한정옥 한국가스공사 수석연구원
‘제로수준 미세먼지’ 실현한 HCNG버스 실증운전
-HCNG버스, 제로수준 미세먼지 실현 위해 필요-
-실증결과 CNG버스 대비 약 3천만원 편익 발생-
청정연료인 천연가스와 미래 에너지원으로 부각되고 있는 수소를 혼합한 HCNG 연료는 CNG와 마찬가지로 200기압으로 충전해 자동차 연료로 사용하는 방법이다.
HCNG버스의 경우 CNG버스에 비해 메탄을 포함한 CO2 배출이 20% 이상 저감되는 것으로 나타나 향후 온실가스 저감기술로서 관심을 끌 것으로 보인다.
이러한 기술의 상용화를 위해서는 보급단계의 시범사업을 통해 기술검증 뿐만 아니라 제도개선, 인프라 구축 및 상용화 기술개발 등 현안에 대한 세부적인 접근이 필요하다. 이에 HCNG버스 보급을 위한 연료공급 방안과 개발효과에 대해 소개하고자 한다.
◆HCNG 충전인프라, CNG충전소 활용 가능해 효율적
연료공급을 위해 필요한 충전 인프라 분야는 기술의 완성도뿐만 아니라 시장의 요구가 함께 충족돼야 구축될 수 있으며 초기 인프라가 부족한 상황에서는 자동차 보급에 걸림돌이 될 수밖에 없다.
CNG 충전 인프라의 경우 정책목표를 가지고 충전망 구축을 위해 시내버스 차고지를 중심으로 자금 지원과 제도개선을 통해 어려운 가운데서도 일정수준 보급한 사례가 있다.
HCNG 인프라의 경우 보다 효율적인 접근이 필요하며 기존 CNG충전소를 활용할 경우 보다 효과적으로 구축할 수 있을 것으로 판단된다. HCNG 연료 공급을 위해 필요한 수소는 천연가스에서 개질하는 방법을 고려했다.
현실적으로 천연가스를 이용하는 방법이 에너지 효율적인 측면에서 가장 우수할 뿐만 아니라 CNG충전소를 이용할 경우 CNG, HCNG, H2를 같이 공급할 수 있기 때문에 다양한 연료공급이 가능해짐으로써 기술진화에 따라 소비자의 선택에 자연스럽게 대응할 수 있는 장점이 있다.
즉, 기존 CNG 충전소에 수소발생장치를 추가함으로써 수소뿐만 아니라 CNG와 HCNG 공급이 가능해져 충전사업자 입장에서 충전차량 확보에 대한 부담을 감소시키고 시장변화에 능동적으로 대응할 수 있어 충전소 투자에 대한 부담을 완화할 수 있을 것이다.
기존 CNG 충전소에 추가설비를 설치하기 위해서는 안전거리 확보를 위한 부지가 필요하나 복층구조의 충전 시스템을 적용할 경우 기존 충전소에 설치 가능성을 높일 수 있다.
지상에는 H2, HCNG 및 CNG 디스펜서를 설치하고 2층에는 수소 압축기, 저장 실린더 및 혼합장치가 설치되는 형태를 갖춤으로써 제한된 부지에 설치할 수 있는 방법이다. 실제 인천송도에 HCNG 충전소를 복층구조로 설치한 사례가 있다.
◆HCNG버스, 실증운전 결과 CNG버스 대비 NOx·CO2 배출 매우 우수
수소개질 시스템은 패키지 형태로 개발해 설치가 쉽도록 했으며, CNG와 수소의 혼합방법은 기존 CNG 충전소를 활용하는 방법을 고려해 고압방식을 적용, 추가설비를 최소화 하는 방법으로 설비를 구성했다.
HCNG버스 실증은 개발된 HCNG 엔진을 탑재한 시제작 버스를 이용해 실 도로 주행을 수행했다. 엔진은 한국기계연구원(KIMM)에서 최적화 매핑 및 엔진 성능시험 수행 등을 통해 개발된 HCNG용 엔진을 탑재했다.
HCNG 저장 실린더로 type 4용기를 사용했으며, 1회 충전당 주행거리는 300km 이상을 확보하도록 했다.
HCNG버스의 배출가스 및 온실가스 성능을 WHVC모드, CITY모드, KATECH모드로 나누어 측정한 결과 모드별 저감특성은 유사하게 나타났으며 특이한 점은 HCNG의 NOx 저감이 탁월하다는 것이다.
NOx 저감을 위해 암모니아를 첨가하는 SCR 방법은 운행 중 주기적인 관리가 필요하며 추가 비용이 발생하게 된다. 그러나 HCNG 버스의 경우 NOx를 저감시키기 위해 기존의 3원 촉매만으로 배출가스를 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
모드 평균치로 평가한 결과 질소산화물은 CNG버스 대비 90% 이상의 저감특성을 보였으며 메탄을 포함한 온실가스는 20% 이상 감소되는 것으로 나타났다.
이와 같이 연료를 전환함으로써 CNG 대비 높은 환경성능을 보여주었으며 연비에서도 경유보다 우수한 성능을 보였다. 이제 HCNG 기술은 기술개발을 통해 성능을 확인한 단계로 향후 검증을 거쳐 상용화를 위한 준비가 필요한 단계이다.
실증 운행은 주행성능 모니터링 기간 동안 25회에 걸쳐 총 1046 N㎥의 HCNG 연료를 충전했으며 주행거리는 총 2708km를 운행했다. 실 도로 운행결과 HCNG버스의 평균 연비는 약 2.6 km/Nm3로 산출됐다.
주행성능은 운전자가 CNG버스 대비 출력과 출발성능은 우수하다는 의견을 보였으며, 기존 CNG버스의 연비와 비교하면 약 11%의 효과가 있는 것으로 분석됐다.
이상의 차량시험 및 실증운행결과에서 HCNG 버스는 CNG보다 NOx와 CO2 배출이 매우 낮은 특성을 보였으며 이를 환경 편익으로 환산한 결과 차량 내구 년수 동안 약 3000만원 이상의 편익이 발생하는 것으로 나타났다.
이로써 HCNG 도입 시 기대되는 효과로 NOx 및 온실가스 저감효과 뿐만 아니라 연비 개선에 따른 경제적 효과를 기대할 수 있을 것이다.
최근 수송 분야에서 배출되는 미세먼지 저감 수단이 필요한 상황에서 HCNG버스가 PM뿐만 아니라 2차 미세먼지 원인물질로 주목받는 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있는 만큼 보급을 위한 지혜를 모야야 할 것이다.
또한 CNG 충전소를 활용한 수소 충전인프라는 HCNG 버스 보급을 위해 필요할 뿐만 아니라 향후 예상되는 수소 충전인프라 구축에도 상당히 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한정옥 한국가스공사 수석연구원
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