HCNG 기술 ‘EURO 6의 대응방안’

-기존 CNG 충전 인프라 활용 가능-
-국내 HCNG 보급 여건 매우 유리-

■ 2014년 EURO 6 기준 가스차 적용

EURO 6 기준이 유럽과 같은 시기에 국내에도 적용된다. 2014년부터 가스자동차에 한해 우선적으로 적용하기로 확정된 가운데 천연가스 자동차 제작사마다 비상체제에 돌입한 상태다.

이전의 배출기준 향상 정도와는 비교할 수 없을 정도의 혁명적인 변화를 예고한 EURO 6 기준은 대형차의 경우 EURO 5 기준에 비해 NOx 저감비율이 80%이며 NMHC도 70%를 저감해야 하는 기술의 한계를 요구하고 있다. 이 과정이 불과 5년 정도의 기간 안에 해결해야 하는 시급성을 동시에 안고 있다.

그동안 친환경의 선두자리를 자처해온 CNG 자동차도 새로운 목표 앞에 그대로 버틸 수 없는 처지가 됐다. 기술혁신은 제품이 사용되는 한 지속적으로 이뤄져야 하며 영원한 선두자리가 보장되는 것이 아닌 만큼 천연가스 자동차의 생명을 지속시키기 위한 노력이 절실한 상황이다.

이에 CNG 자동차의 친환경성을 제고하고 EURO 6를 대응하기 위한 노력의 하나로 HCNG 기술을 개발하고 있으며 이에 대한 현황을 소개하고자 한다.

■ HCNG, ‘천연가스+수소’의 차세대 기술

HCNG 연료는 천연가스에 수소를 약 20~30% 혼합한 연료를 말하며 이 혼합연료는 천연가스 특성과 수소의 특성이 복합적으로 나타난다. 즉, 수소 혼합으로 천연가스에 비해 연소속도가 빨라지고 가연한계를 크게 확장할 수 있는 장점이 있다.

천연가스와 비교하면 가연범위가 넓어져 희박한계를 넓힐 수 있고, 연소온도가 낮아져 질소산화물의 근본적인 저감요인으로 작용할 수 있다.

또한 연소속도가 빨라져 점화지연을 작게 할 수 있으므로 엔진 효율을 향상시키는 효과도 있다. 이를 상업화하기 위해서는 충전인프라가 구축돼야 하고 이와 병행해 제도개선 등이 뒷받침돼야 한다.

HCNG 기술의 또 다른 특징은 2014년 이후 적용되는 자동차 배출기준(EURO 6)을 만족시킬 수 있는 기술이라는 것이다. 후처리장치에 의존하지 않고 연료를 CNG에서 HCNG로 변경함으로써 환경성은 물론 경제성 측면의 효과가 기대된다.

이러한 기술은 후처리에 의한 배출가스 저감기술보다 상업화에 유리한 입지를 갖는다. 국내 HCNG 기술개발 계획은 2009년부터 타당성 연구를 통해 기술검증과 국내 도입에 대한 사업성 측면의 검토가 이루어졌으며 본격적인 기술 개발은 2011년부터 환경부의 친환경자동차기술개발사업단의 지원으로 진행되고 있다.

각 분야별 전문기관이 참여해 고유한 역무를 수행하고 기관별 내용을 접목할 수 있는 통합형과제로 구성돼 있다. 기술개발 내용으로는 HCNG 시내버스 시험운영에 필요한 30N㎥/h의 천연가스 개질장치를 개발하고 HCNG 자동차에 HCNG 연료를 공급하는 기술이다.

인프라 구축은 안전기준 제정 및 부지확보 등 현안 문제를 안고 있을 뿐만 아니라 대규모 투자를 동반해야 하기 때문에 초기에 확대하기가 어려운 특징이 있다. 국내의 경우 CNG 버스 도입 시 유사한 문제를 경험했으며 많은 시간과 노력을 기울여 현재의 수준을 달성했다.

▲ 세계 천연가스 자동차 보급전망

통합 주관을 맡고 있는 가스공사는 충전시스템 개발 및 시험운영을 수행하고 있다. 외국의 HCNG 시범 보급 현황을 조사한 결과 시내버스와 같은 대형 자동차에 HCNG 연료를 충전하는 기술은 충분히 확인됐으며 핵심적인 문제는 충전인프라의 구축인 것으로 파악됐다.

인프라 구축은 안전기준 제정 및 부지확보 등 현안 문제를 안고 있을 뿐만 아니라 대규모 투자를 동반해야 하기 때문에 초기에 확대하기가 어려운 특징이 있다.

2000년부터 보급해온 CNG 충전 인프라를 이용해 HCNG 인프라를 구축하는 방안을 모색한다면 보다 원만하게 HCNG 충전소를 구축할 수 있을 것으로 판단된다. 안전기준 및 제도정비는 가스안전공사가 수행하며 HCNG 버스의 시범운영과 사업을 위해 필요한 안전기준을 도출할 계획이다.

이러한 역할은 참여기관들과의 협력을 통해 적절한 시기에 도출될 예정이다. HCNG 엔진기술개발은 기계연구원이 수행하고 있다. 연료조성 변화에 따른 엔진매핑기술을 개발해 출력과 연비 및 배출가스 성능을 최적화 시키는 역할이며 EURO 6 기준을 만족하는 기술을 확보할 계획이다.

