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LCA규제 대응으로 엔진 열효율과 e-퓨얼 부상

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-01-14 11:06:23

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2020년에는 중국의 시진핑이 2060년, 한국과 일본은 2050년 탄소 중립을 선언했다. 탄소 중립이란 이산화탄소 배출량과 흡수량이 동일한 것을 말한다. 실제 이산화탄소 배출을 가장 많이 하는 산업은 축산업으로 30%에 달한다. 자동차 등 운송 수단에서는 22%가량이 나오는 것으로 집계되고 있다.

하지만 통제가 쉽다는 이유로 이산화탄소 규제라고 이야기하면 주로 자동차를 떠올리는 것이 현실이다. 그래서 2015년 폭스바겐 디젤 게이트 이후 많은 나라가 내연기관 금지법을 추진한다고 선언했다. 2020 년에는 영국, 미국 캘리포니아주, 캐나다 퀘벡주 등이 2030년 혹은 2035년까지 엔진 차량의 신차 판매를 금지할 계획이라고 발표했다. 중국도 2035년까지 에너지 절약 신에너지차 기술 로드맵 2.0을 기반으로 한 신에너지차 개발계획을 발표했다. 이런 분위기라면 내연기관 자동차는 머지않아 사라질 것으로 보인다.

하지만 이미 유럽과 일본 등에서는 배터리 전기차만으로는 이산화탄소 배출량을 줄여 탄소 중립을 실현하기 어렵다는 의견이 제기된 지 오래다.

그것은 배터리 전기차가 실제 이산화탄소 배출량이 내연기관보다 많기 때문이다. 배터리 전기차에 사용되는 배터리 생산과정에서 배출되는 이산화탄소가 내연기관보다 높다는 것은 이미 알려진 사실이다. 여기에 충전을 위해 사용되는 전력 생산까지 포함하면 그 차이는 더 벌어진다.

예를 들어 노르웨이처럼 수력발전이 98%에 달하는 국가에서 사용되는 배터리 전기차는 무공해차의 범주로 분류할 수 있지만, 전력생산의 70%를 화석연료에 의존하는 중국의 배터리 전기차는 오히려 환경을 파괴하는 것이다.

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2015년 기준으로 전 세계 발전원별 발전량에서 석탄이 40%이었다. 그것이 2018년에는 38%로 줄었지만, 석유 3%, 가스 23.2%까지 합하면 여전히 화석연료의 비율이 54.2%에 달한다. 한국도 40%의 전력을 석탄으로 생산하고 있다.

이 때문에 전력을 생산하는 1차 에너지부터 종합해 자동차가 폐차될 때까지의 전체 과정에서의 이산화탄소 배출량 수치를 기준으로 탄소저감을 추진하지 않으면 탄소 중립을 실현할 수 없다는 의견이 제기된 지 적지 않은 시간이 지났다. LCA(Life Cycle Assessment)가 그것으로 자동차의 생산과 에너지 생산, 주행, 폐기, 재이용 등 모든 과정에서 CO2배출량의 총합 평가하는 것이다. 웰 투 휠(Well to Wheel), TCO(Total Cost of Ownwership) 등의 용어도 사용하고 있지만, 전체적으로 같은 개념이라고 할 수 있다. 유럽에서는 2023년, 일본은 2030년 실행을 목표로 추진하고 있다. 

그러니까 우리가 알고 있는 기업평균연비(CAFE)로만 계산하면 TTW, 즉 Tank to Wheel로 자동차를 구동하는 과정에서의 배출가스만으로 규제하기 때문에 실제로 배출가스는 줄일 수 없다는 것이다.

재생에너지로 생산한 전력을 사용하면 이런 배터리 전기차의 한계를 상당부분 해소할 수 있지만 2018년 기준 전 세계 재생에너지로 생산한 전력의 비율은 9.3%로 아직은 많은 시간이 필요하다.

그 때문에 유럽과 일본, 미국에서는 내연기관의 열효율을 높이고자 하는 노력이 계속되고 있다. 현재 발표된 것을 기준으로 열효율이 가장 높은 것은 토요타와 현대자동차 등의 하이브리드 전기차에 탑재되는 것으로 41% 수준이다.

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여기에 토요타는 부연소실(프리챔버)을 설계하고 거기에서 불꽃을 발생해 폭발하도록 한 수퍼 린번(초희박연소)을 개발하고 있다. 마쓰다도 수퍼 린번 엔진 스카이액티브X를 CX-30에 탑재해 양산했는데 이는 압축 착화 방식으로 토요타와는 다른 방식이다.

