HCNG, 수소 경제 도래 견인한다
이러한 천연가스 자동차가 이제는 크린디젤과 전기자동차와 같은 친환경 자동차의 기술개발로 도전을 받고 있다. 자동차 배출가스 기준은 점점 강화되고 있으며 국제적으로 통합된 기준으로 단일화 되어가고 있다. 연료공급자로서는 자동차 제작사의 움직임과 배출가스 기준에 더욱 민감해질 수밖에 없으며 기존의 보급 환경을 탈피하여 인프라 구축뿐 아니라 배출가스 저감노력에 동참할 필요가 있다.
o 차세대 천연가스 자동차 기술동향
현재 전 세계적으로 자동차 개발은 두 가지 방향으로 연구가 진행되고 있다. 첫째는 PM 및 NOx로 대별되는 유해 배기가스 저감노력이며 둘째는 지구 온난화 방지를 위한 CO₂ 배출가스 저감 노력이다. PM과 NOx는 대형자동차에서 대기오염의 주범으로 인식되었고 그동안 놀랄만한 기술개발이 이루어진 것이 사실이다. 또한 기후변화에 대응해야하는 새로운 패러다임의 변화로 선진국에서는 CO₂ 배출량 감축을 위해 법제화를 앞두고 있으며, 대부분의 자동차사에서는 CO₂의 저감을 위해 초저연비 자동차 개발을 핵심 기술과제로 선정하여 연구를 수행하고 있다.
천연가스 엔진의 경우 천연가스의 연료특성상 디젤에 비해 열량당 25% 정도 CO₂ 배출이 감소하기 때문에 CO₂ 배출량 감축에 유리하다고 할 수 있으나, 디젤엔진에 비해 효율이 75% 이하가 되면 오히려 CO₂ 배출이 증가하게 된다. 천연가스 엔진은 디젤엔진에 비해 부분 부하나 아이들 조건에서 효율이 상대적으로 낮기 때문에 이를 개선하기 위한 연구가 필요하다.
차세대 천연가스 자동차 기술로는 고압 직접분사(High Pressure Direct
Injection, HPDI) 기술, 배기가스 후처리 기술, 수소혼합 천연가스(HCNG) 엔진기술 및 CNG 하이브리드 기술 등이 있으며 고부하, 장거리 수송에 적합한 LNG 자동차에 대한 기술개발도 관심이 높아지고 있다. 이러한 기술에 대한 대략적인 특징은 다음과 같다.
수소혼합 천연가스(HCNG) 기술
HCNG 연료 특성
천연가스에 수소를 일정량 혼합한 HCNG 연료는 천연가스와 수소의 특성이 나타난다. 즉, 천연가스에 비해 연소속도가 빨라지고 웨버지수(wobbe index)는 떨어진다. 두 가지 연료는 모두 기체 상태로서 혼합특성이 우수하며 아래와 같이 혼합비율에 따라 물리화학적 특성이 변한다.
연료물성에서 안전성과 관련 있는 비중과 가연한계는 천연가스와 비교하여 비중은 낮아지고(0.63 -> 0.43) 가연범위는 다소 넓어지는 특성(4.8~18.4)을 보이며 또한 연소속도지수가 커짐으로서 점화지연을 작게 할 수 있으므로 엔진 효율을 향상시키는 효과가 기대된다. 그러나 무엇보다도 가연한계의 확장과 빠른 연소속도는 연소과정에서 희박한계를 넓히고 연소기간을 단축시킴으로서 연소온도 저감으로 질소산화물의 근본적인 저감요인으로 작용할 수 있다.
아래의 그림에서 볼 수 있듯이 수소첨가는 수소의 높은 반응성과 빠른 화염전파속도로 인해 연소시 연소지속시간이 매우 짧으며 이는 희박연소에 매우 유리함을 확인할 수 있다.
