[월간수소경제 박상우 기자] 연료와 공기 따위의 산화제를 연소실에서 연소시켜 에너지를 얻는 기관을 내연기관이라고 부른다.
내연기관은 작고 가볍게 만들 수 있는 데다 열효율이 높고 연소소비율이 낮다. 또 운전 취급과 시동 정지가 쉽고 시동 후 전부하(큰 출력)에 이르는 시간이 짧다. 그래서 내연기관은 오랜 기간 각종 기계장치의 독보적인 동력원 역할을 담당해왔다.
그러나 최근 전세계가 탄소중립을 달성하기 위해 탄소배출이 많은 내연기관을 퇴출하려 한다.
실례로 2022년 10월 유럽연합(EU)은 2035년부터 27개 회원국에서 가솔린 등 내연기관차 판매를 금지하는 방안을 확정했다. 이에 따라 완성차업체들은 2030년까지 신차 탄소배출량을 2021년 대비 55% 줄이고 2035년부터는 신차 탄소배출량을 100% 감축해야 한다.
또 영국은 2030년부터 내연기관차 판매를, 2035년부터는 내연기관을 탑재한 하이브리드카 판매를 전면 금지한다. 미국 캘리포니아주와 뉴욕주, 캐나다 퀘벡주는 2035년부터 내연기관차 판매를 전면 금지하기로 했다.
여기에 국제해사기구(IMO)와 국제민간항공기구(ICAO)가 탄소배출 규제를 강화하고 있다.
총톤수 400톤 이상의 선박으로서 국제항해에 나서는 선박은 기관출력 제한장치 또는 에너지효율개선장치 등을 통해 선박에너지효율지수(EEXI) 기준치를 충족시켜야 하며, 저탄소 연료 사용, 최적항로 운항 등을 통해 탄소집약도지수(CII) 기준치를 만족시켜야 한다. 이런 가운데 IMO는 오는 7월 선박의 온실가스 배출을 추가로 규제하는 구체적인 전략을 내놓을 예정이다.
ICAO의 탄소배출규제인 코르시아(CORSIA)에 참여하는 국가 간 국제노선을 운항하는 항공사는 2019년부터 매년 이산화탄소 배출량에 대한 산정(Monitoring), 보고(Report), 검증(Verification) 3가지를 뜻하는 MRV를 시행해야 하며 2021년부터는 MRV를 통해 최종 산정된 탄소 배출량에 대해 2020년 배출량 수준을 초과하는 양을 상쇄 의무량으로 설정하고 항공사는 배출권을 구매해 이를 상쇄해야 한다.
이같이 내연기관의 설 자리가 점점 줄어들고 있는 가운데 이를 대체할 친환경 시스템인 연료전지와 배터리가 대세로 떠올랐다.
한계 보이는 연료전지와 배터리
연료전지와 배터리는 각각 수소와 전기로 탄소를 배출하지 않고 내연기관의 역할을 할 수 있어 사용처와 보급이 확대되고 있다. 그러나 연료전지와 배터리도 문제점이 있다.
먼저 연료전지의 전극 촉매로 쓰이는 백금, 배터리의 양극재 소재인 리튬 등 핵심 소재의 가격이 상당히 부담스럽다. 핵심소재의 가격은 연료전지와 배터리뿐만 아니라 이를 탑재한 제품의 가격에도 큰 영향을 미치기 때문이다.
무엇보다 공급이 불안정하다. 예를 들어 ‘하얀 석유’라 불리는 리튬의 경우 전기차 보급 급증으로 수요가 단기적으로 크게 변하나 생산은 1~2년 단위로 계획되고 광산 개발은 4~7년이 소요돼 수급 불일치가 빈번하게 발생하고 있다. 이로 인해 리튬의 가격 변동 폭이 다른 원자재보다 매우 크다.
또한 연료전지와 배터리를 모든 곳에 적용할 수 없다.
예를 들어 세계 최대 모빌리티 관련 독립엔지니어링 기업인 AVL이 2021년에 내놓은 보고서 ‘9th AVL Large Engine Techdays’에 따르면 1만4,770TEU급 컨테이너선을 기준으로 아시아-유럽 노선에서 소요되는 약 7,000톤의 HFO 연료를 대체하기 위해서는 약 16만 톤의 배터리가 필요한 것으로 나타났다. 이를 부피로 환산하면 거의 컨테이너 화물과 유사한 수준의 배터리 저장공간이 추가로 필요하게 된다.
