시범운행 통해 용기·충전설비 기술적 타당성 확인
5톤, 25톤 화물차 및 트랙터 혼소시스템 개조 연구

국내 대도시의 대기오염 요인중 하나인 자동차 배출가스는 대기오염비중의 약 60% 이상이며 자동차배출가스 중 미세먼지의 57%가 대형경유차에 기인하는 것으로 알려져 있다.  경유시내버스 1대는 승용차 40~80대 분에 상당하는 오염물질을 배출하는 만큼 대형 경유차의 배출물 저감방안은 대기환경 개선에 시급한 과제이다. 

LNG차량 도입배경

이러한 이동오염원의 감소를 위해  정부는 ‘수도권대기환경개선에 관한 특별법’을 제정하여 우선 수도권을 대상으로 대기질 관리를 강화하고 있다. 이러한 정책의 일환으로 국내에서는 천연가스버스 보급을 확대하고 있으며 이제 보급 규모도 2008년 6월 현재 16,500여대에 이르고 있다. 

LNG차량은 저온 상태의 LNG를 차량연료로 공급하여 기화기를 통해 엔진에 공급하는 방식으로 CNG에 비해 에너지 저장 밀도가 높아 장거리 주행이 가능한 특징이 있다.  화물차 또는 시외버스와 같은 대형차량의 경우 연료 소모가 많고 또한 장거리 운행조건이기 때문에 LNG연료 공급방식이 적합하다.  연료충전 인프라가 취약한 현실에서 LNG차량이 유리한 또 하나의 장점은 바로 인프라 부담을 줄여줄 수 있다는 것이다. 

주행거리가 늘어남에 따라 충전횟수가 감소하게 되므로 충전인프라가 부족한 초기에는 물류차고지 또는 터미날 등에 LNG 충전소를 설치한다면 전국적으로 LNG차량 운행이 가능하다.  따라서 시내버스나 단거리 주행차량은 CNG차량으로, 장거리 고속버스나 트랙터 등은 LNG를 사용하는 것이 운행면이나 경제성면에서 합리적인 방안이 될 수 있다.

연료저장과 공급방식 특성

CNG차량과 LNG차량의 차이점은 연료 저장과 공급방식에서 차이가 있다. CNG차량은 가스상태의 천연가스를 고압으로 압축하여 저장하므로 운행거리가 액체연료보다 짧으며, 고압의 가스를 저장해야 하므로 고강도가 요구되어 용기의 무게가 증가하는 단점이 있다. <표1>참조

한편 LNG차량은 연료를 액체상태로 저장하기 때문에 다른 액체 석유연료에 상당하는 운행거리를 보여준다. CNG차량에 비해 약 3배 수준의 운행거리의 증가를 실현할 수 있다. 그러나 액체상태의 천연가스는 저온으로 저장되어야 하므로 단열성능이 뛰어난 용기에 저장되어야 한다.

LNG 저장용기는 차량용에 적합한 특성을 갖도록 고압가스안전관리법에 제조 및 검사기준이 정해져 있다.  LNG는 단열용기에 저장되지만 외부의 열침입에 의해 일부 기화가 발생한다.  기화된 가스는 용기내의 압력을 상승시키게 되는데 이러한 특성이 LNG를 차량연료로 사용하는 제한요소가 되며 차량 적용시 신중히 검토하여야 한다. 

실험결과 LNG 용기에 저장된 연료가 약 일주일까지 벤트가 되지 않는 것으로 평가되었으며 안정적인 LNG 저장 및 차량운행을 위해 5일 이내의 운행주기를 갖는 차량에 적용하는 것이 바람직하다.  대상차량으로는 정기 운행하는 고속버스와 운행주기가 빈번한 화물차량 등에 적용하는 것이 효과적이며 주행거리가 CNG에 비해 확대된 만큼 대형차량에 적용이 가능하다.  

 
LNG차량 국내외 개발 현황

국내의 LNG차량 개발은 크게 두 방향으로 진행되고 있다. 먼저 제작사에서 공급하는 방식으로 LNG 연료 공급장치를 탑재하고 전용엔진을 개발하여 리무진 버스와 화물 운반용 트랙터에 적용하는 방법이며 LNG 전소 방식이다. 

2004년부터 가스공사에서 대우버스와 타타대우상용차를 통해 개발을 시작하여 2006년에 개발을 완료하였으며 2007년부터 시범운행이 시작되었다. 현재까지 시험운행을 통해 LNG 연료용기 및 충전설비에 대한 기술적 타당성을 확인한 상태이다. 현대자동차에서도 최근 LNG버스를 개발하여 시험운행하고 있다.<표2>참조   

이밖에 기존 경유차량을 LNG 혼소(dual fuel) 시스템으로 개조하는 연구가 환경부의 무·저공해자동차사업단의 지원으로 진행되었다.  이 방식은 경유를 점화원으로 하고 주 연료는 천연가스를 사용하는 방식으로 개조범위가 적고 경제적인 방식이다. 