외국의 기술 동향
HCNG 엔진 기술은 약 20~30% 정도의 수소를 천연가스와 혼합하여 엔진연료로 사용하는 기술로서 미국과 캐나다 등에서 시내버스에 시범적으로 적용하여 우수한 효과가 있음을 입증한바 있으며 희박한계를 크게 확대함으로서 NOx를 획기적으로 저감시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 미국에서는 HCNG 자동차 보급을 위해 HCNG 엔진기술 뿐 아니라 충전인프라 구축에 대한 시범사업을 수행하였으며 자동차 제작사의 역할 뿐 아니라 연료 공급사의 역할이 큰 것으로 보고 있다. HCNG 기술은 비교적 용이하게 EURO 6 기준을 대응할 수 있는 것으로 알려져 있으며 경쟁 자동차에 비해 경제성이 매우 우수할 것으로 전망된다.
캐나다에서는 1995년 몬트리올 파일롯트 프로젝트를 통해 2대의 HCNG 버스가 대중교통수단으로 실증 평가됨. 2003년도 HCNG 엔진의 기술개발은 AUTO21 프로젝트 하에서 1백만$ 정도의 기술개발비가 투자된 것으로 알려지고 있다.
일본은 1993년부터 시행된 WE-NET 프로그램의 일환으로 수소-천연가스 동력시스템에 관한 기술개발을 진행 중이며, 21세기 수소에너지 시대의 도래에 대비하기 위해서는 수소-천연가스 혼합연료의 사용이 불가피할 것으로 전망하고 장기적으로 아시아 전역에 걸쳐 HCNG 가스 공급라인을 구성하는 것을 계획하고 있으며 최근 수소천연가스 병설 충전소를 설치하여 시범운영에 들어갔다.
이밖에 각국에서 진행된 HCNG 프로젝트는 다음과 같다. 인도에서는 버스 및 중소형 차량에 HCNG를 적용을 추진하고 있으며 상용화 수준까지 확대하고 있는 것으로 알려져 있다.
1993-95 Montreal - 2 bus pilot project
2002-04 Palm Springs, California - 4 bus pilot project
2005 China - Yuchai engine conversion
2007 India- Ashok Leyland engine conversion
국내 HCNG 기술 현황
국내의 HCNG에 관한 연구는 한구기계연구원과 한국가스공사에서 환경부 무저공해 자동차 사업단의 지원으로 HCNG 보급 타당성 연구를 ‘09년부터 진행중에 있다. 한국기계연구원에서는 HCNG 연료공급 시설 및 유량제어시스템을 구축하여 정확한 수소 혼합비율의 HCNG 연료를 엔진에 공급하고, 수소혼합비율 및 초희박연소에 따른 HCNG 연료의 연소안정성, 출력 및 배기 특성, 노킹특성 등을 평가하고 있다. 각 조건에 대한 최적화 결과를 도출하기 위해 터보차저와 압축비, 그리고 각종 엔진제어인자들을 최적화시키고 HCNG 연료에 대한 탈질촉매, 산화촉매의 특성과 연료공급시스템의 적합성을 평가하는 역무를 진행하고 있다.
충전 인프라와 관련하여 한국가스공사에서는 HCNG 연료와 관련된 국내외 기술현황 및 관련 법규, HCNG 생산을 위한 요소기술, 그리고 HCNG 인프라의 적정용량 등을 산정하여 CNG 충전소를 이용한 HCNG 인프라 구축 타당성을 분석하며 CNG/HCNG 복합충전소의 안전성 기반을 구축하기 위해 복합충전설비의 관련법규 현황과 개선방안 등에 대한 검토를 진행중에 있다.
HCNG 인프라 구축방안
수소공급 방안
천연가스를 이용한 스팀개질 방식의 수소공급방안을 기존 CNG 충전소에 적용하는 것이 HCNG 시스템 구성을 위한 용이한 방식이다.
