천연가스차량(NGV)은 국가에너지안보 확보에 중요한 역할 담당
 

이산화탄소 배출 저감 통해 국제기후변화 협약에 능동적 대응 가능
개조와 생산 활성화로 차량부품산업 및 NGV기술발전 기대
한국의 NGV 다양하고 기술력 탁월…NGV가 차세대 차량

한국에너지경제연구원과 세계 여러 경제기관들의 세계 장기 에너지 수요 및 환경변화를 살펴보면 공통적인 경향을 찾아볼 수 있는데 에너지 자원이 현재의 석유시대를 지나 가스연료의 시대에 다가가고 있으며 시간이 상당기간 걸리겠지만 궁극적으로 수소연료의 시대가 도래 할 것으로 예측되고 있다.

높은 석유 의존도에서 탈피하기 위한 대체에너지원이 필요하고 심각한 환경오염으로부터 벗어나기 위한 인류의 관심도가 매우 높아 졌으며 기존 수송용 연료의 가격 상승으로 인한 경제적인 연료의 수요가 증가하고 있기 때문에 본격적인 가스연료 시대가 가시화되면서 천연가스 차량(Natural Gas Vehicle, NGV)의 필요성이 증대 되고 있으며 천연가스 차량 기술의 고도화 또한 요구되고 있다.

자동차 연료로서 천연가스 연료는 다양한 탄화수소 연료로 조성된 가연 가스로서 주성분이 메탄(CH₄)이며 주로 유정 주변에서 얻어지는데 요즘은 채굴기술의 발달로 셰일층에서도 다량 얻을 수 있게 되었다. 천연가스 연료는 다른 연료에 비해 가격경쟁력이 높으며, 수송용으로 사용되었을 경우 매우 우수한 배기 성능을 지니고 있다. 또한 전 세계적으로 비교적 적정수준의 충전 인프라를 확보하고 있으며 기존 엔진과 차량의 부분적인 수정으로 천연가스 연료의 차량 적용이 가능한 특징을 가지고 있다.

전 세계적으로 2014년 9월 기준 약 2천 10만 대의 천연가스차량이 존재하며 이란이 약 400만 대로 가장 많은 천연가스차량을 보유하고 있는 상태이고 한국의 경우는 약 4만500대가 보급되었는데 주로 도심 대기질 개선을 위해 보급된 시내버스가 주종을 이루고 있다. 약 31,011대의 천연가스 시내버스가 보급되었으며 대도시 시내버스의 천연가스차량 보급 점유율은 98%에 이르고 있다. 2000년대 초중반에 개발 및 실증되어 배치된 5톤에서 11톤 규모의 상용 트럭과 청소차량은 약 1,254대가 보급되었으며 일반적인 승용차량의 경우는 8,203대가 개조되어 운행되어지고 있다.

일반적으로 천연가스 연료를 차량에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이기 위해 대기압(1bar) 상태로부터 약 200에서 250바(bar)로 가압된 압축천연가스(CNG· Compressed Natural Gas)가 사용되어지게 된다. CNG차량의 장점은 기존 가솔린과 디젤 차량의 엔진과 차체를 비교적 용이하게 변경하여 제작할 수 있다는 것과 검증된 차량의 내구성과 신뢰성, 그리고 매우 우수한 배기성능을 구현한다는 것이다. 하지만 단점으로는 고압의 천연가스 연료를 보관하기 위한 무거운 CNG저장용기와 한 번 충전으로 운행할 수 있는 거리가 상당히 제한적인 것이다.

압축천연가스 차량은 크게 가솔린엔진에 기초를 두고 개조된 엔진과 디젤엔진을 기반으로 개조된 엔진으로 크게 나눌 수 있다. 가솔린엔진에 기초하여 변경된 CNG차량은 가솔린과 CNG연료 모두를 자유롭게 사용할 수 있는 바이퓨얼(Bi-fuel) 방식과 CNG연료만 사용하도록 개조한 CNG모노퓨얼(Mono-fuel) 방식이 있으며 두 가지 방식 모두 주로 승용차량에 적용되게 된다. 디젤엔진에 기초하여 개조 제작된 CNG 차량은 예혼합 연소방식으로 전환하기 위해 점화플러그를 설치하고 이론공연비 연소에 3원촉매를 사용하거나 희박연소를 사용하여 유해 배출물을 저감시켜 주게 된다. 이와 같은 방식은 CNG와 디젤 연료를 동시에 사용하는 혼소(Dual-fuel) 방식의 적용도 가능하고 연료를 연소실내로 직접 분사하는 방식의 적용 또한 가능하다.

한국의 CNG시내버스용으로는 약 6, 8, 11리터의 CNG엔진이 각각 존재하는데 두산인프라코어와 현대자동차에서 각기 다른 CNG엔진을 제작하여 판매하고 있다. 현행 CNG시내버스의 주력 엔진인 6기통 11리터 CNG엔진은 싱글 포인트 인젝션, 웨이스트 게이트 타입 터보차저와 인터쿨러 장착, 최대 출력 250 kW, 최대 토오크 1373 Nm, EURO-6 배기규제 만족 등을 특징으로 보여주고 있다.

