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CNG차
CNG차(compressed natural gas car)는 구동 에너지를 압축천연가스(CNG)로부터 얻는 자동차이다. 씨엔지차라고 읽는다. 인도와 같은 천연가스 생산량이 많은 국가에서 많이 사용한다.
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목차
연료 특징[편집]
시내버스에 적용되고 있는 압축천연가스(CNG)는 연료의 저장 밀도를 높이기 위해 천연가스를 200기압 정도의 고압으로 가압한 가스를 말하며, 성분은 LNG와 동일하다. CNG의 압력을 특정하게 200기압으로 가압시키는 이유는 자동차의 연료 저장 공간과 1회 충전당 주행거리 관계에서 찾아볼 수 있다. 즉, 휘발유 승용차와 같이 1회 충전당 약 300~400km의 주행거리에 필요한 연료량을 확보하기 위해 한정된 용기에 저장해야 하기 때문에 고압으로 압축하여 저장하는 것이다. 이와 같은 관계는 수소자동차의 경우 저장압력을 700기압으로 설정 하는 것에서도 동일하게 적용되고 있다. 즉, 수소는 천연가스에 비해 발열량이 3.4배 낮기 때문에 207기압의 CNG보다 압력을 3.4배 증가시킨 700기압이 되어야 등가 주행거리를 확보할 수 있게 된다.[1]
기술[편집]
CNG엔진 기술은 전 세계적으로 상용화 단계에 있으며 국내의 CNG 엔진 기술도 선진국과 비교하여 전혀 뒤지지 않을 만큼 많은 기술개발이 이루어져 왔다. 기존에는 디젤엔진에 비해 현저히 낮은 대기오염물질 배출량에 의해 환경적으로 CNG차량이 선호되어 왔다. 그러나 최근 클린 디젤엔진이 개발되어 CNG 차량 환경적인 우위가 점점 약화되고 있다. 앞으로 기존의 CNG엔진 보다 더욱 배기가스가 깨끗한 엔진기술이 개발될 필요가 있다. 국내의 천연가스 자동차는 2000년부터 환경부의 정책 사업으로 추진하여 전국 시내버스에 도입한 결과 2013년 기준으로 버스 34,000대, 청소차 1,200대, 충전소 189개소를 확충하여 보급 기반을 구축함과 동시에 획기적으로 대기오염 개선 효과를 거뒀다.[2]
믹서 방식[편집]
믹서타입 연료공급 장치는 가솔린 자동차 엔진의 캬뷰레타 방식에 해당하는 기술로 연료탱크의 고압연료를 대기압으로 감압하여 믹서로 공급하는 방식이다. 천연가스 자동차는 남미와 동남아시아 등에 많이 보급이 되어 있으나, 경제적인 여건 및 낙후된 기술력으로 인해 공연비 제어가 완전히 기계적으로 이루어지는 믹서 방식과 전자제어가 적용된 피드백 믹서 방식의 엔진이 대부분을 차지하고 있으며 이러한 방식은 가솔린 대비 출력성능이 떨어지고 배출가스 측면에서도 한계가 있다. 점점 더 엄격해지는 배기규제를 만족하기 위해서는 공기량 측정과 연료압력 및 온도보정을 적용한 전자제어식 인젝션 시스템으로 전환되고 있다. 캐나다의 AFS사는 천연가스 엔진과 인젝터, 레귤레이터 등의 천연가스 자동차용 부품을 생산하는 업체로 쓰로틀 바디에 인젝터를 장착하여 연료를 분사하는 전소 TBI 시스템을 개발하여 대형차량에 적용하고 있으며, 가솔린과 천연가스를 선택적으로 사용하는 TBI 겸용시스템을 개발하여 멕시코의 택시 개조 시장에 참여하고 있고, 10리터급 대형 엔진의 린번 전소 시스템도 개발하고 있다. 대한민국에 보급되어 있는 시스템은 대부분 우드워드(Woodward) 사의 시스템으로 비교적 우수한 제어성능을 가진 TBI 방식이라고 할 수 있으며, 모든 연소실에 공급되는 연료량이 여러 개의 인젝터의 조합으로 이루어진 메터링 밸브로 조절하여 쓰로틀 바디 앞에서 공급하는 방식이라고 할 수 있다.
