[오토저널] 온실가스 저감을 위한 무탄소 연료 엔진 연소기술 개발
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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)|
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승인 2023-01-16 11:08:40 |
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기후변화 위기 대응을 위한 차세대 에너지원으로서 수소의 가치가 높아지고 있으며, 국내외 수소를 포함한 무탄소연료의 보급 및 활용을 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 우리나라는 2019년 1월 ‘세계 1위 수소경제 국가’비전을 담은 ‘수소경제 활성화’ 로드맵을 수립하여 에너지, 수송, 공급분야에 대한 기술적, 사회적 기반을 체계적으로 준비해왔으며, 2020년 2월 ‘수소 경제법(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률)’을 제정하여 R&D·인프라·수소차·충전소·안전 및 표준의 6대 분야별 정책을 마련하여 제도적 기반도 확보하였다.
우리나라 정부는 온실가스 감축 노렵에 동참하고 친환경 모빌리티 산업 생태계를 조성하기 위해 전기, 수소 및 e-fuel 등 다양한 에너지원에 대한 연구개발 및 실증 계획을 가지고 있으며, 국내의 선박 및 차량용 친환경 엔진 기술은 세계적으로 경쟁력을 확보하고 있다. 국내의 조선3사도 해양환경 규제 및 친환경 선박 시장을 개척하겠다는 일념으로 암모니아 추진선 상용화에 앞장서고 있는 상황에서 세계최초로 선박용 LNG-암모니아 혼합연료 엔진용 연료저장/공급 설비 및 엔진 성능평가 기술을 개발함으로써 국제해사기구의 온실가스 규제 강화와 EU의 배출권거래제 시행 등에 대응한 친환경 선박 출시의 밑거름이 될 것으로 예상된다. 아직 개발 중에 있는 차량용 수소엔진의 경우에도 최적화 과정을 통해 기존의 친환경차로 인식되고 있는 전기자동차 및 수소연료전지 자동차 대비 동등한 친환경성은 물론 우수한 경제성 및 운용 가능성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.
온실가스의 25%가 운송과 수송 수단으로부터 배출되는 것으로 알려져 있기 때문에, 운송 수단의 대표적인 동력원인 내연기관의 연비개선을 통한 온실가스 저감 또는 무탄소연료의 적용이 가능한 엔진 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 해상 운송 수단으로서 선박분야에서는 온실 가스 문제 대응을 위해 IMO는 2018년 선박 온실가스 감축 초기 전략을 채택하였으며 2030년까지 선박에서 배출되는 온실가스 배출량을 2008년 대비 40% 줄이고, 2050년까지 50% 줄이는 목표로 다양한 온실가스 감축방안을 추진하고 있다.
선박의 에너지 효율 개선이나 운항 상의 최적화를 통한 탈탄소화는 2035년까지 완만하게 향상/유지되어 탈탄소화에 미치는 영향이 제한적이지만 무탄소 연료 사용 엔진의 핵심부품 국산화 기술 개발을 통해 국내 조선사업의 경쟁력 유지와 미래 잠재시장 선점을 위한 기반 마련이 시급한 과제임이 분명하다.
육상 운송 수단으로서 자동차분야에서도 세계적으로 친환경 자동차 시장이 급성장하고는 있으나, 현 시점에서 이 중 대부분은 배터리-엔진 하이브리드 또는 전기 자동차가 차지하고 있다. 또한 세계 유수의 자동차 회사들은 중장기적인 친환경 자동차 솔루션으로서 수소 연료전지 자동차를 대안으로 채택하고 지난 10년 이상 연구 개발에 많은 투자를 하였다. 그러나 최근 몇 년간 당초 예상했던 것과 비교하여 수소 연료전지 자동차의 보급이 늦어지고 시장이 느리게 성장함에 따라, 수소 연료전지 자동차로 시장이 이행되는 중간 단계로서 수소 왕복엔진 자동차가 다시 주목을 받고 있다.
