한정옥 한국가스공사 신에너지기술연구센터장
HCNG, 수소와 천연가스의 장점 겸비한 최적 연료
HCNG 상용화 위해 CNG 충전인프라 활용해야
현재 연구 중인 NGV의 미래기술, HCNG 기술은 2011년부터 5년 동안 환경부 친환경자동차기술개발 사업단의 지원으로 수행되고 있다. 이는 한국가스공사, 한국기계연구원, 가스안전공사, 자일 대우버스를 중심으로 post EURO-6 배기규제 대응을 위한 HCNG 시내버스를 개발하는 내용이다.
천연가스는 주성분이 메탄(CH4)으로서 탄소대비 수소비가 4로 완전연소 시 이산화탄소 배출이 상대적으로 적은 친환경 연료이며 유가 변동에 따른 유동성이 경유에 비해 우수하다. 이 때문에 그 소비가 가파르게 증가하였으나 현 시점에서 강화된 배출가스 규제를 만족하기 위해서는 고가의 정화장치가 추가될 수밖에 없기 때문에 결국 이러한 기술은 또 다시 해외에 의존할 수밖에 없는 실정이다.
대체연료로 부상하고 있는 수소는 지구상에서 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 원소로서 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않아 온실가스의 문제가 전혀 없으며 궁극적인 미래의 연료라 할 수 있다.
하지만 수소를 단독으로 사용할 경우 공급방법과 안전성에 제한이 있다. 약 20~30% 정도의 수소를 천연가스와 혼합하여 연료로 사용한다면 수소의 장점과 천연가스의 장점을 겸비한 우수한 연료로 사용이 가능한데 이것이 수소혼합천연가스(이하 HCNG) 연료이다.
천연가스-수소 혼합연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 궁극적 연료인 수소를 본격적으로 사용하기에 앞서 사회적, 기술적 인프라의 가교역할을 천연가스-수소 혼합연료가 담당할 수 있기 때문이다. 최근 중국과 인도에서도 HCNG 기술을 도입하여 상업화를 시도하는 등 빠른 기술도입 행보를 보이는 것도 수소시대를 미리 대비하기 위함이다.
천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 천연가스가 가지고 있는 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 EURO 6의 NOx 허용기준치를 만족시킬 수 있기 때문이다. 또한 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수도 있다.
현재 HCNG에 대한 기술개발은 차기 배출가스 기준인 post EURO 6를 만족하는 기술을 목표로 추진 중이다. HCNG 기술이 경쟁력이 있는 이유는 후처리에 의존하지 않고 연료특성과 엔진 제어 기술을 이용하여 배출허용기준을 만족할 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 이미 미국과 이태리 및 인도 등에서 시범운영을 거쳐 일부 상용화한 사례가 있다.
HCNG의 가장 중요한 성공요인은 충전인프라 구축에 있다. 즉, HCNG 연료를 충전할 수 있는 충전 인프라가 갖추어 진다면 충분히 경쟁력 있는 차세대 친환경 자동차기술이 될 수 있다.
HCNG 연료를 엔진에 적용할 경우 후처리장치 없이 EURO 6 NOx 규제를 만족시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 최근에는 점차 강화되는 배기규제를 만족시키고자 post EURO 6 CNG 엔진에서 이론공연비 연소방식이 채택되는 추세이지만, HCNG 연료를 적용하면 Cooled EGR을 충분히 공급할 수 있어 연비향상과 내열내구성을 만족할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
▲HCNG 엔진 기술, 연소·노킹 안정성 크게 증가시켜
HCNG는 수소와 천연가스가 혼합된 균질가스로 연료적인 측면에서 볼 때 수소의 연소 촉진 특성으로 인해 연소 안정성 및 노킹 안정성이 크게 증가한다. 특히 노킹 안정성의 확보로 고압축비와 고흡기압이 가능하다는 점과 안정된 high dilution 연소(초희박 또는 고EGR 연소)로 인해 엔진효율이 향상된다는 점을 주요 특징으로 들 수 있다.
배기측면에서는 high dilution 연소로 인해 연소온도 저감에 따른 질소산화물 배출이 급속하게 감소되며, 연료 자체의 C/H비 감소에 따른 이산화탄소의 저감도 약 10% 이상 기대할 수 있다. 또한 배기가스 온도를 낮추게 됨에 따라 엔진의 내열 내구성에 유리한 점도 큰 장점이다.
