[기획]CNG용기 경량화 추진

CNG버스의 TYPE-3 용기 실차적용 및 상용화 기술개발 연구가 본격 추진된다.

한국가스공사 중소기업 연구지원사업의 일환으로 추진되는 이번 연구는 항공-방산분야 복합재 전문회사인 (주)테크가 CNG용기의 고정기구의 안전성에 대해 연구하고, 가스밸브의 안전성은 한국가스안전공사에서, TYPE-3 실차주행의 환경성 및 경제성 효과는 천연가스차량협회에서 각각 전문연구를 담당하고 있다.

적용분야는 CNG버스 및 CNG개조차량, 수소자동차의 수소용기분야이며 오는 2013년 3월 31일 완료될 예정이다.

이번 연구의 목적은 최종적으로 경량화 용기(TYPE-3)의 상용화에 있다.

CNG용기의 부피 팽창 및 진동을 고려한 고정기구의 설계와 전자밸브 및 가스누출경보장치 등 안전장치를 적용해 CNG버스의 안전성을 개선하고, 경량화 용기인 TYPE-3 용기의 실차적용을 통해 국내 경량화 용기산업의 활성화 및 해외시장을 개척하자는데 목적이 있다.

이를 위해 △복합재 손상에 따른 용기수명 평가 △CNG용기의 부피팽창을 고려한 용기 고정기구 설계 △CNG용기 및 용기 고정기구의 진동 내구성과 피로 분석 △충돌시험을 통한 용기 고정기구의 안전성 평가 △CNG용기용 전자밸브의 안전성 향상방안 연구 △차량용 가스누출경보장치 실용화 모니터링 △용기 경량화(TYPE-3)에 따른 연비 개선 및 친환경 효과에 대한 연구 등이 진행될 예정이다.

이러한 연구를 통해 CNG용기의 용기손상에 따른 안전성 방안을 마련하고 CNG 용기용 전자밸브 적용과 차량용 가스누출경보장치 모니터링으로 가스누출에 대한 안전성 향상을 도모할 계획이다. 또한 용기 경량화에 따른 연비개선 및 친환경 효과에 대한 연구, 경량화 용기의 보급·확산을 위한 최적의 보조금 규모 산정을 연구목표로 하고 있다.

CNG버스에 사용되는 고압용기는 Steel로만 제작된 TYPE-1, Steel 라이너에 용기의 중앙 몸통부분만 유리섬유 복합재로 보강한 TYPE-2, 이음매 없는 얇은 알루미늄 라이너에 탄소섬유 복합재로 용기 전체를 보강한 TYPE-3, 플라스틱 라이너에 탄소섬유 복합재로 용기 전체를 보강한 TYPE-4로 분류된다.

이 중 TYPE-1 및 TYPE-2는 가격이 저렴한 반면 무게가 무겁다는 단점이 있다.

국내에서는 (주)NK가 생산하는 TYPE-2 용기가 CNG버스에 적용되고 있으며, 용기의 무게로 저상 및 굴절차량에 적용하기가 어렵고 연비가 저감되는 문제를 안고 있다.

TYPE-4의 경우 복합재 라이너와 금속 포터부의 가스 누설문제가 해결되지 않아 인도와 중국에서는 사용이 금지되고 있는 실정이다.

Al 라이너에 탄소섬유가 보강된 TYPE-3 용기는 주로 선진국에서 경량화가 요구되는 저상 CNG버스, 차량용 수소저장용기, 소방관용 공기호흡기, 고층빌딩 또는 지하작업장 등과 같은 산소결핍 우려지역에 보급이 이뤄지고 있다.

특히 지진이 빈번한 일본의 경우 가정용 긴급 구호기 등 휴대용으로는 선진국을 중심으로 사용이 법제화 되어 있다.

◆국내 환경 적합한 안전장치 개발 절실

지난 2001년 CNG버스가 국내에 도입된 이후 용기파열 등의 사고는 10여 차례 발생했다. 이중 2010년 8월 9일 서울 행당동 CNG버스 사고는 시민들에게 큰 충격을 줬다.

당시 국과수는 사고원인을 용기 고정기구인 링 브라켓 고정불량으로 용기유동, 체결볼트에 의한 용기손상 및 용기밸브의 고장 등 이라고 발표했다.

따라서 CNG용기의 안전성 향상을 위해 국내 CNG버스에 적용되고 있는 용기 고정기구의 개선 연구는 매우 필요하고 중요한 실정이다.

CNG 공급배관의 주요 가스누출부위는 가스충진밸브, 체크밸브, 전자밸브 또는 수동밸브, 수동차단밸브, 가스필터, 고압차단밸브로 구성된다.

현재 용기밸브는 수동밸브를 적용하고 있어 항상 개방돼 있는 구조를 갖고 있으며, 가스누출경보시스템은 CNG버스에 적용되지 않고 있다.

이에 2008년 지식경제부 정책연구 용역인 ‘CNG버스에 대한 안전성 향상 연구’에서는 이러한 이유로 가스가 누출되었을 때 누출된 가스를 운전자 등이 빨리 인지할 수 있게 하며, 원격으로 시스템의 안전을 조정할 수 있는 점검 시스템 및 2중 안전장치에 대한 대책으로 CNG버스에 전자식 용기밸브 및 가스누출경보시스템의 설치를 제안한 바 있다.

이후 2009년 11월부터 2010년 10월까지 실차 모니터링을 실시했으나, 단기간에 내구성 등을 확인하기 어려운 부분이 있었으며, 국내에서 개발된 가스누설경보기에 대한 모니터링이 이루어지지 않는 등의 이유로 추가검증 모니터링이 필요한 것으로 분석됐다.

