탄소중립의 문제는 엄밀히 말하면 단순히 자동차 배기관 배출저감을 위한 엔진의 소멸이라기 보다는 화석연료에서 탄소중립연료로의 전환, 즉, 장기적 관점의 에너지 안보와 전과정 CO2 배출 저감을 위한 에너지 전환과 산업 전환 차원에서 전환을 바라볼 필요가 있다. 우리가 전환의 혼란스러움을 느끼는 사이 국외의 산업·연구계는 새로운 시각으로 탄소중립과 에너지 전환 기술에 대한 투자를 추진하고 있으며, 그 한 예가 e-fuel과 수소엔진과 같은 연료전환 엔진 기술이다.

이러한 기술들은 엔진 기술이 전기·수소연료전지차와 함께 전과정측면의 탄소중립에 기여하는 동시에 수소·CCU와 같은 탄소중립산업 생태계 구성에 기여할 수 있는 방안을 제시하고 있다.

한편 정부도 이러한 기술적 특성을 바탕으로 수소엔진 및 e-fuel 등에 대한 다양한 정책을 제시하고 있으며, 이제는 자동차 관련 산업계 및 연구계 등의 적극적인 논의와 관심 그리고 참여가 필요한 시점이다. 

이에 본 고에서는 우선 수소엔진을 기준으로 우리와는 사뭇 다른 해외의 엔진 개발 및 산업화 현황을 소개하여, 관련 산업·연구계의 향후 기술 대응을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

e-fuel 또는 재생합성연료는 그린수소와 포집된 탄소자원으로 제조한 합성연료로 정의되어지며, 기존 연료인프라 활용이 가능하며, 엔진기반차량의 탄소중립 대응 수단일 뿐 아니라, 수소, CCU(carbon capture utilization) 산업과 연계되는 특성을 가진다. e-fuel의 제조 방식은 크게 Fischer-Tropsch 합성(FT 합성) 방식과 메탄올 합성으로부터 가솔린을 제조하는 방식(MTG)으로 구분된다.1

이때 FT 공정은 CO2와 H2로 CO를 생성하는 RWGS 공정의 추가가 필요하며, 다양한 연료생산(가솔린, 경유, 중유 등)이 가능하며, MTG 공정은 주로 고옥탄 가솔린을 한 단계 공정을 생산하는 특징을 가진다. 

e-fuel은 제조방법에 따라 매우 다양한 연료가 생산되며, 연소와 연계하여 조성을 설계하는 경우, 추가적인 엔진 CO2및 기타 배출물 저감이 가능하다는 장점을 가진다. 최근 다양한 e-fuel 중 특히, 액체연료인 e-methanol 계열 및 e-gasoline과 e-diesel에 대한 연구개발이 활성화되는 추세이다.

독일은 그간 e-fuel의 연구개발에 가장 앞서왔으며, 내연기관 기술 유지를 위한 수송용 탄소중립연료(e-fuel) 상용화 개발, 투자확대를 추진 중인 것으로 보고되고 있다.3

일본은 그린성장전략(2020. 12)에서 2030년까지 e-fuel 기술개발과 실증을 집중적으로 실시하고 2040년까지 상용화 목표 제시하고 있으며, 중국은 친환경차산업 육성 차원에서 그간 CTL 기반의 메탄올차 산업을 장려 중(2019년 샨시를 비롯한 4개 지역 메탄올 자동차 사용 지침 발표)으로, 최근 란저우에서 태양광 발전 e-methanol 실증 사업을 추진 중에 있다.

대표적인 업계 동향으로 포르쉐는 지멘스사와 함께 엔진 연소와 조합 설계된 e-gasoline(POSYN) 개발을 진행 중이며, 2022년 13만 리터 파일롯 생산 2026년 5억 5천만 리터 생산(칠레공장)을 추진 중에 있다. 또한 최근 오스트리아 OBRIST사는 e-methanol 기반의 연료를 시연한 바 있으며, 사우디 아람코는 지속적으로 e-fuel 상용화 계획을 제시하고 있으며, 최근 2022년 3월 현대기아자동차와 초희박연소 엔진 및 e-fuel 공동 연구 MOU 체결 발표가 있기도 하였다.

도요타는 HEV의 LCA CO2 배출 경쟁력 강화를 위한 [20% 이상 저탄소연료 혼합 50% 엔진 효율 HEV 엔진] 개발 계획을 제시(2019년)한 바 있다. 이외에 유럽의 eFuel alliance는 152개의 회원사이 있으며, e-fuel의 제도화 및 보급을 위한 활동을 추진 중에 있다. e-fuel은 연료에 따라 고 세탄 또는 고옥탄가 및 고 H/C 비를 가지며, 이에 따라, 배출성능이 우수한 특징을 가진다. 

