수송용 · 발전용 · 산업용 가스엔진 개발해 
효율적 이용 시 고유가 시장변화 대비 가능

셰일가스 개발에 따른 가격 안정화로 가스차 보급 확대 가능  
한국은 CNG·LPG 엔진기술 최고, 가스연료 인프라 확충 절실

최근 중국과 인도 등의 개발도상국에서 산업화에 박차를 가하면서 산업부문은 물론, 교통부문에서의 에너지 사용량이 급속도로 증가하고 있는데, IEO 2016 보고서에 따르면 교통부문에서의 에너지소비는 연평균 1.4%의 속도로 증가했다.

이와 같은 에너지사용량의 증가는 지구온난화 가스인 이산화탄소의 배출과도 밀접한 관련이 있는데, 전 세계적으로 이산화탄소를 포함한 대기환경오염 방지에 대한 관심이 커지면서 전 세계 120여 개국이 2030년까지 온실가스 감축목표를 발표했고, 우리나라도 배출전망치 대비 37% 감축을 목표로 하고 있다.

온실가스 감축을 위한 대응전략 마련이 절실한 상황에서, 탄소함유율이 낮은 연료(저탄소연료)인 가스연료에 대한 관심이 집중되고 있다. 특히 지난 봄 고농도 미세먼지가 빈발하여 미세먼지 문제 해결을 위한 국가적 차원의 대책의 일환으로 미세먼지를 다량 배출하는 경유차·건설기계 관리 강화와 함께, 친환경차 보급을 획기적으로 확대하기로 함으로써 친환경 연료로서 가스연료를 사용하는 자동차의 보급이 빠른 속도로 확대될 것으로 예상되고 있다. 기존의 화석연료를 대체하여 사용할 수 있는 가스연료는 천연가스, LPG 및 수소 등이 있다.

천연가스 엔진

메탄(CH₄)을 주성분으로 하는 천연가스는 매장지역이 세계 각지에 고르게 분포되어 있으며, 매장량이 풍부하여 안정적이고 장기적인 공급이 가능하다. 옥탄가 및 자기착화온도가 높기 때문에 압축착화 방식보다는 불꽃점화방식에 적합하기 때문에 천연가스 연료만을 사용하거나 독립적인 연료공급시스템을 갖는 가솔린 연료와 번갈아 사용이 가능한 Bi-fuel 방식의 불꽃점화엔진에 이용되고 있다.

세계적으로 보급되어 있는 천연가스 자동차의 대부분을 차지하는 천연가스 승용차의 경우 인프라 구축이 미흡한 상황을 고려하여 Bi-fuel 방식이 널리 적용되어 있다. 천연가스는 흡기관을 통해 공급하고 소량의 디젤 연료를 분사하여 보조 점화원으로 이용하는 Dual-fuel 방식은 주로 대형 디젤엔진을 개조하여 적용되고 있으며, 독특한 연소특성을 보이는 특징 때문에 고효율, 저배기를 목표로 하는 신연소 기술로서 많은 연구가 진행되고 있는 상황이다.

국내의 경우 천연가스 자동차는 2002년을 기점으로 본격적인 보급이 이루어지기 시작하여 4만여 대로서 전체 자동차에서 차지하는 비중은 0.2% 수준이며 차종의 제한과 충전 인프라의 부족으로 대부분 시내버스 및 특수목적(청소차) 위주로 보급이 이루어졌다. 한편 강화되고 있는 배출가스 규제 및 온실가스 배출규제와 같은 세계 자동차 시장의 환경 변화에 대응하기 위해 연비 개선 및 유해물질 배출감소를 위한 신기술 개발의 일환으로는 CNG 하이브리드 차량과 HCNG 엔진기술이 대표적이다. 현대자동차에서는 2012년 저상 CNG 하이브리드 버스를 개발하여 서울시내 노선에 투입하여 시범운행 및 모니터링을 실시하였다. 차량의 출발 시에는 구동모터만을 이용해 저속 주행하고, 감속 시 요구되는 제동 운동에너지를 구동모터의 발전기능을 이용하여 배터리에 전기에너지로 변환하여 충전한다. 상기와 같은 운전 제어를 통해 시내 노선의 시범운행에서 평균적으로 약 33.7%의 연비개선효과가 있음이 보고되었다.

HCNG 엔진기술은 천연가스와 수소가 혼합된 하나의 가스연료를 엔진에 공급하여 연소시킴으로써 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위 등의 특성을 이용하여 천연가스 엔진이 가지고 있는 한계를 뛰어넘어 출력 및 배기성능을 최적화하는 기술이다.