LNG차량은 장거리 운행이 장점
다음으로 액화천연가스(LNG) 차량에 대해서 간략하게 살펴보겠다. LNG 차량의 장점은 연료가 액체 상태이므로 매우 높은 에너지밀도를 갖게 되어 한 번 충전으로 장거리 이동이 가능하다. 하지만 웨더링효과(Weathering effect)로 인한 보일오프가스(Boil-off gas) 처리가 필요하고 천연가스 연료의 공기유출로 인한 에너지 손실, 발열량 변화로 인한 엔진 성능 저하 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다. LNG연료공급시스템 중에서 가장 중요한 것이 LNG용기인데 저온공학 기술이 적용되어 비교적 최근에 실용화되었기 때문에 용기가격이 매우 비싸다. LNG용기는 -162도를 유지하기 위해 특수 단열층이 필요하며 용기 재질의 강도 또한 차량 진동과 연료 유출입에 따른 압력변화를 견딜 수 있을 만큼 내구성이 보장되어야만 한다. 한국 국토부와 가스공사에서는 기존 디젤엔진을 개량하여 LNG와 디젤을 혼합 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진을 개발하였고 이 엔진을 25톤 트랙터에 적용하였다. 이 25톤 화물차용 LNG-디젤 혼소엔진은 Euro-5 배기규제를 만족하면서 평균 디젤 대체율 85%에 이르는 우수한 성능을 보여주었으며 1회 충전으로 운행할 수 있는 주행거리 또한 800 km 에 육박하고 시범운행 또한 성공적으로 진행되어 상용화에 버금가는 기술력을 확보하게 되었다.

CNG하이브리드는 연료소비율 절감 탁월
다음으로 좀 더 진화한 천연가스차량인 CNG하이브리드 차량을 살펴보도록 하겠다. CNG하이브리드 차량은 기존의 290마력 CNG엔진을 240마력의 작은 엔진으로 교체하는 대신 82마력의 구동모터를 추가적으로 장착하여 차량의 운전 조건에 따라 하이브리드 동력 시스템을 개별적으로 혹은 조합하여 운행하는 구조를 가지고 있다. CNG하이브리드 차량용 파워트레인은 현대자동차가 독자 개발하였는데 CNG엔진과 영구자석식 구동모터가 일체형으로 클러치를 통해 연결되어 있으며 6속의 자동화수동변속기(AMT)를 적용하였고, 배터리 시스템으로부터 직류전원을 공급받아 교류로 변환하여 구동모터에 공급 및 제어하는 인버터가 장착되어 있는 구조이다. CNG 하이브리드 차량에서는 주행모드 최적화 기술이 매우 중요한데 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 가능함을 시범운행을 통해 확인한 것으로 보고되고 있다. 이와 같은 연료소비율 절감을 통해 CNG 하이브리드 차량 1대당 연간 약 1천4백만원의 연료비 절감과 32톤의 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 것으로 분석되고 있다.

수소·천연가스를 혼합 HCNG 車개발
마지막으로 더욱 강화될 것으로 예상되는 EURO-6 이후의 배기규제에 대응하고 수소시대로의 가교역할을 담당할 수 있는 기술로서 수소와 천연가스를 혼합하여 일원화된 연료인 HCNG로 엔진에 공급하는 HCNG 차량 기술이 있다. 수소의 넓은 가연한계를 이용한 희박연소 방식의 HCNG 엔진은 한국기계연구원 그린동력연구실에서 개발이 완료되었는데 질소산화물 후처리장치인 De-NOx 시스템을 부착하지 않고서도 올 해부터 본격적으로 발효되는 EURO-6 배기규제를 만족시켰으며 추가적으로 약 5%의 효율 향상과 10% 내외의 이산화탄소 저감이 가능하다.

또한 2020년 전후로 시행이 예상되는 차기 배기규제에 대응하기 위하여 이론공연비 HCNG엔진과 차량 개발을 진행하고 있는데 부피비로 30%의 수소를 적용하고 다량의 배기가스재순환을 이용하여 EURO-6 기준보다 평균 40% 이상 추가로 유해배기물질을 저감시키는 것을 목표로 삼고 있다.

포스트 EURO-6 규제에 대응하기 위한 HCNG 엔진과 차량 개발사업은 환경부의 지원 아래 한국기계연구원, 두산인프라코어, 이엔드디, 자일대우버스, 한국가스공사, 한국가스안전공사 등이 컨소시엄으로 참여하여 연구개발에 박차를 가하고 있다.

천연가스차량(NGV)의 개발과 보급 효과를 에너지, 환경, 산업 측면에서 살펴보면, 먼저 에너지 측면에서는 천연가스의 지속적이고 효율적인 에너지 이용이 가능하고 이는 국가 에너지 안보의 확보에 매우 중요한 역할을 담당하게 될 것으로 기대된다. 환경 측면에서는 유해배출물의 저감을 통해 대기환경 개선에 기여가 가능하며 궁극적으로 온실가스인 이산화탄소 배출 저감을 통해 국제 기후변화 협약에 능동적으로 대응이 가능할 것으로 예상된다. 산업적인 측면에서는 연료비 절감을 통한 천연가스차량의 개조와 생산 활성화로 차량 부품 산업의 발달과 보다 안전한 천연가스차량 기술의 발전 효과가 기대된다.

지금까지 설명된 바와 같이 한국의 천연가스 차량은 계속해서 발전하여 왔으며 지금도 기술개발 고도화를 통해 끊임없이 진화하고 있다. 그 결과 한국의 천연가스 차량은 매우 다양하고 그 기술력 또한 탁월하다. 한국 정부의 지속적인 천연가스차량 연구개발 투자와 보급 노력으로 한국의 도심 대기질은 크게 개선되었으며 천연가스차량 기술 또한 세계를 리드하고 있다. 끝으로 NGV는 천연가스차량(Natural Gas Vehicle)을 의미하지만 천연가스차량이 바로 차세대차량(Next Generation Vehicle)임을 강조하고 싶다.