국내의 경우 2000년부터 보급한 CNG 시내버스 보급정책으로 전국적으로 약 130여기의 고정식 충전소가 있으며 이러한 인프라를 활용할 경우 HCNG 충전인프라를 구축하는데 용이할 뿐만 아니라 향후 수소충전인프라 구축도 자연스럽게 구축될 것으로 예상된다. 다음으로 수소를 튜브 트레일러에 의해 공급받는 방법으로 초기에는 유리하나 물량이 확대될 경우 효율이 낮아 비 경제적이다. 또한 전기분해방식은 경제성이 낮아 적용하기가 어려운 특징이 있다.
2) 수소 천연가스 혼합방식
HCNG 충전 시스템의 기본구성을 살펴보면 일반적으로 제조부분, 압축부분, 저장부분, 혼합부분, 그리고 충전부분으로 분류할 수 있다. 이러한 구성에서 혼합부분을 살펴보면 각각의 가스를 승압후 혼합하는 고압혼합 방식(High pressure blending)과 혼합 후 승압하는 저압혼합 방식(Low pressure blending) 두 가지가 있다.
o 고압혼합방식
아래 그림에 고압혼합 방식의 개략도를 나타냈다. 천연가스와 수소를 각각 20 MPa, 35 MPa까지 승압하여 실린더에 저장하고 이 가스를 고압 Regulator를 통과시켜 압력을 안정화 시킨다. 안정화된 압력의 가스를 실린더 후단의 질량유량계(MFC) 혹은 비례유량제어밸브(Proportion Flow Control Valve)를 이용하여 원하는 혼합비로 조정하여 믹서에서 혼합이 이루어지도록 한다. 혼합된 가스는 다시 저장탱크에 저장되고 다시 디스펜서를 통하여 차량에 충전된다. 이 시스템은 별도의 수소 압축 시스템이 필요하며 고압의 수소와 CNG 탱크가 각각 설치되어 있으므로 수소 자동차와 CNG 자동차 충전이 용이하다.
o 저압혼합방식
이 방법은 저압의 수소와 천연가스를 혼합후 압축하여 승압하는 방법이다. 저압혼합 방식을 적용하기 위해서는 기존의 천연가스 압축기로 HCNG의 압축이 가능한지에 대한 검토가 필요하다. 기술적으로 CNG 압축기의 큰 변경 없이 압축 가능한 것으로 알려져 있지만, 수소의 농도에 따라 전기 등급, 재질, 윤활성 등이 주요 검토대상이다. 고압혼합방식에 비해 설비의 종류가 적고, 시스템이 단순하여 유지관리가 용이하고 대량 충전에 용이하다.
맺음말
HCNG 기술은 CNG자동차보다 친환경적인 장점이 있으며 특히, NOx와 PM의 저감효과가 크게 나타나는 것으로 조사되었다. 20% HCNG의 경우 2010 기준(NOx: 0.20g/bhp-hr)을 만족할 수 있고 30% HCNG의 경우는 이보다 강한 2014년 기준을 만족할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 해외에서는 HCNG 충전 인프라 시범운영을 통해 공급 기술과 안전측면의 연구가 진행되고 있으며 성공적으로 진행된 것으로 조사되었다. 국내에 CNG 충전소의 경우 약 130여개가 분포하고 있고, 수소충전소는 9개가 시범 운영되고 있다. CNG 충전소는 10여년간 운영되어 오면서 큰 안전사고 없이 안전하게 운행되어 왔다. 국내의 경우 기존 CNG 충전소에서 HCNG를 안전하게 공급할 수 있는 방안에 대한 타당성을 검토하고 있다.
HCNG 기술이 국내에 도입될 경우 기대효과로는 현재의 CNG 엔진 기술로는 어려운 US2010 및 EURO-6 배기규제를 만족시켜 관련 산업의 기술경쟁력을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 수소경제 도래를 견인하는 기술적 가교 역할을 담당할 수 있으며, 특히 파급효과가 큰 대형차량에 주로 적용됨에 따라 수도권과 대도시의 대질 오염을 획기적으로 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.