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친환경 DME 자동차 개발 현황 및 전망

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-06-30 23:16:58

본문

1. 서론
국내의 수송 분야에서 사용하는 에너지의 약 97%가 석유에너지에 의존하고 있으며, 이는 전체 석유 소비량의 절반 이상을 차지하고 있고 앞으로도 계속 증가할 전망이다. 그러나 엄격해지는 환경규제 및 고유가에 대응하기 위한 자동차 산업의 신기술이 요구되고 있으며, 특히 자동차 온실가스 저감의 필요성이 높아지고 있다.

글 / 우영민 (한국에너지기술연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 2월호

미국은 2009년 초 평균연비목표를 강화하여 2016년까지 35.5mpg 달성을 발표한 바 있으며, 국내에서도 저탄소 녹색성장 정책의 일환으로 자동차 분야에서 2015년까지 평균연비 17.0km/ℓ또는 평균 CO2 배출량 140g/km로 목표를 제시하였으며 이를 달성하기 위해서는 연간 약 4~5%의 연비개선이 지속적으로 이루어져야 될 것으로 예측된다. 이를 위하여 전기차를 비롯한 그린카 보급과 함께 저탄소연료의 자동차 적용이 급부상할 것으로 전망되고 있다.

수소는 탄소를 포함하지 않고 배출물이 물(H2O)뿐인 청정연료로 주목받고 있으며 거의 무한에 가까운 양으로 머지않아 수소경제시대가 도래할 것으로 전망되고 있다.

2. 수소 연료 엔진
수소에너지 기술은 수소의 제조, 저장, 수송 및 이용방법에 이르기까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있으며, 아직까지 경제성이 확보되지 않은 기술들이 대부분이어서 일반 산업체의 참여에 한계가 있다.

수소 연료를 활용한 연료전지는 차량용 스택 가격만 수억 원이며, 연료 공급 인프라 구축에 고비용이 든다. 따라서 연료전지 자동차 시장으로의 과도기적 기술로 제시된 것이 수소 내연기관이다. 이는 상대적으로 보급활성화가 수월한 수소내연기관 자동차가 수소스테이션 구축 확대를 주도할 수 있고 동시에 차내 연료저장 기술, 수소 안전기술, 판매 등의 부수적인 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다.

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더 나아가 현재 내연기관의 발전과 비용적 측면을 고려할 때 수소엔진이 과도기적 기술로만 그치지 않고 연료전지와의 경쟁도 가능할 것으로 전망된다.

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수소 연료를 내연기관에 적용할 경우 수소의 넓은 가연한계로 안정적인 초희박 연소가 가능하여 스로틀 제어가 불필요하고, 다른 연료에 비하여 열효율이 높다(최고 도시 효율 52%). 게다가 어떠한 기후에서도 기체 상태를 유지하므로 웜업이나 냉시동에 대한 문제가 전혀 없을 뿐만 아니라 거의 0에 가까운 배기 배출물로 현재의 모든 환경규제를 만족시킬 수 있다 (표 1). 수소 연료 내연기관(특히 왕복동 기관)은 크게 외부 혼합기 형성(External Mixture Formation) 방식과 내부 혼합기 형성(Internal Mixture Formation) 방식으로 나누어진다 (그림 1).

외부 혼합기 형성 방식은 흡기 포트에서 수소를 분사하여 실린더 내부로 혼합기를 보내는 방식으로, 수소의 낮은 밀도로 인해 혼합기 전체 부피의 30%를 수소가 차지함으로써 흡입 공기량이 감소하여 이론공연비로 운전하더라도 가솔린 엔진에 비해 출력
이 낮다. 그리고 흡기 밸브가 열려있는 동안 혼합기가 실린더 내부에 남아있는 뜨거운 배기가스와 섞여 점화되는 역화(Backfire)나 배기밸브 등의 고온부(Hot Spot)에 의해 발생하는 조기점화(Pre-ignition) 등의 문제점이 있다.

내부 혼합기 형성 방식은 수소가 흡기 밸브가 완전히 닫힌 후 실린더 내로 직접 분사하여 먼저 흡입된 공기와 혼합하는 방식으로 역화와 조기 점화의 문제가 없다. 그리고 수소는 단위질량 당 발열량이 높아 이론 공기연료비로 운전 시 직접 분사식 가솔린 엔진보다 높은 출력 성능을 나타낸다 (그림 2).

