전세계적으로 환경문제와 차세대 연료개발이 큰 이슈가 되고 있는 가운데 본지는 2회에 걸쳐 한국가스공사에서 책임연구원으로 근무하고 있는 한정옥 박사의 'LNG자동차 기술개발 현황 및 보급전망'이란 논문을 게재한다.
1. 수송에너지 현황
1.1 국내·외 NGV 보급현황
국내의 수송 에너지는 국내 총에너지 소비의 21%를 차지하는 대량 수요로 에너지 안보, 환경문제, 사회적 경제구조 등에 막대한 영향을 끼치는 분야이며 최근 환경문제와 에너지 세제 개편 등으로 사회, 경제적 문제로 대두되고 있다.
대도시의 대기환경 개선을 위해 정부는 천연가스차량(NGV) 보급을 2000년부터 본격적으로 추진하였으며 2007.5월 기준으로 13만5천대가 보급 되었고 향후 10년 까지 2만3천대의 천연가스차량을 보급한다는 계획이다.
환경부와 지자체에서는 이와 같이 적극적인 저공해 차량 보급을 추진하고 있으며 시내버스와 청소차 중심으로 보급하고 있다. NGV보급이 버스와 청소차로 한정되는 이유는 충전소의 인프라가 부족한 이유가 있지만 한편으로 보급할 차종개발이 이루어지지 않았기 때문이다.
전 세계적으로 자동차 대수는 약 6억8천만대에 달하고 있으며 온실가스 배출량의 10%를 차지할 정도로 수송용 에너지가 환경에 미치는 영향은 막대하다.
천연가스 차량은 전 세계 65개국 이상에서 약 6백52만3천대가 보급되어 있으며 연 평균 17%의 높은 성장이 유지되고 있다. 천연가스 자원이 풍부한 남미(아르헨티나, 브라질)와 파키스탄을 중심으로 보급이 활발하며 선진국에서는 환경문제를 해결하기 위한 현실적인 방안으로 NGV를 보급하기위한 노력을 기울이고 있다.
유럽과 일본 등에서 2020년 까지 운행차량의 10%를 천연가스 차량으로 보급하는 계획을 추진 중이며 전 세계적으로 약 6천5백만대가 보급될 전망이다.
1.2 차종별 오염물질 배출현황
국내의 차량보급은 인구증가와 경제성장에 힘입어 2006년 말 기준으로 전체 차량 등록대수는 약 1천6백만대에 이르고 있으며 이러한 차량증가는 대기오염의 요인중 하나로 대두되고 있다. 전국 대기오염 물질의 40% 정도가 이동오염원으로 알려져 있으며 서울시와 같은 대도시의 경우는 67% 수준으로 보다 높게 나타나고 있다. 이러한 경향은 선진국들과 유사한 것으로 알려져 있으며 대기오염 개선을 위해 차량 배출기준을 점점 강화하는 이유이기도 하다.
1.3 대형 경유차량의 저공해 연료
향후 경유차량의 배출가스 저감기술은 점차 강화될 것으로 보이지만 현재의 후처리 기술로는 차량 수명기간동안 배출기준을 만족시키기는 어려울 것으로 판단된다. 현재 기준으로 대형 경유버스 또는 화물차의 배출가스 보증기간은 2년(또는 16만km)이며 이후 배출가스 저감장치 또는 저공해엔진을 장착 할 경우 3년(또는 8만km)간 보증기간에 한해서 성능을 보증하게 된다.
경유를 사용하는 대형차량의 경우 연료를 대체하여 배출가스를 저감시키는 방법은 여러 가지 경우를 들 수 있다.
CNG, 메탄올, LNG, LPG, LH2등이 저공해 연료로 대두되고 있다. 그러나 LPG의 경우 노킹등의 문제로 대형차량의 경우 적용하기가 어려우며 메탄올의 경우 연료경제성이 아직 확인되지 않아 적용가능성이 희박하다.
향후 수소경제가 현실화될 경우 수소연료의 적용을 기대를 해볼 수 있지만 대형차량의 경우엔 적용하기 어렵다. 왜냐하면 CNG의 경우와 같이 액체수소(LH2)의 경우도 단위 열량당 연료용기의 용적비율이 디젤에 비해 4.5배 정도 크기 때문에 현재 CNG가 안고 있는 주행거리의 문제가 수소를 사용할 경우 더욱더 심각해진다. 즉 액체수소용기가 디젤 용기보다 4.5배 커져야하므로 그만큼 경제성이 떨어지게 된다.
