한국가스공사 수석연구원
국내의 경우 2010년부터 EURO 5 기준이 적용되고 있으며 EURO 6 기준도 2013년 이후 적용될 것으로 예상되고 있다. 연료 공급자는 자동차 제작사의 움직임과 배기가스 기준에 관심을 가질 필요가 있다. 자동차에 따라 연료원이 결정돼 에너지 소비로 연결되기 때문이다. 물론 정책적인 요인이 있지만 이제는 경쟁력이 뒷받침되지 않는다면 시장에서 결코 살아남지 못하는 시대다.
앞으로는 연료공급을 기반으로 한 수요개발 환경을 탈피해 배출가스 저감 노력 등 천연가스 제품의 경쟁력 확보를 위한 신기술 개발 노력에 집중할 필요가 있다.
▲ 천연가스자동차 신기술 동향
정부는 대도시 공기 질 개선을 위해 시내버스를 대상으로 지난 10년 동안 CNG 버스 보급 사업을 추진해 왔다. CNG버스가 보급됨으로써 미세먼지 농도가 보급초기인 2000년에 65㎍/㎥에서 2010년에 47㎍/㎥로 줄어드는데 크게 기여했고 오존농도 발생 일수도 꾸준히 줄어드는 등 효과가 입증되고 있다.
천연가스는 저탄소 연료특성상 디젤에 비해 같은 에너지를 기준으로 할 때 약 25% 정도 CO₂ 배출이 적다. 그러나 자동차 연료로 사용할 경우 디젤엔진에 비해 천연가스 엔진은 효율이 다소 낮기 때문에 항상 유리한 입장은 아니다.
연료의 장점을 십분 발휘하기 위해 자동차의 고효율화 및 저배기가스 기술이 필요하다. 차세대 천연가스자동차 기술로는 △고압 직접분사(High Pressure Direct Injection, HPDI) 기술 △배기가스 후처리 기술 △수소혼합 천연가스(HCNG) 엔진기술 및 CNG 하이브리드 기술 등이 있다.
수소혼합 천연가스(HCNG) 기술
HCNG 연료는 천연가스에 수소를 약 20~30% 혼합한 연료를 말하며 이 혼합연료는 천연가스와 수소의 특성이 복합적으로 나타난다. 즉 수소 혼합으로 천연가스에 비해 연소속도가 빨라지고 가연한계를 크게 확장할 수 있는 장점이 있다.
천연가스와 비교하면 가연범위가 넓어짐으로써 희박한계를 넓힐 수 있고 연소온도가 낮아짐으로써 질소산화물의 근본적인 저감요인으로 작용할 수 있다. 또한 연소속도가 빨라짐으로써 점화지연을 작게 할 수 있으므로 엔진 효율을 향상시키는 효과도 있다.
HCNG 기술은 미국과 유럽 등에서 차량에 시범적으로 적용돼 우수한 효과가 있음이 입증된 바 있으며 희박한계를 크게 확대함으로써 NOx가 획기적으로 저감되는 것이 확인됐다. 미국에서는 HCNG 엔진기술뿐만 아니라 충전인프라에 대한 시범사업을 수행했으며 자동차 제작사의 역할뿐만 아니라 연료 공급사의 역할이 큰 것으로 보고 있다. HCNG 기술은 비교적 용이하게 EURO 6 기준에 대응할 수 있는 것으로 알려져 있으며 경쟁 자동차에 비해 차량가격이 낮고 운행 시 연료경제성이 매우 우수할 것으로 기대된다.
유럽에서는 이탈리아의 CNG 보급이 가장 활발하다. 현재 800여개의 CNG 충전소가 운영 중이며 약 77만대의 CNG 자동차가 보급돼 있다. 이탈리아는 향후 수소시대를 대비하기 위한 가교로서 HCNG를 도입하고 있으며 2013년까지 9개소의 멀티 에너지 충전소(CNG, HCNG, LPG, 가솔린, 디젤)를 운영할 계획이다.
국내에서는 한국기계연구원과 한국가스공사가 2009년부터 환경부 무저공해자동차사업단의 지원으로 HCNG 보급 타당성 연구를 수행 중에 있다. 한국기계연구원은 HCNG 수소 혼합비율 및 초희박연소에 따른 HCNG 엔진의 연소 안정성, 출력 및 배기 특성, 노킹특성 등을 평가하고 있다.