지게차의 경우 짧은 충전 시간과 긴 운행 시간이 필수다. 그런데 배터리 충전 방식인 전동식 지게차는 2~3시간 사용하기 위해 8시간 충전해야 할 정도로 긴 충전시간에 비해 운행시간이 짧아 효율이 떨어지고 장비를 추가로 확보해야 하는 부담이 있다.
배터리로 가는 순수전기차가 수소전기차만큼의 주행거리를 확보하기 위해선 배터리 용량이 커야 한다. 이를 위해선 많은 배터리가 탑재돼야 하나 배터리가 많아지면 차량의 무게가 늘어 가속력이 떨어지고 충전시간이 늘었음에도 오히려 주행거리가 줄어들 가능성도 있다.
그래서 충전시간과 사용시간이 배터리보다 우수한 연료전지를 적용하려 한다. 예를 들어 넥쏘는 5분 만에 완충할 수 있으며 완충 시 최대 609km까지 주행할 수 있다. 반면 72.6kWh 배터리가 탑재된 아이오닉5는 급속으로 배터리 80%까지 충전하는 데 18분이 소요되며 완충 시 최대 429km까지 갈 수 있다.
또 수소지게차는 5분 충전으로 6~8시간을 운행할 수 있어 효율이 높은 데다 배터리보다 연료전지 수명이 길어 전동식 지게차보다 유지비 부담이 적다. 또 소음이 없고 오염물질을 배출하지 않는다.
그러나 연료전지는 비용이 많이 들고 충전 인프라가 부족하며, 열약한 사용환경에서 내구성 확보 등 기술적 성숙도가 낮아 수소모빌리티가 활성화되기까지 많은 시간이 필요하다.
무엇보다 수소와 전기를 생산할 때 주로 석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료를 사용하는 데다 리튬, 니켈, 백금 등 핵심 소재를 채굴할 때 환경에 부정적인 영향을 주는 부산물이 발생하고 엄청난 양의 지하수를 사용하기 때문에 친환경 에너지로 보기엔 어렵다는 주장도 있다.
이러한 연료전지와 배터리의 문제점을 해결하기까지 많은 시간과 비용이 필요하나 전세계적으로 탄소 관련 규제가 점점 강화되고 있어 기업엔 시간과 비용이 부족하다. 그래서 나온 대안이 바로 수소를 태우는 내연기관이다.
수소 태우는 내연기관 개발 활발
수소를 태우는 내연기관, 즉 수소엔진은 현재 보유 중인 엔진 기술과 설비를 활용할 수 있어 비용 절감과 동시에 상용화 시기를 앞당길 수 있고 99.99% 이상의 고순도 수소를 이용해야 하는 연료전지와 달리 저순도 수소로도 구동할 수 있어 경제적이다.
영국 건설장비 제조사인 JCB의 팀 번호프(Tim Burnhope) 최고혁신·성장책임자는 지난 1월 현지 언론과의 인터뷰에서 수소엔진을 개발하는 이유를 설명했다.
팀은 “화석연료를 대체할 만한 연료를 살펴본 결과 수소가 가장 매력적인 솔루션이었다”라며 “연료전지를 탑재한 굴착기 개발에 착수했으나 연료전지를 건설기계에 적용할 수 없다는 것을 확인했다”라고 설명했다.
이어 “예를 들어 연료전지 수명 단축을 막기 위해서는 내부 멤브레인이 손상되지 않도록 깨끗한 환경에 있어야 하나 작업 특성상 그럴 수 없고 수소전기건설기계 가격이 디젤건설기계보다 약 3배 높고 냉각수 가격이 2,000파운드(한화 약 303만 원)에 달할 정도로 유지비용이 상당히 높다”라고 밝혔다.
또 “매일 16시간 작동할 수 있는 1,000kWh 출력의 순수전기건설기계는 배터리팩 200개가 필요하므로 비용이 40만 파운드(한화 6억672만 원)로 디젤 모델보다 최대 4.3배 더 비싸고 무게는 1만kg을 초과한다”라며 “소형 순수전기건설기계는 구매 비용이 디젤보다 1.9배 비싸나 무게는 거의 같다. 하지만 스케일업은 여전히 문제”라고 덧붙였다.
