October 14,2019

천연가스, 자동차 연료로 재조명

기존 화석연료 엔진 개조해서 사용 가능

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환경부가 주최하는 대규모 환경 사업 지원 행사인 ‘글로벌 그린 허브 코리아(GGHK)’가 지난 17일 그랜드인터컨티넨탈호텔에서 성대한 막을 올렸다.

‘지속가능한 발전을 위한 환경 및 에너지 산업의 미래’를 주제로 열린 이번 행사는 환경 및 에너지 분야에서 혁신의 바람을 일으킬 수 있는 과제들에 대해 전문가들과 함께 심도있는 기술협력 강화 방안을 논의해 보자는 취지로 마련되었다.

이번 행사는 ‘천연가스 자동차’와 ‘신재생에너지’, 그리고 ‘환경 프로젝트’를 세부주제로 하는 3개의 세미나와 분야별 전문가가 참여하는 기술 상담회로 구성되었는데, 특히 천연가스자동차의 기술현황을 소개하는 세미나에 참석자들의 관심이 모아졌다.

'환경 및 에너지 산업의 미래’를 주제로 하는 대규모 대규모 환경 사업 지원 행사가 개최되었다

‘환경 및 에너지 산업의 미래’를 주제로 하는 대규모 환경 사업 지원 행사가 개최되었다 ⓒ 김준래/ScienceTimes

기존 화석연료 엔진을 개조하여 사용 가능

천연가스자동차 세미나에서 ‘천연가스자동차(NGV) 기술개발 현황’을 주제로 발표한 이영재 친환경자동차기술개발사업단 단장은 천연가스의 특징으로 4無, 즉 △무색 △무미 △무취 △무독성을 꼽았다.

이 단장은 “천연가스는 메탄이 주성분인 가스로서, 탄소 성분이 기존의 가솔린이나 디젤연료보다 현저히 적을뿐 아니라 분진 및 유황 등 불순물도 거의 함유되어 있지 않아서 청정연료라 불린다”라고 소개했다.

그러면서 “천연가스 엔진은 디젤 엔진보다 친환경적이고, 배기 후 처리 과정도 간단한 장점을 갖고 있지만, 상대적으로 낮은 주행 거리는 단점으로 꼽힌다”라고 덧붙였다.

그는 강연의 전반부를 엔진 개조와 관련된 내용에 대해 설명하는데 많은 시간을 할애했다. 천연가스 자동차는 처음부터 제조하는 방법 외에 가솔린 차량이나 디젤 차량의 엔진을 개조하여 만들 수 있기 때문이다.

천연가스는 디젤에 비해 연비가 낮다는 것이 단점이다 ⓒ cummins

천연가스는 디젤에 비해 연비가 낮다는 것이 단점이다 ⓒ cummins

가솔린 자동차를 천연가스 자동차로 개조하는 것은 배기가스 수준이나 자동차 성능에 따라 다르지만, 연비는 더 좋아진다. 다만 출력이 휘발유에 비해 낮고, 응답속도가 늦는 점은 단점으로 작용한다.

반면에 디젤 자동차를 천연가스 자동차로 바꾸는 것은 가솔린 자동차보다 훨씬 더 복잡하고 비용도 많이 소요된다. 실린더 헤드 개조를 시작으로 피스톤 가공과 인젝터 설치 등 많은 수작업을 필요로 하기 때문이다.

하지만 디젤 자동차에 비해 매연과 질소산화물, 그리고 일산화질소 등이 적게 나오기 때문에 대부분의 국가들이 개조비를 지원하고 있는 상황이다.

천연가스 자동차의 개조와 관련된 대표적 사례로 이 단장은 국내 중소기업인 코센(KOSSEN)을 꼽았다. 이 회사는 압축천연가스(CNG) 차량의 현장 개조 실적을 확보하고 있는 전 세계 유일한 업체로서 터키 CNG 버스 개조 프로젝트에 참여하고 있다.

해당 프로젝트에 대해 이 단장은 “가솔린을 사용하는 차량의 기존 엔진을 천연가스 엔진으로 개조하는 사업”이라고 소개하며 “CNG 차량 개조 프로젝트는 친환경 연료 사용을 통한 대기오염 문제 해결 및 유류비 절감을 위해 전 세계적으로 확산되고 있다”라고 말했다.

