저탄소특성 유지와 함께 열효율 향상 연구개발에 초점
수소, LPG, CNG, GTL, DME, LNG 등 동력원 다양

▲ 한국기계연구원 강건용 환경기계연구본부장

국제 원유가가 연일 사상 최고가를 경신하면서 온 국민이 대체에너지 개발과 에너지원 다변화에 관심을 갖게 되었고 심각해져가는 대기온도상승과 대형자연재해로 인해 이산화탄소 배출억제도 인식하게 되었다.

최근 정부에서도 이러한 국민의 위기의식을 또다른 기회로 전환하고자 저탄소 녹색성장시대를 천명하였다. 이산화탄소배출은 자동차 등의 수송기계분야에서도 전체 20% 수준으로 큰 비중을 차지하고 있고, 산업에 피해를 덜 들이고도 배출을 저감할 수 있는 분야인데 향후 그린카 개발 등 정부의 많은 지원과 기술개발이 전개될 것으로 믿는다.

 

저탄소사회에 적합한 가스차량

자동차의 이산화탄소 배출은 전기에너지를 동력원으로 하는 전기자동차를 제외하고 탑재된 엔진의 열효율과 차량중량, 연료의 종류에 따라 다른 특성을 갖는다. 엔진형식에 있어서 디젤엔진은 열효율이 높은 장점을 갖지만 연료특성이 고탄소 분자를 함유하고 차량중량이 증가하는 단점을 가진다.

반면에 디젤에 비해 열효율이 다소 낮지만 연료특성이 저탄소 연료인 장점으로 가스자동차의 경우는 디젤차량과 이산화탄소배출량이 유사한 수준이며 가솔린차량보다는 낮은 값을 갖는다.

따라서 가스연료가 가진 저탄소특성을 최대한 유지하면서 디젤엔진 수준의 열효율까지 향상시킬 수 있는 다양한 방법의 연구가 많이 진행되고 있다. 연료공급시스템의 고급화와 디젤엔진 장점활용, 수소첨가로 연소효율 개선 등 가까운 시일 내 상용화 가능한 기술을 바탕으로 개발현황 및 전망을 소개하려 한다.

 

무한 자연에너지인 수소자동차

수소연료 자동차는 완전연소가 가능해 공해물질 배출이 거의 없으면서 무한한 자연에너지로부터 수소를 제조할 수 있기 때문에 미래의 에너지로 각광을 받고 있다.

수소자동차는 수소를 이용하여 전기를 발생시켜 모터로 구동되는 연료전지 자동차와 수소를 내연기관에 직접 연소시키는 수소엔진 자동차로 크게 구별할 수 있다. 수소연료전지 자동차는 자동차가 운전되는 여러 상황에서 화학적 전기분해가 충분히 일어날 수 있도록 하는 촉매반응기술 및 주변장치들에 대한 연구가 더 필요한 실정이고 가격에 대한 부담으로 향후 10년 내지 20년이 지나야 상용화가 될 것으로 전망되고 있다.

수소 내연기관 자동차는 엔진에서 수소를 연소시킴으로써 질소산화물이 발생하여 완전한 무공해자동차라고는 할 수 없지만 수소연료공급기술과 엔진재료기술 문제만을 해결한다면 비교적 빠른 시간 내 실용화가 가능할 것으로 전망된다. 최근에는 BMW 자동차회사가 수소 내연기관 승용차를 시범차량으로 제작하여 독일공항의 셔틀차량으로 운행하고 있다.

수소 자동차는 자동차의 기술적인 문제점들이 해결되더라도 상용화되는 데는 연료충전소 인프라 여건 조성도 큰 문제이다. 수소를 공장에서 대량으로 제조해서 충전소에 저장하여 판매하더라도 기존의 주유소와 같은 수의 충전소 건설이 필요하기 때문이다. 대안으로 기존의 주유소를 활용하는 조건으로 자동차에 가솔린이나 디젤을 급유해서 수소를 제조하여 운행하는 온보드 리포밍 기술도 연구되고 있으나 순수한 수소를 만들어 내는 공정의 실현이 어려운 상황이다.

▲ 친환경 가스차량 개발을 위해 연구원들이 다양한 실험을 하고 있다.

가스연료 개질 자동차 

수소연료를 차량탑재상태에서 기존연료로부터 개질(리포밍)하여 엔진에 공급하는 기술은 기존 엔진의 약점을 수소연료로 보완할 수 있기 때문에 많은 연구가 수행되고 있고 가까운 시일 내 상용화도 가능하리라고 본다. 리포밍기술에 있어서는 액체연료인 가솔린, 디젤은 기화과정 등 복잡하고 효율이 떨어지지만 LPG, CNG 등 가스연료는 효율이 높아 유리한 점이 있다. 이와 같이 가스연료 중 일부를 수소가스로 개질할 경우 엔진의 초희박연소기술을 구현할 수 있고 촉매활성화 영역확대 등 초저공해수준을 달성할 수 있도록 한다.