이에 본 고에서는 온실가스 저감을 위한 무탄소 연료로 인식되고 있는 수소와 암모니아를 연료로 하는 엔진 개발동향을 공유하고, 암모니아를 기존의 천연가스 엔진의 연료로 일부 적용할 때 엔진의 운전에 미치는 영향을 파악하여 그 적용 가능성을 평가한 결과와 수소 엔진 및 공급시스템의 독자적 경쟁력을 확보하기 위한 핵심기술 관련 기초 및 응용 연구개발 결과를 소개하고자 한다.
암모니아 엔진 개발
과거 농사에 필요한 비료의 원료로 주요 이용되던 암모니아를 엔진의 연료로서 이용하고자 하는 노력은 지금의 디젤 기관으로 유명한 루돌프 디젤에서부터 시작했을 만큼 아주 오래되었다. 이후 암모니아를 연료로 하는 버스와 트럭이 벨기에와 노르웨이에서 각각 개발된 적이 있고, 2000년대에 들어와 미국의 미시간 대학과 한국에너지기술연구원에서는 암모니아와 가솔린을 혼소하는 엔진을 탑재한 차량을 시범운행 사례도 있다. 그러나 독성을 가진 암모니아의 특성상 안전 및 비용에 대한 부담이 크고 연소측면에서의 단점을 극복하기 어렵기 때문에 상용화에 성공하지 못했다.
이러한 취급 및 활용에 대한 난이도가 높은 암모니아를 엔진의 연료로 사용하려는 움직임이 다시 활발해진 이유는 무탄소 연료로서 이산화탄소 저감 목표를 달성하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되는 수소의 캐리어로서 역할이 용이하기 때문이다. 수소는–252.9℃에서 액화하기 때문에 보관 및 장거리 운반이 어렵지만, 수소 생산지에서 질소와 함께 합성해 암모니아로 변환하면 대기압 분위기에 –33℃의 온도로 액화하거나 상온(20℃)에서 8기압의 압력으로 액화가 가능하기 때문에 연료로서 저장 및 운송이 훨씬 쉽게 된다. 암모니아는 탄소를 포함하고 있지 않기 때문에 연소과정에서 이산화탄소가 발생하지 않고, 액화수소 대비 높은 밀도를 갖는다.
해양 선박연료 분야는 이러한 암모니아의 특징을 가장 적극적으로 활용하여 대형선박의 장거리 운항에 필요한 에너지를 저장하기 위한 수단으로 활용할 계획을 가지고 있다. 핀란드의 Wartsila사는 선박연료로서 암모니아에 대한 연소실험에 착수했으며, 독일의 MAN에서도 2024년까지 암모니아 추진 선박을 개발할 것으로 예상된다. 국내에서도 한국조선해양, 대우조선해양, 삼성중공업 등 조선 3사가 친환경 연료 선박 시장 선점을 위해 암모니아 선박에 대한 기본인증(Approval in Principle, AIP)을 앞 다투어 획득했다.
한국기계연구원은 해양수산부의 ‘2030 한국형 친환경선박(Greenship-K) 추진전략’의 일환으로 선박용 LNG-암모니아 혼합연료 엔진 기술 개발을 2021년부터 한국조선해양, 현대중공업과 함께 추진하고 있으며, 한국선급, 군산대학교 및 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소가 공동 연구기관으로 참여하고 있다.
한국기계연구원은 LNG-암모니아 혼합연료 연소가 가능한 선박용 엔진 개발을 위해 현대중공업의 힘센엔진을 기반으로 엔진의 연소제어인자의 변경이 자유로운 단기통 엔진을 제작 중에 있으며, 암모니아 혼소 엔진에 관한 선행연구로서 시내버스용 천연가스엔진에 암모니아 연료공급시스템을 추가로 장착하여 암모니아 혼합비율에 따른 연소 및 배출가스 특성을 관찰하고 있다. 높은 점화에너지와 낮은 연소속도를 갖는 암모니아의 두 가지 단점을 극복하고 안정적으로 연소시키기 위해 상대적으로 기술적인 성숙도가 높은 천연가스 엔진에 혼합하여 적용함으로써 본격적인 암모니아 연료의 엔진 도입 및 암모니아 추진선박을 대응하기 위함이다.
