자동차용 연료의 품질 및 기술 동향
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2010-11-20 01:51:57 |
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1. 서론
자동차에서 배출되는 대기오염물질의 저감을 위해 자동차 배출가스에 대한 규제는 선진국을 중심으로 지속적으로 강화되어 왔다. 이는 자동차측면에서 새로운 엔진 및 후처리장치 기술의 도입과 발전을 가속화시켰으며, 연료측면에서도 대기오염 유발 성분의 감소와 새로운 자동차 기술에 적합한 고청정∙고품질화를 요구하였다. 또한 최근의 급격한 유가 인상과 석유공급측면의 불안정성으로 인한 Peak Oil에 대한 우려는 대체에너지 공급원에 대한 필요성을 크게 대두시켰으며, 지구온난화로 인한 온실가스 저감 문제와 더불어 자동차 연비 규제 강화 및 바이오연료 도입을 촉발하였다.
바이오연료와 같은 새로운 자동차연료의 도입은 기존 자동차에 대한 영향 평가 및 새로운 자동차기술 개발을 요구하고 있으며, 결과적으로 온실가스 저감을 위한 연비 규제(이산화탄소)와 함께 자동차 산업의 새로운 과제가 될 것으로 예상된다.
본 고에서는 자동차 및 연료관련 이러한 환경변화를 바탕으로 선진국(미국, EU, 일본 등)을 중심으로 자동차 연료에 대해 최근 진행되고 있는 품질 규제 및 기술 동향을 소개하고, 향후 자동차연료의 전망에 대해 기고하고자 한다.
2. 자동차 연료 품질규제 동향
자동차 관련 대기환경 개선은 기술 개발과 환경규제 강화를 바탕으로 새로운 엔진기술 개발, 후처리 장치도입, 연료 품질 개선에 의해 주로 이루어지고 있다. 연료 품질측면에서 각 국 정부의 주요 정책방향은 ① 새로운 엔진 및 후처리장치 기술의 도입∙발전에 적합한 연료를 공급하는 것과 ② 대기오염물질의 배출과 상관성이 있는 연료 자체의 성상규격을 강화하는 것이다. 대표적인 사례를 든다면 3원 촉매의 도입으로 인한 휘발유의 납함량 규제, 경유매연저감장치 (DPF: Diesel Particulate Filter)의 도입으로 인한 경유의 초저유황화 등이 있다. 각 자동차의 연료별 대표적인 품질 특성 및 규제 동향은 아래와 같다.
2.1 경유
과거 경유차량은 우수한 연비와 토크에도 불구하고 배출가스의 PM과 NOx 함량이 높아 대기오염의 주범으로 인식되어왔으나, Clean Diesel로 대변되는 자동차 및 연료기술의 비약적인 발전으로 인해 유럽을 중심으로 온실가스 저감측면에서 매우 뛰어난 자동차 연료로 재인식되고 있다.
이러한 초저유황경유는 기존 설비로는 제조가 불가능하였으므로 2000년대에 접어들어 정유업계는 신규 탈황설비 건설에 대규모 투자를 실시하였고, 추가로 탈황과정에서 발생하는 윤활성 저하 등의 부수적인 문제를 해결하기 위한 첨가제 주입 등의 대책도 함께 시행되었다.
환경 관련 영향을 미치는 다른 품질 항목으로는 다고리방향족 (PAH : Poly Aromatic Hydrocarbon) 함량을 들 수 있으며, 과거 연구결과에서 일부 배출가스와의 상관성이 확인되어 선진국을 중심으로 일정 수준의 규제가 도입되었다<표 1>. 차량 성능측면에서는 경유의 연소성능을 나타내는 품질항목인 세탄가와 이와 연관된 방향족(TAH : Total Aromatic Hydrocarbon) 함량 규제가 있다<표 1>. 엔진 내부의 노킹현상 방지를 위해서는 일정 수준의 세탄가 확보가 필요하므로 대부분의 국가에서 이를 규격으로 관리하고 있으며, 방향족 화합물은 세탄가를 낮추는 문제로 인해 세탄가 확보 차원에서 규격으로 관리하는 경우도 있다.
2.2 휘발유
휘발유 차량의 배출가스 측면에서 주요 규제항목은 CO와 미연탄화수소, NOx 등이며, 미연탄화수소 중에서 일부 독성물질(Formaldehyde, Benzene, Butadiene 등)에 대한 관심이 증가하고 있다. 배출가스와 관련된 휘발유 성상에 대해서는 다양한 오토오일프로그램에서 연구가 이루어졌고, 이를 바탕으로 연료의 규제가 강화되어 왔다.