5톤 및 25톤 규모의 화물차 및 트랙터를 대상으로 하였으며 주요 개발기술로는 경유와 LNG를 각각 제어할 수 있는 제어장치와 천연가스 인젝터를 포함한 연료공급 장치를 설계, 제작하여 엔진 부하 및 속도에 따라 적절한 연료분사 조건을 매핑하였고 제어장치의 안정성 확보를 위해 환경시험과 진동시험 등을 통해 신뢰성을 확인하였다. 

혼소엔진의 출력 성능은 개조전 엔진의 성능과 동등한 수준이며 최고출력은 430마력으로 엔진 제원대비 97% 수준이다.  배출가스는 ND-13모드로 시험하여 EURO-4 기준을 만족시켰으며 이때 LNG 대체율은 각 운전조건에 따라 다르며 평균 85% 수준으로 평가되었다. 차량상태의 도로주행은 약 35,000km 이상 시험운행이 이루어졌으며 연비 및 LNG공급 안정성 등을 확인하였다.  25톤 트랙터의 경우는 차량 구조변경을 승인 받은 상태로 현재 상업 운행 중에 있다.

LNG차량 보급 확대를 위해 초기에는 경유와 천연가스를 동시에 사용하는 혼소 방식으로 보급하는 것이 초기 충전인프라가 부족한 현실에서 LNG차량을 용이하게 공급할 수 있는 방안이다.  시험운행 결과 25톤 트랙터와 5톤 화물차의 경우 1,000km 이상 주행 가능한 것으로 확인되었다. 

유럽의 경우 천연가스자동차를 향후 2020년까지 전체 차량의 10%인 2300만대 수준(’05년 기준 55만대 보급)으로 확대하려는 법안이 통과된바 있다.  이처럼 천연가스자동차는 세계적으로 대기오염물질 감소뿐 아니라 지구 온난화가스 저감과 석유의존도 감소라는 큰 흐름 하에 확대되고 있다. 

보급이 가장 활발한 나라는 미국과 중국이며 미국은 1992년 이전부터 청소차, 트레일러, 전세버스 등 대형 차량에 LNG 전소 또는 혼소차량으로 다양하게 적용하고 있다. 중국은 꾸이양 지역에 2003년부터 본격적으로 LNG자동차가 보급되었으며 2007년 기준으로 약 3,000여대의 LNG차량이 운행되고 있는 것으로 알려져 있다. 

일본의 경우는 대형트럭에 LNG차량을 시범 적용하는 프로그램을 2007년 12월부터 ’08년 3월까지 마쳤으며 2단계로 내구성과 신뢰성 시험을 계획하고 있다.  시범차종으로는 적재중량이 13톤급인 화물차량으로 1,000km 주행거리를 확보하는 것이 목표이며 연료용기는 340ℓ용 2개를 장착하는 조건이다. 이 계획은 일본가스협회(JGA)를 중심으로 정부의 지원 하에 ‘차세대 초저공해 차량개발 계획’으로 추진되고 있다.

기대효과

개발된 LNG차량은 향후 시범사업을 통해 충분한 기술적 검증과 확인을 전제로 세부적인 지원제도를 도입한다면 여러 가지 장점을 가지고 있어 보급이 확대될 것으로 전망된다.  이미 천연가스 차량은 국내외적으로 환경성과 경제성이 확인된 만큼 환경 정책, 고유가 대응, 에너지 안보 측면에서 확대할 필요가 있으며 다양한 차종개발이 뒤따라야 할 것이다.

LNG차량은 이제 도입단계로서 관련부품 및 설비가 고가이며 LNG 충전소 인프라 부족 등의 어려움이 예상되지만 관련 부품의 국산화 등 기술 개발 노력과 충전 인프라에 대한 확고한 의지를 가질 경우 충분히 해결될 수 있는 문제이다. 

특히, 보급초기에는 충전인프라의 부담을 완화 할 수 있는 혼소차량을 도입함으로서 효과적으로 시장의 반응을 얻을 수 있을 것으로 기대한다. 이제 머지않아 국내에서 LNG차량이 CNG차량과 상호보완적인 역할로 대기환경 개선은 물론 국민 경제적으로 도움을 주는 친환경 교통수단이 되길 진심으로 기대해본다.