따라서 현실적인 방안은 LNG연료를 적용하는 방법이며 이를 위해 LNG 연료용기의 기술적 안전성이 선행되어야 한다. 이러한 조건이 만족될 경우 대형차량에 LNG를 적용하는 저공해 기술은 가장 현실적이며 적절한 방안일 될 수 있다.
배출가스 측면의 경우 천연가스는 경유에 비해 PM과 NOx를 각각 100%와 60%를 저감시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 특성을 고려할 때 LNG는 대형 경유차량의 대체 연료로 가장 우수한 것으로 평가된다.
2. LNG 자동차 개요
2.1 LNG와 CNG 차량의 특성비교
천연가스 자동차는 연료 공급방식에 따라 CNG와 LNG로 구분할 수 있으며 CNG는 고압용기에 약 200기압으로 압축된 가스를 저장하여 사용하며 LNG는 -130℃ 내외의 초저온 연료를 자동차 연료로 공급한다.
국내외적으로 CNG가 천연가스 연료의 대부분을 차지하는 이유는 LNG의 적용이 CNG에 비해 어렵고 또한 LNG를 공급할 수 있는 인프라가 부족하기 때문으로 판단된다.
국내의 경우 CNGV(CNG vehicle)의 보급이 시장에서 좋은 반응을 보이고 있으며 성숙단계에 있다고 판단되지만 LNGV(LNG vehicle)는 이제 개발단계를 거쳐 시험 운행하는 단계이다.
한편 연소 점화방법에 따라서 천연가스엔진은 전소(dedicate)방식과 혼소(dual fuel)방식으로 나눌 수 있으며 전소방식의 경우 전기방식에 의한 점화방식으로 가솔린 기관의 연소방식이며 혼소방식은 디젤연료를 점화원으로 이용하는 방식이다. 기존 경유차량을 천연가스엔진으로 개조하는 경우 혼소방식을 적용하면 점화계통의 변경 없이 천연가스 공급시스템만을 장착함으로서 비교적 간단히 연료전환이 가능한 특징이 있다.
현재의 인프라와 기술을 고려할 때 시내버스와 운행거리가 짧은 중소형 차량의 경우에는 CNG를, 장거리 버스와 화물차 그리고 대형 물류차량의 경우에는 LNG를 적용하는 것이 바람직하다. LNG 차량은 CNG에 비해 연료밀도가 높기 때문에 동일저장 체적에서 2.2배의 연료를 더 저장할 수 있는 장점이 있다.
이러한 결과는 대형차량에서 충전횟수 증가, 인프라 부족 등의 문제를 발생시키지만 LNG를 적용할 경우 주행거리 증가로 상당부분 해소시킬 수 있는 특징이 있다. 충전 인프라가 부족한 상황에서 LNGV는 효과적으로 대형차량에 천연가스 차량을 보급할 수 있는 방안이며 다양한 차종개발을 통해 국내 NGV 보급 정책을 확장시킬 필요가 있다.
한편 CNG와 LNG의 연료 공급조건의 변화로 인한 엔진의 기술적 차이는 크지 않다.
즉 LNG의 경우 연료 공급 장치를 통해 기화되어 엔진으로 공급되므로 엔진에서의 공연비 및 점화계통 제어는 CNG의 경우와 동일한 개념이다. 다만 연료의 온도 및 압력의 변화에 따른 영향을 보상해주어야 한다.
2.2 국내.외 NGV 현황
2.2.1 국내 현황
국내 천연가스차량은 현재 제작사에서 인젝터를 채용한 공연비 제어를 통해 EURO-3 또는 EURO-4 수준의 배기가스 성능을 맞추어 출시하고 있다.
‘08. 1월부터 국내의 대형차량 배출기준이 EURO-4를 만족해야 하기 때문에 경유 또는 천연가스 차량의 경우 이 기준을 만족하기위한 기술은 이미 완료되어 출시될 전망이다. 천연가스 차량의 경우 MPI 인젝터를 적용하면 배출가스 수준을 비교적 용이하게 달성할 수 있는 것으로 알려져 있다.