배출가스 감소를 위해 도입된 대표적인 기술은 3원촉매장치(3-Way Catalytic Converter)이며, 이를 위해 휘발유의 옥탄가 개선을 위해 첨가하던 사에틸납(Tetra Ethyl Lead)의 사용이 1970년대부터 제한되기 시작했고, 현재 대부분의 국가에서 금지되었다.
황성분은 배출가스(CO, 미연탄화수소, NOx 등)를 증가시키고, 3원 촉매 장치의 성능에 일부 영향을 끼치며, 아황산가스(SOx)를 발생시킨다. 그러나, 경유 차량 대비 상대적으로 대기환경에 미치는 영향이 미미하여 규제 강화에 대한 필요성이 상대적으로 낮았으나, 고청정연료에 대한 사회적 요구가 증가하고 차량기술의 발전(GDI엔진 도입 등)으로 인한 필요성 증가로 인해 최근 초저유황 휘발유의 도입도 일반화되고 있다<표 2>.
함산소화합물은 과거 차량에서 휘발유의 연소를 개선하여 CO와 미연탄화수소 배출을 감소시키나, NOx의 배출량을 증가시키는 단점으로 인해 특정비율 범위 내에서만 의무적으로 배합하도록 요구되었다.
올레핀∙아로마틱∙벤젠 성분은 배출가스 중 독성을 나타내는 미연탄화수소의 함량과 일부 상관관계가 확인되어 휘발유 내 함량 제한이 강화되고 있으나<표 2>, 최근의 차량에서는 그 영향이 미미한 것으로 알려지고 있다. 그 밖에 휘발유가 기체로 증발하는 성질을 나타내는 증기압은 탄화수소 증발배출을 줄이기 위해지속적으로 상한치가 낮아지고 있으며, 증류성상은 연소성능 개선을 위해 고비점 유분의 함량을 제한하는 경향이 있다.
2.3 LPG
LPG를 자동차 연료로 사용하기 위해서는 인프라 구축이 선결되어야 하므로, 정부가 정책적으로 보급을 실시한 일부 국가(한국, 호주, 이탈리아, 폴란드, 일본 등)에서 사용되고 있다. 품질측면에서는 휘발유 차량과 유사한 관점의 규제가 이루어지고 있으나, 구성성분이 적고 제한적으로 사용되므로 규제 항목도 단순한 편이다. 환경관련 공통적인 규제항목으로 황함량과 독성물질로 분류되는 부타디엔 함량이 있다.
2.4 CNG
CNG는 우수한 청정성과 CO2 배출저감 효과로 일부 국가에서 대기환경 개선을 위해 제한된 범위의 보급이 이루어지고 있으나, 인프라 구축 및 공급안정성이라는 측면에서 일정 수준 이상으로 확대되기는 어려울 것으로 전망되고 있다. 특히, 짧은 주행거리와 낮은 연비, 안전성 확보 등의 문제는 천연가스 차량의 보급확대를 위해 선결되어야 할 주요 과제이다. 연료 품질측면에서는 황함량과 불활성가스(CO2 등)에 대한 규제가 있으나 단순한 조성으로 인해 특별한 Issue는 없다.
3. 신재생에너지 기술의 도입 및 영향
온실가스 저감과 석유공급 불안정성으로 인한 신재생에너지의 전 세계적인 보급 증대는 자동차연료측면 에서도 큰 변화를 가져왔으며, 이러한 변화에 대응할 수 있는 자동차 기술을 요구하고 있다. 브라질, 미국, EU를 중심으로 보급이 크게 확대되고 있는 바이오에탄올<그림 4>과 바이오디젤<그림 5>이 가장 대표적인 사례이며, 다양한 차세대 바이오연료에 대한 기술개발도 진행 중이다. 또한 석탄 및 천연가스를 이용하여 제조하는 합성연료(F-T Diesel, DME 등)의 도입도 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
3.1 바이오에탄올
바이오에탄올은 식물의 당 또는 당으로 전환할 수 있는 전분, 섬유소 등을 원료로 발효과정을 거쳐 제조한다. 옥탄가가 높고 산소를 가지고 있어, 주로 휘발유의 함산소화합물로 사용되었으나, 바이오연료라는 측면에서 중요성이 높아지고 있다.
