▲ 인천에 위치한 한국가스공사 H₂/HCNG 복합충전소 전경. 상반기 준공 목표로 아직 건설 중이다.

상용화 보급 시 수송분야 온실가스 감축 기대

 

불과 1년만에 유가가 반토막으로 떨어지면서 석유화학 및 플랜트 산업이 직격탄을 맞고 세계경제가 위축되는 상황을 목도하면서 에너지 가격의 파급효과가 얼마나 큰지 실감하게 된다. 

에너지 수입국 입장에서 저유가는 환영할 만하지만 우리나라의 산업구조가 수출중심이기 때문에 해외 경기에 민감할 수밖에 없다. 이러한 상황 변화는 셰일가스와 같은 비 전통에너지의 등장이 원인임은 두말할 나위가 없다. 앞으로 유가의 흐름을 예단할 수 없지만 OPEC을 중심으로 한 석유자원국과 북미를 중심으로 한 비전통자원국간의 경쟁은 지속될 것이며 경쟁 우위의 시장으로 변하게 될 것은 자명하다. 우리나라의 경우 아쉽게 에너지 부존자원이 없기에 적절한 에너지 정책이 중요하며 특히 수송에너지의 경우 더 그렇다.      

국내의 용도별 총에너지 소비 중 수송에너지는 약 20% 수준으로 단일용도로 매우 큰 비중을 차지한다. 물론 에너지 집약적인 산업구조를 고려할 때 산업용이 58%의 비중을 차지하지만 이는 중공업과 수출 비중이 큰 국내 산업특성을 고려할 때 새삼스러운 것은 아니다. 

수송용 에너지의 원별 비율은 대부분 가솔린과 경유로 95%가 석유제품이고 1%는 지하철 및 고속철도(KTX)에 소비되는 전기에너지이다. 천연가스의 수송에너지는 CNG 버스를 중심으로 발생된 수요로 3%에 불과한 실정이다. 

최근 저유가에 따른 경유와 CNG 가격의 상대가격 차이 감소로 CNG버스 보급에도 빨간불이 켜졌으며 보다 경쟁력 있는 기술이 필요한 실정이다. 

이와 같은 상황에서 천연가스를 주 연료로 하는 수소혼합천연가스(이하 HCNG)자동차에 대한 연구가 상당히 진행되어 이제 가시적인 연구결과가 도출되어 HCNG 버스에 대한 기술개발 현황과 기대효과를 소개하고자 한다. 

 

수소혼합천연가스(HCNG) 연료 특성 

HCNG 연료는 수소 30%와 천연가스 70%가 혼합된 균질 가스로 수소의 연소 촉진 특성으로 연소안정성 및 노킹 안정성이 크게 증가하고 고압축비가 가능하여 효율 향상 효과가 있다. 또한 높은 수준의 배기재순환(EGR) 연소가 가능해 저 NOx 화에 유리한 장점이 있으며 연료 자체의 탄소비율이 감소에 따라 이산화탄소의 저감도 CNG에 비해 10% 이상 기대할 수 있다. 이와 같은 특성은 HCNG 연료가 가지는 장점이며 차기 배기규제를 만족하기 위해 엔진 주변 부품과 제어기의 보정 작업이 필수적으로 필요하며 연료체적 증가 및 EGR 유량 증가에 따른 관련 변수들을 최적화시키는 노력이 필요하다. 

 

HCNG 엔진 개발 

국내 HCNG 엔진 개발은 2011년 환경부 친환경자동차사업단의 지원 하에 착수되어 금년 완료를 앞두고 있다. 한국기계연구원에서 HCNG 엔진 개발을 수행하였으며 이론공연비 방식을 적용하였다. 개발된 HCNG 엔진은 차기 배출가스기준(EURO 7)을 만족하기 위한 기술로 11리터급 시내버스 엔진을 대상으로 하였다. 

효율과 직결된 압축비는 기존 10.5에서 12.0으로 증가시킬 수 있었으며 운전조건의 최적화로 효율이 CNG 엔진대비 19%가 향상되는 결과를 얻었다. 

효율 향상은 CO₂ 저감효과로 바로 나타나며 차기 배기규제에서 예상되는 CO₂ 규제를 선제적으로 대비할 수 있는 기술을 확보하게 된 것이다. 배출가스 수준 역시 현재 적용되고 있는 EURO6 기준 보다 40% 향상된 수준을 충분히 만족할 수 있는 것으로 확인되었으며 NOx와 CO, CH₄, NMHC 모두 탁월한 저감 성능을 보였다. 특히, CO₂의 경우 연료자체의 저탄소 특성에 의한 효과뿐 아니라 효율 향상에 의한 저감 성능이 추가되어 향후 예상되는 온실가스 감축수단으로 충분한 효과를 발휘할 것으로 기대된다. 

 

HCNG 버스 개발

실차 평가를 위해 자일대우버스의 시내버스 모델인 BS106 차량에 HCNG 엔진을 탑재하여 시험 중에 있으며 동급의 천연가스 차량과 동등한 동력성능을 확보하였다. 2016년 상반기까지 실증운전을 통해 차량성능과 안전성을 확인할 예정이다. 아래 사진은 시험용으로 제작된 HCNG 시내버스 모델이며 HCNG 연료 충전을 위한 저장식 충전시설을 설치하여 실증운전을 진행하고 있다. 

