연료전지 없는 수소차? 수소 엔진의 시대가 왔다!

연료전지 없는 수소차? 수소 엔진의 시대가 왔다!

대학생신재생에너지기자단 24기 이지혜

 

운송 부문 탄소 감축의 필요성

2021년 4월, EU는 2050 탄소 중립 달성을 위한 중간목표로 2030년 온실가스 감축 목표를 최소 55%로 상향했다. 상향된 2030년 온실가스 감축 목표 달성을 위해 관련 정책 전반을 재조정하고자 Fit for 55 패키지를 발표했다. Fit for 55 패키지는 2030년 온실가스 감축 목표에 부합하는 기후변화 대응을 추구하되 공정하고 정의로운 전환과 EU 산업의 혁신을 촉진하고 경쟁력을 강화하기 위한 정책 수단을 포함하고 있다. Fit for 55 패키지의 주요 내용은 아래 그림과 같으며, 주로 운송 부문에 규정 강화 및 신규 규정 도입이 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 운송 부문이 EU의 2030년 감축 목표 달성에 가장 큰 장애요인이 될 것이라는 인식에 따른 것으로 보인다.  이처럼 친환경차에 대한 EU의 압박이 강해짐에 따라 각국의 수소차 기술력 및 상용화 수준이 주목받고 있다.

[자료 1. EU의 Fir for 55 주요 내용 요약]

출처 : 머니투데이

수소 엔진 자동차란?

우리가 흔히 알고 있는 수소차는 수소연료전지차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)로,  수소로 배터리를 충전해 모터로 구동하는 방식을 사용한다. 그러나 연료전지 스택 제작 시 고가의 원자재가 투입되기 때문에 차량 가격이 높다는 단점이 있다. 스택은 산소와 수소를 결합시켜 전기를 만드는 핵심 부품으로, 수소연료전지차 원가 구성 중 연료전지 스택이 40%를 차지한다. 실제로 2021년 국내에서 판매된 디젤 대형버스의 평균 가격이 약 1억 원대 수준인 반면, 동급 전기버스는 3억 원대, 수소 버스는 6억 원대에 판매됐다는 점에서 수소연료전지차가 일반 화석연료차에 비해 가격 부담이 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 사실상 수소연료전지차의 상용화는 정부의 구매 보조금 정책 없이는 달성되기 어려우며, 수소 충전 인프라가 확보되더라도 연료전지 가격 문제가 해결되지 않는다면 보급 대중화까지는 상당한 시일이 걸릴 것으로 전망된다. 

[자료 2. 수소연료전지차의 원가구성]

출처 : 매일경제

이러한 가운데, 최근 수소 엔진 자동차가 주목을 받고 있다. 수소 엔진이란 수소를 연료로써 연소시켜 출력을 내는 엔진을 의미한다. 탄소를 포함한 물질이 아닌 수소를 연소시키기 때문에 탄소제로 동력원을 활용하고, 기존 내연 기관 엔진을 활용할 수 있어 개발비 절감 및 생산 측면에서 유리하다는 장점이 있다. 수소 엔진의 원리에 대해 알아보기 전, 자동차 엔진의 구조를 먼저 살펴보겠다.

[자료 3. 자동차 엔진 본체 구조(좌) 실린더 헤드 구조(우)]

출처 : 네이버 지식백과

자동차 엔진의 본체는 상단 좌측 그림과 같이 3층 구조로 구성되어 있으며, 그중 3층은 실린더 헤드에 해당한다. 연료와 공기를 혼합한 혼합기가 실린더 헤드로 들어가면 흡기 포트를 통해 연소실로 들어가게 되고, 연소실에서 혼합기가 연소되어 엔진이 작동한다. 

[자료 4. PFI(좌) DI(우)]

출처 : 건설·산업기계용 수소엔진 기술동향

수소 엔진은 수소 연료 분사 방식에 따라 PFI(Port Fuel Injection), DI(Direct Injection)로 구분된다. PFI는 수소 연료를 흡기 포트에 분사하는 방식으로 분사 압력이 낮아 DI 방식에 비해 시스템 개발 및 구성 난이도가 비교적 낮고 원가가 저렴하나, 엔진의 비출력 및 열효율이 높지 않고 연소 제어가 어렵다. DI는 수소 연료를 연소실 내부에 직접 분사하는 방식으로, 분사 압력이 높아 분사기 및 연료공급계 개발 및 구성 난이도가 높으나 엔진의 비출력 및 열효율이 높고 연소 제어 측면에서 용이하다. 

