국내 메탄계 가스엔진 기술개발 동향
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승인 2013-09-30 18:15:23 |
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국내 메탄계 가스엔진 기술개발 동향
1. 서론
한국에너지경제연구원과 다른 세계 여러 경제기관들의 세계 장기 에너지 환경변화를 살펴보면 현재의 석유시대를 지나 향후 5년 내에 가스연료의 시대에 접어들어 궁극적으로 30여년 뒤에는 수소연료 시대가 도래할 것으로 예측하고 있다. 따라서 가스연료 시대의 도래와 더불어 천연가스 차량의 필요성이 증대되고 있는데 그 이유로는 첫째, 높은 석유 의존도에서 탈피하기 위한 대체에너지원이 필요하고 둘째, 심각한 환경오염으로부터 벗어나기 위한 청정에너지에 대한 인류의 관심도가 매우 높아 졌으며 셋째, 수송용 연료 가격 상승으로 인한 경제적인 연료의 수요가 증가하고 있기 때문이다.
글 / 최 영 (한국기계연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 8월호
천연가스 연료는 다양한 탄화수소 연료로 조성된 가연가스로서 주성분이 메탄(CH4)이며 주로 유정 주변에서 얻어지는데 요즘은 채굴기술의 발달로 셰일층에서도 다량 얻을 수 있게 되었다. 천연가스는 섭씨 -162도에서 부피가 600분의 1로 줄어들게 되어 주로 액화천연가스(LNG)의 상태로 저장되거나 운송되어진다. 또한 공기보다 0.6배의 무게로 가벼우며, 색깔이 없고 높은 자연발화온도를 가지고 있다. 천연가스 연료는 다른 연료에 비해 가격경쟁력이 높으며 매우 우수한 배기 성능을 지니고 있다. 또한 전세계적으로 비교적 적정수준의 충전인프라를 확보하고 있으며 기존 엔진과 차량의 부분적인 수정으로 천연가스 연료의 차량 적용이 가능한 특징을 가지고 있다.
세계 천연가스차량(NGV) 현황을 살펴보면 전세계적으로 2012년 12월 기준 약 1,650만대의 천연가스차량이 존재하며 파키스탄이 310만대로 가장 많은 천연가스차량을 보유하고 있는 상태이고 한국의 경우는 약 3만 7천여대가 보급되었는데 주로 도심 대기질 개선을 위해 보급된 시내버스가 주종을 이루고 있다.
한국의 천연가스차량의 개략적인 현황을 살펴보면 2013년 3월을 기준으로 한국에는 29,254대의 천연가스 시내버스가 보급되었으며 시내버스의 천연가스차량 보급점유율은 약 96%에 이르고 있다.
2000년대 초중반에 개발 및 실증되어 배치된 5t에서 11t 규모의 상용 트럭과 청소차량은 1,178대가 보급되었으며 일반적인 승용차량의 경우는 7,171대가 개조되어 운행되고 있는 상황이다.
다음으로 한국의 천연가스 충전소 현황을 살펴보면 고정식 충전소 177개와 이동식 충전소 9개소를 갖추고 있으며 총 514개의 개별충전기(Dispenser)와 이동식으로 90개의 충전차량을 보유하고 있다.
본 고에서는 국내에서 현재까지 개발된 천연가스 엔진과 차량에 대해서 연료의 특징과 연료공급 방식, 연소방식에 따라 분류하여 각각의 기술 및 연구개발 흐름을 살펴보고자 한다. 다시 말해 기존의 압축천연가스(CNG)와 액화천연가스(LNG), 합성천연가스(SNG), 수소와 압축가스 혼합연료(HCNG) 등을 연료로 사용하는 엔진과 차량 기술 동향을 살펴보고 CNG 하이브리드 차량 기술과 조성변화 천연가스 연료 적용기술과 발전용 또는 선박용 천연가스 엔진 기술에 대해 소개하도록 하겠다.
2. 승용 CNG 차량
일반적으로 천연가스 연료를 차량에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이기 위해 대기압(1bar) 상태보다 약 200~250bar로 가압된 압축천연가스(CNG,Compressed Natural Gas)가 사용되어지게 된다. 압축 천연가스 차량의 장점과 단점을 간단하게 살펴보면 우선 장점으로는 기존 가솔린과 디젤 차량의 엔진과 차체를 쉽게 변경할 수 있다는 것과 높은 차량 내구성과 신뢰성, 그리고 매우 우수한 배기성능을 구현한다는 것이다. 하지만 단점으로는 고압의 천연가스 연료를 보관하기 위한 무거운 CNG 저장 탱크와 한번 충전으로 운행할 수 있는 거리가 상당히 제한적인 것이 되겠다.
압축천연가스 차량은 크게 가솔린엔진에 기초를 두고 변경되거나 개조된 엔진과 디젤엔진을 기반으로 개조된 엔진으로 나눌 수 있다. 가솔린엔진에 기초하여 변경된 CNG차량은 가솔린과 CNG 연료 모두를 자유롭게 사용 할 수 있는 바이퓨얼(Bi-fuel) 방식과 CNG 연료만 사용하도록 개조한 CNG 모노퓨얼(Mono-fuel) 방식이 있으며 두 가지 방식 모두 주로 승용차량에 적용된다.
디젤엔진에 기초하여 개조 제작된 CNG 차량은 예혼합연소방식으로 전환하기 위해 점화플러그를 설치하고 이론공연비 연소에 3원촉매를 사용하거나 희박연소를 사용하여 유해배출물을 저감시켜 주게 된다. 이와 같은 방식은 CNG와 디젤 연료를 동시에 사용하는 (Dualfuel)방식의 적용도 가능하고 연료를 연소실내로 직접분사하는 방식의 적용 또한 가능하며 주로 상대적으로 배기량이 큰 상용차량에 적용되게 된다.
CNG와 가솔린 연료 두 가지 중에서 한 가지 연료를 자유롭게 선택하여 차량에서 사용할 수 있는 방식인 CNG 가솔린 바이퓨얼 시스템은 CNG 충전인프라가 충분하지 않은 조건에서 주로 적용되며 CNG 인젝터의 경우 가솔린 인젝터의 신호에 근거하여 작동되기 때문에 연소 및 배기 성능을 최적화시키기에 쉽지 않은 구조를 가지고 있다.