천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 천연가스의 개질을 통한 수소의 생산이 용이하고, 가스연료로서 혼합이 쉬울 뿐만 아니라 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있기 때문이다. 개발된  HCNG 엔진은 적합한 고유량 배기가스 재순환 기술을 전 운전영역에 걸쳐 최적화하여 내구성과 연비를 더욱 개선했다. HCNG 엔진은 동등 출력성능만으로 기존의 천연가스 시내버스 대비 이산화탄소를 18% 더 적게 배출하고 연비성능은 8%가 향상되었다. 특히 모든 유해배기물질을 현재 유로 6 배기규제의 1/3 수준으로 저감시켜 2020년부터 적용될 유로 7의 배기규제도 무난하게 만족시킬 것으로 예상된다.

전 세계적으로 환경오염, 기후변화 대응 등에 대해 공통의 문제의식을 갖고 있으며, 자동차제작사를 중심으로 한 천연가스 승용차의 보급 및 가장 빠른 시장 성장세를 보이는 중국 등을 고려할 때 천연가스 자동차 시장은 당분간 확대 추세를 유지할 것으로 예상된다. 미국 발 셰일가스의 본격적인 개발로 인한 천연가스가격의 하향 안정화 추세, 정부정책(인프라, 인센티브 수준) 등에 따라 향후 천연가스 차량의 보급은 지속적으로 확대될 것으로 전망되며, 충전인프라 미비와 차량성능, 경제성 등 감안 시 운행거리가 긴 상용차 중심으로, 승용차량의 경우는 Bi-fuel 차량으로 보급될 것으로 예상된다.

LPG 엔진

LPG 연료는 프로판과 부탄을 주성분으로 하며, 각각의 혼합비율은 국가 및 사용처에 따라 다르다. 액화시킬 경우 저장 및 수송 등 취급이 용이하고 옥탄가 등 연료성분이 휘발유와 유사하여 청정대체연료로서 여러 나라에 LPG 자동차가 다수 보급되어 있는 상황이다. 국내에서 자동차 연료로 사용되기 시작한 것은 1960년대부터이나, 베이퍼라이저와 믹서를 사용하는 예전의 LPG 연료공급시스템의 제어 한계성으로 인해 청정연료임에도 불구하고 많은 유해가스를 배출했다. 가스유량의 제어도를 높이기 위해 전자제어 믹서 방식 및 가스분사 방식이 개발되었으나, 체적효율의 감소로 인한 출력 저하 및 겨울철 냉시동성 불량과 같은 문제점을 여전히 갖고 있었다.

이에 반해 LPG 액상분사방식은 정확한 연료량을 액체 상태로 분사하는 기술로서, 연비와 출력은 물론 배출가스 특성이 향상되기 때문에 우리나라에서는 2003년부터 자동차 제작사에서 상용화하여 이용하고 있다.

엔진의 저연비 및 저공해성을 목표로 LPG 연료를 효율적으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, LPG 하이브리드 자동차 기술, LPG 직접분사기술과 수소를 혼합하여 연소하는 HLPG 기술개발이 그 대표적인 예라 할 수 있다. 현대자동차는 LPG 액상분사방식 엔진을 하이브리드 자동차에 적용하여, SULEV(극초저공해자동차) 배출가스 기준을 만족하고, 이산화탄소의 배출은 99g/km에 해당하는 LPi 하이브리드 자동차를 상용화 개발하였다. 또한 친환경자동차기술개발사업을 통해 연료공급계 핵심부품의 국산화 개발을 병행 추진하여, 다운사이징 기술을 적용해 연비는 10% 높이고 배출가스는 대폭 줄인 LPDi 차량도 선보였다.

한국기계연구원에서는 2009년부터 초희박 직접분사식 LPG 엔진기술 개발 연구를 진행하여 다수의 논문을 발표하고 특허를 등록한 바 있다. 직접분사식 성층 희박연소 기술은 연료를 실린더 내에 고압분사하여 성층화 시킨 뒤 연소함으로써, 펌핌 손실 및 냉각 손실을 대폭 저감시키고 고압축비를 통한 고효율 연소를 실현할 수 있다. 안정적인 성층희박연소를 구현함으로써 약 12% 수준의 연료소비율이 저감됨과 동시에 질소산화물과 일산화탄소의 배출이 현저하게 감소됨을 보고하였다. 기존의 LPG 엔진에 수소를 첨가하여 안정적인 희박연소를 유도하는 HLPG에 관한 연구도 진행되었다. 국민대학교에서는 HLPG 엔진의 배기 특성을 비교하여, 희박연소에 의해 질소산화물이 약 90% 저감되었으며 효율향상으로 인해 이산화탄소 또한 약 10% 이상 저감되는 것으로 보고하였다.