EURO 6 뿐만 아니라 post EURO 6 배기규제를 대응하기에 HCNG 연료가 다른 연료에 비해 매우 큰 장점을 가지고 있다는 것을 알 수 있지만 HCNG 연료의 특성을 최대한 활용하기 위해서는 엔진 주변부품과 제어기의 보정작업이 필수적이다. 또한 연료체적 증가 및 희박 공기량 또는 EGR 유량 증가에 따른 여러 가지 관련 변수들을 보강하고 최적화시켜 주어야 한다.
최근 희박연소 기법을 적용하여 완료한 HCNG 엔진은 De_NOx 후처리장치 없이 EURO 6 배기규제를 만족시킬 수 있음을 모드 테스트를 통해 입증한 상태이다. 이 경우 NOx는 EURO-IV 기준을 만족했으며, CO, NMHC에서도 탁월한 저감 성능을 확인했다.
현재 한국기계연구원에서는 post EURO 6 대응 HCNG 엔진을 개발 중이며 더욱 강화될 것으로 예상되는 규제치를 만족시키기 위해 이론공연비 HCNG 엔진을 오는 2016년까지 개발할 예정이다.
다만 희박연소 엔진에 비해 이론공연비 엔진은 삼원촉매를 활용하여 유해 배기 배출물을 최대한 저감시킬 수 있는 장점이 있지만 연비와 내열내구성에 있어 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로 MAN, Cummins, 현대 등 주요 CNG 엔진 제작사는 Cooled EGR을 적용하고 있으나 연소 악화로 EGR 유량이 제한됨에 따라 연소안정성이 확보되는 기술의 접목이 필요한 상황이다.
HCNG 연료는 초희박 뿐만 아니라 High EGR 조건에서도 CNG에 비해 우수한 연소특성을 가지고 있기 때문에 이론공연비 조건에서 post EURO 6를 만족하는 엔진을 효과적으로 개발할 수 있을 것으로 본다. 이론공연비 HCNG 엔진 개발에는 CNG 엔진 제작사인 ㈜두산인프라코어와 촉매전문업체인 ㈜이엔드디가 참여하고 있다.
▲HCNG 버스 개발, 차량성능·안정성 확보 기대
현재 실차 평가를 위해 자일대우버스의 시내버스 모델인 BS106 차량에 HCNG 엔진을 탑재하여 평가 중이다. 이를 통해 동급의 천연가스 차량과 동등한 동력성능을 확보하는 한편 이산화탄소도 10% 이상 저감효과가 있는 것으로 예측되고 있다. 2016년까지 실증운전을 통해 차량성능과 안전성을 확인할 예정이다.
해외의 경우 2000년대에 들어서면서 HCNG 엔진을 탑재한 버스의 시범운행이 북미, 유럽, 중국, 인도 등에서 적극적으로 이루어져 왔다. 최근에 엔진개발과 시범운행이 이루어진 곳은 이탈리아 Ravenna로서 HCNG 전용 엔진을 개발하기보다 기존의 CNG 엔진을 수정 없이 활용하여 보급에 중점을 두겠다는 정책이 반영되었다.
앞서 북미나 다른 유럽지역에서도 HCNG 엔진 개발에 힘써 왔지만 현재 시행되고 있는 EURO 6 이상의 배기규제를 만족시키는 엔진은 개발된 적이 없다.
▲HCNG 충전소 안전기준, 기존 수소 및 CNG 기준 준용 가능
국내의 경우 현행법상으로는 기존 CNG 및 수소 충전소에 HCNG 혼합설비를 추가하여 HCNG를 충전하는 충전소를 운영할 수 없다. 이에 따라 지난 8월 HCNG 충전소 시범운영을 위해 고압가스안전관리법에 기초한 HCNG 충전소 특례기준이 정해졌다.
특례기준에서는 기존 충전소에 추가적인 설비를 설치하기가 곤란한 경우 구조물의 안전성을 확보하여 캐노피 상부에 설비를 설치할 수 있도록 기준을 마련했다. 이는 향후 HCNG의 상용화를 대비하여 기존의 CNG 충전인프라를 활용하고자 할 때 설비 구축의 유연성을 확보하기 위한 조치이며 수소연료전지차의 상용화를 위한 수소공급 인프라 확충에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
앞서 수행된 위험성평가를 근거로 할 때 HCNG 충전소의 위험도는 수소 및 CNG 충전소에 비하여 그 중간정도의 위험도를 보이고 있다. 평가에서 설정한 위험성 시나리오에 의하면 폭발압력 및 복사열에 의한 위험도는 수소보다는 증가하나 CNG보다는 피해정도가 감소하는 것으로 파악되었다. 또한 제트화염에 의한 피해에서는 수소 및 CNG보다 피해거리가 감소하는 결과를 보였다.