겸용방식이라고도 하는 이 시스템은 가솔린과 천연가스 두 종류의 연료와 연료공급장치를 각각 별도로 설치하여 주행시에는 그 중 한 가지만을 연료로 사용하는 방식이다. 이 시스템은 연료용기, 전자제어 압력조절기, 솔레노이드 밸브, 긴급 차단 밸브, 연료 선택 장치, 연료 게이지, 믹서, 전자제어 유닛 등으로 구성되어 있으며 CNG 개조 키트로서 모듈화되어 제품화되고 있다. 국내의 경우 수요가 많지 않으나 최근 가솔린 승용차의 CNG 겸용방식 개조가 늘어나고 있으며 일부 택시 운송업자들로부터의 신규 수요가 발생하고 있는 실정이다.
국내 자동차 개조업체에서 개발된 CNG 개조 키트의 경우 부품의 신뢰성과 안정성이 우수하여 동남아 또는 중앙아시아의 천연가스 산출국들로부터 자국의 CNG 자동차 개조 시장 진입을 권유받고 있으며 관련한 기술 제휴, 수출 또는 시장개척이 활발하게 진행되고 있다.
CNG와 가솔린 연료 두가지에 대해 각기 다른 연료시스템과 제어기를 각각 구비하고 있기 때문에 가격 및 차량 무게 상승이 수반되긴 하지만 기존 차량을 개조하여 연료비 절감과 함께 우수한 배기성능의 기대 또한 가능한 장점이 있다.
다음으로 CNG 연료만을 단독으로 사용하게끔 구성한 CNG 모노퓨얼(Mono-fuel) 방식의 차량을 살펴보면 단지 CNG만을 공급하여 엔진에 적용하는 구조로 연료탱크와 제어기가 한 개씩 달려 있게 된다.
이와 같은 CNG 모노퓨얼 시스템은 비교적 충전인프라가 잘 갖춰진 지역에 적합하며 엔진에 연결된 각종 센서들로부터 신호를 받아 CNG 제어기 단독으로 CNG 분사와 연소제어가 이루어지기 때문에 연소 및 배기성능 최적화에 유리한 구조를 가지게 된다. 최근에는 전자제어 믹서방식보다는 공연비 제어를 정밀하게 수행할 수 있는 연료분사방식이 주로 채택되어지고 있다.
3. 상용 CNG 차량
국내의 경우 대부분의 천연가스 차량이 도심 대기질개선을 목적으로 보급이 추진된 시내버스와 청소차량이며 국내 천연가스 차량의 약 80% 이상을 차지하고 있기 때문에 이 시내버스에 탑재된 엔진의 기술을 살펴보는 것이 필요하다. 국내에서는 현대자동차와 두산인프라코어에서 천연가스 엔진을 양산하고 있으며 두 엔진 모두 디젤엔진을 베이스로하여 개발되었고 배기규제를 만족시키기 위해 희박연소 시스템과 산화촉매 후처리 장치를 적용하고 있다.
(CO)를 저감시키는 유해배출물 저감 전략을 사용하고 있다. 그림 1은 현대자동차에서 개발하여 상용 배치한 11ℓQ-CNG 엔진의 모습을 보여주고 있다.
두산인프라코어에서도 자사의 시내버스용 디젤엔진을 기초로 하여 CNG 엔진을 개발하였으며 그 기술적 기저는 현대자동차의 기술적 사양과 매우 유사하다. 다시 말하면 11ℓ급 엔진을 비교하였을 때 인라인 6기통을 사용하고 터보차저와 인터쿨러를 사용하며 희박연소 방식을 적용하였다. 연료공급시스템 또한 SPI 방식을 사용하며 현대자동차와 마찬가지로 미국 Woodward의 분사기와 제어기를 사용하고 있다.
수냉식 냉각시스템과 전자식 웨이스트 게이트 제어를 통한 공연비 제어 방식도 매우 유사하며 굳이 가장 큰 차이를 꼽는다면 압축비가 10.5로서 현대자동차 엔진의 11.5보다 다소 낮다는 것이다. 배기성능은 희박연소에 의해 질소산화물을 저감시키고 산화촉매 후처리장치를 적용하여 희박연소에 따라 증가되는 미연탄화수소와 일산화탄소를 저감시키는 전략을 적용하여 현행 배기규제 기준인 EURO-5를 만족시키고 있다.
또한 두산인프라코어에서는 EURO-5 CNG 엔진에 배기후처리장치인 SCR 촉매를 장착하여 질소산화물을 대폭 저감시킴으로서 미국의 US2010 규제를 만족하는 GK12 CNG 엔진을 개발하였으며 이 엔진은 현재 출시되고 있는 CNG 엔진 중에서 가장 우수한 배기성능을 보이고 있는 것으로 보고되고 있다.
또한 11ℓ급 외에 국내의 상용 CNG엔진으로는 6ℓ와 8ℓ급 CNG 엔진이 각각 존재하는데 두산인프라코어와 현대자동차에서 각기 다른 CNG 엔진을 버스와 트럭용으로 제작하여 판매하고 있다.
기존의 운행 중인 디젤엔진을 천연가스 엔진으로 개조하여 운행하는 리파워링 개념의 기술 개발 또한 진행되었으며 이와 같은 기존 자동차의 천연가스 차량 개조 개발과 작업은 기존의 가스엔진 및 차량 개조업체에서 수행되어지고 있다.
이러한 개조 개발은 승용과 상용 차량에서 각기 다른개념으로 접근하게 되는데 상용 차량의 경우는 터보차저 장착 디젤엔진을 베이스로 개조가 수행되는 만큼 개조범위도 넓고 해당 부품의 수도 늘어나게 되어 그 기술적 완성도를 높일 필요가 있으며 개조 비용 또한 상당히 상승하게 된다.
하지만 대도심 대기오염원을 고려한다면 상용 디젤엔진의 천연가스 엔진 개조를 통한 환경개선 파급효과가 매우 크기 때문에 여러 개발도상국 정부와 지자체에서는 현재 운행 중인 디젤 상용차량의 천연가스 차량 개조를 고려하고 있어 향후 세계적으로 많은 수요가 발생할 것으로 예상되어진다.
실제로 국내 가스엔진 및 차량 개조업체들은 해외로 눈을 돌려 디젤엔진 CNG 개조 키트를 다양한 루트를 통해 사업화하고 있다. 그림 3은 터보차저 장착 디젤엔진을 천연가스 엔진으로 개조하기 위한 주요 부품과 개념도를 보여주고 있다.
그 다음으로 디젤엔진에 기초해 새로운 피스톤과 실린더헤드, 크랭크케이스 환기장치를 적용하고 강화된 터보차저와 인터쿨러를 갖추어 제작한 CNG 엔진을 차량에 장착하게 된다. 거기에 CNG 엔진에 최적화된 배기 후처리 시스템과 강화된 안전 시스템이 구비되게 되며 각종 전장부품과 엔진 제어기가 장착되는 구조로 제작이 완료되게 된다.