수소와 천연가스의 혼합은 최적의 연료 조합

엔진 개조에 대한 설명 이후 이 단장은 천연가스를 활용한 차량 및 충전 시스템과 관련된 최신 기술 현황에 대한 소개를 이어갔다. 천연가스로 작동하는 트랙터와 수소와 혼합되어 생성된 혼합연료를 다루는 엔진 개발 및 충전소가 대표적 사례들로 다루어졌다.

천연가스인 LNG로 작동하는 트랙터는 타타대우상용차가 개발했다. 한국가스공사와 함께 대형 LNG 트랙터를 개발하여 시범 운행을 한 결과, 디젤을 연료로 사용하는 기존 트랙터에 비해 미세먼지는 100% 저감되었고, 질소산화물(NOx)과 이산화탄소(CO2)도 각각 96%와 19%의 오염물질 저감효과가 있는 것으로 나타났다.

이 단장은 “배출가스가 적은 LNG 차량의 운영을 통해 수도권 매립지 주변 지역 환경 개선 및 주민 건강권 보호에 기여하는 것이 차량을 개발한 목적”이라고 소개하며 “최근 대기오염이 심각한 사회문제로 대두되는 있는데, 승용차뿐만 아니라 상용차 시장에서도 배출가스가 적은 차량 개발을 통해 대기 환경 개선 및 유류비 절감을 추진하고 있다”라고 언급했다.

이어서 수소와 천연가스를 섞은 혼합연료(HCNG)의 엔진 개발과 충전 시스템에 대해 이 단장은 “수소 30%와 천연가스 70%가 혼합된 균질 가스가 바로 HCNG”라고 설명하며 “HCNG를 사용하면 수소의 연소 촉진 특성으로 연소 안정성 및 노킹 안정성이 크게 증가하고, 고압축비가 가능하여 효율 향상 효과가 있다”라고 덧붙였다.

HCNG의 경우 유럽의 배출가스 기준인 EURO-6에 비해 1/3 수준으로서 환경친화적이고, CNG에 비해 온실가스 배출량도 20%나 낮은 것으로 알려져 있다. 이러한 성능은 국내는 물론 세계적으로도 최고 수준이며, 특히 후처리 장치에 대한 의존성이 낮아서 상대적으로 경제성도 뛰어나다는 것이 전문가들의 의견이다.

수소와 천연가스를 섞은 혼합연료로 달리는 HCNG 버스 ⓒ 현대자동차

수소와 천연가스를 섞은 혼합연료로 달리는 HCNG 버스 ⓒ 현대자동차

이 단장의 설명에 따르면 국내에서 HCNG를 사용하는 엔진의 개발은 지난 2011년 환경부 친환경자동차사업단의 지원 하에 처음 착수했다. 이후 한국기계연구원에서 HCNG 엔진 개발을 수행했고 자일대우버스가 차량제작을 맡았다.

한국기계연구원이 개발한 HCNG 엔진은 출력 성능만으로도 기존의 천연가스 버스와 비교해 볼 때, 이산화탄소는 18%나 적게 배출하면서도 연비는 8% 정도 향상된 탁월한 성능을 자랑한다. 따라서 오는 2020년부터 적용될 것으로 예상되는 배출가스 기준인 EURO-7도 무난하게 만족시킬 것으로 기대를 모으고 있다.

한편 HCNG의 충전 시스템 개발과 관련해서는 지난 2016년 국내에서 처음 선을 보인 인천 송도의 HCNG 충전소의 경우가 대표적 사례로 꼽힌다. 당시 구축된 복합충전소는 기존 수소충전소를 리모델링한 것으로서, 수소와 천연가스가 3:7로 혼합된 차량 연료를 제공하여 주목을 끌었다.

발표를 마치며 이 단장은 “천연가스 자동차 개발을 통해 기술적으로는 차기 자동차 배출가스와 온실가스 규제 만족을 위한 제반 기술을 상용화할 예정”이라고 밝히며 “이 외에도 환경적으로는 대기질 및 온실가스 저감에 기여하며, 경제적으로는 자동차 산업의 국제 경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

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