MPI 방식[편집]
각 기통별로 연소실로 들어가기 바로 전 흡기매니폴드에 설치된 각각의 인젝터로 연료량을 기통별로 제어하는 연료분사방식이다. 기존 TBI 방식에서는 연료와 공기가 완전히 혼합되어 연소실로 유입되므로 흡기밸브와 배기밸브의 열림이 겹치는 밸브 오버랩 기간에 연료-공기 혼합기의 일부가 연소실에 갇히지 않고 바로 배기관으로 빠져 나감으로서 HC 배출이 증가하는 요인이 되나, MPI 방식에서는 배기밸브 닫힘 시기를 고려하여 연료를 분사함으로서 이러한 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 각각의 실린더별로 연료를 공급하는 MPI 방식의 경우 일본, 유럽 등지에서 소형 차량에 적용되고 있으며, 대형 차량의 경우 캐터필러(Caterpillar)와 커민스(Cummins) 등에서 개발이 이루어졌으며 보급이 점차 확대되고 있는 실정이다.
미래 기술[편집]
HCNG 기술[편집]
천연가스에 수소를 첨가하는 천연가스-수소 혼합연료(HCNG) 엔진은 차세대 천연가스자동차 기술로 미국 및 유럽 여러 나라에서 실증수준을 넘어 상용화를 시도하고 있다.[3] 천연가스-수소 혼합연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 궁극적 연료인 수소를 본격적으로 사용하기에 앞서 사회적 그리고 기술적 인프라의 가교역할을 천연가스-수소 혼합연료가 담당할 수 있기 때문이다. 중국과 인도에서도 HCNG 기술을 도입하여 상업화를 시도하는 등의 빠른 기술도입 행보를 보이는 것도 수소시대를 미리 대비하기 위함이다.[4] 천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 천연가스가 가지고 있는 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 유로-6의 질소산화물(NOx) 허용기준치를 만족시킬 수 있기 때문이며 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있기 때문이다.[5] HCNG 기술이 주목받는 또 다른 이유는 후처리에 의존하지 않고 연료특성과 엔진 제어기술을 이용하여 충분히 배출허용기준을 만족할 수 있을 뿐더러 이산화탄소(CO2) 배출을 낮출 수 있기 때문이다. 이미 미국과 이태리 및 인도 등에서 시범운영을 거쳐 일부 상용화한 사례가 있으며 가장 중요한 성공요인으로 충전인프라 구축에 있는 것으로 평가하고 있다. 즉, HCNG 연료를 충전할 수 있는 충전 인프라가 갖추어 진다면 충분히 경쟁력 있는 차세대 친환경 자동차 기술이 될 수 있다.[6] 한편 HCNG 인프라에 대한 기술은 CNG 충전소를 기반으로 하는 구축방안을 들 수 있다. 국내의 경우 CNG 충전 인프라는 전국적으로 시내버스 보급을 위해 확충된 만큼 이를 잘 활용한다면 HCNG 충전인프라는 신규도입에 따른 부담을 상당히 경감할 수 있을 것으로 기대된다. 유럽에서는 이태리가 CNG 보급이 가장 활발하며 현재 1,000여개의 CNG 충전소가 운영 중이며 약 1,000,000대의 CNG 자동차가 보급되어있으며 HCNG 자동차의 시범사업도 진행하고 있다. 단일 충전소 부지 내에 가솔린, 경유, LPG 뿐만 아니라 CNG, HCNG 연료를 공급할수 있는 멀티에너지 충전소를 운영하고 있다.[6]
CNG 하이브리드 기술[편집]
CNG 하이브리드 기술은 차량 제동시 버려지는 에너지를 전기에너지로 저장하는 축전지를 탑재하여 기존 CNG 엔진에 비해 30%의 연비개선 효과를 기대할 수 있으며 이산화탄소 배출 특성도 디젤 대비 30% 이상 감소하는 것으로 평가되고 있다.[7] 구성 부품으로는 전기모터와 대용량의 축전지로 주행 중에 충전과 방전이 수시로 이루어진다. 국내에서도 CNG 하이브리드 버스가 개발되어 시범사업을 통해 성능을 확인한 바 있다. CNG 하이브리드 차량의 특성으로 가속 성능은 기존의 CNG 차량에 상응하며 엔진과 재생브레이크를 이용하여 손실에너지를 배터리에 충전함으로써 특별한 외부충전이 필요 없게 된다. 하이브리드 차량은 전기 자동차나 연료전지 자동차로 발전하기 위한 과도기적 차량이기보다는 미래형 자동차에 적합한 모델로서 평가되고 있다.