4. LNG 차량
혼소방식(Dual-fuel System)은 두 가지 연료를 동시에 공급하여 연소시키는 방식으로서 주로 디젤엔진을 개조한 천연가스 엔진에 적용된다. 혼소방식의 경우 천연가스는 압축착화가 매우 어렵기 때문에 경유를 소량 분사하여 점화원으로 활용하고 천연가스는 별도로 흡기관을 통해 연소실 내로 공급하여 연소시키게 된다. LNG엔진과 발전용 대형 엔진에서는 천연가스와 디젤의 혼소가 주로 사용되어지고 있다.
국내에서 개발이 추진되었던 액화천연가스(LNG) 차량에 대해서 간략하게 살펴보도록 하겠다. LNG 차량의 장점은 연료가 액체상태이므로 매우 높은 에너지밀도를 갖게 되어 한번 충전으로 장거리 이동이 가능하다는 것이다.
또한 CNG 제작을 위한 압축기가 필요 없어 추가적인 에너지 절감이 가능하다. 하지만 웨더링 효과(Weathering Effect)에 의한 보일오프가스(Boil-off Gas) 문제가 발생하여 천연가스 연료의 공기유출로 인한 에너지 손실, 발열량 변화로 인한 엔진 성능 저하 문제가 발생할 수 있는 단점이 있는 것으로 보고되고 있다.
LNG 연료공급시스템 중에서 가장 중요한 부분이 LNG 용기인데 저온공학 기술이 적용되었고 비교적 최근에 실용화 되었기 때문에 용기 가격이 매우 비싸다. LNG 용기는 섭씨 -162。를 유지하기 위해 특수 단열층이 필요하며 용기 재질의 강도 또한 차량 진동과 연료 유출입에 따른 압력변화를 견딜 수 있을 만큼 강해야 한다.
한국 국토교통부와 가스공사에서는 기존 디젤엔진을 개량하여 LNG와 디젤을 혼합 연소시켜 25t 트랙터에 적용하기 위한 연구개발을 진행하였다. 아래 표는 개발된 LNG 디젤 혼소(Dual-fuel)엔진의 제원을 나타내고 있다. 개발된 LNG 디젤 혼소엔진에는 현대자동차 13ℓ6기통 헤비듀티(HD) 디젤엔진이 기본베이스 엔진으로 사용되었으며 실린더헤드부와 흡기부가 개량되고 LNG 연료공급시스템이 장착되어 LNG 혼소엔진으로 개조되었다.
5. CNG 하이브리드 차량
다음으로 CNG 하이브리드 차량을 살펴보면 CNG 하이브리드 차량은 기존의 290마력 CNG 엔진을 240마력의 작은 엔진으로 교체하는 대신 82마력의 구동모터를 추가적으로 장착하여 차량의 운전 조건에 따라 하이브리드 동력 시스템을 개별적으로 혹은 조합하여 운행하는 구조를 가지고 있다.
CNG 하이브리드 차량용 파워트레인은 현대자동차가 독자 개발하였는데 CNG 엔진과 영구자석식 구동모터가 일체형으로 클러치를 통해 연결되어 있으며 6속의 자동화수동변속기(AMT)를 적용하였고, 배터리 시스템으로부터 직류전원을 공급받아 교류로 변환시켜 구동모터에 공급 및 제어하는 인버터가 장착되어 있는 구조이다.
CNG 하이브리드 차량의 주행모드를 분석해 보면 차량 정차시에는 자동으로 엔진을 정지시켜 공회전을 방지하는 ISG(Idle Stop & Go) 기능이 활성화되고 차량의 출발시에는 하이브리드 구동모터만을 이용, 저속 주행 또는 운전자의 의지에 따라 구동모터와 엔진을 결합하여 주행이 가능하게 된다. 가속 또는 오르막길에서는 엔진의 출력에 구동모터의 출력을 더해 주행하며 정속 운행시에는 효율이 우수한 엔진만을 이용해 주행을 수행하고 제동으로 인한 감속시나 내리막길에서는 구동모터가 발전기의 기능을 수행하여 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 역으로 배터리에 전기를 충전시키게 된다.
이와 같은 하이브리드 버스 주행모드 최적화를 통해 기존 CNG 차량 대비 약 34%의 연료소비율 절감이 가능함이 시범운행을 통해 확인되었다. 이와 같은 연료소비율 절감을 통해 CNG 하이브리드 차량 1대당 연간 1천 4백만원의 연료비 절감과 32t의 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 것으로 보고되고 있다.
세종시 및 서울시에서는 순차적으로 CNG 하이브리드버스의 도입을 통해 도심 대기질 개선과 더불어 연비 향상과 이산화탄소 저감을 꾀하고 있으며 환경부의 CNG하이브리드 차량 보급 정책 및 계획 또한 구체화되고 있어 향후 그 수요가 지속적으로 증가될 것으로 예상되어지고 있다.
6. HCNG 차량
향후 더욱 강화될 것으로 예상되는 Euro-6 이후의 배기규제에 대응하고 수소 시대로의 가교역할을 담당할 수 있는 기술로서 수소와 천연가스를 혼합하여 일원화된 연료인 HCNG로 엔진에 공급하는 HCNG 차량 기술이 제시되고 있다.
EURO-6 배기규제부터는 질소산화물(NOx) 배출허용기준이 매우 엄격해져서 (EURO-6 배기규제는 2014년부터 본격적으로 시행 예정이며 질소산화물의 경우 EURO-5 배출량의 20% 수준으로 규제 강화) 천연가스엔진의 경우 희박연소만으로는 차기 NOx 규제를 만족시킬 수 없고 디젤 엔진과 마찬가지로 고가의 DeNOx 촉매를 장착하여야 한다. 이에 대응하기 위해 2009년 6월부터 차세대 가스 연료인 수소를 천연가스에 혼합하여 일
원화된 하나의 연료로서 엔진에 공급시켜 유해배출물을 크게 저감시킬 수 있는 HCNG 엔진 개발을 착수하였다.
HCNG는 통상 수소와 천연가스의 혼합연료로서 부피비로 약 20~30%의 수소가 혼합되어져 있다. 천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 첫째, 분자구조상 탄소 대비 수소 비율이 가장 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 연소 범위 및 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 EURO-6 배기규제의 NOx 허용기준치를 만족시킬 수 있기 때문이다.