희박연소 엔진은 일반적으로 배기가스 후처리장치에 가격이 낮은 삼원촉매 대신 고가의 린 NOx 촉매와 뇨소 SCR가 필요하다. 토요타는 후처리장치가 필요하지 않은 수준으로 NOx의 배출을 억제하기 위해 이론 공연비에서 연소하는 통상의 가솔린 엔진의 2.5배 이상인 수퍼 린번(초희박) 혼합기를 연소하는 기술을 개발하고 있다.

그런데 최근에는 유럽 메이커들도 수퍼 린번 엔진 개발에 열을 올리고 있다. 2019년 아헨 콜로키움(Aachen Colloqium Automotive and Engine Technology)에서 엔진의 열효율을 높이기 위한 다양한 기술들이 소개된 것이다. 독일 FEV(자동차기술전문연구기관)가 가변 압축비와 롱 스트로크 기술에 더해 프리챔버 점화기술을 사용해 공기 과잉률이 2.0인 초 희박 혼합기를 연소해 열효율 48%를 달성했다고 발표해 시선을 끌었다. 토요타의 컨셉과 같은 것이다. 독일 부품 메이커 말(Mahl)도 프리 챔버 기술을 사용해 열효율 42.5%를 달성했다고 발표했다.

영국 리카르도와 중국 길리자동차는 압축비를 17.0: 1로 높이고 물분사 기술과 강력한 코로나 점화기술 등을 구사해 45%를 달성했다고 한다. 사우디의 국영 석유회사 사우디 아람코는 직분 휘발유 엔진에서 마쓰다의 스카이액티브X와 같은 개념의 자기착화식 희박연소 컨셉으로 50%의 열효율을 달성했다고 발표하기도 했다. 이 정도 수준이면 하이브리드보다 더 효율이 높다고 할 수 있다.

미국도 미에너지부(DOE)가 2016년에 시작한 내연기관 열효율 향상 콘소시움(Co-Optimization of Fuels & Engines : Co-Optima)을 통해 열효율 목표치를 50%로 설정하고 희박연소의 개념을 바탕으로 질소산화물의 배출이 낮은 연소의 실현을 목표로 기술 개발을 진행하고 있다.

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이 외에도 독일의 말( Mah)과 IAV, 오스트리아의 AVL 등은 부연소실에 플러그를 설치해 불꽃을 만드는 프리챔버룰 설치했다. BMW 는 보쉬와 공동 개발한 물분사 기술을 채용해 실린더 내 물을 분사해 온도를 낮춰 냉각손실을 줄여 궁극적으로 열효율을 높이고 있다. 닛산이 가변압축비 기술을 세계 최초로 실용화한 것과 토요타의 고속연소 기술 등도 모두 이런 개념에서 등장한 것들이다.

최근에는 수소와 이산화탄소로 생산한 그린 수소를 사용하는 수소 엔진이 다시 부상하고 있으며 미세조류 바이오 연료와 셀룰로오스 바이오 연료 등 다양한 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이 부문에서는 아우디가 2012년부터 다양한 시도를 해 오고 있으며 최근에는 e퓨얼로 상당한 성과를 내고 있다. 

이런 움직임은 열효율이 높은 엔진과 탄소중립 연료를 조합해야 실질적인 탄소중립을 실현할 수 있다는 것을 의미한다.

이런 움직임을 반영하듯이 중국은 2020년 발표한 신에너지차 개발계획에서 배터리 전기차 50%, 하이브리드 전기차 50%로 하겠다고 했다. 중국의 신에너지차는 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차, 수소연료전지 전기차가 포함된다. 그동안 하이브리드 전기차는 포함되지 않았으나 이제 새로운 접근을 시작하고 있다. 배터리 전기차만으로는 한계가 있다는 것을 인식한 결과라고 해석할 수 있다.

오늘날은 고효율의 내연기관을 개발하는 것도 결국은 전동화를 전제로 한 것이다. 하이브리드 전기차도 결국은 외부의 힘을 빌려 내연기관 자동차의 효율을 높이는 것이라는 점을 감안하면 앞으로 상당 기간 동안 내연기관은 파워트레인의 중심부로 존재감을 잃지 않을 것으로 보인다.
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