[월간수소경제 성은숙 기자] 최근 수소를 100% 연료로 사용하는 승용차용 수소엔진 기술 개발 소식이 전해지면서, 글로벌 자동차 제조 업계의 수소엔진 개발 동향에 대한 관심이 고조되고 있다. 세계적으로 내연기관 규제가 강화됨에 따라 다양한 친환경차 포트폴리오 구축을 위해 전기차, 수소연료전지차뿐만 아니라 수소내연기관차에 대한 기술개발에 나서야 한다는 목소리에 힘이 실린다.

 

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원은 지난 9월 7일 모빌리티동력연구실 최영 책임연구원과 현대기아자동차 탈탄소엔진리서치랩 백홍길 연구위원 공동연구팀이 수소연료만 100% 사용하는 ‘직접분사식 수소엔진’을 개발하고, 성능평가를 통해 우수성을 입증했다고 밝혔다. 

 

수소차는 파워트레인에 따라 ‘수소연료전지차(FCEV)’와 ‘수소내연기관차(HICEV)’로 구분할 수 있다. 수소연료전지차(이하 ‘수소전기차’)는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 발생한 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 움직인다. 내연기관 엔진이 아닌 수소연료전지 스택(stack)과 배터리가 차의 심장 역할을 한다. 수소내연기관차(이하 ‘수소엔진차’)는 기존 화석연료 자동차의 엔진과 거의 비슷한 구조의 엔진에 수소를 연료로 공급해 동력을 얻는 자동차다. 

 

한국기계연과 현대기아차 공동연구팀은 기존 현대자동차 하이브리드 차량 엔진(1사이클 4행정 4기통)에 수소를 30기압(bar) 이상의 압력으로 연소실 안에 직접 분사하고, 엔진의 성능을 높이는 터보차저를 이용해 시동부터 엔진 부하가 높아질 때까지 모든 영역에서 높은 열효율로 유지해 안정적인 운전을 구현했다. 

 

기존에 국내 수소엔진 연구에서 사용되던 것은 ‘포트분사식 수소엔진’이다. 수소를 실린더 안이 아닌 상단의 흡기 포트로 분사해 공기와 혼합한 후 연소시키는 방식이다. 이 방식은 기체상태인 수소연료가 차지하는 공간 때문에 연소실에 공기 유입이 줄어들어 효율성이 떨어지고, 수소연료와 공기의 역화로 인해 엔진 성능이 감소하는 문제가 발생한다는 단점이 있다.

 

반면 공동연구팀이 개발한 ‘직접분사식 수소엔진’은 고압의 수소연료를 연소실에 직접 분사하기 때문에 역화 문제를 원천적으로 해결하고, 높은 압축비와 연료 성층화, 초희박연소를 통해 열효율을 극대화하면서 출력 성능을 향상시키는 동시에 유해 배출물을 줄이는 성과를 냈다. 

 

 

한국기계연구원은 이번에 개발된 수소엔진이 가솔린엔진 대비 이산화탄소 배출은 99%, 미세먼지 배출은 90%가량 줄일 수 있다고 밝혔다. 이는 유럽의 무공해 자동차 기준을 충족한다. 또한 자동차 배기가스를 정화하는 후처리 장치 없이도 15ppm 이하의 질소산화물(NOx)을 배출하며, 최대 40%의 높은 열효율을 달성한 것으로 나타났다. 질소산화물은 대기오염물질로 미세먼지의 원인으로 지목된다. 

 

최영 한국기계연구원 모빌리티동력연구실장은 “이번에 사용하거나 적용한 초희박연소 기술은 기존에 문헌으로 알려진 희박연소 범위보다 공기를 더 많이 사용한다”라며 “공기 속에 존재하는 많은 산소와 반응성이 좋은 수소가 만나 효율이 높아졌다고 할 수 있고, 공기의 희석효과에 의해 연소 온도는 낮아졌다고 설명할 수 있다”고 말했다. 

 

이론적으로 가솔린 완전연소 공연비(Air Fuel Ratio)는 공기와 가솔린의 혼합 중량 비율을 14.7대 1로 본다. 이 비율을 16대 1 이상으로 올려 희박연소를 하게 되면 공기의 비율이 많아 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC) 발생이 낮아진다. 연소 최고 온도가 크게 높아지지 않아 질소산화물의 발생도 적다. 다만 농후 연소 방식에 비해 일반적으로 출력은 낮다.

 

최영 실장은 “수소의 발열량이 높기 때문에 이론공연비(AFR) 연소를 적용하면 연소온도가 높아져 전체적인 냉각손실이 발생할 수 있겠지만, 희박연소를 적용하게 되면 연소온도가 낮아져 냉각손실은 크지 않게 된다”고 설명했다. 