3. 수소 내연기관 개발 현황
수소 연료는 무공해 연료로서, 빠른 연소속도, 적은 점화에너지, 높은 단열화염온도의 특성을 갖고 있다. 그러나 신뢰성 있는 수소기관과 연료저장 시스템의 개발이 미흡하고 연료가격이 다소 높아 상용화가 더디게 진행중이다.

국내 자동차 제작사에서는 1970년대 후반 및 이후 수 차례 수소자동차 개발을 수행한 적이 있고 시제작 차량 발표 등 일부 개발 움직임이 있었으나 상용화에 이르지 못하였다. 대학에서는 성균관대학교에서 1987년 수소엔진 연구를 시작한 이래로 다수의 대학에서 수소엔진 및 수소자동차 관련 기술개발을 추진해 오고 있다. 그리고 최근에 환경부 친환경자동차개발사업단에서 일부 수소 혼합연료에 대한 연구가 진행 중에 있다.

국외에서는 유럽과 미국을 중심으로 수소경제시대를 대비한 수소 내연기관 자동차 개발을 꾸준히 진행하고 있다. 독일의 BMW는 1978년부터 수소엔진 개발을 시작하여, 그 이듬해 첫 프로토 타입인 520i(2ℓ4기통)를 발표하였다. 그리고 1984년 745i Turbo(가솔린-수소 이중 연료 시스템, 역화 방지를 위한 워터 인젝터 장착), 1988년 735i(3.5ℓ직렬 6기통), 1995년 725i, 2000년 750hL을, 그리고 2004년에는 H2R을 선보이는 등 자동차 제작사로는 드물게 수소 내연기관 자동차 개발에 적극적이다 (그림 3).

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특히 750hL은 세계 최초 양산 개념의 수소엔진 자동차로 15대의 차량이 2000년 5월 공개되었다. 이는 양산 750iL을 베이스로 한 것으로써 배기량 5.4ℓV12 엔진으로 수소와 가솔린의 이중 연료 스파크점화엔진을 채택하였다. 연료는 트렁크 내에 액체수소 연료탱크를 탑재하였고, 아울러 보조동력원을 위한 5kW,42V, 효율 42%의 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지 APU(Auxiliary Power Unit)를 추가로 탑재하고 있다. 140ℓ의 액체 수소(-253℃)로 300km 주행이 가능하고 추가의 가솔린 탱크로600km, 총 900km 주행이 가능하다.

미국의 포드자동차는 2001년 P2000을 발표하고, 2003년 Model U와 H2RV를 장착한 Focus 왜건을, 그리고 F-350(2004년), E-450(2005년)을 선보였다<그림 4>. 포드의 의하면 최적화된 수소 내연기관은, 도시열효율 최고 52%, 제동열효율 최고 37%, 엔진 가격은 현행 가솔린 엔진과 동일, HC, CO는 거의 제로이나 윤활유로부터만 소량 발생(CO : 0~1ppm, HC 0~5ppm으로 가솔린 엔진 대비 각각 1,000 또는 250분 의 1)하고 Engine Out NOx는 5~6ppm으로, 후처리장치를 사용하면 촉매후 배출가스는 거의 없는(Near Zero) 대기 중의 레벨인 50ppb에 필적하는 성능을 갖는다.

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P2000은 Ford Zetec 베이스의 4밸브 2.0ℓ수소엔진이고 연료 분사는 포트 분사(PFI ; Port Fuel Injection)를 채택하였다. 카본 파이버로 쌓인 두 개의 알루미늄 기체 연료 탱크는 총 용량 87ℓ로 278.5bar까지 충전 가능하며 248.2bar에서 작동한다. 248.2bar에서 1.5kg의 수소를 저장할 수 있는데, 이는 가솔린5.7ℓ에 해당한다.

2003년에 발표된 H2RV(Ford Hydrogen Hybrid Research Vehicle)는 슈퍼차저로 과급되는 수소엔진과 Ford의 MHTS(Modular Hybrid Transmission System)의 조합으로 자동 변속기 내의 전기 모터는 가속 시에 추가 동력을 제공한다. MHTS는 풀 하이브리드 시스템(Full Hybrid System)으로 300V 전기 모터, 업그레이드 된 자동 변속기와 수정 하이드로릭스(Modified Hydraulics)를 사용한다.

