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천연가스-수소 혼합연료 엔진기술 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2010-11-22 12:23:12

본문

1. 서론
천연가스 버스는 도심지 대기환경을 개선하기 위하여 2000년도부터 지속적으로 디젤 버스와 교체되어 왔으며 2010년 현재 2만대 이상이 운행 중에 있다. 천연가스버스가 지금까지 대기환경 개선에 많은 기여를 한 것은 명백하지만 과거 대기오염의 주범이었던 디젤엔진이 지속적인 기술개발을 통해 오염물질을 대폭 줄인 것과는 달리 상대적으로 기술적 발전이 적었던 것도 사실이다.

최근 들어 국내에서 천연가스 용기가 파괴되고 인명피해까지 발생하는 사고로 천연가스 버스는 저공해자동차로서의 위상을 위협받고 있을 뿐만 아니라 안전성 문제까지 대두되고 있다. 가연성 연료를 싣고 다닌다는 점에 있어서 가솔린이나 디젤 자동차도 화재에 따른 인명피해가 있을 수 있지만 고압의 가스 상태로 저장되어야 하는 천연가스는 더욱 세심한 주의와 관리가 필요함에도 불구하고 사회적, 기술적 그리고 관리적 문제로 안정성이 뒷받침되지 못하였음이 못내 아쉬울 따름이다.

그러나 천연가스는 연료로서의 청정성뿐만 아니라 매장량이 풍부하고 세계 각지에 분포되어 있어 안정적이고 장기적인 공급이 가능한 석유 대체 에너지임을 잊어서는 안된다. 세계 천연가스 자동차 통계인<그림 1>을 보면 2000년 이후에 천연가스 자동차의 보급이 급격하게 증가하였고, 2009년도에 1,000만대를 넘어섰음을 알 수 있다. 석유의 점차적 고갈과 에너지의 무기화 경향은 세계 각국으로 하여금 석유 대체에너지 개발에 많은 투자를하게 하였고 천연가스가 중요한 대응 방안의 하나였음을 통계를 통해서 확인할 수 있다.

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특히, 수송용 연료의 대부분을 수입에 의존하는 한국의 경우는 천연가스를 에너지원의
다변화 차원에서 활용하여 에너지 위기 시고유가 충격을 흡수할 필요가 있다. 천연가스는 옥탄가가 높아 소형과 대형 엔진에 걸쳐 광범위하게 사용될 수 있고 삼원촉매를 사용하는 이론공연비 연소는 물론이고 희박연소만으로도 EURO-V 배기규제를 만족시킬 수 있을 만큼 자동차 연료로서 매우 우수한 연료이다. 그러나 배기가스 온도가 디젤엔진에 비해 높아 대형 엔진에서는 터빈 등 배기계의 열부하를 줄이기 위해 희박연소를 많이 사용하는데 국내 천연가스 시내버스가 이에 해당된다. EURO-VI 규제부터는 NOx 배출허용기준이 매우 엄격해져서(EURO-VI는 EURO-V의 20%) 천연가스 엔진의 경우 희박연소만으로는 NOx 규제를 만족시킬 수 없고 디젤 엔진과 같이 고가의 De_NOx 촉매를 장착하여야 한다. 따라서 EURO-VI 배기규제부터는 천연가스 엔진은 디젤 엔진에 비해 저공해성이나 가격경쟁력 측면에서 유리한 점이 모두 사라지기 때문에 인프라와 연비가 불리한 천연가스 엔진으로서는 존재 이유가 불명확해지는 셈이다.

천연가스가 가지고 있는 이러한 문제에 대해 북미 및 유럽을 중심으로 천연가스에 수소를 첨가하는 천연가스-수소 혼합연료(HCNG 또는 Hythane) 엔진을 유력한 해결기술의 하나로서 제시하고 기술개발과 실증사업에 주력하고 있다. 천연가스-수소 혼합연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 궁극적 연료인 수소를 본격적으로 사용하기에 앞서 사회적 그리고 기술적 인프라의 가교역할을 천연가스-수소 혼합연료가 담당할 수 있기 때문이다. 최근 중국과 인도에서도 HCNG 기술을 도입하여 상업화를 시도하는 등의 빠른 기술도입 행보를 보이는 것도 수소시대를 미리 대비하기 위함이다.