 

이어 “수소취성 문제는 수소가 탄소강에 오랜 시간 동안 고압으로 노출됐을 때 주로 발생하기 때문에 수소엔진의 구조와 연소 특성상 연소실이나 배기관에서의 수소취성 문제는 크지 않을 것으로 생각된다”면서 “수소연료 공급 과정에서는 수소취성에 문제가 되지 않는 스테인리스강이나 기타 재질을 사용해 문제를 해결했다”고 부연했다. 

 

국내외 수소엔진 개발 움직임 활발

HD현대인프라코어(옛 현대두산인프라코어)는 대형트럭, 버스, 건설장비용 수소엔진 개발을 추진하고 있다.

현대중공업그룹 건설기계부문 계열사 HD현대인프라코어는 지난 2022년 6월 상용차, 버스, 건설기계에 사용될 수소엔진(HX12) 개발에 나섰다는 소식을 전했다. 

 

산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원의 국책과제인 ‘건설기계·상용차용 수소엔진 시스템 및 저장·공급계 개발’의 주관기관으로 선정, 2025년 본격적인 양산을 목표로 수소엔진과 수소탱크시스템 등을 개발하고 있다. 

 

이번에 개발 예정인 출력 300kW, 배기량 11리터급 수소엔진은 타타대우상용차의 맥쎈 대형 카고트럭(6X4), 자사 건설기계사업본부의 34톤 크롤러 굴착기, 시내·시외 대형버스 등에 탑재돼 성능 검증에 나설 계획이다. 

HD현대인프라코어 관계자는 “현재 벤치상으로 성능 개발을 진행하고 있으며, 11월 중에는 그 결과가 정리될 것으로 본다”고 말했다.

 

또한 HD현대인프라코어는 지난 7월 한국동서발전과 발전용 수소전소엔진 개발을 위해 손을 잡았다. ‘수소전소엔진 발전기 개발 및 사업화 공동추진’을 위한 양해각서(MOU)를 체결, 엔진사업본부에서 개발 중인 상시발전용 200kW급, 11리터 배기량의 수소엔진 5대를 병렬로 연결해 1MW급 발전용 수소전소엔진 시스템을 개발하게 된다. 

 

수소엔진 개발은 해외 업체들의 움직임이 더 활발하다. 이미 엔진을 개발해 실차 테스트에 들어간 곳도 많다. 유럽과 일본이 가장 두드러진다. 

 

일본의 대표 모터사이클 제조사 가와사키, 스즈키, 혼다, 야마하를 비롯해 가와사키중공업, 도요타 등이 참여하고 있는 일본 기술연구회 HySE는 오는 2024년 다카르 랠리에 투입할 수소엔진 차량 HySE-X1의 목업(mock-up, 실물 크기 모형)을 지난 10월 18일에 공개했다. HySE-X1는 수랭식 4행정 직렬 4기통 엔진이다. 

 

 

HySE(Hydrogen Small Mobility & Engine technology)는 ‘소형 수소모빌리티와 엔진 기술’을 의미한다. 소형 차량을 위한 수소엔진을 비롯해 수소충전 시스템, 연료공급 시스템 등을 개발하게 된다. 

 

이 차량은 ‘지옥의 레이스’라고 불리는 세계적인 오프로드 자동차 경주대회인 다카르 랠리의 미래 프로그램인 ‘미션 1000’에 출전할 예정이다. 이 프로그램은 자동차 제조업체가 수소엔진, 전기배터리, 바이오 연료를 쓰는 하이브리드엔진 같은 차세대 탄소중립 파워트레인 기술을 개발하도록 촉구하기 위해 생겨났다. 

 

중대형 차량을 위한 수소엔진 개발도 활발하다. 

 

도요타는 지난 2022년 7월 화물자동차 제조사 이스즈(Isuzu), 자동차 부품기업 덴소(DENSO), 상용차 업체 히노(Hino), 합작법인 커머셜재팬 파트너십 테크롤로지스(CJPT)와 함께 대형 상용차용 수소엔진에 대한 계획 수립과 기초연구를 시작했다고 밝혔다. CJPT는 이스즈, 히노, 도요타 등이 탄소중립 사회 실현에 기여하고자 2021년에 설립한 회사다.

 

이보다 앞선 2021년 11월에는 야마하와 공동개발한 수소엔진을 공개했다. 해당 엔진은 5.0리터 V8 렉서스 RCF의 엔진을 기반으로 하며 수소 연소를 위해 인젝터, 실린더 헤드, 흡기 매니폴드 등의 부품을 수정한 것으로 알려진다. 

