[아롱 테크] 전기차 그 이상, 수소를 휘발유처럼 쓰는 엔진 개발 경쟁 한창

[오토헤럴드 김아롱 칼럼니스트] 탄소중립 실현을 위해 수소전기차(Feul Cell Electric Vehicle)와 수소연료전지(Feul Cell Battery) 등 수소에너지를 활용한 수소경제시스템이 빠르게 확대되고 있습니다. 승용차를 중심으로 전기차와 하이브리드차 등 자동차의 전동화가 빠르게 진행되고 있지만 승용차보다 높은 출력을 요구되는 상용차와 버스 등 대형트럭의 경우 여전히 디젤엔진의 탑재비율이 높은 편인데요.

이때문에 수소전기차를 중심으로 한 수소연료가 화물운송분야에서 급성장하고 있습니다. 수소전기트럭은 연료전지 시스템의 무게가 순수전기트럭의 배터리시스템보다 가볍고 훨씬 긴 주행거리를 제공할 뿐 아니라 충전시간 또한 전기트럭에 비해 짧아 장거리를 운행하는 대형 상용차에 적합하다는 평가를 받고 있습니다.

최근 글로벌 상용차 제조사들이 대형 전기트럭을 잇달아 출시함에 따라 수소전기트럭의 판매량이 주춤하고 있긴 하지만 수소전기트럭은 여전히 화물운송분야의 탄소중립을 앞당기는데 중용한 역할을 하고 있는 것이 사실입니다.

최근에는 수소연료전지를 탑재한 수소전기트럭뿐 아니라 기존 경유 대신 합성연료인 e-퓨얼(e-Fuel)이나 수소연료를 사용하는 수소엔진(Hydrogen Internal Combustion Engine, 수소내연기관)이 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. e-퓨얼이나 수소연료를 사용할 경우 기존 내연기관차의 차량 성능이나 적재량에 영향을 미치지 않으면서 관련업계에서 익숙한 기술을 사용해 탄소중립을 가속화할 수 있습니다.

수소엔진과 수소하이브리드엔진 등과 같이 수소를 사용하는 내연기관은 연소과정에서 물만 배출될 뿐 기존 내연기관처럼 미세먼지나 질소산화물과 같은 대기오염 물질이나 이산화탄소가 거의 발생하지 않는 높은 친환경성을 자랑합니다.

또한 수소는 에너지밀도가 높아 상대적으로 작은 부피나 질량으로 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 것이 특징입니다. 화석연료보다 단위질량당 더 많은 에너지를 발휘하는 높은 에너지밀도를 갖추고 있기 때문에 에너지효율이 높을 뿐 아니라 연료소비가 적어 적은 충전량으로도 장거리주행이 가능하지요.

뿐만 아니라 수소연료는 배터리 충전시간이 오래 걸리는 전기트럭과 달리 기존 휘발유나 경유처럼 수 분에서 수십분만에 연료를 충전할 수 있기 때문에 시간이 생명인 화물운송분야에 최적화된 연료시스템을 갖추고 있습니다. 날씨가 추운 겨울철 주행거리가 줄어드는 전기차와 달리 수소연료는 온도에 민감하지 않기 때문에 추운 날씨에도 높은 효율성을 유지할 수 있는 것도 수소엔진의 특징이라 할 수 있습니다.

이외에도 수소엔진은 기존 내연기관을 수소엔진으로 개조가 가능함은 물론 이중 연료시스템 설계도 가능해 수소와 가솔린 또는 천연가스 같은 기존 연료를 모두 사용할 수 있습니다. 주유소와 같은 기존 내연기관 인프라를 활용할 수 있기 때문에 내연기관 차량에 익숙한 소비자에게 친숙한 운전경험을 제공하기도 하지요.

이에 따라 최근 글로벌 상용차 업계는 최근들어 수소엔진과 수소연료전지와 전기모터를 결합한 수소하이브리드엔진 등 다양한 수소기술 개발에 집중하고 있습니다. 이러한 수소엔진의 개발 및 연구는 수소연료의 연소효율을 높이고 배출가스를 최소화는 것에 초점을 맞추고 있는 것이 특징입니다.

예를 들면 수소와 공기의 혼합비를 최적화해 엔진의 성능을 개선시키는 것인데요. 기존 내연기관차와 같이 수소연료를 흡기포트에 분사해 흡입공기와 수소연료를 혼합하는 포트분사방식의 경우 기체상태인 수소연료의 부피 때문에 공기유입량이 줄어들어 효율성이 떨어지고 수소연료와 공기의 역화로 엔진성능이 감소하는 것이 단점입니다.

이를 보완하기 위해 최근에는 수소연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 직접 분사방식을 채택해 높은 압축비와 희박연소를 통해 열효율을 극대화함과 동시에 출력을 향상시키고 유해 배출가스를 저감하는 등 수소연료 분사기술에 대한 연구가 진행중인 것으로 알려지고 있습니다.

이와함께 기존 내연기관을 수소사용에 맞게 개조하거나 수소연료를 휘발유나 천연가스와 같은 기존 화석연료와 함께 사용하는 이중연료시스템에 대한 연구도 활발하게 진행중입니다.

한편 글로벌 상용차 업계는 지난해 독일 하노버에서 열린 2022 IAA 상용차박람회를 비롯해 올 3월 열린 북미 최대의 건설기계 및 광산기계 전시회인 2023 CONEXPO 등을 통해 다양한 수소엔진과 수소하이브리드엔진을 잇달아 선보이고 있습니다.

최근 국내에서도 수소를 100% 연료로 사용하는 승용차용 수소엔진 기술을 개발한 바 있는데요, 국내 연구팀이 개발한 직접분사식 수소엔진은 기존 가솔린 엔진보다 이산화탄소 배출을 99%, 미세먼지는 90% 줄일 수 있을 뿐 아니라 배출가스 후처리장치를 설치하지 않고도 질소산화물(NOx)을 15ppm 이하로 배출하는 등 무공해 자동차(NEV) 못지 않은 친환경성을 갖추고 있는 것이 특징입니다. 뿐만 아니라 최대 40%의 열효율을 갖춘 고효율 엔진으로 평가받고 있습니다.

이처럼 수소엔진은 수소전기차와 함께 운송분야의 수소연료 사용을 확대함은 물론 전동화차량으로 인해 퇴출될 위기를 맞은 내연기관의 부활을 예고하고 있습니다. 한 글로벌 상용차 엔진 제조업체 관계자는 '수소엔진은 디젤엔진의 전형적인 출력밀도와 작동 범위를 유지하면서 중장비부문에서 탄소배출을 최소화하는 핵심기술로 부상하고 있다'라고 말했습니다. 

김아롱 칼럼니스트/[email protected]