HCNG 엔진 기술은 이와 같은 수소의 특성을 이용하여 출력 및 배기성능을 최적화하는 기술로서 수소의 혼합율에 따라 연소 특성이 달라진다. 한국기계연구원에서의 실험결과에 따르면 수소 혼합율 별로 최적 운전조건이 다르며, 수소 혼합율이 높을수록 효율이 상승하고 유해배기가스가 적게 배출되지만 엔진과 연료부품의 변경범위도 넓어지기 때문에 적절한 혼합율을 유지하는 것이 매우 중요한 것으로 나타났다.
EURO-5 배기규제 대응이 가능한 천연가스 엔진의 경우 EURO-6 규제를 만족시키기 위해서는 부피비로 약 30%의 수소가 혼합된 HCNG 연료(HCNG30)가 가장 적합한 것으로 확인되었으며 운전이 가장 빈번한 중속중부하 조건을 기준으로 HCNG30 연료를 사용하면 NOx는 80% 정도 저감되고, 효율(또는 연비)은 약 5% 정도 개선되는 것으로 나타났다. HCNG 연료의 연비 개선능력은 아이들(무부하 정차시) 운전조건에서 20% 개선으로 더욱 탁월한데 정차가 잦은 시내버스의 경우 이러한 연비 개선 효과는 더욱 커지게 되어 전체적인 차량 성능에 매우 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.
HCNG 연료의 또 다른 이점은 이산화탄소(CO2) 저감능력으로서 수소의 혼합율이 높을수록 그에 비례하여 CO2는 저감된다. CO2 또한 온실가스 배출규제에 따라 의무적으로 감축되어야 하기 때문에 연비향상 기술과 아울러 탄소 성분이 적은 HCNG 연료를 적극 활용할 필요가 있다. 수소가 부피비로 30% 함유된 HCNG30 연료를 적용하였을 경우 CO2는 운전조건에 따라 천연가스보다 최대 20% 정도, 평균적으로 10% 이상 저감되는 것으로 확인되었다.
한국기계연구원과 한국가스공사, 한국가스안전공사,대우버스 등이 컨소시엄으로 참여하여 환경부 친환경자동차사업단의 지원 아래 2015년 EURO-6 배기규제를 만족하는 HCNG 시내버스 개발을 목표로 HCNG 엔진 및 시내버스 실용화 기술개발을 진행 중이다.
7. 기타 메탄계 가스엔진 및 차량
동력발생용 엔진에 적용할 수 있는 기타 메탄계 가스연료로서 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)가 있다. 합성천연가스는 석탄을 특수 화학공정을 통해 가스화하여 얻어지게 되는데 기타 천연가스 연료에 비해 메탄 성분이 95% 이상으로 높으며 발열량 또한 다소 낮아지는 특징이 있다. 또한 수소가 1% 내외로 포함되어 있어서 소량이지만 수소의 배관 및 연소기, 동력발생용 엔진에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되어지고 있다.
바이오메스의 화학공정 또는 열분해를 통해 얻게 되는 바이오메탄이나 매립지의 바이오가스의 경우도 정제를 거쳐 천연가스 대체연료로서 사용이 가능한데 수송용으로 사용하기 위해서는 표 2와 같이 환경부 대기환경보전법에서 제시한 자동차 천연가스 연료 제조기준에 부합하여야 한다.
천연가스 연료, 즉 메탄계 가스 연료는 다양한 지역에서 다양한 방법으로 얻어지게 되므로 그 구성 성분의 조성과 밀도, 발열량 등 각각의 물성치가 달라지는 특징이 있다. 향후 채굴기술의 발달로 다량 얻어지게 되는 셰일가스 또한 현재의 천연가스 연료에 비해 발열량이 다소 낮을 것으로 예측되고 있고 LNG를 직접 동력발생용으로 사용할 경우 웨더링 효과에 의한 보일오프 가스의 방출로 인해 발열량이 증가하게 될 것으로 예상된다.
실험 결과 조성변화에 따라 약 6%의 발열량이 낮아진 연료의 경우에도 엔진 연소 및 배기 성능에는 큰 문제가 발생하지 않았지만 웨더링 2주 이상에 해당하는 연료부터
는 엔진의 배기성능 중에서 질소산화물 배출량이 증가하여 배기규제 기준값을 초과한 것으로 보고되고 있다.
또한 웨더링 2주 이상에 해당하는 LNG 기반 천연가스 연료의 경우는 현행 자동차 천연가스 연료 제조기준에 부합하지 않아 수송용 연료로서 적절하지 않은 것으로 나타났다. 이와 같은 연구 결과는 향후 LNG를 수송용 연료로 사용함에 있어 웨더링에 의한 발열량 증가가 방지되어야만 하며 LNG 연료의 발열량 모니터링 기술 또한 수반되어야 함을 시사해 주고 있다.
수송용 뿐만 아니라 발전용과 선박용 엔진에서도 천연가스 연료 사용 요구가 확대되고 있는데 현대중공업과 두산엔진에서는 독자적인 대용량 발전용 또는 선박용 가
스엔진을 개발 중이며, 한국전력과 한국가스공사에서는 도서지역의 디젤 엔진 발전 시스템을 천연가스 디젤 혼소 발전시스템으로 개조 변경하는 기술개발과 실증 과제
를 계획하고 있는 상황이다.
8. 결론
천연가스차량의 개발과 보급 효과를 에너지, 환경, 산업 측면에서 살펴보면서 본 고의 결론을 맺고자 한다. 에너지 측면에서는 천연가스의 지속적이고 효율적인 에너지 이용이 가능하고 이는 국가 에너지 안보의 확보에 매우 중요한 역할을 담당하게 될 것이다.
환경 측면에서는 유해 배출물의 저감을 통해 대기환경 개선에 기여가 가능하며 궁극적으로 온실가스인 이산화탄소 배출 저감을 통한 국제 기후변화 협약의 능동적 대응 또한 가능할 것으로 예상된다. 산업적인 측면에서는 연료비 절감을 통한 천연가스차량 개조와 생산 활성화로 차량 부품 산업의 발달과 보다 안전한 천연가스차량 기술의 발전 효과가 기대된다.
본 고에서 설명 드린 바와 같이 한국의 천연가스 엔진과 차량은 매우 다양하고 그 기술력 또한 탁월하다고 자부할 수 있겠다. 한국 정부의 지속적인 천연가스차량 연구개발 투자와 보급 노력으로 한국의 도심 대기질은 크게 개선되었으며 천연가스차량 기술 또한 세계를 리드하고 있다. NGV는 천연가스차량(Natural Gas Vehicle)을 의미하지만 천연가스차량이 바로 가장 유망한 차세대차량(Next Generation Vehicle) 중에 하나임을 강조해
본다.