자동차측면에서는 휘발유의 에탄올 함량이 5%이하로 존재하는 경우, 기존 차량의 큰 개조 없이 사용이 가능한 것으로 알려져 있으나, 에탄올 혼합비율이 증가할수록 차량연료계통상의 부식발생 우려 등으로 인해 엔진 및 연료시스템과 관련된 부품의 개선이 요구되므로, 통상적으로 일반 휘발유차량에 10%이상의 에탄올 배합은 허용되지 않고 있다. 에탄올 보급 확대를 위해서는 궁극적으로 에탄올 혼합비율에 영향을 받지 않는 FFV(Flexible Fuel Vehicle)의 보급이 필요하다.
자동차연료 공급측면에서도 에탄올은 수분 상분리 문제로 인해 기존 휘발유와는 별도의 수송∙저장∙출하시설을 구축하여야 하고, 주유소의 설비를 보완하여야 한다. 또한 에탄올 혼합에 의한 휘발유 증기압 상승효과 및 기타 품질문제 해결이 요구된다. 결과적으로 에탄올을 자동차연료로 사용하기 위해서는 자동차연료와 관련된 인프라 보완 및 구축이 필수적이므로, 초기 도입단계에서는 상당한 비용을 유발할 것으로 예상된다.
3.2 바이오디젤
바이오디젤은 식물성 기름이나 폐식용유, 동물성 지방 등을 원료로 알코올과의 Trans-Esterification 반응을 거쳐 제조하며, 경유와 물성이 유사하여 통상적으로 5%까지 경유에 혼합하여 차량 연료로 사용할 수 있다. 환경 측면에서는 일부 경유차량의 배출가스 저감 효과가 있고, 생분해도가 높아 유출시 환경오염이 적게 발생하는 장점이 있다.
단점으로는 산화안정성이 경유에 비해 좋지 않으므로 Acidity 및 수분함량 증가와 같은 연료품질 악화를 유발하여 엔진 연료계 부품의 부식 또는 손상을 발생시킬 수 있으며, 연료분사 인젝터의 막힘이나 연소실 내침적물 증가의 원인이 될 수 있다. 그리고 경유에 비해 저온성능이 불리하여 겨울철 자동차의 성능에 문제를 일으킬 수 있으며, 높은 용해성으로 인해 차량 연료시스템에 사용되는 고무 재료의 물성을 악화시키므로 고 농도로 사용하는 경우 재질 변경이 요구된다.
3.3 차세대 바이오연료
현재 주로 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 고농도로 사용하는 경우, 기존 차량의 개조∙보완 및 별도의 물류 인프라 구축이 필요하다. 또한 식량을 원료로 제조하므로 곡물가격 상승을 유발하고, 석유에서 제조되는 연료대비 가격이 비싼 경향이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 석유계 연료와 유사한 물성을 가지고 있어 인프라에 미치는 영향이 적은 바이오연료 생산 기술과 비식용 작물(섬유소, 해조류
등)을 원료로 활용하는 기술의 개발이 진행 중이다.
3.4 합성연료
석탄 및 천연가스를 이용하여 제조하는 합성연료(Gas To Liquid, Coal To Liquid)는 에너지 다변화 측면에서 주목을 받고 있는데, 일부 국가에서 생산∙도입하고 있는 F-T Diesel이 대표적이다. F-T Diesel은 경유 대비 높은 세탄가와 우수한 청정성으로 인해 고품질의 경유배합재로 사용이 가능한 장점이 있다<표 3>. 최근 투자비의 급격한 증가로 관련 프로젝트가 주춤하고 있으나, 장기적으로는 F-T Diesel의 사용이 지속적
으로 증가할 전망이다.
주로 석탄에서 제조되는 DME는 LPG와 유사한 물성을 가지고 있으며, 자동차연료로 사용하기 위해서는 인프라 구축 및 차량개조가 필요하나, 높은 세탄가로 인해 장기적으로 경유차량의 대체연료로 사용하는 것에 대한 연구가 진행 중이다.
4. 주요 국가별 수송분야 바이오연료 도입 현황
4.1 미국
미국의 경우 2022년까지 재생가능 수송용연료를 매년 360억 갤런 이상 공급한다는 RFS2(Renewable Fuel Standard 2)를 공표하였으며, 이를 근거로 바이오연료의 생산∙소비가 크게 증가하고 있다. 자동차연 료에서 휘발유의 비중이 매우 높은 특징으로 인해 바이오에탄올 중심의 보급이 이루어지고 있으며, 주로 옥수수 전분(Corn Starch)을 원료로 2010년 약 120억 갤런을 생산하여 전체 휘발유 소비의 약 8%를 차지할 것으로 예상하고 있다. 또한, 장기적으로는 원활한 원료조달 및 바이오연료 경제성 개선을 위해 섬유소(Cellulose)를 원료로 제조된 바이오에탄올의 보급을 늘리는 것에 정책의 초점(2022년 160억 갤런)을 맞추고 있으며, 이러한 차세대 바이오연료기술개발에 과감한 투자를 하고 있다.