 

수소 엔진 자동차의 장단점

수소 엔진은 기존 엔진 기술을 활용하기 때문에 내구성이 확보되어 있으며, 단가가 낮고, 노후화된 장비나 차량의 개조가 용이하다. 또한 100만 km 이상 혹은 8~10년 이상의 장시간 사용과 더불어 잘 닦인 도로가 아닌 험지 등 극한 환경에서 사용 가능하다는 이점이 있다. 다른 친환경차와 비교했을 때 수소엔진은 귀금속과 희토류 사용량이 적다는 점에서도 경제적이다. 이 밖에도 연료전지 자동차는 99.97% 이상의 고순도 수소를 써야 하는 반면, 수소 엔진 자동차는 97~98% 순도의 수소를 적용할 수 있어 수소 생산 단가 측면에도 이점이 있다. 수소 연료비를 낮추고 수소 수요를 증대해 수소경제 활성화에 기여할 수 있는 것이다. 

[자료 5. 수소 엔진과 다른 친환경차에 활용되는 전기 모터 비교 그래프]

출처 : A Comprehensive Overview of Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines: Achievements and Future Challenges

뿐만 아니라 상단 우측 그래프에서 확인할 수 있듯이, 다른 친환경차는 높은 회전 속도에서 전기 모터를 사용해 토크가 낮아지지만, 수소 엔진 자동차는 토크 유지가 가능해 다른 기술들보다 높은 마력을 낼 수 있다. 이 밖에도 연료전지 자동차는 고순도의 그린 수소를 사용해야 하나, 수소 엔진은 저순도의 수소로도 구동이 가능하다는 장점이 있다.

수소 엔진은 이산화탄소를 배출하지 않지만, 내연 기관의 특성상 연소 과정에서 질소 산화물을 배출한다. 이 때문에 일부에서는 수소 엔진이 기존 가솔린, 디젤 엔진보다 질소 산화물을 적게 배출하지만, 완전한 제로이미션 솔루션은 아니라고 주장하기도 했다. 이에 대해 HD현대인프라코어 관계자는 "기존 내연기관 엔진과 비교해 낮은 수준의 질소산화물이 배출되는 것은 사실"이라며 "배기가스 배출량을 제로 수준으로 낮추기 위해 개발 중인 수소 엔진에도 상용차에 탑재할 경우 SCR 등 후처리 시스템이 적용될 예정"이라고 밝혔다. 또한 수소 엔진 자동차만이 EU의 엄격한 규제를 만족시키는 유일한 내연 엔진으로 알려져 있다는 점에서 내연 기관 산업계가 나아가야 할 방향을 제시한다고 볼 수 있다. 이 밖에도 수소 엔진은 엔진오일이나 연료펌프에 적용되는 윤활유가 수소를 오염시킬 수 있다는 단점이 있다. 토요타는 최근 이 문제를 해결하기 위해 수퍼 다이큐에 투입된 수소 엔진 레이스카에 윤활유 없는 버퍼 구조의 액체수소 펌프를 새로 적용했고, 별다른 문제 없이 내구 레이스를 완주했다.

 

수소 엔진 자동차 최신 동향 및 마무리

2021년 10월 말 실적을 기준으로 산업 규모를 추정한 결과,  2021년 건설기계 완성차의 생산은 9만 4,690대로 전년 대비 27.0% 증가, 총 출하량은 10만 2,725대로 전년 대비 34.7% 증가로 성장 추세에 있다. 해외에서는 영국 오프하이웨이리서치 발표 자료에 2025년까지 북미 시장 규모는 18%, 신흥시장 규모는 17% 성장할 것으로 전망한다고 언급되어 있다.

수소 엔진은 발전소 및 선박 분야에서는 상용화되기 시작했지만 자동차 부문에서는 아직까지 상용화된 업체가 없다.  1978년부터 30년간의 연구를 통해 2007년에 BMW가 수소 엔진을 활용한 Hydrogen 7을 공개하기도 했지만, 효율성 등 여러 가지 문제 때문에 개발을 중단했다. 현재 수소 엔진을 가장 적극적으로 개발하는 업체는 일본 자동차 업체 토요타이다. 토요타는 '미라이'라는 수소연료전지차를 양산해 시판하고 있지만, 지난 2021년부터 앞서 언급된 수퍼 다이큐 레이스에 수소내연기관 레이스카를 투입해 현재까지 참가하고 있다. 