1. 서론
한국에너지경제연구원과 다른 세계 여러 경제기관들의 세계 장기 에너지 환경변화를 살펴보면 현재의 석유시대를 지나 향후 5년 내에 가스연료의 시대에 접어들어 궁극적으로 30여년 뒤에는 수소연료 시대가 도래할 것으로 예측하고 있다. 따라서 가스연료 시대의 도래와 더불어 천연가스 차량의 필요성이 증대되고 있는데 그 이유로는 첫째, 높은 석유 의존도에서 탈피하기 위한 대체에너지원이 필요하고 둘째, 심각한 환경오염으로부터 벗어나기 위한 청정에너지에 대한 인류의 관심도가 매우 높아 졌으며 셋째, 수송용 연료 가격 상승으로 인한 경제적인 연료의 수요가 증가하고 있기 때문이다.
글 / 최 영 (한국기계연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 8월호
천연가스 연료는 다양한 탄화수소 연료로 조성된 가연가스로서 주성분이 메탄(CH4)이며 주로 유정 주변에서 얻어지는데 요즘은 채굴기술의 발달로 셰일층에서도 다량 얻을 수 있게 되었다. 천연가스는 섭씨 -162도에서 부피가 600분의 1로 줄어들게 되어 주로 액화천연가스(LNG)의 상태로 저장되거나 운송되어진다. 또한 공기보다 0.6배의 무게로 가벼우며, 색깔이 없고 높은 자연발화온도를 가지고 있다. 천연가스 연료는 다른 연료에 비해 가격경쟁력이 높으며 매우 우수한 배기 성능을 지니고 있다. 또한 전세계적으로 비교적 적정수준의 충전인프라를 확보하고 있으며 기존 엔진과 차량의 부분적인 수정으로 천연가스 연료의 차량 적용이 가능한 특징을 가지고 있다.
세계 천연가스차량(NGV) 현황을 살펴보면 전세계적으로 2012년 12월 기준 약 1,650만대의 천연가스차량이 존재하며 파키스탄이 310만대로 가장 많은 천연가스차량을 보유하고 있는 상태이고 한국의 경우는 약 3만 7천여대가 보급되었는데 주로 도심 대기질 개선을 위해 보급된 시내버스가 주종을 이루고 있다.
한국의 천연가스차량의 개략적인 현황을 살펴보면 2013년 3월을 기준으로 한국에는 29,254대의 천연가스 시내버스가 보급되었으며 시내버스의 천연가스차량 보급점유율은 약 96%에 이르고 있다.
2000년대 초중반에 개발 및 실증되어 배치된 5t에서 11t 규모의 상용 트럭과 청소차량은 1,178대가 보급되었으며 일반적인 승용차량의 경우는 7,171대가 개조되어 운행되고 있는 상황이다.
다음으로 한국의 천연가스 충전소 현황을 살펴보면 고정식 충전소 177개와 이동식 충전소 9개소를 갖추고 있으며 총 514개의 개별충전기(Dispenser)와 이동식으로 90개의 충전차량을 보유하고 있다.
본 고에서는 국내에서 현재까지 개발된 천연가스 엔진과 차량에 대해서 연료의 특징과 연료공급 방식, 연소방식에 따라 분류하여 각각의 기술 및 연구개발 흐름을 살펴보고자 한다. 다시 말해 기존의 압축천연가스(CNG)와 액화천연가스(LNG), 합성천연가스(SNG), 수소와 압축가스 혼합연료(HCNG) 등을 연료로 사용하는 엔진과 차량 기술 동향을 살펴보고 CNG 하이브리드 차량 기술과 조성변화 천연가스 연료 적용기술과 발전용 또는 선박용 천연가스 엔진 기술에 대해 소개하도록 하겠다.
2. 승용 CNG 차량
일반적으로 천연가스 연료를 차량에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이기 위해 대기압(1bar) 상태보다 약 200~250bar로 가압된 압축천연가스(CNG,Compressed Natural Gas)가 사용되어지게 된다. 압축 천연가스 차량의 장점과 단점을 간단하게 살펴보면 우선 장점으로는 기존 가솔린과 디젤 차량의 엔진과 차체를 쉽게 변경할 수 있다는 것과 높은 차량 내구성과 신뢰성, 그리고 매우 우수한 배기성능을 구현한다는 것이다. 하지만 단점으로는 고압의 천연가스 연료를 보관하기 위한 무거운 CNG 저장 탱크와 한번 충전으로 운행할 수 있는 거리가 상당히 제한적인 것이 되겠다.
압축천연가스 차량은 크게 가솔린엔진에 기초를 두고 변경되거나 개조된 엔진과 디젤엔진을 기반으로 개조된 엔진으로 나눌 수 있다. 가솔린엔진에 기초하여 변경된 CNG차량은 가솔린과 CNG 연료 모두를 자유롭게 사용 할 수 있는 바이퓨얼(Bi-fuel) 방식과 CNG 연료만 사용하도록 개조한 CNG 모노퓨얼(Mono-fuel) 방식이 있으며 두 가지 방식 모두 주로 승용차량에 적용된다.
디젤엔진에 기초하여 개조 제작된 CNG 차량은 예혼합연소방식으로 전환하기 위해 점화플러그를 설치하고 이론공연비 연소에 3원촉매를 사용하거나 희박연소를 사용하여 유해배출물을 저감시켜 주게 된다. 이와 같은 방식은 CNG와 디젤 연료를 동시에 사용하는 (Dualfuel)방식의 적용도 가능하고 연료를 연소실내로 직접분사하는 방식의 적용 또한 가능하며 주로 상대적으로 배기량이 큰 상용차량에 적용되게 된다.
CNG와 가솔린 연료 두 가지 중에서 한 가지 연료를 자유롭게 선택하여 차량에서 사용할 수 있는 방식인 CNG 가솔린 바이퓨얼 시스템은 CNG 충전인프라가 충분하지 않은 조건에서 주로 적용되며 CNG 인젝터의 경우 가솔린 인젝터의 신호에 근거하여 작동되기 때문에 연소 및 배기 성능을 최적화시키기에 쉽지 않은 구조를 가지고 있다.