4.2 EU
EU는 2020년 수송분야에서 바이오연료 10% 보급을 목표로 Renewable Energy Directive를 개정하였으며, 경유의 바이오디젤 혼합허용치를 7%로 확대하고 에탄올을 혼합하는 휘발유의 증기압 규격을 완화하는 등 관련된 연료 규격을 재정비하였다. 바이오연료가 수송분야에서 차지하는 비중은 2009년 약 4% 수준이며, 2010년에는 5.75%를 목표로 하고 있다. 경유 중심의 자동차연료 구성 및 자국 농민 보호를 위해 원료의 자체 조달이 가능한 바이오디젤의 보급이 중심을 이루고 있으며, 바이오에탄올의 활용도 빠르게 증가하고 있다(2009년 바이오디젤 소비량 : 12,200,000kl, 바이오에탄올 소비량 : 4,664,000kl).
4.3 브라질
현재 바이오연료의 보급이 가장 활발한 국가이며, 70년대 석유파동 이후 지속적으로 바이오에탄올의 보급이 확대되어 2008년 기준 전체 휘발유 중 에탄올의 비중이 50.9%를 차지하고 있다. 전체 판매 차량 중87%가 FFV로 구성되어 고농도의 에탄올 혼합연료(E25 ~ E100)를 자동차연료로 이용하기 위한 인프라가 구축되어 있고, 현재 시점기준 사탕수수를 원료로 생산되는 브라질산 에탄올은 석유로부터 제조되는 휘발유 대비 가격 경쟁력을 확보하고 있는 유일한 바이오연료로 알려져 있다. 또한, 대규모로 바이오에탄올 수출이 가능한 유일한 국가이다. 바이오디젤도 2008년 2%에서 시작하여 2010년 5%로 배합이 증가하고 있다.
4.4 일본
2015년까지 전국적으로 E3(Ethanol 3% 혼합 휘발유) 보급을 추진하고 있으며, 현재 석유업계 자발적으로‘바이오 가솔린 표시 가이드라인’에 따라 바이오 ETBE를 1% 이상 배합(2010년 840,000kl) 중이다.
4.5 한국
한국은 2030년 신재생에너지 보급률 11% 달성을 목표로 수송용 바이오연료 혼합사용의무제(RFS) 도입을 검토하고 있으며, 바이오연료 자동차(FFV : Flexible Fuel Vehicles)의 국내생산∙보급도 추진하고 있다. 바이오디젤의 경우, 2002년부터 시범보급을 실시한 이래 2006년 7월부터 경유에 0.5%를 혼합하기 시작하여 2010년 현재 2%로 증가하였다. 또한 바이오에탄올의 도입을 다방면으로 검토 중이다.
5. 결론
대기환경 개선을 위해 자동차연료의 품질은 지속적으로 개선되어, 선진국을 중심으로 현재의 기술수준으로 달성 가능한 청정연료의 도입이 성숙되는 단계로 진전되고 있다. 우리나라의 경우에도 현재 자동차연료품질관점에서는 세계에서 가장 높은 수준을 달성하고 있다.
향후의 자동차 배출가스 개선을 위해서는 자동차 기술의 발전이 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되며, 연료측면의 추가적인 품질개선에 의한 효과는 미미할 것으로 추정된다. 그러므로 정부의 차기 자동차관련 환경규제는 사회적 비용과 편익을 객관적으로 검증하고 국내 산업에 미치는 영향이 반영되어 시행되어야 할 것이다.
또한 바이오연료를 중심으로 한 신재생에너지의 보급 확대는 거부할 수 없는 세계적인 추세이다. 그러나, 현재 사용되고 있는 바이오연료는 기술적인 여러 문제와 낮은 경제성, 식량의 원료 이용 등으로 인해 생산및 소비 확대에 제한이 있을 것으로 예상된다. 그러므로 기존 바이오연료의 단점을 극복한 차세대 바이오연료에 대한 기술의 중요성이 강조되고 있으며, 기술개발이 완성된다면 향후 자동차연료 시장의 주요 변수가 될 것이다. 우리나라도 이러한 차세대 바이오연료에 대한 기술 확보를 위해 국가차원의 전략 수립과 지원이 필요할 것으로 판단된다.