LNG를 연료로 하는 전소차량 개발은 가스공사에서 제작사와 공동으로 추진하여 ‘06년에 LNG 버스와 LNG 트랙터 시작차를 개발하였다. 11ℓ급 CNG 엔진을 기반으로 LNG 연료 공급장치를 적용하여 시작차를 완성하였으며 ’06.7월부터 LNG 차량 시범운행을 실시하여 안전성 및 기술성을 확인하였다.
한편 LNG 혼소 차량 개조 기술은 ‘90년대 초에 기술적인 검토를 수행하였지만 커다란 성과를 얻지는 못한 것이 사실이다. 그 시기에는 기계식 디젤엔진을 기반으로 하여 성공적인 혼소 개조를 이룩하기 어려운 상황이었으나 현재에는 전자제어 연료분사식 디젤엔진으로 혼소 개조를 추진하는 것이 용이한 상황이다.
‘04년부터 LNG를 사용하는 혼소차량 연구를 환경부의 무저공해 사업단의 지원하에 EURO-4 수준 운행차용 대형천연가스 차량 기술 개발 과제로 진행되고 있다. 이 과제는 ’08. 5월 까지 대형 특정경유 차량의 배출가스 저감을 위해 LNG를 적용하는 혼소차량을 개발하는 것으로 6ℓ급과 13ℓ급에 대해 진행되고 있다.
2.2.2 국외 현황
천연가스 자동차는 남미와 동남아시아 등에 많이 보급이 되어 있으나 경제적인 여건 및 낙후된 기술력으로 인해 1세대인 믹서방식의 엔진이 대부분을 차지하고 있으며 이러한 방식은 정확한 공연비 제어가 어려워 출력 성능이 많이 떨어지고 배출가스 측면에서도 한계가 있다.
천연가스자동차 관련한 시스템 기술은 근래 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며 특히 북미, 유럽, 일본 등지에서는 2세대인 SPI 방식과 3세대인 MPI 방식이 적용되고 있다.
캐나다의 AFS사 (Alternative Fuels Systems Inc., 캐나다 회사, 홈페이지 http://www.afsglobal.com/index.html)
는 천연가스 엔진과 인젝터(Injector), 레귤레이터(Regulator) 등의 천연가스 자동차용 부품을 생산하는 업체로 쓰로틀 바디에 인젝터를 장착하여 연료를 분사하는 혼소 시스템을 개발하여 대형 차량에 적용하고 있다.
또한 가솔린과 천연가스를 선택적으로 사용하는 bi-fuel 시스템을 개발하여 멕시코의 택시 개조 시장에 참여하고 있고 10ℓ급 대형 엔진의 린번 전소 시스템도 개발하고 있다.
캐나다의 Cummins westport사는 천연가스와 디젤 연료를 동일 인젝터에서 분사할 수 있도록 액츄에이터를 개발하여 대형 혼소 엔진에 적용하여 배출가스와 출력면에서 우수한 성능을 입증하였다.
미국의 Clean Air Power(CAP)사는 천연가스와 디젤 연료를 동시에 사용하는 혼소 엔진 및 부품을 생산하는 업체로 410마력 이하의 대형 혼소엔진시스템 위주로 개발을 진행하여 LNG 차량에 적용하였고 MPI시스템을 혼소엔진에 적용하여 미국 LEV 규제를 만족하는 것으로 알려져 있으며 NOx와 HC를 더 저감하기 위하여 EGR과 DOC를 적용하는 시험을 수행하고 있다.
호주의 AEC는 MPI 전소제어시스템을 개발하여 대형엔진에 적용하여 촉매 없이도 EURO-4 수준까지 배출가스를 저감하여 MAN과 르노 등에 엔진을 공급하고 있다.
천연가스 차량 분야는 각국 정부에서 각종 프로그램을 만들어 기술개발과 보급에 앞장서고 있으며, 미국의 경우는 DOE의 지원으로 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 진행하는 NGNGV(Next Generation Natural Gas Vehicle) 프로그램으로 EPA 2007년 배기규제를 만족하기 위해 MD(medium-duty) CNG차량과 HD(heavy-duty) LNG 차량을 개발하고 있다.
주요 대응 기술로는 실린더내 연료직접분사, 고에너지 점화장치, 후처리장치 등이 연구되고 있으며 실차적용을 위한 예비설계와 개발된 차량을 보급하기 위한 전략도 함께 연구되고 있다.