한국가스공사는 한국가스안전공사와 함께 HCNG 연료와 관련한 연료공급 및 혼합방안 등 HCNG 충전 인프라 구축 방안과 관련 법규제정을 위한 기반연구를 수행하고 있다.
국내의 경우 전국적으로 약 155개의 CNG 충전소가 있으며 이러한 인프라를 활용할 경우 HCNG 충전인프라를 구축하는데 용이할 뿐만 아니라 향후 수소 충전인프라도 자연스럽게 구축될 것으로 예상된다.
off-site 방식으로 수소를 튜브 트레일러에 의해 공급받는 방법은 보급초기에는 설비 투자 경제성 측면에서 유리하나 수요가 확대될 경우 운전 효율이 낮은 단점이 있다. 따라서 장기적으로 CNG 충전소에 수소개질 설비를 추가해 CNG, HCNG 복합 충전 설비를 구축하는 방안이 바람직할 것으로 판단된다.
CNG 하이브리드 기술
CNG 하이브리드 기술은 차량 제동 시 버려지는 에너지를 전기에너지로 저장하는 축전지를 탑재해 기존 CNG 엔진에 비해 30%의 연비개선 효과를 기대할 수 있으며 CO₂ 배출 특성도 디젤대비 30% 이상 감소하는 것으로 평가되고 있다.
구성 부품으로는 전기모터와 대용량의 축전지로 주행 중에 충전과 방전이 수시로 이뤄진다. 최근 현대자동차가 CNG 하이브리드 버스를 개발했다. 이 버스는 올해 수도권 지역을 중심으로 시범운행이 예정돼 있으며 2012년부터 본격적인 양산화가 기대된다.
CNG 하이브리드 차량은 가속 성능이 기존의 CNG 차량에 상응하며 엔진과 재생브레이크를 이용해 손실에너지를 배터리에 충전함으로써 특별한 외부충전이 필요하지 않다.
하이브리드 차량은 전기 자동차나 연료전지 자동차로 발전하기 위한 과도기적 차량이기보다는 미래형 자동차에 적합한 모델로서 평가되고 있다. 미국 MIT가 최근 여러 연료와 미래기술을 적용한 차량에 대해 연료생산부터 차량운행까지 주행 거리 당 발생하는 CO₂량을 예측한 연구결과는 천연가스 하이브리드 차량이 향후 CO₂ 배출량 감축에 가장 효과적으로 대응할 수 있음을 보여주고 있다.
국내 CNG 하이브리드 버스는 제작사의 기술개발을 통해 올해부터 시범 운행될 예정이며 기존 CNG 버스에 비해 연비 및 배기가스 저감이 기대되고 있다. 이러한 기술개발은 성공적인 CNG버스 보급 정책을 지속적으로 견인하는 역할을 할 것으로 기대되며 경쟁연료와의 경쟁에서도 앞설 수 있는 차세대 천연가스자동차 기술로 평가된다.
▲ 기존 충전인프라 활용하자
HCNG 기술은 기존 CNG 기술보다 친환경적인 장점이 있다. 특히 NOx와 PM의 저감효과가 크게 나타나는 것으로 알려져 있다. 30%의 수소를 혼합한 HCNG의 경우 EURO 6 기준을 만족할 수 있고 이보다 강한 기준을 만족할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
이러한 기술을 적용하기 위한 연구가 국내에서도 진행되고 있으며 머지않아 실증될 수 있을 것으로 기대된다. 문제는 연료공급 인프라 구축방안이다. CNG 보급초기 충전소 및 안전기준 등 인프라 준비에 많은 시간과 비용이 투입된 경험을 비춰볼 때 이젠 현명한 접근 방법이 필요하다. 즉 기존 인프라를 활용해 수소공급 기술을 도입한다면 HCNG 기술은 향후 전개될 수소경제를 대비하면서 기술적 가교역할을 담당할 수 있을 것이다.
또한 CNG 하이브리드 기술은 에너지 이용효율을 극대화함으로써 연비를 향상시키고 CO₂ 배출을 크게 감소시킬 수 있는 기술이다. 올해부터 시범 보급을 통해 효과를 검증하고 본격적인 보급 확대를 기할 수 있는 계기가 되기를 바라며 이러한 기술들이 기존 CNG 버스를 대체함으로써 수도권과 대도시의 대기 오염을 지속적으로 개선시킬 수 있을 것으로 기대한다.