겸용방식이라고도 하는 이 시스템은 가솔린과 천연가스 두 종류의 연료와 연료공급장치를 각각 별도로 설치하여 주행시에는 그 중 한 가지만을 연료로 사용하는 방식이다. 이 시스템은 연료용기, 전자제어 압력조절기, 솔레노이드 밸브, 긴급 차단 밸브, 연료 선택 장치, 연료 게이지, 믹서, 전자제어 유닛 등으로 구성되어 있으며 CNG 개조 키트로서 모듈화되어 제품화되고 있다. 국내의 경우 수요가 많지 않으나 최근 가솔린 승용차의 CNG 겸용방식 개조가 늘어나고 있으며 일부 택시 운송업자들로부터의 신규 수요가 발생하고 있는 실정이다.
국내 자동차 개조업체에서 개발된 CNG 개조 키트의 경우 부품의 신뢰성과 안정성이 우수하여 동남아 또는 중앙아시아의 천연가스 산출국들로부터 자국의 CNG 자동차 개조 시장 진입을 권유받고 있으며 관련한 기술 제휴, 수출 또는 시장개척이 활발하게 진행되고 있다.
CNG와 가솔린 연료 두가지에 대해 각기 다른 연료시스템과 제어기를 각각 구비하고 있기 때문에 가격 및 차량 무게 상승이 수반되긴 하지만 기존 차량을 개조하여 연료비 절감과 함께 우수한 배기성능의 기대 또한 가능한 장점이 있다.
다음으로 CNG 연료만을 단독으로 사용하게끔 구성한 CNG 모노퓨얼(Mono-fuel) 방식의 차량을 살펴보면 단지 CNG만을 공급하여 엔진에 적용하는 구조로 연료탱크와 제어기가 한 개씩 달려 있게 된다.
이와 같은 CNG 모노퓨얼 시스템은 비교적 충전인프라가 잘 갖춰진 지역에 적합하며 엔진에 연결된 각종 센서들로부터 신호를 받아 CNG 제어기 단독으로 CNG 분사와 연소제어가 이루어지기 때문에 연소 및 배기성능 최적화에 유리한 구조를 가지게 된다. 최근에는 전자제어 믹서방식보다는 공연비 제어를 정밀하게 수행할 수 있는 연료분사방식이 주로 채택되어지고 있다.
3. 상용 CNG 차량
국내의 경우 대부분의 천연가스 차량이 도심 대기질개선을 목적으로 보급이 추진된 시내버스와 청소차량이며 국내 천연가스 차량의 약 80% 이상을 차지하고 있기 때문에 이 시내버스에 탑재된 엔진의 기술을 살펴보는 것이 필요하다. 국내에서는 현대자동차와 두산인프라코어에서 천연가스 엔진을 양산하고 있으며 두 엔진 모두 디젤엔진을 베이스로하여 개발되었고 배기규제를 만족시키기 위해 희박연소 시스템과 산화촉매 후처리 장치를 적용하고 있다.
(CO)를 저감시키는 유해배출물 저감 전략을 사용하고 있다. 그림 1은 현대자동차에서 개발하여 상용 배치한 11ℓQ-CNG 엔진의 모습을 보여주고 있다.
두산인프라코어에서도 자사의 시내버스용 디젤엔진을 기초로 하여 CNG 엔진을 개발하였으며 그 기술적 기저는 현대자동차의 기술적 사양과 매우 유사하다. 다시 말하면 11ℓ급 엔진을 비교하였을 때 인라인 6기통을 사용하고 터보차저와 인터쿨러를 사용하며 희박연소 방식을 적용하였다. 연료공급시스템 또한 SPI 방식을 사용하며 현대자동차와 마찬가지로 미국 Woodward의 분사기와 제어기를 사용하고 있다.
수냉식 냉각시스템과 전자식 웨이스트 게이트 제어를 통한 공연비 제어 방식도 매우 유사하며 굳이 가장 큰 차이를 꼽는다면 압축비가 10.5로서 현대자동차 엔진의 11.5보다 다소 낮다는 것이다. 배기성능은 희박연소에 의해 질소산화물을 저감시키고 산화촉매 후처리장치를 적용하여 희박연소에 따라 증가되는 미연탄화수소와 일산화탄소를 저감시키는 전략을 적용하여 현행 배기규제 기준인 EURO-5를 만족시키고 있다.
또한 두산인프라코어에서는 EURO-5 CNG 엔진에 배기후처리장치인 SCR 촉매를 장착하여 질소산화물을 대폭 저감시킴으로서 미국의 US2010 규제를 만족하는 GK12 CNG 엔진을 개발하였으며 이 엔진은 현재 출시되고 있는 CNG 엔진 중에서 가장 우수한 배기성능을 보이고 있는 것으로 보고되고 있다.
또한 11ℓ급 외에 국내의 상용 CNG엔진으로는 6ℓ와 8ℓ급 CNG 엔진이 각각 존재하는데 두산인프라코어와 현대자동차에서 각기 다른 CNG 엔진을 버스와 트럭용으로 제작하여 판매하고 있다.
기존의 운행 중인 디젤엔진을 천연가스 엔진으로 개조하여 운행하는 리파워링 개념의 기술 개발 또한 진행되었으며 이와 같은 기존 자동차의 천연가스 차량 개조 개발과 작업은 기존의 가스엔진 및 차량 개조업체에서 수행되어지고 있다.
이러한 개조 개발은 승용과 상용 차량에서 각기 다른개념으로 접근하게 되는데 상용 차량의 경우는 터보차저 장착 디젤엔진을 베이스로 개조가 수행되는 만큼 개조범위도 넓고 해당 부품의 수도 늘어나게 되어 그 기술적 완성도를 높일 필요가 있으며 개조 비용 또한 상당히 상승하게 된다.
하지만 대도심 대기오염원을 고려한다면 상용 디젤엔진의 천연가스 엔진 개조를 통한 환경개선 파급효과가 매우 크기 때문에 여러 개발도상국 정부와 지자체에서는 현재 운행 중인 디젤 상용차량의 천연가스 차량 개조를 고려하고 있어 향후 세계적으로 많은 수요가 발생할 것으로 예상되어진다.
실제로 국내 가스엔진 및 차량 개조업체들은 해외로 눈을 돌려 디젤엔진 CNG 개조 키트를 다양한 루트를 통해 사업화하고 있다. 그림 3은 터보차저 장착 디젤엔진을 천연가스 엔진으로 개조하기 위한 주요 부품과 개념도를 보여주고 있다.
그 다음으로 디젤엔진에 기초해 새로운 피스톤과 실린더헤드, 크랭크케이스 환기장치를 적용하고 강화된 터보차저와 인터쿨러를 갖추어 제작한 CNG 엔진을 차량에 장착하게 된다. 거기에 CNG 엔진에 최적화된 배기 후처리 시스템과 강화된 안전 시스템이 구비되게 되며 각종 전장부품과 엔진 제어기가 장착되는 구조로 제작이 완료되게 된다.