여러 가지 검토를 거쳐 희박연소 조건에서 암모니아의 혼합비율에 따른 연소 및 배출가스 특성을 살펴본 결과, 희박연소조건에서 암모니아가 혼합됨과 동시에 연료 내의 질소성분에 따른 질소산화물의 증가가 급격하게 일어났다. 암모니아의 혼합비율이 증가할수록 혼합기의 연소 속도가 감소하기 때문에 첨연가스만을 사용한 경우 대비 최적 점화시기가 점진적으로 증가하였다.
만약 암모니아의 혼합비율에 따라 점화시기를 진각시키지 않을 경우, 연소안정성이 급격하게 악화되어 미연 탄화수소 및 일산화탄소의 배출은 물론 미연 암모니아도 상당량이 엔진의 배기관을 통해 배출되었다. 전통적인 질소산화물 저감장치인 SCR(Selective Catalystic Reduction)을 통해 배출된 미연 암모니아를 질소산화물 저감에 활용함으로써 제거할 수 있으나, SCR 촉매에서 주된 반응에서 암모니아와 질소산화물의 비율이 동일함을 고려할 때 운전조건에 따라 달라지는 질소산화물 또는 미연 암모니아의 배출을 대부분 저감하기 위해서는 후처리를 통한 배기배출물 제어 및 저감 기술이 필요하다.
수소 엔진 개발
이미 알려진 바와 같이 수소엔진을 상용화하기 위한 노력은 21세기 초 BMW, Ford 및 Mazda 등에 의해서 이루어졌고, 각 회사를 대표하는 수소추진 차량의 프로토타입이 소개되었으나 수소저장방법 및 포트분사방식에 따른 비정상 연소의 위험은 해결되지 않은 상황이었다. 특히 수소의 낮은 최소 점화에너지에 따른 농후한 혼합기 조건에서 역화 및 조기점화 등 이상연소의 가능성은 수소엔진의 최대 출력 향상을 가로막은 큰 걸림돌이었다. 그러나 최근 가스연료 분사기를 포함한 공급시스템의 비약적인 발전으로 기체상태의 수소를 고압으로 연소실내에 직접분사하는 기술이 소개되기시작하였고, 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.
한국기계연구원은 2016년부터 한국항공우주연구원과 함께 고고도 장기체공용 무인기 탑재를 위한 수소엔진에 관한 연구를 진행해 왔고, 점화계 개선, 크랭크케이스 벤틸레이션 및 냉각수 온도 조절 등 자연흡기 방식의 수소엔진에서 역화 방지를 통한 출력 개선 관련 연구결과를 발표했다. 여러 가지 연소 제어인자의 최적화를 통해 동급의 가솔린 엔진 대비 70% 수준의 출력을 확보하였으나 여전히 상용화하기에는 낮은 수준이었다.
이후 2021년부터 현대자동차와 함께 희박연소를 적용하여 고가의 후처리장치 없이 무배기 수준의 수소엔진 개발을 위한 연구를 시작했으며, 직접분사식 수소연료분사기를 이용해 자연흡기방식의 수소엔진에서 최대 BMEP 0.8 MPa의 출력을 확보할 수 있음을 발표하였다. 수소전소엔진을 개발하기 위해 기존의 가솔린 엔진을 대상으로 주요부품이 변경되었으며, 직접분사식 고압 수소연료 분사기 및 과급시스템이 적용되었다. 수소의 우수한 연소특성을 이용하여 기존 가솔린 엔진에서는 구현하기 어려운 공기과잉율 2.5수준의 희박한 혼합기로 연소함으로써 거의 유일한 배기배출물에 해당하는 질소산화물을 15ppm이하의 낮은 수준으로 유지하면서도 고효율 운전이 가능함을 확인할 수 있었다. 배기배출물 보다는 최대 출력에 대한 관심이 집중되는 고부하 운전조건에서도 과급장치의 적용을 통해 질소산화물은 증가하지만 BMEP 1.2 MPa 이상의 최대출력을 얻음으로써 수소엔진의 상용화에 매우 가까운 수준임을 확인하였다.