일부에서는 이와같은 연료를 브랜드화하여 하이탄, 하이판 등으로 차별화하고 있다. CNG차량같은 경우 이와 같은 개질기술을 적용할 경우 Euro-5 달성은 엔진의 큰 개조없이 달성이 가능할 것으로 본다. LPG차량의 경우도 SULEV 등 차기 배기가스규제를 만족하는 기술로 인식되고 있다. 현재 연료개질하는 방법으로는 플라즈마개질, 촉매개질 등 다양한 기술들이 연구되고 있고 경제성이 있으면서 내구성을 갖는 기술이 실용화 될 것으로 예상된다.

 

가스자동차 연구개발 동향

석탄을 가스화한 후 다시 액화시킨 GTL연료도 자동차에 활용이 가능하며 유해배출가스 저감효과도 있기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 이 기술은 남아프리카공화국 및 독일에서 석유수급의 문제를 해결하기 위해 오랫동안 시도되었으며 연료제조단가가 높은 것이 장애요인이었으나 석유 값의 인상으로 경쟁력을 갖추게 되었다.

장기적으로 GTL만을 사용하는 자동차가 등장하겠지만 현재는 생산량이 제한되어 가솔린연료의 옥탄가향상 첨가제로도 많이 이용될 전망이다.

디젤자동차의 매연을 원천적으로 저감하기 위한 대안으로 DME연료도 주목을 받고 있다.

DME연료는 LPG와 같이 낮은 압력으로 액화가 가능하고 세탄가가 높기 때문에 디젤연료의 대체연료로 사용이 가능하면서 가스연료의 특성으로 매연입자의 배출이 없는 장점을 갖는 연료이다. 또한 DME는 천연가스 저장시설에서 누출되는 가스를 처리해서 만들어질 수 있는 연료일 뿐 아니라 수송이 용이하기 때문에 자동차 연료로 사용할 경우 많은 장점을 갖는다.

가솔린자동차나 디젤자동차에 이어 가장 많은 보급률을 보이고 있는 LPG자동차도 기술의 발전과 더불어 보급이 증가될 전망이다. 지금까지 정책적으로 저가의 연료로 취급되어 기술개발이 다른 자동차에 비해 늦었지만 최근 액상분사기술(LPLi)이 적용된 엔진이 개발되면서 가스연료의 청정성을 유지하면서 출력 및 운전성을 대폭 향상시킬 수 있게 되었다.

또한 부탄 주성분이었던 성상을 프로판 비율을 증가시키면 옥탄가를 증가시킬 수 있기 때문에 대형자동차에도 적용이 가능한 기술이다. 또한 LPG연료를 실린더에 직접 분사하는 기술과 하이브리드자동차 기술을 접목하면 배출가스를 현저히 줄이면서 에너지효율이 높은 자동차를 개발할 수가 있어서 미래자동차시장에서도 많은 보급비율을 유지할 수 있을 것으로 본다.

대형차량에 적용되던 CNG자동차도 중소형자동차까지 보급이 확대될 것으로 예측된다. 고압의 가스공급기술과 연료저장용기 기술 발전과 더불어 대형차량에 탑재되었던 기술들이 점차 중소형 차량에서도 구현이 가능하기 때문에 CNG의 청정성을 강조하면서 편의성까지 증진시킨 자동차가 경쟁력을 갖게 될 것이다. 또한 대형차량에서는 CNG연료를 액화시킨 LNG연료 엔진기술이 개발되어 운행거리의 단점을 극복할 수 있는 LNG자동차도 등장할 것으로 전망된다.

 

가스자동차 기술 발전전망 

향후 엄격한 요구조건을 만족시키려면 자동차의 종류가 운행되는 시장여건에 따라 목적에 맞도록 다양하게 보급될 것으로 전문가들은 예측하고 있다. 즉 맞춤형 자동차시대가 도래한다는 것이다. 공항에서 운행되는 차, 도심에서 운행되는 차, 고속도로 운행되는 차 등 다양한 운행여건에 가장 적합한 자동차가 개발되고 보급될 전망이다.

가스자동차의 보급도 인프라와 운행조건에 맞춘 다양한 형태가 될 것이고 각 연료가 갖는 저탄소특성을 유지하면서 엔진기술의 열효율향상 및 후처리기술의 보완으로 기술개발이 전개될 것으로 전망된다. 다른 나라에 비해 가스자동차 보급 및 기술수준이 앞선 우리나라의 경우 세계시장으로의 수출 등을 통해 녹색성장시대를 만들 수 있도록 정부의 기술개발 확대와 지원정책이 뒤따라야 함은 물론이다.

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