 리드하는 입장에 있는 BMW로서는 수소엔진쪽이 더 합리적일 수도 있다는 얘기이다.
한편 수소 로터리 엔진을 발표한 마쓰다는 어떤 생각을 갖고 있을까. 1991년부터 수소엔진연구를 시작한 마쓰다의 경우 수소엔진이라고 하는 점에서는 BMW와 같지만 마쓰다는 로터리엔진을 핵으로 하고 있는 것이 독특하다. 수소엔진에는 통상의 왕복운동엔진보다 로터리쪽이 상성이 좋다고 마쓰다의 엔지니어는 생각하고 있는 것 같다. 하지만 마쓰다가 수소엔진 연구에 관해서는 세계적으로 기술적인 면에서 진보되어 있다는 평가도 있다. 포드 그룹에 속해 수소엔진과 연료전지의 개발은 일시적으로 정지되어 있지만 마쓰다의 핵심기술인 로터리 엔진과 수소의 연구에서는 경쟁상대가 없을 정도로 앞서 있다.
마쓰다에서는 로터리 수소 엔진은 이미 실용화할 수 있는 기술이라고 생각하고 있는 것으로 알려져 있다. 로터리 엔진 이전에는 왕복운동 수소엔진을 연구했었으나 아무래도 해결하지 못한 문제점 등으로 인해 방향을 바꾸었던 것으로 보인다. 왕복운동엔진의 경우 수소를 액체로하지 않으면 연소가 잘되지 않는다고 하는 어려움이 있었다는 것이다.
그런데 2003년 도쿄모터쇼에 출품한 수소 로터리는 연료전지에서 사용하는 350기압의 압축수소 가스를 사용해 직접 분사해 연소를 최적화하는 시스템을 채용하고 있다. BMW와 마찬가지로 수소와 가솔린의 바이 퓨얼를 생각하고 있지만 수소 가스에서는 가솔린 파워의 절반정도로 저하되고 만다는 것이 어려움이다.
그렇다면 효율적인 면에서는 어떨까. 연료전지도 수소 엔진도 수소와 산호를 결합시킨다고 하는 점에서는 같아 보이지만 반응은 전혀 다르다. 연료전지는 그것을 화학적으로 반응시켜 전자 즉 전기에너지를 만들어낸다.
한편 수소를 연소시키는 산화반응은 반응 열에너지를 이용하고 있다. 이것은 종래의 피스톤 엔진과 같은 원리다. 전기적으로 결합시켜 전기를 만드는 연료전지쪽이 확실히 효율은 좋겠지만 연료전지 그 자체의 비용과 중량이 아직 현실적이지 않다.
때문에 수소를 단계적으로 사용하면서 수소 에너지 사회로 이행하는 것이 현실적인 사고방식이다. 그 의미에서 수소엔진은 아주 큰 의미가 있다고 할 수 있을 것이다.
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