그래서 JCB는 디젤엔진과 같거나 더 잘 작동하고 유사한 방식으로 연료를 보급하는 수소엔진 개발에 착수했다. 착수한 지 약 1년 만인 2021년 5월 4.8리터 수소엔진을 탑재한 백호로더 프로토타입을 선보였다. 그로부터 5개월 후 수소엔진 탑재 텔레스코픽핸들러 프로토타입을 공개했다.
팀은 “수소전기건설기계 개발 당시 테스트를 준비하기까지 연료전지를 구성하는 데 6개월, 설치하는 데 6주, 전자장치를 작동시키는 데 추가로 6주가 걸렸다”라며 “반면 수소엔진건설기계는 조립라인으로 보낸 지 1주일 만에 테스트 준비를 마쳤다. 이것이 진정한 승자로 만드는 것”이라고 밝혔다.
이런 가운데 2022년 12월 5일 도요타자동차 유럽법인은 수소엔진차 프로토타입인 ‘코롤라 크로스 H2(Corolla Cross H2 Concept)’를 공개했다.
도요타는 2021년과 2022년 아시아 단일 지역 최대 내구 GR대회인 슈퍼 다이큐 시리즈에 출전한 GR 코롤라에 탑재된 1.6리터 3기통 터보 수소엔진과 수소전기차 미라이에 적용된 수소탱크 패키징을 코롤라 크로스 H2에 장착했다.
엔진에는 슈퍼 다이큐 시리즈에 참가하면서 확보한 데이터를 바탕으로 개발한 고압수소 직분사 엔진 기술이 적용됐다. 이를 통해 수소연소력이 기존 수소엔진보다 24%, 토크는 33% 증가해 기존 가솔린 엔진과 동등한 동적 성능을 확보했다. 또 항속거리는 약 30% 연장되고 재급유시간은 약 5분에서 1분 30초로 단축됐다.
도요타는 코롤라 크로스 H2의 상용화 과정이 약 40% 진행됐으며 현재 일본 북부에서 혹한 테스트를 시행하고 있다고 밝혔다. 그러나 수소엔진차의 품질이 기존 내연기관차의 품질까지 도달할지는 아직 말할 수 없다고 할 정도로 불확실성은 여전하다.
도요타는 “수소엔진의 주요 장점은 기존 내연기관 기술을 활용할 수 있는 데다 연료충전 시간이 다른 친환경차보다 빠르고 니켈, 리튬 등 원자재 공급 문제 영향이 적다”라며 “즉 기존 기술을 채택하고 기존 투자를 더욱 활용함으로써 수소엔진은 광범위하고 접근할 수 있는 탄소 저감 솔루션으로 더 빠르게 이어질 수 있다”라고 설명했다.
최근 사명을 바꾸고 새롭게 출발한 HD현대(현대중공업그룹)의 조선 지주사인 한국조선해양과 계열사 현대중공업은 지난해 12월 22일 “최근 독자 기술로 개발한 1.5MW급 LNG·수소 혼소 힘센(HiMSEN) 엔진에 대한 성능 검증을 마쳤다”고 밝혔다.
LNG·수소 혼소엔진은 디젤연료와 LNG, 수소 혼합 연료를 선택적으로 사용해 황산화물과 질소산화물, 이산화탄소, 미세먼지 배출량을 크게 줄인 엔진으로 수소를 사용하는 엔진의 첫 단계라고 할 수 있다.
이 엔진은 성능시험에서 국제해사기구(IMO)의 질소산화물 규제 가운데 최고 등급인 티어3(Tier 3)을 충족해 이산화탄소와 메탄슬립(완전히 연소하지 않고 배출되는 메탄) 저감 효과가 우수함을 증명했다고 현대중공업그룹은 전했다.
이 엔진을 액화수소운반선에 적용하면 운용 효과는 더 커진다. 액체수소 운송 과정에서 발생하는 수소증발가스(BOG)를 연료로 사용해 항해 중 손실되는 수소량을 최소화할 수 있기 때문이다.
HD현대는 지난해 9월에 열린 세계 최대 가스기술전시회 ‘가스텍’에서 힘센 엔진을 적용한 수소운반선 시스템에 대한 DNV 선급 인증을 받은 바 있다.