천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 첫째, H/C 비율이 높은 천연가스를 개질하여 수소를 생산하기가 유리하고, 둘째, 천연가스와 수소의 혼합이 쉬울 뿐만 아니라 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있으며, 셋째, 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 천연가스가 가지고 있는 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 EURO-VI의 NOx 허용기준치를 만족시킬 수 있기 때문이다.

본고에서는 천연가스의 차세대 연료로 인식되어 지고 있는 천연가스-수소 혼합연료(이후 HCNG로 표기)와 더불어 궁극적 미래연료인 수소의 인프라 및 기술 동향과 자동차엔진 연료로서의 특성을 살펴봄으로써 국내 관련기술 개발 방향과 상용화 가능성에 대해 검토하고자 한다.

2. 세계 HCNG 연료 인프라 동향
HCNG 인프라를 시범사업을 통해 구축하고 있는 국가는 미국, 캐나다의 북미, 프랑스, 이탈리아, 독일, 스웨덴, 노르웨이 등의 유럽 그리고 인도, 중국 등의 아시아가 있다. 수소를 생산하는 방식에 있어서는 천연가스 개질과 물 전기분해 방식이 주류를 이루는데 천연가스 개질을 사용하는 방법은 초기 인프라 구축에 유리하며, 물 전기분해는 태양광, 풍력 등의 신재생에너지를 활용하는 특징을 가지고 있다.

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북미에서 가장 대표적인 충전소는 Penn State Univ.에 위치한 천연가스, HCNG, 수소 복합충전소로서 천연가스를 개질하여 수소를 생산하며, 한 장소에서 모든 연료를 충전할 수 있는 시설을 갖추고 있다. 천연가스와 수소는 Mixing 장비를 통해 충전 전에 혼합 및 가압됨으로써 HCNG가 생산된다.

천연가스 자동차의 보급대수가 많은 이탈리아에서도 HCNG 인프라가 시범사업을 통해 구축되고 있는데, 신재생에너지 뿐만 아니라 원자력, 천연가스 등 모든 수단을 통해 수소를 생산하고 이를 파이프라인으로 CNG와 연계시켜 HCNG화 하는 것이 특징이다. MultiEnergy Service Station Projects로 구축되는 수소 및 HCNG 인프라사업은 독일도 함께 참여하고 있어 성공적으로 사업이 이루어질 경우 유럽 전역으로 확대될 가능성도 있다.

인도의 경우 비록 HCNG 기술을 늦게 도입하였지만 가장 빠르게 상용화에 이르렀다. IOC(Indian Oil Corporation)사에서 이미 HCNG 충전소를 상업용으로 구축하였으며 HCNG 연료를 사용하는 자동차 또한 인도 국내 자동차 제작사를 통해 판매되고 있다. 중국에서도 HCNG 상용화를 이루었다는 보고가 있었으나 정확한 자료는 아직 공개되지 않고 있다.

HCNG 또는 수소 인프라를 구축하는데 있어서 가장 큰 난관은 생산기술 보다는 충전시설 관련법과 주민들의 인식이다. 미국의 경우 주법으로 다루어지는 법령을 충전소가 설치될 수 있도록 개정하였고 충전소에 대한 안전성을 적극 홍보함으로써 주거지역에 설치하더라도 주민의 불만이 거의 없는 상황이다. 하지만 국내의 현재의 충전시 설 관련법 상에는 수소를 천연가스 충전소 내에서 생산할 수 없을 뿐만 아니라 동일 장소에서 HCNG나 수소를 천연가스와 함께 충전할 수도 없다. 최근 환경부 무저공해 자동차 사업의 일환으로 HCNG 충전소 설치에 대한 법적 검토를 수행하고 있지만, 세계 각 주요국에서 HCNG와 수소 인프라를 구축하기 위해 많이 노력하는 점을 감안하였을 때 국내에서도 관련법을 빠른 시일 내에 개정하고 안전기술의 강화와 홍보를 통해 주민들의 인식을 변화시킬 필요가 있다.