특히 국내의 가스자동차 배출가스 허용기준이 2014년부터 EURO 6와 동등한 수준으로 시행될 예정이므로 본 기술개발을 통해 국내의 여건변화에 대응하고자 한다. HCNG 버스제작은 자동차 제작사인 대우버스가 참여하며 자동차 적용기술과 내구성능 확보 및 실증시험 운영을 수행할 예정이다.

제품 기술개발인 만큼 엔진기술개발 분야와 안전기준 분야의 협조를 통해 성공적인 HCNG 시내버스 개발을 완수하고자 한다. HCNG 버스는 해외에서도 시범보급 사업이 진행되는 단계이다. 국내에서 기술개발을 통해 시범운영을 성공적으로 이뤄질 경우 국내 보급뿐 아니라 해외 수출에도 크게 기여할 것으로 전망된다.

■ 세계 각국 실증수준 넘어 상용화 시도

천연가스에 수소를 첨가하는 천연가스-수소 혼합연료(HCNG) 엔진을 차세대 천연가스자동차 기술의 하나로 보고 미국 및 유럽 여러 나라에서 실증수준을 넘어 상용화를 시도하고 있다.

천연가스-수소 혼합연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 에너지원으로 예상하고 있는 수소를 본격적으로 사용하기에 앞서 사회적, 기술적 인프라의 가교역할을 천연가스-수소 혼합연료가 담당할 수 있기 때문이다.

최근 중국과 인도에서도 HCNG 기술을 도입해 상업화를 시도하는 등의 빠른 기술도입 행보를 보이는 것도 주목할 부분이다.

미국의 경우 HCNG 차량을 시범적으로 운행해 우수한 효과를 입증한 바 있으며 희박한계를 크게 확대함으로써 NOx가 획기적으로 저감되는 것을 확인했다. 미국은 HCNG 엔진기술 뿐 아니라 충전인프라에 대한 시범사업을 수행했으며 자동차 제작사의 역할뿐 아니라 연료 공급사의 역할이 큰 것으로 보고 있다.

HCNG 기술을 적용해 EURO 6 기준을 대응할 수 있는 수준으로 끌어올리는 것은 아직 미흡한 것으로 알려져 있으며 경쟁 자동차에 비해 차량가격이 낮고 운행 시 연료경제성이 매우 우수한 것으로 나타났다.

유럽에서는 약 77만대의 CNG 자동차가 보급된 이태리가 CNG 보급이 가장 활발하며 현재 800여개의 CNG 충전소가 운영 중이다. 이태리는 향후 수소시대를 대비하기 위한 가교로서 HCNG를 도입하고 있으며 CNG, HCNG, LPG, 가솔린 및 경유 등을 충전할 수 있는 멀티에너지 충전소를 2013년까지 9개소로 확충할 계획이다.

▲ 이태리의 멀티 에너지 충전소 전경.

■ CNG·HCNG 복합 충전설비 바람직

국내에는 2000년부터 보급한 CNG 시내버스 보급정책으로 전국적으로 약 170여기의 CNG 충전소가 있으며 이러한 인프라를 활용할 경우 HCNG 뿐만 아니라 향후 수소충전인프라 구축도 자연스럽게 이뤄질 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 충전설비를 구축하는 방안이 바람직 할 것으로 판단된다.

HCNG 사업의 성패는 바로 인프라 구축을 얼마나 안전하고 경제적으로 구축하느냐에 달려있다. 이제 새로운 도전을 통해 한층 더 성숙된 기술이 실현될 수 있도록 과제를 풀어가야 할 차례다.

■ HCNG 자동차 보급 가능성 높아

천연가스 자동차는 지금까지 대도시 대기질 개선에 많은 기여를 했지만 디젤 자동차의 지속적인 발전으로 인해 저공해 자동차로서의 위상은 점차 약해지고 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로 미국 등 북미에서 제시한 HCNG 자동차 기술은 차기 배기규제인 EURO 6를 De-NOx 촉매 없이 만족할 수 있다.

더욱이 미래의 에너지인 수소의 사회적, 기술적 인프라의 가교역할을 수행할 수 있기 때문에 유럽과 아시아에서도 시범사업과 상용화를 서두르고 있는 연료이다.

HCNG 연료는 천연가스를 개질시켜 수소를 생산하고 기존 CNG와 혼합해 HCNG 연료공급이 가능하기 때문에 별도의 에너지원이 아니라 CNG 연료의 다른 형태로 간주할 수 있다. 또한 기존에 구축된 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

시내버스를 중심으로 천연가스 자동차가 보급된 국내의 경우 관리하기 쉬운 인프라가 잘 갖춰져 있다는 점과 높은 수준의 엔진기술력을 바탕으로 HCNG 자동차 보급 가능성은 매우 높으며 다른 국가에 비해 유리한 위치에 있다고 할 수 있다.

이제 비전을 설정하고 기술개발을 시작한 HCNG 사업의 연구결과가 귀중한 열매를 맺을 수 있도록 최선을 다하고자 한다.

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