자동차에서 배출되는 대기오염물질의 저감을 위해 자동차 배출가스에 대한 규제는 선진국을 중심으로 지속적으로 강화되어 왔다. 이는 자동차측면에서 새로운 엔진 및 후처리장치 기술의 도입과 발전을 가속화시켰으며, 연료측면에서도 대기오염 유발 성분의 감소와 새로운 자동차 기술에 적합한 고청정∙고품질화를 요구하였다. 또한 최근의 급격한 유가 인상과 석유공급측면의 불안정성으로 인한 Peak Oil에 대한 우려는 대체에너지 공급원에 대한 필요성을 크게 대두시켰으며, 지구온난화로 인한 온실가스 저감 문제와 더불어 자동차 연비 규제 강화 및 바이오연료 도입을 촉발하였다.
바이오연료와 같은 새로운 자동차연료의 도입은 기존 자동차에 대한 영향 평가 및 새로운 자동차기술 개발을 요구하고 있으며, 결과적으로 온실가스 저감을 위한 연비 규제(이산화탄소)와 함께 자동차 산업의 새로운 과제가 될 것으로 예상된다.
본 고에서는 자동차 및 연료관련 이러한 환경변화를 바탕으로 선진국(미국, EU, 일본 등)을 중심으로 자동차 연료에 대해 최근 진행되고 있는 품질 규제 및 기술 동향을 소개하고, 향후 자동차연료의 전망에 대해 기고하고자 한다.
2. 자동차 연료 품질규제 동향
자동차 관련 대기환경 개선은 기술 개발과 환경규제 강화를 바탕으로 새로운 엔진기술 개발, 후처리 장치도입, 연료 품질 개선에 의해 주로 이루어지고 있다. 연료 품질측면에서 각 국 정부의 주요 정책방향은 ① 새로운 엔진 및 후처리장치 기술의 도입∙발전에 적합한 연료를 공급하는 것과 ② 대기오염물질의 배출과 상관성이 있는 연료 자체의 성상규격을 강화하는 것이다. 대표적인 사례를 든다면 3원 촉매의 도입으로 인한 휘발유의 납함량 규제, 경유매연저감장치 (DPF: Diesel Particulate Filter)의 도입으로 인한 경유의 초저유황화 등이 있다. 각 자동차의 연료별 대표적인 품질 특성 및 규제 동향은 아래와 같다.
2.1 경유
과거 경유차량은 우수한 연비와 토크에도 불구하고 배출가스의 PM과 NOx 함량이 높아 대기오염의 주범으로 인식되어왔으나, Clean Diesel로 대변되는 자동차 및 연료기술의 비약적인 발전으로 인해 유럽을 중심으로 온실가스 저감측면에서 매우 뛰어난 자동차 연료로 재인식되고 있다.
이러한 초저유황경유는 기존 설비로는 제조가 불가능하였으므로 2000년대에 접어들어 정유업계는 신규 탈황설비 건설에 대규모 투자를 실시하였고, 추가로 탈황과정에서 발생하는 윤활성 저하 등의 부수적인 문제를 해결하기 위한 첨가제 주입 등의 대책도 함께 시행되었다.
환경 관련 영향을 미치는 다른 품질 항목으로는 다고리방향족 (PAH : Poly Aromatic Hydrocarbon) 함량을 들 수 있으며, 과거 연구결과에서 일부 배출가스와의 상관성이 확인되어 선진국을 중심으로 일정 수준의 규제가 도입되었다<표 1>. 차량 성능측면에서는 경유의 연소성능을 나타내는 품질항목인 세탄가와 이와 연관된 방향족(TAH : Total Aromatic Hydrocarbon) 함량 규제가 있다<표 1>. 엔진 내부의 노킹현상 방지를 위해서는 일정 수준의 세탄가 확보가 필요하므로 대부분의 국가에서 이를 규격으로 관리하고 있으며, 방향족 화합물은 세탄가를 낮추는 문제로 인해 세탄가 확보 차원에서 규격으로 관리하는 경우도 있다.
2.2 휘발유
휘발유 차량의 배출가스 측면에서 주요 규제항목은 CO와 미연탄화수소, NOx 등이며, 미연탄화수소 중에서 일부 독성물질(Formaldehyde, Benzene, Butadiene 등)에 대한 관심이 증가하고 있다. 배출가스와 관련된 휘발유 성상에 대해서는 다양한 오토오일프로그램에서 연구가 이루어졌고, 이를 바탕으로 연료의 규제가 강화되어 왔다.