3. HCNG 및 수소엔진의 성능
HCNG는 수소의 특성 중 빠른 화염속도와 넓은 가연한계를 이용하는 기술로서 수소의 혼합율에 따라 연소 특성이 달라진다. <그림 5>는 Steady Mode에서 수소 혼합율에 따른 희박연소한계와 NOx의 저감성능을 나타내는데 수소 혼합율 30% 이상에서는 NOx 배출량이 0.1g/kWh 이하로 Transient Mode인 EURO-VI의 NOx 0.4g/kWh 규제를 De_NOx 촉매 없이 만족시킬 수 있는 능력이 있음을 확인할 수 있다.

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미국 펜실베니아주에서 시범운행 중인 버스에 장착된 City Engine은 HCNG연료를 적용하여 EPA 2007 NOx 허용기준인 0.2g/hp-hr를 만족시켰으며 이는 EURO-VI 규제보다 더 강화된 수치이다. 이와 같이 HCNG 엔진은 천연가스 엔진으로서 달성할 수 없는 NOx 배출기준을 De_NOx촉매 없이 만족시킬 수 있기 때문에 향후 EURO-VI 이상의 배기규제가 적용되더라도 기술적으로 만족시킬 가능성이 높다.

국내 업체인 두산 인프라코어도 미국 펜실베니아주에서 HCNG 프로그램에 참여하였으며 개발된 HCNG 엔진을 Cata 버스에 장착하여<그림 7> 시범 운행하였다. 장착된 HCNG 엔진을 SwRI에서 US FTP Cycle을 테스트한 결과 0.2g/hp-hr 이하의 NOx 배출성능을 확인하는 등 국내 천연가스 엔진 기술을 바탕으로 성공적으로 HCNG 엔진을 개발한 경험이 있다.

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Cummins-Westport에 의해 제작된 Hythane(HCNG) 엔진을 장착하여 DOE의 지원하에 SunLine사에서 시범운행하였던 버스는<그림 8> 함께 운행 중인 연료전지 버스에 비해 버스 가격이 1/10정도 밖에 들지 않지만 연료전지 버스와 필적한 청정성을 가지고 있는 것으로 발표하였다.

HCNG 연료의 또 다른 이점은 CO2 저감 능력으로서 수소의 혼합율이 높을수록 그에 비례하여 CO2는 저감된다. CO2 또한 온실가스 배출규제에 따라 2012년 이후 의무적으로 감축되어야 하기 때문에 연비향상 기술과 아울러 탄소 성분이 적은 HCNG 연료를 적극 활용할 필요가 있다.

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연비 또는 열효율 측면에서도 HCNG는 천연가스보다 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구소의 자체시험결과인 <그림 9>를 보면 수소의 혼합율의 증가에 따라 열효율이 상승하는 것으로 나타났으며, 수소의 높은 옥탄가 특성을 감안하여 압축비를 더 높일 경우
열효율 상승은 더욱 확대될 것으로 파악된다. 특히 아이들 조건과 같은 저부하 영역에서의 연료소비율을 측정해 보면 HCNG가 천연가스에 비해 20% 정도 저감되는 것으로 나타나 전체적인 연비 측면에서 매우 우수한 것으로 나타났다.

HCNG 엔진의 다음 단계로 인식되는 수소 엔진은 오히려 HCNG 엔진보다 더 선행하여 연구와 상용화가 시도되었다. 수소 엔진은 CO와 CO2 그리고 HC를 원천적으로 배출하지 않으며 유일한 유해 배출물인 NOx 또한 희박연소를 통해 배기규제의 50%이하로 저감 가능한 것으로 알려져 있다.