 

 

마쓰다(Mazda)는 올해 6월 로터리엔진을 탑재한 플러그인 하이브리드 모델(MX-30 e-SKYACTIVE R-EV)의 유럽 모델 양산을 시작했다고 밝혔다. 

 

마쓰다는 수소 로터리엔진(rotary engine)인 ‘르네시스(Renesis)’를 적용한 스포츠카 RX-8(2012년 6월 생산종료)로 유명한 기업이다. 로터리엔진은 실린더 내 피스톤의 왕복운동으로 바퀴 축을 돌리는 일반 엔진과 달리, 모서리가 둥근 삼각형의 로터가 연소실에서 회전하며 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 거치는 회전형 내연기관이다. 

 

로터리엔진은 구조적 특성상 수소의 특징인 역화와 조기 착화 문제의 발생 확률이 낮은 것으로 알려진다. 다만 내구성에 약점이 있다. 

 

BMW도 지난 2022년 9월 운송·물류용 수소엔진 트럭 개발과 테스트를 위한 컨소시엄을 구성하고 수소엔진 개발에 뛰어들었다. 도요타와 손을 잡고 수소연료전지 파워팩을 적용한 ‘BMW iX5 하이드로젠’ 프로토타입 차량을 개발한 것과는 별개로 수소엔진 개발에 참여한다. 프로젝트 명도 수소 내연기관 엔진 트럭 개발에 초점을 맞춘 ‘HyCET(Hydrogen Combustion Engine Trucks)’다.

 

이 컨소시엄에는 BMW를 비롯해 독일 내연기관 제조업체 도이츠(DEUTZ), 수소기술 전문기업 케유(KEYOU), 프랑스 종합 에너지 기업인 토탈에너지(TotalEnergies) 등이 참여하고 있다. 투자금액 1,950만 유로 중 1,130만 유로는 독일 연방디지털교통부가 제공한다. 

 

 

독일 뮌헨에 본사를 둔 수소기술 전문기업 케유(KEYOU)는 지난 2022년 4월 기존의 디젤엔진 플랫폼을 기반으로 수소엔진을 탑재한 18톤 트럭, 12m 길이의 시내버스를 선보였다. 케유는 이미 2015년부터 기존 디젤엔진을 수소엔진으로 전환하기 위한 수소 연소 기술을 개발해왔다. 

 

독일의 엔진 제조사인 도이츠(DEUTZ)는 수소엔진 대량생산에 본격적으로 시동을 건다. 지난 7월 자동차 부품제조사 말레(MAHLE)와 부품공급 계약을 맺었다. 이들 부품은 2024년 말 출시 예정인 엔진에 적용될 예정이다. 

 

도이츠의 엔진은 초기에는 발전용처럼 고정식 응용장비에 사용될 예정이며, 향후 이동식 응용장비로 확장해 적용할 계획이다. 도이츠는 지난 2021년 8월 자체 개발한 6기통 수소엔진 ‘TCG 7.8’의 본격생산 계획을 밝힌 바 있다. 

 

보쉬(BOSCH)도 오는 2024년 출시를 목포로 장거리 운송용 중대형 차량에 적합한 수소엔진을 개발 중이다. 지난 7월 독일 슈투트가르트-포이어바흐 공장에서 니콜라와 이베코의 수소전기트럭에 들어가는 연료전지 파워모듈의 대량생산 소식을 발표하면서 이 소식을 함께 전했다. 

 

마르쿠스 하인(Markus Heyn) 보쉬 모빌리티 회장은 “수소엔진은 디젤엔진이 하는 모든 것을 할 수 있으면서도 탄소중립적”이라며 “수소 기반 모빌리티에 비용 대비 높은 효율로 빠르게 진입할 수 있게 해준다”고 말했다. 수소엔진 개발에 필요한 제조 기술의 90% 이상이 이미 존재하는 만큼 부족한 10%를 채워 시장 변화에 대응하겠다는 전략이다. 

 

 

 

미국 상용차 파워트레인 전문업체 커민스(Cummins)는 건설장비 제조업체 테렉스(Terrex)의 자회사인 테렉스 어드밴스 믹서(Terex Advance Mixer), 엣지 머티리얼즈(Edge Materials), PCC 하이드로젠(PCC Hydrogen)과 건설 중장비 탈탄소화를 위해 손을 잡았다. 

 

수소엔진은 건설장비 차량에도 그대로 적용할 수 있다. 이들은 커민스의 수소엔진 ‘X15H’를 테렉스 어드밴스가 생산하는 콘크리트 믹서트럭에 통합하는 작업을 수행한다. 