이러한 결과를 토대로 할 때 HCNG 충전소에 관한 안전기준은 기존의 수소 및 CNG기준을 준용하여도 안전상 무리가 없는 것으로 판단되었다.
▲기존 인프라 활용 위해 복층구조 HCNG 복합충전 시스템 개발
국내 천연가스 배관망은 전국을 대상으로 이미 구축되어 있으며 이러한 인프라를 활용하여 HCNG 충전 인프라를 구축한다면 외국보다 훨씬 더 용이하게 수소경제에 중요한 요소인 수소 인프라를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
2000년 6월부터 시작된 CNG 충전소는 2013년 12월 현재 총 188개소가 있다. 기존 CNG 충전소는 버스 차고지 및 공영차고지 등에 설치 운영 중에 있으며 기존 CNG 충전소에 수소발생장치를 추가 설치하면 CNG와 HCNG 및 H2를 각각 공급할 수 있는 충전 시스템을 구축할 수 있다.
다만 기존 CNG 충전소에 수소 공급설비를 설치하기 위해서는 안전거리 확보를 위한 추가 부지가 필요하며 이 문제를 해소하기 위해 복층구조의 복합충전 시스템을 설치하는 방안을 검토하여 현실적인 대안을 제시할 계획이다.
즉, 기존 CNG 생산설비는 1층에 그대로 두고 2층에 개질시스템과 혼합 장치를 새로 설치하는 방안을 제시하고 실증함으로써 향후 안전기준 개정에 참고할 수 있는 자료를 확보하고자 한다.
기존 수소충전소를 활용한 HCNG 충전설비를 구축하기 위해 복층구조를 갖는 HCNG 복합충전 시스템을 설계하였다. HCNG 디스펜서는 1층에 설치되는 구조로 설계하였으며 기존 시설에 복합적으로 설치되는 구조를 택하였다.
2층에는 수소와 CNG 저장실린더와 혼합장치가 설치되고 기존 수소충전소에서 CNG를 공급하기 위해 별도의 CNG 압축기는 2층에 위치하는 구조로 하였으며 이종 연료간 안전거리를 5m로 하여 안전기준에 부합하는 형태를 갖도록 하였다.
HCNG 시범사업을 위한 충전인프라는 두 가지 형태로 진행될 예정이다. 하나는 한국가스공사 인천수소스테이션 내에 CNG 압축설비 및 HCNG 혼합설비를 추가하여 기존의 수소생산시설과 결합하여 HCNG를 생산하는 방식이다. 이 충전소는 ON-SITE에서 수소를 생산하여 CNG와 혼합하여 HCNG를 생산하는 방식으로 제조식 HCNG 충전소의 형태를 구성한다.
두 번째 HCNG 충전소의 형태는 울산의 대우버스 공장에 충전설비를 구축하는 방식이다. HCNG 버스를 실증 운행하게 될 대우버스 공장 내에 HCNG 혼합가스를 튜브트레일러로 공급받아 충전하게 된다.
▲HCNG 인프라, 수소 충전인프라 구축에 기여
CNG 충전소를 활용한 HCNG 충전인프라가 구축될 경우 기존 수소충전 인프라 구축계획에 상당한 기여를 할 것으로 전망된다. HCNG 충전인프라는 대우버스와 연계하여 fleet 단위의 HCNG 버스 실증 프로그램에 활용할 수 있다. 30N㎥/h급 천연가스 개질시스템은 중소규모 수소이용 산업에서 수소공급시스템으로 활용이 가능하다.
또한 수소연료전지자동차의 상용화를 촉진하기 위한 수소인프라 구축에도 활용이 가능하다. 결국 HCNG 충전소 구축은 HCNG 버스 보급을 위해 필요할 뿐만 아니라 향후 예상되는 수소 충전 인프라 구축에도 상당히 기여할 수 있을 것으로 기대된다.