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가장 대표적인 연구는 BMW사에서 2007년 개발, 한정 생산한 <그림 10>의 Hydrogen-7으로 가솔린-수소 Bi-fuel 엔진이다. <그림 11>에서 볼 수 있는 것처럼 NOx 배출을 억제하기 위해 초희박연소(부분부하조건)와 이론공연비 연소(전부하조건)를 병행하며 액체 수소를 직접분사할 경우 가솔린대비 20%의 출력향상이 가능하다는 결과를 보고하였다.

그 외 Ford의 H2ICE, Mazda의 Premacy Hydrogen RE 등의 상용화 시도가 있었지만 수소 인프라 문제로 보급에는 한계가 있었다. 그러나 수소엔진 자동차는 수소 연료전지자동차에 비해 가격은 월등히 낮은 반면, 배출가스는 거의 대등한 수준을 보이는 우수한 특성을 보이고 있어 수소 인프라가 HCNG 인프라 구축을 통해 확보된다면 수소 연료전지자동차보다 먼저 상용화될 가능성이 높다.

지금까지는 천연가스-수소 혼합연료 엔진과 수소 엔진의 장점을 언급하였지만 수소의 단위체적당 낮은 발열량으로 인해 출력이 감소하는 단점도 있다. 이를 극복할 수 있는 가장 유력한 방안은 직접분사 방식이며 Obital, Seimens, AVL, Westprot등이 직분식 인젝터를 개발하고 있다. <그림 12>는 Obital사에서 개발하고 있는 CNG 직분 인젝터가 엔진에 장착된 모습을 나타내고 있으며, 이 시스템에서는 높은 Turndown Ratio를 확보하기 위해 저부하영역에서는 낮은 연료공급압력(12bar)을 그리고 고부하영역에서는 높은 연료공급압력(22bar)을 사용하는 것이 특징이다.

4. 결론
천연가스 자동차는 지금까지 대도시 대기질 개선에 많은 기여를 하였으나 디젤 자동차의 지속적인 발전으로 인해 저공해 자동차로서의 위상은 점차 약해지고 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로 미국 등 북미에서 제시한 HCNG(천연가스-수소 혼합연료) 엔진은 차기 배기규제인 EURO-VI를 De_NOx 촉매 없이 만족할 수 있는 것으로 여러 자료를 통해 보고되었다. 더욱이 HCNG는 미래의 궁극적 에너지인 수소의 사회적, 기술적 인프라의 가교역할을 할 수 있기 때문에 유럽과 아시아에서도 시범사업과 상용화를 서두르고 있는 매우 전망이 밝은 연료이다. HCNG 연료는 태양광, 풍력 등 신재생에너지에서 뿐만 아니라 천연가스를 개질하여 쉽게 생산할 수 있어 천연가스 인프라를 최대한 활용할 수 있다는 장점도 가지고 있다.

시내버스를 중심으로 천연가스 자동차가 보급된 국내의 경우, 관리가 용이한 인프라가 잘 갖추어져 있다는 점과 천연가스 엔진기술을 바탕으로 한 가스 엔진기술이 앞서 있다는 점에서 HCNG 연료의 보급이 다른국가에 비해 유리한 위치에 있다고 할 수 있다. 그러나 가스 충전소에 대한 법령이 강하고 주민의 인식이 우호적이지 않아 인프라를 구축하는데 많은 난관이 예상된다. 따라서 에너지 다변화와 수소에너지 시대의 대비를 위해 국가차원의 검토가 필요하며, 가스 연료에 대한 안전성 강화와 홍보를 통해 주민들의 인식을 변화시킬 필요가 있다. 더욱이 천연가스 연료가 저공해 연료로서 위상을 지키기 위해서는 선진기술을 지속적으로 받아들임으로써 기술적 발전을 거듭해야 할 것이다.
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