 

인도의 자동차 회사인 타타모터스(Tata Motors)는 최근 수소모빌리티 산업 발전을 위한 최첨단 연구개발 시설을 공개했다. 이번에 공개된 시설은 수소엔진 개발을 위한 실험실, 수소연료전지와 수소엔진 차량을 위한 수소 저장·정제 시설 등으로 구성됐다. 

 

타타모터스는 2045년까지 상용차 부문의 순배출 제로(0)를 목표로 하고 있다. 지난 1월에 열린 인도 모터쇼 ‘오토 엑스포(Auto Expo 2023)’에서 수소엔진 구동 콘셉트 트럭을 공개했다. 

 

 

흥미로운 것은 타타모터스가 지난해 11월 커민스와 수소차 개발을 위한 업무협약을 맺었다는 점이다. 여기에는 수소엔진뿐 아니라 수소연료전지, 전기차 배터리 기술이 모두 포함된다. 실제로 타타모터스는 지난 9월 인도 최초로 두 대의 수소연료전지 버스를 공급했다. 올해 말까지 15대의 수소전기 시내버스를 델리 도심 운행에 투입한다.

 

중국도 수소엔진 개발에 속도를 내고 있다. 그 속도를 보면 결코 국내에 뒤지지 않는다. 

 

엔진 제조·유통사인 위차이(YUCHAI)는 지난해 7월에 수소엔진 점화 소식을 알렸다. 또 도요타·혼다·이스즈 같은 일본 기업과 합작투자로 깊은 인연을 맺고 있는 광저우자동차그룹(GAC)도 2021년 9월 수소엔진 테스트 소식을 전했다.

 

연료전지 대비 내연기관의 장점

글로벌 기업의 수소엔진 개발은 무거운 화물을 싣고 장거리 운행을 하는 대형 차량, 거친 환경에서 작업하는 건설장비를 중심으로 이뤄지고 있다. 

 

수소전기차와 마찬가지로 수소엔진차는 배터리전기차(BEV, 이하 전기차)에 비해 충전시간이 짧고 주행거리가 길어 상용차에 적합하다. 또 전기차와 달리 적재공간을 줄이지 않으면서 고중량 적재가 가능하다. 

 

수소전기차에 비해 연소 효율은 크게 떨어지지만, 99.9% 이상의 고순도 수소를 써야 하는 연료전지와 달리 저순도 수소로도 구동이 가능해 수소생산 비용을 낮출 수 있다. 

 

무엇보다 전통적인 자동차 엔진과 큰 차이가 없는 엔진 구조라 수소전기차에 비해 투자비용이 적게 들며, 상용화 시기를 앞당길 수 있는 이점이 있다. 기존의 산업구조를 크게 바꾸지 않으면서 탄소중립에 기여할 수 있어 고용 안정에도 큰 힘이 된다. 

 

이번에 한국기계연구원과 현대기아자동차 공동연구팀이 개발한 수소엔진 기술 역시 화석연료를 무탄소 수소연료로 대체할 수 있는 즉각적이고 경제적인 기술로써 의미가 크다는 평가를 받는다. 

 

최영 실장은 “수소엔진 개발에 꼭 필요한 전용 부품이 있지만, 기존의 가스엔진 부품을 상당수 사용할 수 있고 부분 변경해서 쓰는 것도 가능하기 때문에 기존 내연기관의 산업구조를 크게 바꾸지 않고 유지할 수 있는 점이 상당히 매력적이다. 또 수소전기차에서 사용하는 수소연료 공급시스템을 대부분 공유할 수 있고, 기존의 수소충전 인프라를 활용할 수 있다는 것도 큰 장점”이라고 말했다. 

 

그는 “탄소중립은 다방면에서 다각도로 총력을 기울여야만 목표를 달성할 수 있다”면서 “탄소가 포함되지 않은 수소연료를 써서 동력을 발생시키는 수소엔진 기술은 수송 분야에서 탄소중립에 큰 도움이 될 것”이라고 강조했다. 

 

 

수소전기차와 더불어 수소엔진차에 대한 연구를 병행해야 한다는 목소리는 이 뿐만이 아니다. 국립환경과학원 교통환경연구소는 지난 2022년 10월에 발간한 ‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집 Vol. 06’에서 수소연료전지와 수소내연기관 분야 모두에 대해 핵심기술 확보가 요구된다고 주장했다. 

 

김필수 대림대 미래자동차학부 교수는 “전통적인 자동차 제조사 입장에서 전기차나 수소전기차는 기존의 엔진과 변속기 시스템을 버리고, 일자리는 30~40% 줄이면서, 자동차 시장 주도권도 내려놓아야 한다는 부담이 있다”면서 “아직은 수소엔진차를 양산한다기보다는 여러 흐름에서 일종의 기술을 확보하는 차원으로 봐야 한다”고 말했다.