국내에서는 9월 10일 한국기계연구원이 초희박연소 기술을 적용한 수소 엔진 국산화에 성공했다고 발표한 바 있다. 초희박연소 기술은  원래 수소가 연소하는 데 필요한 공기량보다 더 많은 양을 활용함으로써 높은 열효율 조건에서 안정적으로 연소가 될 수 있게끔 개발한 기술이다. 연구진은 개발한 수소엔진을 대형 트럭이나 건설 장비, 발전용 엔진 등에 적용할 경우 경쟁력이 높을 것이라고 설명했다.

본 기사에서는 수소 엔진의 원리, 장단점 및 최신 동향에 대해 알아보았다. EU의 Fit for 55에 제시된 수송 부문 탄소 중립 달성을 위해 기존 내연 기관 자동차에서 배터리 전기차, 연료전지 자동차로 전환되는 시점에 수소 엔진 자동차의 필요성이 증대될 것으로 예상된다. 

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수소차에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "머스크씨! 수소차도 좋아해줘요", 20기 김지원, 21기 오화종, 21기 이고은, https://renewableenergyfollowers.org/3686

머스크씨! 수소차도 좋아해줘요

2. "이제는 수소버스와 함께 출퇴근해요!", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.org/4087

이제는 수소버스와 함께 출퇴근해요!

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참고문헌

[ 운송 부문 탄소 감축의 필요성 ]

1) 이상준, " EU Fit for 55 패키지와 탄소국경조정의 주요 내용과 시사점", KREI 논문, 2021년 9월호, 39 - 58, 2021.09.30.

[ 수소 엔진 자동차란? ]

1) 박현욱, "내연기관 무조건 퇴출? 어림없지… ‘수소엔진’ 상용차, 친환경 시장서 ‘게임체인저’?", CN 상용차 신문, 2022.05.23.,  https://www.cvinfo.com/news/articleView.html?idxno=23301

2) 김경택, "수소차 보급 걸림돌 '스택'...얼마나 비싸길래?", 매일경제, 2018.08.19., https://www.mk.co.kr/news/business/8440318

3) "실린더 헤드", 지식백과, https://terms.naver.com/entry.naver?cid=51389&docId=2429085&categoryId=51389&expCategoryId=51389

4) 전형호 첨단기계PD, KEIT 김준석 그룹장, "건설·산업기계용 수소엔진 기술동향", KEIT PD 이슈리포트, 2022년 6월호, 7-17, 2022.06.27.

[ 수소 엔진 자동차의 장단점 ]

1) 전형호 첨단기계PD, KEIT 김준석 그룹장, "건설·산업기계용 수소엔진 기술동향", KEIT PD 이슈리포트, 2022년 6월호, 7-17, 2022.06.27.

2) 박현욱, "내연기관 무조건 퇴출? 어림없지… ‘수소엔진’ 상용차, 친환경 시장서 ‘게임체인저’?", CN 상용차 신문, 2022.05.23.,  https://www.cvinfo.com/news/articleView.html?idxno=23301

3) 한국자동차공학회, 한국자동차기자협회, " 수소경제 및 수소엔진의 현재와 전망", 2022.04.17., https://www.kaja.org/1458275600/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=11186934&t=board

4) Stepien, Z, "A Comprehensive Overview of Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines: Achievements and Future Challenges",  Energies, 14권, 20호, 2021.10.11.

5) 김진우, "뒷걸음치는 수소차...수소 엔진이 흐름을 바꿀 수 있을까?", 라이센스뉴스, 2023.08.11., https://www.lcnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=58085

6) 성재경, "내연기관 부활, 수소엔진이 이끈다", 월간수소경제, 2022.08.30., https://www.h2news.kr/news/article.html?no=10233

[ 수소 엔진 자동차 최신 동향 및 마무리]

1) 전형호 첨단기계PD, KEIT 김준석 그룹장, "건설·산업기계용 수소엔진 기술동향", KEIT PD 이슈리포트, 2022년 6월호, 7-17, 2022.06.27.

2) 한국자동차공학회, 한국자동차기자협회, " 수소경제 및 수소엔진의 현재와 전망", 2022.04.17., https://www.kaja.org/1458275600/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=11186934&t=board

3) 김진우, "뒷걸음치는 수소차...수소 엔진이 흐름을 바꿀 수 있을까?", 라이센스뉴스, 2023.08.11., https://www.lcnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=58085

4) 양훼영, "[과학 한스푼] 일반 차량에 기름대신 수소로!...수소엔진 기술 국산화 성공", YTN, 2023.09.10., https://www.ytn.co.kr/_ln/0105_202309100531391995