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문제 정의
- 따라서 천연가스에 수소를 혼합한 수소-압축천연가스 혼합연료의 물성과 자동차 배출가스 허용기준을 살펴보고, 인프라 관점에서 이러한 HCNG의 국내외 기술개발 현황과 인프라 구축에 필요한 기준 및 방안에 대해 알아보고자 한다.
- HCNG 상용화를 위해서 크게 정부, 학계, 및 기업체 등의 엔진 개발 및 인프라 구축에 대한 기술개발 및 적극적인 참여와 노력이 필요하다. 이 논문에서는 엔진 개발에 대한 부분보다 인프라 구축에 대한 부분에 대해 정리하고자 한다. 특히 HCNG인프라 구축을 위한 방안으로 첫 번째가 CNG충전소 활용방안을 제시하고자 한다.
- 이 논문에서는 엔진 개발에 대한 부분보다 인프라 구축에 대한 부분에 대해 정리하고자 한다. 특히 HCNG인프라 구축을 위한 방안으로 첫 번째가 CNG충전소 활용방안을 제시하고자 한다. 이 방안은 현재 설치된 CNG충전소에 수소제조설비를 설치하여 운영하는 방법인데 법규를 제정해야 하는 문제가 있다.
제안 방법
- 특히 프랑스 가스공사에서는 2005년부터 Hythane(20%HCNG)을 천연가스 버스에 적용하기위한 프로젝트(ALT-HY-TUDE)를 수행하였다. Dunkerque와 Toulouse에 HCNG 충전소를 설치하였으며, 프랑스 북부의 Dunkerque는 풍력에 의한 전기를 이용하여 전기분해방식으로 수소를 생산하여 천연가스와 혼합한 HCNG를 2대의 버스에 적용하였고, 남부에 위치한 Toulouse는 천연가스 개질방식으로 수소를 생산하여 천연가스와 혼합한 Hytane(20%HCNG)을 3대의 버스에 적용하였다. 이 프로젝트에는 5개 기관이 참여하여 프랑스 가스공사에서 프로젝트 전체를 총괄하고, GNVert에서 충전소 연구개발, 운영 및 관리를 담당하고, INERIS에서 기준 및 안전성 연구, EGIM에서 엔진개발, IRISBUS에서 자동차 개조 및 검증, CONNEX에서 배기가스 측정을 담당하였다.
- 7 (A)는 고압혼합 방식의 개략도를 나타냈는데, 천연가스와 수소를 각각 20MPa, 35MPa까지 승압하여 실린더에 저장하고 이 가스를 고압 Regulator를 통과시켜 압력을 안정화 시킨다. 안정화된 압력의 가스를 실린더 후단의 질량 유량계(MFC, Mass flow meter) 혹은 비례 유량 제어 밸브(Proportion Flow Control Valve)를 이용하여 원하는 혼합비로 조정하여 믹서에서 혼합이 이루어지도록 한다. 혼합된 가스는 다시 저장탱크에 저장되고 다시 디스펜서를 통하여 차량에 충전된다.
- Dunkerque와 Toulouse에 HCNG 충전소를 설치하였으며, 프랑스 북부의 Dunkerque는 풍력에 의한 전기를 이용하여 전기분해방식으로 수소를 생산하여 천연가스와 혼합한 HCNG를 2대의 버스에 적용하였고, 남부에 위치한 Toulouse는 천연가스 개질방식으로 수소를 생산하여 천연가스와 혼합한 Hytane(20%HCNG)을 3대의 버스에 적용하였다. 이 프로젝트에는 5개 기관이 참여하여 프랑스 가스공사에서 프로젝트 전체를 총괄하고, GNVert에서 충전소 연구개발, 운영 및 관리를 담당하고, INERIS에서 기준 및 안전성 연구, EGIM에서 엔진개발, IRISBUS에서 자동차 개조 및 검증, CONNEX에서 배기가스 측정을 담당하였다.
대상 데이터
- 캐나다에서는 전기분해방식과 수소이송방식의 두가지 형태로 HCNG 충전소를 시범운영하고 있다. 1995년 몬트리올 파일롯트 프로젝트를 통해 2대의 HCNG 버스가 대중교통수단으로 실증 평가되었다. 2003년도 수소-천연가스 기관의 기술개발은 AUTO 21 프로젝트 하에서 1백만달러 정도의 기술개발비가 투자된 것으로 알려졌다.
- 7 (B)는 저압혼합 방식의 개략도로서 저압방식을 적용하기 위해서는 기존의 천연가스 압축기로 HCNG의 압축이 가능한지에 대한 검토가 필요하다. 기술적으로 CNG 압축기의 큰 변경없이 압축 가능한 것으로 알려져 있지만, 수소의 농도에 따라 전기 등급, 재질, 윤활성 등이 주요 검토대상이다.