또한 연료조성의 조정이 가능한 장점이 있어, 연소와 연계되어 개발되는 경우, 희박연소와 같은 신연소의 최적화와 성능 개선이 가능한 추가적 이득을 얻을 수 있다. 최근에 발표된 포르쉐의 POSYN 연료의 GDI 엔진 실험 결과는 기존 가솔린 대비 NOx, PM, CO2 측면에서 우수한 결과를 제시하였다.4

또한, POSYN, 밀러사이클 및 희박연소의 복합적용으로 기존 연소 방식대비 10% 이상의 효율 개선이 가능함을 제시한 바 있다.5 최근 2021 비엔나 모터쇼심포지움(International Vienna Motor Symposium)의 수소엔진 및 e-fuel엔진 관련 발표는 전체 발표의 30%이상으로 확대되는 등 재생합성연료 및 대체연료엔진에 대한 연구활동은 급격히 증대되고 있는 상황이며, 고옥탄 가솔린 연료와 희박연소, 고압축비 엔진 기술 등에 대한 연구결과들이 제시되고 있다.

한편, e-fuel 활용 배경은 LCA CO2 배출 저감에 있으며, 따라서, e-fuel 엔진 제조와 연소개선 기술 뿐 아니라, e-fuel LCA 분석 기술 개발 또한 활성화되는 추세이다. 일예로 2020년 유럽의 대표적인 파워트레인 기술 세미나인 비엔나 모터쇼심포지움(International Vienna Motor Symposium)에서 유럽 FVV Fuels Group(자동차, 화학, 정유산업), IAV, FEV 등은 LCA를 활용하여 e-fuel의 CO2 경쟁력 분석 및 파워트레인시스템 최적화 구성 방안에 대한 검토 결과를 발표한 바 있다. 

수소엔진은 탄소배출이 없는 동시에, 엔진산업과 FCEV 산업(연료충전, 연료저장 및 공급, 센서류 등)과의 연계 발전이 가능한 장점을 가진다. 동시에 기존의 엔진 기술을 활용함으로서, 비교적 용이하고 저렴하며, 높은 신뢰성을 가지는 수소동력시스템의 구성이 가능하다는 기술적 장점을 가진다. 수소엔진과 e-fuel은 독일에서 먼저 시작되었으나, 세계 HEV 시장의 약 90%를 차지하는 일본에서는 승용급 수소엔진을 중심으로 기술 상용화 개발이 활발히 추진되고 있는 추세이다. 

일본의 AICE는 2021년 10월 JSAE 추계학술대회에서 향후 엔진과 전력기반 친환경차량의 공존을 예상하며, 수소엔진과 탄소중립연료를 포함하는 엔진의 탄소중립시나리오를 발표한 있다.6

또한, 2021년 11월 도요타 수소엔진차의 오카야마현 자동차 경주 완주 후, 도요타, 마쓰다, 스바루, 가와사키 중공업 그리고 야마하발동기 등의 5개사 대표는 기자회견을 통하여, 수소엔진 개발 협력을 발표한 바 있다.7

일본은 자동차관련 기업 종사인력이 550만명에 달하며, 수소엔진 개발 노력의 배경에는 축적된 엔진 기술 활용을 통해, 탄소중립 뿐 아니라, 해당 분야의 고용 유지에 있다는 점을 밝히고 있다.

중국의 광저우 자동차(GAC)는 2021년 9월 독자개발 효율 44%이상의 수소엔진 개발 관련 언론발표가 있었으며, 이를 통해 중국의 ‘수소차 굴기’는 연료전지 뿐 아닌, 수소엔진도 포함하고 있음을 암시한다.8

미국의 커민스는 영국 정부의 엔진 및 부품 관련 일자리 유지와 확대 그리고 향후 관련 산업의 고부가치화 확대를 위해 APC(Advanced Propulsion Center)를 통한 지원 하에 2021년 9월 수소엔진기술 개발을 추진하고 있으며, 수소엔진 프로젝트의 상업적 실행 가능성 달성을 위한 커민스 글로벌 기술센터 협력을 추진 중이다.9

독일의 MAN은 2020년 10월 장거리 주행 CO2-free 차량 대책으로서, 공공교통을 위한 전기차, 장거리 주행을 위한 수소연료전지뿐 아니라 뿐 아니라, 수소엔진기술을 포함하는 수소로드맵을 제시하였다. 수소엔진의 경우, 축적된 기술 노하우등을 바탕으로 실용적 접근 측면에서 장점을 가지는 것으로 평가되고 있다. 

MAN은 2021년 트럭용 직접분사식 수소엔진의 개발과 시험 트랙에서의 차량 테스트가 수행되었으며, 2023년과 2024년에 독일 바이에른주에서 장거리 도로 물류운송부분에서의 실증시험을 계획 중에 있다.10

한편 BorgWarner사는 2021년 수소엔진의 핵심부품인 직접분사식 연료계의 상용화를 발표하였다. 수소엔진의 최근 기술동향은 희박연소, 직접분사 그리고 과급기술 등으로 축약될 수 있다. 수소엔진은 SI엔진과 같은 연소원리를 가지며, SI엔진기반 개조(저압축비 희박연소) 및 CI 엔진 기반 개조(고압축비 희박연소비율 증가) 방식에 따라 효율, 배출 성능과 희박연소조건 등에는 차이를 가진다. 