HD현대는 LNG·수소 혼소엔진의 적용 범위를 육상까지 넓힐 계획이다. 기존 발전용 엔진과 비교해 수명이 길고, 전기 부하의 변동에 따라 발전 출력을 조정하는 부하추종 성능이 뛰어나 육상용 소형·분산 발전에도 활용도가 기대된다는 것이 현대중공업그룹의 설명이다.
또 HD현대의 건설기계부문 계열사인 현대두산인프라코어는 건설기계부품연구원, 테너지, 중앙대학교, 타타대우상용차 등과 2022년 5월부터 산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원의 국책과제인 ‘건설기계용·상용차용 300kW급 Zero-CO2 수소연소엔진 시스템 및 저장 공급계 개발’ 과제를 수행하고 있다.
내연기관 살릴 대체 연료 등장
2022년 10월 유럽연합(EU)이 2035년부터 27개 회원국에서 휘발유 등 화석연료를 사용하는 내연기관차의 판매를 금지하는 방안을 확정했다.
해당 법안은 차량 제조사들이 2035년 이후 판매하는 신차의 탄소배출량을 100% 감축해야 한다고 규정했다. 또 2030년까지 신차 탄소배출량을 2021년 대비 55% 줄인다는 내용도 담겼다. 이는 기존 감축 목표치인 37.5%보다 훨씬 강한 것이다.
승합차의 경우 2030년 기준 신차 탄소배출량 감축 목표치가 2021년 대비 50%로 상대적으로 조금 낮게 설정됐지만 2035년부터는 배출량을 ‘0’으로 만들어야 한다는 점에선 차이가 없다. 다만 연간 1만 대 미만을 생산하는 소규모 차량 제조사에 대해선 2036년까지 내연기관차 판매를 허용했다.
이에 독일자동차협회(VDA)는 “EU가 현재 기술 수준과 업계의 다양한 도전 과제를 고려하지 않고 성급하게 높은 목표를 제시한 것”이라며 “에너지 및 원자재 공급망 등 업계의 목표 달성을 위한 기반 조건 마련을 서둘러야 한다”고 밝혔다.
이어 “이퓨얼(E-Fuel) 등 합성연료가 현재 운행 중인 내연기관차의 탈탄소화에 유용해 전기차 이행 과도기 기술로 중요하다”라며 2035년 이후에도 합성연료를 사용하는 내연기관차의 판매를 허용해달라고 촉구했다.
대표적인 합성연료인 E-Fuel은 그린수소와 이산화탄소 등 탄소 자원으로 제조한 합성연료로, 제조 방법과 반응 조건에 따라 메탄·메탄올·가솔린 등 다양한 형태로 제조할 수 있어 수송용 대체 연료로 사용할 수 있는 친환경 연료다.
E-Fuel은 연소 시 이산화탄소를 배출하지만 제조 시 이산화탄소를 활용하고 완전 연소 비율이 높아 기존 경유차 대비 미세먼지와 온실가스 배출량이 20~40% 수준이다. 특히 생산 과정 특성상 황 성분을 전혀 포함하지 않아 대기 산성화도를 40% 이상 감소시킬 수 있다. 이런 이유로 바이오연료, 암모니아, 수소 등과 함께 탄소중립연료로 분류된다.
또 부피당 에너지밀도가 높아 수송용 연료로서 주행거리나 주유시간이 수소나 배터리보다 우수하고, 기존에 사용하던 내연기관차와 인프라를 그대로 사용할 수 있고 석유 제품과 혼합해서 사용할 수 있어 전동화가 어려운 항공·선박 등 수송부문 전반에 적용할 수 있다.
독일은 해당 법안을 놓고 협상하는 과정에서 “E-Fuel 등 합성연료를 사용하면 내연기관차 또한 탄소중립을 달성할 수 있는데 이를 고려하지 않고 내연기관차 판매를 일괄 금지해서는 안 된다”라고 주장했다.
EU는 독일의 이러한 요구를 반영해 E-Fuel 등 합성연료를 사용하는 내연기관차를 2035년 이후에도 판매할 수 있도록 허용하는 법안을 집행위원회가 제안토록 하는 규정을 포함시켰다.