배출가스 감소를 위해 도입된 대표적인 기술은 3원촉매장치(3-Way Catalytic Converter)이며, 이를 위해 휘발유의 옥탄가 개선을 위해 첨가하던 사에틸납(Tetra Ethyl Lead)의 사용이 1970년대부터 제한되기 시작했고, 현재 대부분의 국가에서 금지되었다.
황성분은 배출가스(CO, 미연탄화수소, NOx 등)를 증가시키고, 3원 촉매 장치의 성능에 일부 영향을 끼치며, 아황산가스(SOx)를 발생시킨다. 그러나, 경유 차량 대비 상대적으로 대기환경에 미치는 영향이 미미하여 규제 강화에 대한 필요성이 상대적으로 낮았으나, 고청정연료에 대한 사회적 요구가 증가하고 차량기술의 발전(GDI엔진 도입 등)으로 인한 필요성 증가로 인해 최근 초저유황 휘발유의 도입도 일반화되고 있다<표 2>.
함산소화합물은 과거 차량에서 휘발유의 연소를 개선하여 CO와 미연탄화수소 배출을 감소시키나, NOx의 배출량을 증가시키는 단점으로 인해 특정비율 범위 내에서만 의무적으로 배합하도록 요구되었다.
올레핀∙아로마틱∙벤젠 성분은 배출가스 중 독성을 나타내는 미연탄화수소의 함량과 일부 상관관계가 확인되어 휘발유 내 함량 제한이 강화되고 있으나<표 2>, 최근의 차량에서는 그 영향이 미미한 것으로 알려지고 있다. 그 밖에 휘발유가 기체로 증발하는 성질을 나타내는 증기압은 탄화수소 증발배출을 줄이기 위해지속적으로 상한치가 낮아지고 있으며, 증류성상은 연소성능 개선을 위해 고비점 유분의 함량을 제한하는 경향이 있다.
2.3 LPG
LPG를 자동차 연료로 사용하기 위해서는 인프라 구축이 선결되어야 하므로, 정부가 정책적으로 보급을 실시한 일부 국가(한국, 호주, 이탈리아, 폴란드, 일본 등)에서 사용되고 있다. 품질측면에서는 휘발유 차량과 유사한 관점의 규제가 이루어지고 있으나, 구성성분이 적고 제한적으로 사용되므로 규제 항목도 단순한 편이다. 환경관련 공통적인 규제항목으로 황함량과 독성물질로 분류되는 부타디엔 함량이 있다.
2.4 CNG
CNG는 우수한 청정성과 CO2 배출저감 효과로 일부 국가에서 대기환경 개선을 위해 제한된 범위의 보급이 이루어지고 있으나, 인프라 구축 및 공급안정성이라는 측면에서 일정 수준 이상으로 확대되기는 어려울 것으로 전망되고 있다. 특히, 짧은 주행거리와 낮은 연비, 안전성 확보 등의 문제는 천연가스 차량의 보급확대를 위해 선결되어야 할 주요 과제이다. 연료 품질측면에서는 황함량과 불활성가스(CO2 등)에 대한 규제가 있으나 단순한 조성으로 인해 특별한 Issue는 없다.
3. 신재생에너지 기술의 도입 및 영향
온실가스 저감과 석유공급 불안정성으로 인한 신재생에너지의 전 세계적인 보급 증대는 자동차연료측면 에서도 큰 변화를 가져왔으며, 이러한 변화에 대응할 수 있는 자동차 기술을 요구하고 있다. 브라질, 미국, EU를 중심으로 보급이 크게 확대되고 있는 바이오에탄올<그림 4>과 바이오디젤<그림 5>이 가장 대표적인 사례이며, 다양한 차세대 바이오연료에 대한 기술개발도 진행 중이다. 또한 석탄 및 천연가스를 이용하여 제조하는 합성연료(F-T Diesel, DME 등)의 도입도 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
3.1 바이오에탄올
바이오에탄올은 식물의 당 또는 당으로 전환할 수 있는 전분, 섬유소 등을 원료로 발효과정을 거쳐 제조한다. 옥탄가가 높고 산소를 가지고 있어, 주로 휘발유의 함산소화합물로 사용되었으나, 바이오연료라는 측면에서 중요성이 높아지고 있다.