따라서 전자밸브와 가스누설경보기의 실차 장착 모니터링 작업은 안전부품에 대한 데이터 확보 및 제품개발 반영을 통한 국내 환경에 적합한 안전장치의 개발을 목적으로 하고 있다.

국내 수송부문에서 사용하는 연료는 석유류가 98%를 차지하고 있다. 도시가스는 1.7%, 전력이 1.0%로 지나치게 석유류 중심으로 편중돼 있어서 석유류 수급변동에 직접적으로 영향을 받는 취약한 구조를 갖고 있다.

특히 CNG 버스의 보급이 확산되면서 경유 시내버스 시장을 되찾기 위한 정유사의 노력이 이어져 클린디젤이 급부상하고 있는 추세다.

현재 정부출연연구소에 연구개발자금을 지원해 디젤 하이브리드버스 보급사업의 기술개발 및 보조금을 지원, 지방자치단체(부산, 대구, 인천, 대전, 과천, 여수)를 대상으로 디젤 하이브리드버스의 운행 및 실차데이터 확보를 통한 클린디젤의 안전성과 친환경성, 경제성에 대한 적극적인 홍보가 진행 중이다.

이를 근거로 정유업계는 연비, CO2, 배출가스 기준 등의 만족할 만한 수준을 데이터베이스화 해 자동차 세제 및 에너지 세제정책의 개편을 요구할 것으로 전망되고 있다.

이에 따라 CNG용기의 경량화를 통한 연비 및 환경개선 효과에 대한 연구와 CNG용기 안전성에 대한 연구는 절대적으로 필요한 상황이다.

◆유럽, 전자밸브 장착 의무화

유럽의 CNG용기에 장착되는 용기용 밸브는 용기밸브에 장착된 In-Tank TYPE 솔레노이드+수동차단밸브 겸용으로 시동과 함께 밸브가 열리고 엔진정지와 함께 밸브가 닫히며, UN ECE R-110의 규정에서 전자밸브의 장착을 의무화 하고 있다.

미국의 경우 CNG 자동차 설치규정(NFPA52)에서 전자식 용기밸브를 직접적으로 설치하라는 규정은 없지만, 수동밸브를 사용할 경우에는 용기밸브 최단부에 전자식 라인 솔레노이드 밸브를 설치하라는 규정으로 긴급차단기능을 수행할 수 있도록 하고 있다.

미국도 가스누출경보시스템에 대한 설치 의무규정은 없다.

하지만 LA 매트로(LACMTA)에서는 운행 중인 모든 버스에는 가스누출경보 시스템을 장착해 안전성에 대한 많은 노력을 기울이고 있는 상황이다. 이는 버스공영제를 시행하는 미국 주정부에서 시민들의 안전성을 위해 적용하고 있는 것으로 판단되고 있다.

유럽 및 아시아 등에서는 가스누출경보시스템을 부착하지 않고 있으며, 유럽의 버스의 경우 저상버스가 많이 보급되어 있어 가스누출 시 확산이 용이하기 때문에 설치하지 않는 것이란 분석이다.

◆국내, LNG자동차 가스누설경보기 설치 의무화

우리나라의 경우 2000년 CNG 자동차 도입당시 전자식 용기밸브(GFI밸브)를 적용 후 전자밸브에 대한 품질문제로 인해 수동밸브를 허용했으며, 현재까지 계속 적용 중이다.

따라서 현행 법규상 전자식 용기밸브 또는 수동 용기밸브 어느 것도 장착이 가능하다.

주밸브의 설치 규정에 의하면 운전석에서 조작이 가능한 밸브를 전자식 용기밸브 또는 고압차단밸브(조정기 전단에 설치) 둘 중 1개소만 설치해도 만족하는 하는 것으로 규정되어 있다.

가스누설경보 시스템의 경우 현재 국내 CNG 자동차에 대한 설치규정은 없지만, LNG 자동차에는 가스누설경보기 설치를 의무화하고 있다.

2년 전부터 차량용 가스누설 경보시스템 개발이 이뤄졌고, 제품을 한국화이버 저상버스(CNG용기 루프위 설치)에 장착, 1년간 운행 중이다.

차량의 운행환경이 열악한 차량하부의 경우에는 가스누설 경보시스템을 장착해 운행한 경험이 없으며, 보다 성능이 향상된 차량하부용 검지센서 개발이 필요하다.

또한 자동차제작사에서는 2011년 내 제품개발 완료목표를 갖고 양산을 전제로 경보기 제품 개발을 추진 중이다.

CNG 용기의 경량화가 실현되면 기술적인 측면에서 CNG버스 용기의 안전성 향상 향상과 그에 따른 환경성, 경제성(연비) 향상을 기대할 수 있다.

또 CNG버스의 활성화로 석유 중심의 국내 수송에너지 구조를 개선할 수 있다.

특히 CNG버스 사업을 위협하는 클린디젤에 대한 경쟁력 강화화 고유가에 취약한 국내 수송에너지 시장에서 천연가스사업의 활성화 및 해외시장 개척의 발판을 마련하는 데에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

CNG 용기의 경량화 연구개발 이후에는 후속연구 과제로 △CNG 하이브리드버스의 용기 경량화 기술개발사업 △환경부의 CNG버스 경량화에 따른 친환경성 평가 △용기 프레임 경량화 기술개발 사업 등이 진행될 예정이다.