EU집행위원회는 2025년 발간 예정인 ‘도로 분야 무공해차 전환 중간 이행 보고서’에서 탄소중립연료의 탄소중립 기여도를 평가·검토하기로 했다. 우선 2025년까지 중대형 화물차와 특장차에 사용된 탄소중립연료의 탄소중립 기여도를 평가하고 2035년 이후에도 탄소중립연료로만 운행되는 경우 신차 등록 허용을 검토한다는 방침이다.
그러나 EU집행위원회는 “법안이 기술적으로 중립적인 입장을 취하고 있지만, 유럽의 전기차 투자 증가 방향성은 매우 뚜렷하고 목표도 전기차 전환을 지향하고 있다”라며 내연기관차 판매 허용 가능성에 대한 부정적인 입장을 시사했다.
이같이 EU가 E-Fuel 등 합성연료를 사용하는 내연기관차 판매를 허용할지는 불확실하나 주요 업체들은 E-Fuel 개발에 적극적이다.
독일의 포르쉐는 지난해 12월 칠레에 구축한 E-Fuel 시범생산공장을 가동했다. 이 공장은 연간 약 13만 리터의 E-Fuel를 생산할 예정이며 2020년대 중반 E-Fuel 연간 생산량을 5,500만 리터, 2030년에는 5억5,000만 리터까지 확대한다는 계획이다.
SK이노베이션의 원유 및 석유제품 트레이딩 사업 자회사 SK트레이딩인터내셔널(SKTI)은 미국의 E-Fuel 전문 기술기업인 ‘인피니움(Infinium)’에 투자를 단행했다.
2020년 미국 캘리포니아주 새크라멘토에 설립된 인피니움은 액체연료 합성 공정 기술을 보유한 업체다. 가스액체화(Gas to Liquid) 기술을 기반으로 수소를 이산화탄소와 합성하는 것으로, 15년간 축적해온 촉매기술을 활용해 이 분야에서 상업화 속도가 가장 빠른 것으로 평가 받는다.
지난해 3월에는 현대차그룹이 사우디의 아람코, 킹 압둘라 과학기술대학과 초희박 연소 엔진(Ultra Lean Burn Engine)과 친환경 합성연료(e-Fuel) 공동개발에 착수했다고 밝혔다.
현대차그룹의 초희박 연소 엔진 기술 및 아람코의 연료 제조 기술을 바탕으로 총 2년에 걸쳐 진행될 예정이며, 킹 압둘라 과학기술 대학은 연구 인력 및 시설을 지원함으로써 엔진 시험을 비롯한 모델링 및 검증으로 연구 성과에 대한 시너지를 창출한다는 계획이다.
특히 이번 연구에서는 친환경 합성연료를 일반 하이브리드카(HEV)에서 사용했을 때 온실가스 배출량을 얼마나 줄일 수 있는지 검증하고 시뮬레이션 및 엔진 시험을 통해 유해배출물 감소 효과를 측정할 예정이다.
탄소중립시대 생존법 잇따라
지난해 5월 프랑스의 르노자동차는 오는 2024년에 출시할 수소전기차의 형태와 스타일을 가늠해볼 수 있는 콘셉트카인 세닉 비전(Scenic Vision)을 공개했다.
세닉에는 수소차와 전기차의 장점을 결합한 구동방식인 ‘연료전지 레인지 익스텐더’가 적용됐다. 레인지 익스텐더는 구동용으로 사용되는 배터리를 충전하기 위해 탑재된 소형 발전기를 일컫는다. 즉 배터리에 저장된 전기로 전기모터를 돌려 주행하다 연료전지시스템으로 배터리에 전기를 공급해 주행거리를 연장한다.
르노는 수소차의 주행거리와 충전속도, 전기차의 퍼포먼스와 거주성이 결합된 연료전지 레인지 익스텐더로 현대차 넥쏘, 도요타 미라이와 경쟁한다는 전략이다.
르노뿐만 아니라 일본의 혼다자동차도 2024년 중형 SUV 6세대 CR-V를 기반으로 하는 수소전기차에 연료전지 레인지 익스텐더 구동방식을 적용할 예정이다.
이처럼 점점 다가오는 탄소중립시대에 살아남기 위해 약점은 보완하고 장점은 극대화하는 생존법들이 잇따라 등장하고 있다.