자동차측면에서는 휘발유의 에탄올 함량이 5%이하로 존재하는 경우, 기존 차량의 큰 개조 없이 사용이 가능한 것으로 알려져 있으나, 에탄올 혼합비율이 증가할수록 차량연료계통상의 부식발생 우려 등으로 인해 엔진 및 연료시스템과 관련된 부품의 개선이 요구되므로, 통상적으로 일반 휘발유차량에 10%이상의 에탄올 배합은 허용되지 않고 있다. 에탄올 보급 확대를 위해서는 궁극적으로 에탄올 혼합비율에 영향을 받지 않는 FFV(Flexible Fuel Vehicle)의 보급이 필요하다.
자동차연료 공급측면에서도 에탄올은 수분 상분리 문제로 인해 기존 휘발유와는 별도의 수송∙저장∙출하시설을 구축하여야 하고, 주유소의 설비를 보완하여야 한다. 또한 에탄올 혼합에 의한 휘발유 증기압 상승효과 및 기타 품질문제 해결이 요구된다. 결과적으로 에탄올을 자동차연료로 사용하기 위해서는 자동차연료와 관련된 인프라 보완 및 구축이 필수적이므로, 초기 도입단계에서는 상당한 비용을 유발할 것으로 예상된다.
3.2 바이오디젤
바이오디젤은 식물성 기름이나 폐식용유, 동물성 지방 등을 원료로 알코올과의 Trans-Esterification 반응을 거쳐 제조하며, 경유와 물성이 유사하여 통상적으로 5%까지 경유에 혼합하여 차량 연료로 사용할 수 있다. 환경 측면에서는 일부 경유차량의 배출가스 저감 효과가 있고, 생분해도가 높아 유출시 환경오염이 적게 발생하는 장점이 있다.
단점으로는 산화안정성이 경유에 비해 좋지 않으므로 Acidity 및 수분함량 증가와 같은 연료품질 악화를 유발하여 엔진 연료계 부품의 부식 또는 손상을 발생시킬 수 있으며, 연료분사 인젝터의 막힘이나 연소실 내침적물 증가의 원인이 될 수 있다. 그리고 경유에 비해 저온성능이 불리하여 겨울철 자동차의 성능에 문제를 일으킬 수 있으며, 높은 용해성으로 인해 차량 연료시스템에 사용되는 고무 재료의 물성을 악화시키므로 고 농도로 사용하는 경우 재질 변경이 요구된다.
3.3 차세대 바이오연료
현재 주로 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 고농도로 사용하는 경우, 기존 차량의 개조∙보완 및 별도의 물류 인프라 구축이 필요하다. 또한 식량을 원료로 제조하므로 곡물가격 상승을 유발하고, 석유에서 제조되는 연료대비 가격이 비싼 경향이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 석유계 연료와 유사한 물성을 가지고 있어 인프라에 미치는 영향이 적은 바이오연료 생산 기술과 비식용 작물(섬유소, 해조류
등)을 원료로 활용하는 기술의 개발이 진행 중이다.
3.4 합성연료
석탄 및 천연가스를 이용하여 제조하는 합성연료(Gas To Liquid, Coal To Liquid)는 에너지 다변화 측면에서 주목을 받고 있는데, 일부 국가에서 생산∙도입하고 있는 F-T Diesel이 대표적이다. F-T Diesel은 경유 대비 높은 세탄가와 우수한 청정성으로 인해 고품질의 경유배합재로 사용이 가능한 장점이 있다<표 3>. 최근 투자비의 급격한 증가로 관련 프로젝트가 주춤하고 있으나, 장기적으로는 F-T Diesel의 사용이 지속적
으로 증가할 전망이다.
주로 석탄에서 제조되는 DME는 LPG와 유사한 물성을 가지고 있으며, 자동차연료로 사용하기 위해서는 인프라 구축 및 차량개조가 필요하나, 높은 세탄가로 인해 장기적으로 경유차량의 대체연료로 사용하는 것에 대한 연구가 진행 중이다.
4. 주요 국가별 수송분야 바이오연료 도입 현황
4.1 미국
미국의 경우 2022년까지 재생가능 수송용연료를 매년 360억 갤런 이상 공급한다는 RFS2(Renewable Fuel Standard 2)를 공표하였으며, 이를 근거로 바이오연료의 생산∙소비가 크게 증가하고 있다. 자동차연 료에서 휘발유의 비중이 매우 높은 특징으로 인해 바이오에탄올 중심의 보급이 이루어지고 있으며, 주로 옥수수 전분(Corn Starch)을 원료로 2010년 약 120억 갤런을 생산하여 전체 휘발유 소비의 약 8%를 차지할 것으로 예상하고 있다. 또한, 장기적으로는 원활한 원료조달 및 바이오연료 경제성 개선을 위해 섬유소(Cellulose)를 원료로 제조된 바이오에탄올의 보급을 늘리는 것에 정책의 초점(2022년 160억 갤런)을 맞추고 있으며, 이러한 차세대 바이오연료기술개발에 과감한 투자를 하고 있다.