해외의 경우 2000년대에 들어서면서 HCNG 엔진을 탑재한 버스의 시범운행이 북미, 유럽, 중국, 인도 등에서 적극적으로 이루어져 왔다. 최근에 엔진개발과 시범운행이 이루어진 곳은 이탈리아 Ravenna로서 HCNG 전용 엔진을 개발하기보다 기존의 CNG 엔진을 수정 없이 활용하여 보급에 중점을 두겠다는 정책으로 진행되어 최적화 성능을 발휘하는데 한계가 있는 것으로 파악되었다. 

앞서 북미나 다른 유럽지역에서도 HCNG 엔진 개발에 힘써 왔지만 현재 시행되고 있는 EURO6 이상의 배기규제를 만족시키는 차량이 개발된 적은 없다.   

 

안전기준 개발

국내의 경우 현행법상으로는 기존의 CNG충전소 및 수소충전소에 HCNG 혼합설비를 추가하여 HCNG를 병설하여 운영할 수 없다. 따라서 기존 연료공급 시설에 HCNG 충전소 병설을 위한 특례기준이 필요하며, 국내에서 2014년 8월에 고압가스안전관리법에 기초한 HCNG 충전소 특례기준이 제정되었다. 특히 기존의 충전소에 추가적인 설비를 설치하기가 곤란한 경우 구조물의 안전성을 확보하여 캐노피 상부에 설비를 설치할 수 있도록 기준을 마련하였다. 

이는 향후 HCNG의 상용화를 대비하여 기존의 CNG 충전인프라를 활용하고자 할 때 설비 구축의 유연성을 확보하기 위한 방안이며 수소연료전지 자동차의 상용화를 위한 수소공급 인프라 확충에도 유용하게 활용될 수 있다. 

HCNG 충전소에 관한 안전기준은 기존의 수소 및 CNG기준을 준용하여도 안전상 무리가 없는 것으로 판단되었다. 다만, 충전소 내에 CNG와 수소가 혼재한다는 측면에서 수소 충전소 기준에 적용되고 있는 타 가연성가스 제조시설과의 이격거리 5m기준을 준용하였고 안전관리를 위한 안전장치 설치 기준은 수소 및 CNG 충전소에서 도입하고 있는 기준을 적용하는 것으로 정리하였다. 

▲ HCNG 시작차량(좌) 및 저장식충전소 설치모습(자일대우버스 내)

HCNG 충전시스템 개발 

국내 천연가스 배관망은 전국을 대상으로 이미 구축되어 있으며 이러한 인프라를 활용하여 HCNG 충전 시스템을 구축한다면 용이하게 충전망을 구축할 수 있을 것으로 보이며 동시에 수소 인프라를 구축하는 효과를 거둘 수 있다. 2000년 6월부터 시작된 CNG 충전소는 2015년 기준 총 190여개소가 있다. 

기존 CNG 충전소는 버스 차고지 및 공영차고지 등에 설치 운영 중에 있으며 기존 CNG 충전소에 수소발생장치를 추가 설치하면 CNG와 HCNG 및 H₂를 각각 공급할 수 있는 충전 시스템을 구축할 수 있다. 기존 CNG 충전소에 수소 공급 설비를 설치하기 위해 안전거리 확보를 위한 추가 부지가 필요하지만 이 문제를 해소하기 위해 복층구조의 복합충전 시스템을 설치하는 방안을 시도하였다. 

즉, HCNG 디스펜서는 지상에 설치하고 2층에는 수소와 CNG 압축기 및 저장 실린더와 혼합장치가 설치되는 형태를 갖는 것이다. 주요 구성 설비로는 수소개질시스템과 압축기 및 혼합장치가 있고 디스펜서 충전압력은 CNG와 같은 250기압이다. 현재 시운전이 진행 중이며 올해 상반기에 HCNG 버스와 연계한 충전소 실증운영이 진행될 예정이다.  

HCNG버스 실증을 위한 충전인프라는 현재 두 가지 형태로 진행하고 있다. 한 가지는 위에 보이는 것처럼 수소 제조설비와 HCNG 혼합설비를 갖춘 충전시스템으로 제조식 HCNG 충전소의 형태이다. 두 번째는 HCNG 연료를 튜브트레일러에 저장하여 공급하는 방식으로 저장식 HCNG 충전소이며 울산의 대우버스 주행시험장에 구축한 방식이다. 

이 방법은 초기 이동식 CNG 충전설비와 유사한 개념이다. 이러한 두 가지 충전설비는 특례기준에 의해 설치되었으며 HCNG 버스 실증운전을 통해 상세기준으로 정립될 예정이다.  

 

기대효과 

EURO7을 대비한 HCNG버스 개발은 세계 최초로 개발된 기술이며 CO₂배출 특성이 CNG버스에 비해 약 20% 정도 개선될 것으로 기대되고 있어 수송분야의 온실가스 감축에 크게 기여할 수 있을 것으로 본다. 액체 연료가 가지는 탄소계수가 천연가스보다 높은 점을 고려하면 경유버스에 비해 CO₂저감특성은 더 클 것으로 예상된다. 

또한 천연가스가 가지고 있는 친환경성을 그대로 유지하기 때문에 미래의 친환경자동차로서 크게 주목을 받게 될 것으로 기대된다.    

또한 HCNG 충전소 구축은 HCNG 버스 보급을 위해 필요할 뿐만 아니라 향후 예상되는 수소연료전지 자동차 보급에 필요한 수소 충전 인프라 구축에도 활용할 수 있어 장기적인 로드맵을 가지고 추진할 필요가 있다. 

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