세계적으로 LPG 자동차는 연평균 10%의 성장세를 보이고, LPG 소비량도 연 평균 5%의 성장세를 보였으나, 저유가 현상이 장기화되면서 LPG 자동차에 대한 관심과 판매량이 다소 정체되고 있는 상황이다. 그러나 셰일가스의 개발 및 보급 확대가 진행될수록 5∼25%에 이르는 부산물로서의 LPG 연료의 공급 및 가격 면에서 긍정적인 영향을 미쳐 LPG 자동차의 보급이 확대될 것으로 기대된다.

수소 엔진

수소는 탄소를 포함하지 않고 이론적으로 물이 유일한 배출물인 청정연료로서, 수소에너지 기술은 수소의 제조, 저장, 수송 및 이용에 이르기까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있다. 전술한 바와 같이 수소는 넓은 가연한계를 갖는 특성으로 안정적인 희박연소를 통한 고효율 연소 및 높은 옥탄가를 이용한 고압축비 적용 시 추가적인 효율 개선이 가능하다.

BMW는 1978년 세계 최초로 차량용 수소엔진을 개발하기 시작한 이후로 지속적으로 새로운 모델을 선보였으며, 2000년 140 리터의 액체수소로 300 km의 주행이 가능한 양산 개념의 수소엔진 자동차를 공개하였다. 그러나 수소의 낮은 점화에너지로 인해 흡기다기관내로 화염이 역류하는 현상인 역화의 발생 및 수소의 큰 비체적으로 인한 출력 저하 등의 문제점이 다수 보고되었다. Ford에서는 수소를 액상으로 흡기관에 분사함으로써 역화발생 및 출력저하의 단점을 극복하였으나, 연료공급라인 및 분사기가 극저온의 환경에서 작동해야 하는 문제로 인해 시제품 공개에 그쳤다. 세계에서 유일하게 차량용 로터리 엔진을 생산하고 있는 일본의 Mazda는 연소실과 흡기가 분리되어 있는 로터리 엔진의 특성을 이용하여 역화를 방지하고, 열원으로 작용하는 배기밸브가 없기 때문에 조기착화의 발생을 억제할 수 있음을 보고하였다.

직접분사식 수소엔진의 개발에 대한 요구가 증가함에 따라 국내에서는 성균관대학교에서 1987년부터 고압수소분사밸브를 이용한 연구를 진행하였다. 수소를 연소실내에 고압으로 직접 분사하더라도 공기와의 혼합이 원활하지 않기 때문에 사이클변동에 영향을 미치며, 윤활성의 부족으로 분사기의 밸브스템과 가이드의 마모로 장기간 사용 시 기밀성이 저하되는 단점이 확인되었다.

연료전지의 도입이 불확실한 상황에서 상대적으로 용이하게 개발이 가능한 수소엔진이 대기환경오염 개선 및 에너지 대체의 실현이 가능한 차세대 동력원으로 평가되고 있다. 수소의 저장성 향상 및 충전인프라 등의 주변 여건의 향상 없이는 시장 확대가 어려운 것이 사실이지만, 기존의 엔진 개발기술 및 가스연료 관련 부품의 생산시스템의 활용이 가능하기 때문에 신뢰성 있는 수소엔진 개발 시 파급효과는 매우 클 것으로 예상된다.

결언

가스연료는 그 에너지원의 추가개발 가능성이 다양하고 매장량이 풍부하기 때문에 화석연료를 대체하여 보다 오랫동안 이용될 것으로 예상된다. 이에 에너지원의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라의 특성상 수송용은 물론, 발전용 및 산업용 가스엔진을 개발하여 효율적으로 이용할 경우 고유가에 의한 시장변화에 유연한 대비가 가능하다. 특히 우리나라의 CNG 및 LPG 엔진기술은 세계최고수준으로서 세계기술동향을 이끌고 있기 때문에, 추가적인 가스엔진의 개발을 통한 기술적 우위를 지속적으로 유지해야 한다. 이를 위해 정책적인 측면과 경제적인 측면을 포함한 국내 가스연료의 인프라 구축확대가 절실하며, 이를 기반으로 한 세계시장에서의 활약이 기대되는 것이 그 이유이다.