4.2 EU
EU는 2020년 수송분야에서 바이오연료 10% 보급을 목표로 Renewable Energy Directive를 개정하였으며, 경유의 바이오디젤 혼합허용치를 7%로 확대하고 에탄올을 혼합하는 휘발유의 증기압 규격을 완화하는 등 관련된 연료 규격을 재정비하였다. 바이오연료가 수송분야에서 차지하는 비중은 2009년 약 4% 수준이며, 2010년에는 5.75%를 목표로 하고 있다. 경유 중심의 자동차연료 구성 및 자국 농민 보호를 위해 원료의 자체 조달이 가능한 바이오디젤의 보급이 중심을 이루고 있으며, 바이오에탄올의 활용도 빠르게 증가하고 있다(2009년 바이오디젤 소비량 : 12,200,000kl, 바이오에탄올 소비량 : 4,664,000kl).
4.3 브라질
현재 바이오연료의 보급이 가장 활발한 국가이며, 70년대 석유파동 이후 지속적으로 바이오에탄올의 보급이 확대되어 2008년 기준 전체 휘발유 중 에탄올의 비중이 50.9%를 차지하고 있다. 전체 판매 차량 중87%가 FFV로 구성되어 고농도의 에탄올 혼합연료(E25 ~ E100)를 자동차연료로 이용하기 위한 인프라가 구축되어 있고, 현재 시점기준 사탕수수를 원료로 생산되는 브라질산 에탄올은 석유로부터 제조되는 휘발유 대비 가격 경쟁력을 확보하고 있는 유일한 바이오연료로 알려져 있다. 또한, 대규모로 바이오에탄올 수출이 가능한 유일한 국가이다. 바이오디젤도 2008년 2%에서 시작하여 2010년 5%로 배합이 증가하고 있다.
4.4 일본
2015년까지 전국적으로 E3(Ethanol 3% 혼합 휘발유) 보급을 추진하고 있으며, 현재 석유업계 자발적으로‘바이오 가솔린 표시 가이드라인’에 따라 바이오 ETBE를 1% 이상 배합(2010년 840,000kl) 중이다.
4.5 한국
한국은 2030년 신재생에너지 보급률 11% 달성을 목표로 수송용 바이오연료 혼합사용의무제(RFS) 도입을 검토하고 있으며, 바이오연료 자동차(FFV : Flexible Fuel Vehicles)의 국내생산∙보급도 추진하고 있다. 바이오디젤의 경우, 2002년부터 시범보급을 실시한 이래 2006년 7월부터 경유에 0.5%를 혼합하기 시작하여 2010년 현재 2%로 증가하였다. 또한 바이오에탄올의 도입을 다방면으로 검토 중이다.
5. 결론
대기환경 개선을 위해 자동차연료의 품질은 지속적으로 개선되어, 선진국을 중심으로 현재의 기술수준으로 달성 가능한 청정연료의 도입이 성숙되는 단계로 진전되고 있다. 우리나라의 경우에도 현재 자동차연료품질관점에서는 세계에서 가장 높은 수준을 달성하고 있다.
향후의 자동차 배출가스 개선을 위해서는 자동차 기술의 발전이 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되며, 연료측면의 추가적인 품질개선에 의한 효과는 미미할 것으로 추정된다. 그러므로 정부의 차기 자동차관련 환경규제는 사회적 비용과 편익을 객관적으로 검증하고 국내 산업에 미치는 영향이 반영되어 시행되어야 할 것이다.
또한 바이오연료를 중심으로 한 신재생에너지의 보급 확대는 거부할 수 없는 세계적인 추세이다. 그러나, 현재 사용되고 있는 바이오연료는 기술적인 여러 문제와 낮은 경제성, 식량의 원료 이용 등으로 인해 생산및 소비 확대에 제한이 있을 것으로 예상된다. 그러므로 기존 바이오연료의 단점을 극복한 차세대 바이오연료에 대한 기술의 중요성이 강조되고 있으며, 기술개발이 완성된다면 향후 자동차연료 시장의 주요 변수가 될 것이다. 우리나라도 이러한 차세대 바이오연료에 대한 기술 확보를 위해 국가차원의 전략 수립과 지원이 필요할 것으로 판단된다.