4. LNG 차량
혼소방식(Dual-fuel System)은 두 가지 연료를 동시에 공급하여 연소시키는 방식으로서 주로 디젤엔진을 개조한 천연가스 엔진에 적용된다. 혼소방식의 경우 천연가스는 압축착화가 매우 어렵기 때문에 경유를 소량 분사하여 점화원으로 활용하고 천연가스는 별도로 흡기관을 통해 연소실 내로 공급하여 연소시키게 된다. LNG엔진과 발전용 대형 엔진에서는 천연가스와 디젤의 혼소가 주로 사용되어지고 있다.
국내에서 개발이 추진되었던 액화천연가스(LNG) 차량에 대해서 간략하게 살펴보도록 하겠다. LNG 차량의 장점은 연료가 액체상태이므로 매우 높은 에너지밀도를 갖게 되어 한번 충전으로 장거리 이동이 가능하다는 것이다.
또한 CNG 제작을 위한 압축기가 필요 없어 추가적인 에너지 절감이 가능하다. 하지만 웨더링 효과(Weathering Effect)에 의한 보일오프가스(Boil-off Gas) 문제가 발생하여 천연가스 연료의 공기유출로 인한 에너지 손실, 발열량 변화로 인한 엔진 성능 저하 문제가 발생할 수 있는 단점이 있는 것으로 보고되고 있다.
LNG 연료공급시스템 중에서 가장 중요한 부분이 LNG 용기인데 저온공학 기술이 적용되었고 비교적 최근에 실용화 되었기 때문에 용기 가격이 매우 비싸다. LNG 용기는 섭씨 -162。를 유지하기 위해 특수 단열층이 필요하며 용기 재질의 강도 또한 차량 진동과 연료 유출입에 따른 압력변화를 견딜 수 있을 만큼 강해야 한다.
한국 국토교통부와 가스공사에서는 기존 디젤엔진을 개량하여 LNG와 디젤을 혼합 연소시켜 25t 트랙터에 적용하기 위한 연구개발을 진행하였다. 아래 표는 개발된 LNG 디젤 혼소(Dual-fuel)엔진의 제원을 나타내고 있다. 개발된 LNG 디젤 혼소엔진에는 현대자동차 13ℓ6기통 헤비듀티(HD) 디젤엔진이 기본베이스 엔진으로 사용되었으며 실린더헤드부와 흡기부가 개량되고 LNG 연료공급시스템이 장착되어 LNG 혼소엔진으로 개조되었다.
5. CNG 하이브리드 차량
다음으로 CNG 하이브리드 차량을 살펴보면 CNG 하이브리드 차량은 기존의 290마력 CNG 엔진을 240마력의 작은 엔진으로 교체하는 대신 82마력의 구동모터를 추가적으로 장착하여 차량의 운전 조건에 따라 하이브리드 동력 시스템을 개별적으로 혹은 조합하여 운행하는 구조를 가지고 있다.
CNG 하이브리드 차량용 파워트레인은 현대자동차가 독자 개발하였는데 CNG 엔진과 영구자석식 구동모터가 일체형으로 클러치를 통해 연결되어 있으며 6속의 자동화수동변속기(AMT)를 적용하였고, 배터리 시스템으로부터 직류전원을 공급받아 교류로 변환시켜 구동모터에 공급 및 제어하는 인버터가 장착되어 있는 구조이다.
CNG 하이브리드 차량의 주행모드를 분석해 보면 차량 정차시에는 자동으로 엔진을 정지시켜 공회전을 방지하는 ISG(Idle Stop & Go) 기능이 활성화되고 차량의 출발시에는 하이브리드 구동모터만을 이용, 저속 주행 또는 운전자의 의지에 따라 구동모터와 엔진을 결합하여 주행이 가능하게 된다. 가속 또는 오르막길에서는 엔진의 출력에 구동모터의 출력을 더해 주행하며 정속 운행시에는 효율이 우수한 엔진만을 이용해 주행을 수행하고 제동으로 인한 감속시나 내리막길에서는 구동모터가 발전기의 기능을 수행하여 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 역으로 배터리에 전기를 충전시키게 된다.
이와 같은 하이브리드 버스 주행모드 최적화를 통해 기존 CNG 차량 대비 약 34%의 연료소비율 절감이 가능함이 시범운행을 통해 확인되었다. 이와 같은 연료소비율 절감을 통해 CNG 하이브리드 차량 1대당 연간 1천 4백만원의 연료비 절감과 32t의 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 것으로 보고되고 있다.
세종시 및 서울시에서는 순차적으로 CNG 하이브리드버스의 도입을 통해 도심 대기질 개선과 더불어 연비 향상과 이산화탄소 저감을 꾀하고 있으며 환경부의 CNG하이브리드 차량 보급 정책 및 계획 또한 구체화되고 있어 향후 그 수요가 지속적으로 증가될 것으로 예상되어지고 있다.
6. HCNG 차량
향후 더욱 강화될 것으로 예상되는 Euro-6 이후의 배기규제에 대응하고 수소 시대로의 가교역할을 담당할 수 있는 기술로서 수소와 천연가스를 혼합하여 일원화된 연료인 HCNG로 엔진에 공급하는 HCNG 차량 기술이 제시되고 있다.
EURO-6 배기규제부터는 질소산화물(NOx) 배출허용기준이 매우 엄격해져서 (EURO-6 배기규제는 2014년부터 본격적으로 시행 예정이며 질소산화물의 경우 EURO-5 배출량의 20% 수준으로 규제 강화) 천연가스엔진의 경우 희박연소만으로는 차기 NOx 규제를 만족시킬 수 없고 디젤 엔진과 마찬가지로 고가의 DeNOx 촉매를 장착하여야 한다. 이에 대응하기 위해 2009년 6월부터 차세대 가스 연료인 수소를 천연가스에 혼합하여 일
원화된 하나의 연료로서 엔진에 공급시켜 유해배출물을 크게 저감시킬 수 있는 HCNG 엔진 개발을 착수하였다.
HCNG는 통상 수소와 천연가스의 혼합연료로서 부피비로 약 20~30%의 수소가 혼합되어져 있다. 천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 첫째, 분자구조상 탄소 대비 수소 비율이 가장 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 연소 범위 및 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 EURO-6 배기규제의 NOx 허용기준치를 만족시킬 수 있기 때문이다.