2010년 경을 전후하여 일본과 미국 등 해외 연구기관에서는 고압축비 고효율 엔진용 고압수소직접분사방식(100bar 이상)에 대한 원리 연구가 활발히 수행된 바 있으나, 최근에는 양산성과 성능의 적절한 조화가 가능한 중저압 분사방식(50bar 이하)의 수소엔진 상용화 개발이 진행 중이다. 일예로 2021년 발표된 BorgWarner사, MAN 트럭은 각각 50bar, 22bar 이하의 분사압력을 가지며, IAV는 저압직접분사방식의 수소엔진개념을 제시한 바 있다.

 

한편, 수소연료의 낮은 밀도로 인하여 공기과잉율 2의 희박연소 시 가솔린 엔진(이론공연비) 대비 약 1.6배 이상의 공기량과 과급압력이 요구되며, 고과급시스템 적용이 매우 중요한 기술과제로 제시되고 있다. 수소엔진은 원칙적으로 희박연소(공기과잉율 2~2.5이상)의 조건에서의 NOx 배출은 미미한 것으로 알려져 있다. 그러나, 희박연소이외 엔진 작동 구간 또는 과도운전구간에서의 NOx 발생을 고려하여 수소엔진의 NOx 발생 저감 대책이 필요하다. 

FEV사의 2021년 발표논문에서는 가솔린 엔진 기반 또는 디젤 엔진 기반 NOx 처리 장치 구성개념을 제시하였으며, 연소조건에 따른 H2 SCR, Urea SCR 그리고 NSC 등의 적절한 조합이 매우 중요한 기술과제임을 제시하였다.15

엔진 분야의 연료전환 기술 개발은 전기·수소연료전지차와 함께 전과정 측면의 탄소중립 및 관련 산업 활성화에 기여할 수 있다는 전제하에, 해외의 관련 산업계는 연료전환 엔진기술에 대한 투자와 개발이 진행 중임을 확인할 수 있다. 우리나라 정부는 2020년 제5차 신·재생에너지기술개발 및 이용보급계획에서 P2X(메탄올, 가솔린, 경유 등) 활용 계획 제시, 2021년 이산화탄소포집·활용(CCU) 기술혁신로드맵, 2050 탄소중립시나리오, 탄소중립산업·에너지 R&D 전략, 제1차 수소경제이행 기본계획 등 다양한 정책에서 합성연료, e-fuel 및 수소엔진 관련 내용을 제시하고 있다. 이렇듯 우리나라 또한 탄소중립연료의 가능성 검토와 정책 반영이 진행되는 단계이며, 향후 다양한 산업·기술분야의 관심과 참여 활성화를 토대로 탄소중립사회 구현을 위한 좀더 적극적인 연료전환 엔진 분야의 기여가 가능하기를 기대한다.

<참고자료>

1. 재생합성연료(e-fuel) 연구보고서, e-fuel 연구회, 산업통상자원부, 2022. 1.

2. P. -O. Calendini, N. Rankovic, P. Gaillard, V. Gordillo, W. Lilley, Rueil-Malmaison; A. Amer, T. Javed, H. Babiker and A. AbdulManan, Synthetic Fuel : A Promising H2 Carrier for Transport Sector, 42nd international Vienna Motor Symposium, 2021.

3. 2021년 해외 주요 자동차시장 판매 및 정책 동향, 한국자동차산업협회, 2022. 4. 20.

4. M. Albrecht, H. -P. Deeg, D. Schwarzenthal and P. Eilts, The Influence of Fuel Composition and Renewable Fuel Components 

on the Emissions of a GDI Engine, SAE 2020-37-0025, 2020.

5. E. Wenz, A. Pauls, M. Rhielen, A. Todt and P. Eilts, Expoliting SI Engine Efficiency Through Lean Burn Operation in Combination 

with Stroke Extension, Miller Timings and High Compression Ratios, SAE 2021-24-0034, 2021.

6. S. Kimura, H. Matsuura, T. Kikuchi and K. Tsuchiya, Examination of Technical Scenario for Carbon Neutrality in Vehicles, 2021 

JSAE Congress(Autumn), 2021.

7. https://www.yna.co.kr/view/AKR20211114039800073

8. https://www.h2news.kr/news/article_print.html?no=9317

9. https://www.khl.com/news/Cummins-led-hydrogen-engine- project-lands-14.6-million-grant/8014289.article

10. https://www.greencarcongress.com/2020/10/20201020-man. html

11. https://cdn.borgwarner.com/docs/default-source/default- document-library/borgwarner_hydrogen.pdf?sfvrsn=42de5f3d_6

12. https://www.deutz.com/en/media/press-releases/deu tz-hydrogen-engine-ready-for-the-market

13. https://www.jcb.com/en-gb/news/2021/10/jcb-hydrogen-en gine-gets-100m-injection

14. https://www.cat.com/en_US/news/engine-press-releases/ caterpillar-to-offer-power-solutions-operating-on-100-hydrogento-customers-in-2021.html

15. S. Sterlepper, M. Fischer, J. Claßen, V. Huth and S. Pischinger, Concepts for Hydrogen Internal Combustion Engines and Their 

Implications on the Exhaust Gas Aftertreatment System, Energies, Vol.14, No.23, 2021