이론/모형
- 한편 이 방식은 미국의 Arizona Public service Program에서 시범 적용하여 운영하였는데, 이 프로그램에서는 FuelMaker의 완속 충전시스템(VRA : Vehicle Refueling Appliance)을 포함하는 디스펜서가 사용되었다. 믹서(Mixer)는 206kPa의 천연가스에 206kPa보다 조금 높은 압력의 수소를 인입하여 혼합한 후, 디스펜서로 보내고, 디스펜서에서 24.
성능/효과
- 셋째 기존의 CNG 충전소의 압축기를 수소와 천연가스 혼합가스를 압축 가능한지에 대한 검토가 필요하다. 넷째 고압혼합방식에 비해 설비의 종류가 적고, 시스템이 단순하여 유지관리가 용이하여 대량 충전에 용이하다. 다섯째 CNG 자동차, 수소 자동차와 같이 다양한 연료의 차종에 대한 충전이 어렵다.
- 단, 미국의 NFPA52-2006에서는 수소농도 20%vol 이하의 HCNG는 CNG로 분류하고 있다. 넷째 천연가스와 수소 탱크 후단의 유량제어밸브를 조정하여 HCNG의 농도 변경이 용이하다. 다섯째 저압혼합방식에 비해 저장용기, 압축시스템 등 필요한 설비의 수가 많거나 복잡할 수 있다.
- 넷째 천연가스와 수소 탱크 후단의 유량제어밸브를 조정하여 HCNG의 농도 변경이 용이하다. 다섯째 저압혼합방식에 비해 저장용기, 압축시스템 등 필요한 설비의 수가 많거나 복잡할 수 있다.
- 또한 수소 공급방법을 살펴보면 가장 일반적으로 현지 설치가 가능한 것으로 화석연료중 경제성이 있는 천연가스 개질 방법으로 수소를 제조하고 이때 개질 효율은 대략 70%이상을 갖는 기술이 적용되어야 할 것이다. 또한 수소, CNG 및 HCNG 충전소가 한 곳에 병설이 될 수 있는 복합충전 인프라가 설치될 경우에 기존 CNG충전소를 활용할 수 있는 점에서 가장 효과적이라고 판단된다. 아울러 이 충전소는 수소인프라를 동시에 구축하는 효과도 있으므로 향후 수소경제로 가는 가교역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 시스템의 특징은 첫째 별도의 수소 압축 시스템이 필요하고, 둘째 기존의 CNG 충전 인프라를 활용하는데 유리하다. 셋째 고압의 수소와 CNG 탱크가 각각 설치되어 있으므로 수소 자동차와 CNG 자동차 충전이 용이하며, HCNG 충전 노즐과 CNG 충전 노즐은 함께 사용할 수 있다. 단, 미국의 NFPA52-2006에서는 수소농도 20%vol 이하의 HCNG는 CNG로 분류하고 있다.
후속연구
- 가까운 시일내에 수소인프라의 구축과 수소 생성, 저장, 이용으로 연결되는 수소경제 사회의 도래가 불투명하기 때문에 과도기적 수소이용 및 공급 전략이 필요하며 연료개질에 의한 부분적 수소이용은 수소경제로의 기술적 가교 역할을 담당할 것으로 기대된다. 이러한 천연가스에 일정량의 수소를 혼합하여 엔진 연료로 공급할 경우 질소산화물의 배출 농도가 현저히 감소되는 것으로 알려져 있다(1).
- 특히 상용 CNG 충전소 및 가솔린 충전소에 수소제조설비를 갖춘 복합충전소를 활용한 실증이 이루어지고 있다. 그러므로 국내에서도 HCNG 인프라 구축방안으로 CNG충전소 병설설치 기준이 제정되어야 하고, 인프라 구축에 따른 경제성 확보방안으로 수소제조설비는 현재 수소충전소 실증으로 설치된 30Nm3/hr급 수소제조설비가 아닌 상용화급 규모로서 300Nm3/hr급 수소제조설비 개발도 이루어져야 할 것이다. 그리고 지역별 상이한 수소 공급방안으로 보급 초기 또는 실증 단계에서 보급을 촉진할 수 있을 것으로 판단된다.
- 다시 말하면, 천연가스 자동차뿐만 아니라 모든 자동차에서 지구 온난화 방지 측면과 환경오염 저감 측면 양자를 만족시킬 수 있는 친환경 자동차 기술의 확보는 향후 치열해지는 국가 경쟁력에서 살아남을 수 있는 관건으로 부각되고 있는 실정이다. 그러므로 천연가스 자동차가 다른 수송연료와의 경쟁에서 앞서기 위해서는 후처리장치의 기술개발과 더불어 수소-압축천연가스 혼합연료(HCNG, Hydrogen compressed natural gas)를 사용하여 환경오염 저감 및 온난화방지를 이루어야 할 것이다(4).