또한 2004년에 발표된 Ford F-350 픽업은 6.8ℓ수소엔진과 H2RV(Hydrogen Hybrid Research Vehicle)를 장착한 Ford Focus 왜건으로 5,000psi(약 350bar)로 가압된 압축 수소 12갤런을 실었는데 이는 가솔린 8갤런에 해당한다. Hydrogen F-350은 225마력의 출력 성능을 나타내지만 연료 효율은 가솔린 엔진에 비해 25% 이상 높은 값을 나타내었다.

E-450은 Modified 6.8-liter Triton V-10을 장착한 Ford의 첫 상용 수소엔진 12인승 셔틀버스이다(2005년 2월). 5,000psi로 가압된 수소 26갤런을 싣고 약 150마일을 주행할 수 있다. Modified 6.8-liter Triton V-10은 슈퍼차저와 인터쿨러를 장착하여 효율을 높였으며 엔진속도 2,600~3,600rpm 영역에서 188마력(140kW)의 출력을 나타내었다. 연료는 압축수소를 사용하나 LPG와 천연가스로도 운전이 가능하다.

일본의 Mazda는 1991년 첫 수소 로터리 엔진인 HR-X Prototype을 시작으로 1993년에 MX-5 Miata의 실험 수소 버전을 개발하였고, 10년만인 2003년 RX-8 Hydrogen RE를 발표, 2004년 공공 도로 시험 운전을 마친 바 있다. 로터리 엔진은 고속으로 운전되는데 수소의 빠른 화염전파가 운전에 유리하며, 또한 고온부인 연소실과 저온부인 흡기부가 각각 따로 분리되어 있어 역화의 문제가 없고, 열원이 되는 배기 밸브가 없어 조기착화의 발생도 없어 수소의 적용이 용이하다.

RX-8 Hydrogen RE는 수소와 가솔린의 이중 연료 시스템을 채택하여 원하는 출력에 따라 간단한 조작만으로 연료를 바꿔 운전할 수 있게 설계되었다. 가솔린의 경우 최고 출력 154kW, 최고 토크 222Nm이고 수소의 경우는 최고출력 81kW에 최고 토크 120Nm를 나타내었다. 수소의 낮은 밀도로 인한 출력 성능 보완을 위해 RX-8 Hydrogen RE는 직접 분사 시스템, 트윈 가스 인젝터를 채택하였고 연소 효율 상승을 위해 전기 구동 과급기를 장착하였다.

일본 교통안전환경연구소(NTSEL)는 2006년부터 무사시공대와 공동연구로 기존의 대형디젤엔진과 동등한 출력과 연비를 갖으면서 상용차 시험모드인 JE05에서 NOx를 0.5g/kWh, PM와 CO2는 제로인 성능을 목표로 수소 내연기관 자동차 연구를 수행하였다.

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액체수소를 고압탱크에 저장하고 자체 제작한 연료공급장치 및 20MPa 공급압으로 실린더 내의 직접연료분사가 가능한 인젝터를 이용하여 단기통 엔진시험을 수행하였다(그림 5). 이는 수소가 갖는 낮은 착화에너지로 인해서 발생되는 역화(Back Fire)를 억제시키기 위해서 직접분사방식을 이용한 것이며, 이와 함께 수소엔진의 유일한 배기배
출물인 NOx는 NSR(Nox Storage Reduction) 시스템을 이용하여 저감하였다.

4. 결론
수소는 탄소를 포함하지 않고 수소내연기관 운전 중 배출물이 물(H2O)밖에 없는 완전 청정연료이나, 수소 자체로 고가이며, 수소저장 성능 향상과 충전인프라 구축없이 시장 확대가 불가하다. 특히 연료에 맞는 엔진부품개발이 미흡하고, 안전 문제, 연료 저장, 주입 등 관련 부품개발에 따른 가격 상승이 불가피할 것으로 보인다.

그럼에도 불구하고 수소연료전지 자동차와 경쟁할 수 있는 수준의 효율 및 성능을 개발하여 상용화를 추진한다면 향후 연료전지 자동차의 보급 초기에 상용화가 가능할 것으로 전망되고 있다. 이를 위하여 신뢰성있고 안전한 수소분사밸브, 제어시스템, 고압수소의 공급법 및 저장시스템의 개발이 선행되어야 하고, 수소내연기관 자동차 전용 부품의 기술 표준화 및 시스템 평가/인증 기반 구축도 동시에 진행되어야 할 것으로
생각된다.
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