HCNG 엔진 기술은 이와 같은 수소의 특성을 이용하여 출력 및 배기성능을 최적화하는 기술로서 수소의 혼합율에 따라 연소 특성이 달라진다. 한국기계연구원에서의 실험결과에 따르면 수소 혼합율 별로 최적 운전조건이 다르며, 수소 혼합율이 높을수록 효율이 상승하고 유해배기가스가 적게 배출되지만 엔진과 연료부품의 변경범위도 넓어지기 때문에 적절한 혼합율을 유지하는 것이 매우 중요한 것으로 나타났다.
EURO-5 배기규제 대응이 가능한 천연가스 엔진의 경우 EURO-6 규제를 만족시키기 위해서는 부피비로 약 30%의 수소가 혼합된 HCNG 연료(HCNG30)가 가장 적합한 것으로 확인되었으며 운전이 가장 빈번한 중속중부하 조건을 기준으로 HCNG30 연료를 사용하면 NOx는 80% 정도 저감되고, 효율(또는 연비)은 약 5% 정도 개선되는 것으로 나타났다. HCNG 연료의 연비 개선능력은 아이들(무부하 정차시) 운전조건에서 20% 개선으로 더욱 탁월한데 정차가 잦은 시내버스의 경우 이러한 연비 개선 효과는 더욱 커지게 되어 전체적인 차량 성능에 매우 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.
HCNG 연료의 또 다른 이점은 이산화탄소(CO2) 저감능력으로서 수소의 혼합율이 높을수록 그에 비례하여 CO2는 저감된다. CO2 또한 온실가스 배출규제에 따라 의무적으로 감축되어야 하기 때문에 연비향상 기술과 아울러 탄소 성분이 적은 HCNG 연료를 적극 활용할 필요가 있다. 수소가 부피비로 30% 함유된 HCNG30 연료를 적용하였을 경우 CO2는 운전조건에 따라 천연가스보다 최대 20% 정도, 평균적으로 10% 이상 저감되는 것으로 확인되었다.
한국기계연구원과 한국가스공사, 한국가스안전공사,대우버스 등이 컨소시엄으로 참여하여 환경부 친환경자동차사업단의 지원 아래 2015년 EURO-6 배기규제를 만족하는 HCNG 시내버스 개발을 목표로 HCNG 엔진 및 시내버스 실용화 기술개발을 진행 중이다.
7. 기타 메탄계 가스엔진 및 차량
동력발생용 엔진에 적용할 수 있는 기타 메탄계 가스연료로서 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)가 있다. 합성천연가스는 석탄을 특수 화학공정을 통해 가스화하여 얻어지게 되는데 기타 천연가스 연료에 비해 메탄 성분이 95% 이상으로 높으며 발열량 또한 다소 낮아지는 특징이 있다. 또한 수소가 1% 내외로 포함되어 있어서 소량이지만 수소의 배관 및 연소기, 동력발생용 엔진에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되어지고 있다.
바이오메스의 화학공정 또는 열분해를 통해 얻게 되는 바이오메탄이나 매립지의 바이오가스의 경우도 정제를 거쳐 천연가스 대체연료로서 사용이 가능한데 수송용으로 사용하기 위해서는 표 2와 같이 환경부 대기환경보전법에서 제시한 자동차 천연가스 연료 제조기준에 부합하여야 한다.
천연가스 연료, 즉 메탄계 가스 연료는 다양한 지역에서 다양한 방법으로 얻어지게 되므로 그 구성 성분의 조성과 밀도, 발열량 등 각각의 물성치가 달라지는 특징이 있다. 향후 채굴기술의 발달로 다량 얻어지게 되는 셰일가스 또한 현재의 천연가스 연료에 비해 발열량이 다소 낮을 것으로 예측되고 있고 LNG를 직접 동력발생용으로 사용할 경우 웨더링 효과에 의한 보일오프 가스의 방출로 인해 발열량이 증가하게 될 것으로 예상된다.
실험 결과 조성변화에 따라 약 6%의 발열량이 낮아진 연료의 경우에도 엔진 연소 및 배기 성능에는 큰 문제가 발생하지 않았지만 웨더링 2주 이상에 해당하는 연료부터
는 엔진의 배기성능 중에서 질소산화물 배출량이 증가하여 배기규제 기준값을 초과한 것으로 보고되고 있다.
또한 웨더링 2주 이상에 해당하는 LNG 기반 천연가스 연료의 경우는 현행 자동차 천연가스 연료 제조기준에 부합하지 않아 수송용 연료로서 적절하지 않은 것으로 나타났다. 이와 같은 연구 결과는 향후 LNG를 수송용 연료로 사용함에 있어 웨더링에 의한 발열량 증가가 방지되어야만 하며 LNG 연료의 발열량 모니터링 기술 또한 수반되어야 함을 시사해 주고 있다.
수송용 뿐만 아니라 발전용과 선박용 엔진에서도 천연가스 연료 사용 요구가 확대되고 있는데 현대중공업과 두산엔진에서는 독자적인 대용량 발전용 또는 선박용 가
스엔진을 개발 중이며, 한국전력과 한국가스공사에서는 도서지역의 디젤 엔진 발전 시스템을 천연가스 디젤 혼소 발전시스템으로 개조 변경하는 기술개발과 실증 과제
를 계획하고 있는 상황이다.
8. 결론
천연가스차량의 개발과 보급 효과를 에너지, 환경, 산업 측면에서 살펴보면서 본 고의 결론을 맺고자 한다. 에너지 측면에서는 천연가스의 지속적이고 효율적인 에너지 이용이 가능하고 이는 국가 에너지 안보의 확보에 매우 중요한 역할을 담당하게 될 것이다.
환경 측면에서는 유해 배출물의 저감을 통해 대기환경 개선에 기여가 가능하며 궁극적으로 온실가스인 이산화탄소 배출 저감을 통한 국제 기후변화 협약의 능동적 대응 또한 가능할 것으로 예상된다. 산업적인 측면에서는 연료비 절감을 통한 천연가스차량 개조와 생산 활성화로 차량 부품 산업의 발달과 보다 안전한 천연가스차량 기술의 발전 효과가 기대된다.
본 고에서 설명 드린 바와 같이 한국의 천연가스 엔진과 차량은 매우 다양하고 그 기술력 또한 탁월하다고 자부할 수 있겠다. 한국 정부의 지속적인 천연가스차량 연구개발 투자와 보급 노력으로 한국의 도심 대기질은 크게 개선되었으며 천연가스차량 기술 또한 세계를 리드하고 있다. NGV는 천연가스차량(Natural Gas Vehicle)을 의미하지만 천연가스차량이 바로 가장 유망한 차세대차량(Next Generation Vehicle) 중에 하나임을 강조해
본다.