- 그러므로 국내에서도 HCNG 인프라 구축방안으로 CNG충전소 병설설치 기준이 제정되어야 하고, 인프라 구축에 따른 경제성 확보방안으로 수소제조설비는 현재 수소충전소 실증으로 설치된 30Nm3/hr급 수소제조설비가 아닌 상용화급 규모로서 300Nm3/hr급 수소제조설비 개발도 이루어져야 할 것이다. 그리고 지역별 상이한 수소 공급방안으로 보급 초기 또는 실증 단계에서 보급을 촉진할 수 있을 것으로 판단된다. 끝으로 국내에서 CNG버스의 상용화가 조기에 성공할 수 있었던 상황을 살펴보면 초기시장 형성을 위한 보급정책이 중요하므로 HCNG 상용화에도 이 점이 활용되어야 할 것이다.
- 그리고 지역별 상이한 수소 공급방안으로 보급 초기 또는 실증 단계에서 보급을 촉진할 수 있을 것으로 판단된다. 끝으로 국내에서 CNG버스의 상용화가 조기에 성공할 수 있었던 상황을 살펴보면 초기시장 형성을 위한 보급정책이 중요하므로 HCNG 상용화에도 이 점이 활용되어야 할 것이다.
- 현재 세계 에너지원의 대부분을 차지하고 있는 석유는 2020년을 전후로 가스에게 그 자리를 넘겨 줄 것으로 예상되고 있으며 궁극적으로 21세기 후반에는 수소에너지가 가장 큰 에너지 비중을 차지할 것으로 예상되고 있다. 더욱이 고유가 시대의 도래와 환경규제의 강화로 인해 대체에너지 엔진 및 수소엔진, 수소연료전지와 같은 새로운 연소 및 동력 기술이 큰 관심사로 등장하였고 향후 20년간은 차량 동력 장치의 커다란 변혁기가 될 것으로 예상된다.
- 그러나 많은 부분에서 CNG충전소와 수소충전소의 법규가 유사하기 때문에 병설 설치에 문제가 없을 것으로 판단된다. 두 번째는 수소충전소 실증으로 설치된 30Nm3/hr급 수소제조설비가 아닌 300Nm3/hr급 수소제조설비에 대한 기술개발이 이루어져야 한다. 그렇게 되면 공급되는 수소가스 가격을 내릴 수 있고, 보다 경제성을 확보할 것으로 판단된다.
- 특히 연료 인프라기술은 아직 수소제조방법에 대한 기술 축적과 최적 인프라 구축 방안 및 안전관리 제도 정비 등이 필요하며 관련 기술개발을 통해 보급기반을 구축해야 한다. 또한 기존 CNG 충전인프라를 활용하여 HCNG를 공급할 수 있는 최적 방안을 도출하여 효과적인 인프라가 구축될 수 있는 기반을 마련할 필요가 있다.
- 그러므로 CNG충전시설을 활용하여 HCNG 공급을 위해서는 수소 30%를 혼합한다고 했을 경우 대략 수소 생산량이 300Nm3/hr이상이 되어야 할 것이다. 또한 수소 공급방법을 살펴보면 가장 일반적으로 현지 설치가 가능한 것으로 화석연료중 경제성이 있는 천연가스 개질 방법으로 수소를 제조하고 이때 개질 효율은 대략 70%이상을 갖는 기술이 적용되어야 할 것이다. 또한 수소, CNG 및 HCNG 충전소가 한 곳에 병설이 될 수 있는 복합충전 인프라가 설치될 경우에 기존 CNG충전소를 활용할 수 있는 점에서 가장 효과적이라고 판단된다.
- 또한 수소, CNG 및 HCNG 충전소가 한 곳에 병설이 될 수 있는 복합충전 인프라가 설치될 경우에 기존 CNG충전소를 활용할 수 있는 점에서 가장 효과적이라고 판단된다. 아울러 이 충전소는 수소인프라를 동시에 구축하는 효과도 있으므로 향후 수소경제로 가는 가교역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
- , 두산인프라코아에서 ‘07년 4월에 HCNG 특허를 보유하고 있는 미국의 CTI사를 인수하여 HCNG 기술에 대한 시험을 진행한바 있으며 상품화를 위해 기술적인 검토를 진행중에 있다. 향후 EURO-6 또는 그 이후의 배출가스를 대응하는 방법으로 크린디젤기술(디젤+EGR+DPF+SCR), CNG응용기술(CNG+SCR+DOC) 및 HCNG기술(후처리 없음)을 비교할 때 가장 경쟁력 있는 기술로 HCNG기술이 유망한 것으로 전망되고 있다. 2009년부터 환경부 무저공해자동차 사업단에서 실시하는 기술개발과제를 인프라 부분을 한국가스공사와 자동차 부분을 기계연구원 주관으로 두산인프라코어(주)에서 참여기업으로 참여하여 수행하고 있다.
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