비교[편집]
LNG[편집]
LNG와 CNG는 둘 다 메테인을 주성분으로 하는 천연가스다. 메테인은 비중이 0.555이므로 LNG와 CNG도 공기보다 가볍다. 천연가스는 가솔린이나 LPG에 비해 황과 수분이 적게 포함돼 있고 열량이 높은 청정에너지로 현재 가정용 도시가스로 널리 사용되고 있다. 천연가스는 많은 장점에도 불구하고 가솔린이나 디젤보다 한참 늦게 에너지원으로 이용됐다. 기체 상태의 천연가스는 부피가 커서 충전과 운반, 보관이 어려웠기 때문이다. 하지만 20세기 중반에 천연가스를 영하 162도 이하로 냉각시켜 LNG로 만드는 기술이 개발되면서 사정이 달라졌다. 액화된 천연가스 부피가 1/600로 감소하므로 초대형 LNG 전용 운반선으로 수송할 수 있기 때문이다. LNG는 천연가스의 부피를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있지만 버스나 자동차의 연료로 이용하는 데는 한계가 있다. 버스나 자동차에서 LNG를 안전하게 이용하려면 초저온 탱크를 달아야 하는데, 이 탱크는 소형화하는 것도 어렵고 비용도 비싸기 때문이다. 그러다 보니 LNG는 상대적으로 크기가 크고 운행거리가 긴 시외버스나 대형화물차의 연료로 연구되고 있다. 반면 CNG는 천연가스를 200기압 이상의 고압으로 압축한 것이다. 운반해 온 LNG를 상온에서 기화시킨 후 압축하면 CNG가 만들어지는데, 이 과정에서 부피가 늘어나 LNG의 3배가 된다. 이 때문에 1회 충전 시 운행 가능한 거리가 너무 짧다는 단점이 있다. 같은 크기의 연료탱크에 실을 수 있는 천연가스는 CNG가 LNG의 1/3밖에 안 되기 때문이다. 하지만 CNG를 연료로 사용하면 냉각과 단열 장치에 필요한 비용을 절감할 수 있어 LNG에 비해 경제적이다. 또한 시내버스용으로 이용하면 연료 충전량이 적어도 무리가 없다.[8]
LPG[편집]
LPG는 LNG, CNG와 뿌리가 다르다. 흔히 액화석유가스라고도 부르는 LPG는 실질적으로는 프로페인과 뷰테인, 일명 부탄가스의 혼합 형태로 많이 사용한다. 원유의 채굴이나 정제과정에서 생산되는 기체상의 탄화수소가 발생하게 되는데, 여기에 프로페인과 뷰테인이 많이 포함돼 있다. 라이터에 많이 사용하는 뷰테인이나, 가정용 연료료 많이 사용하는 프로페인 모두 상온의 기체상태에서는 공기보다 무겁다. 프로페인과 뷰테인은 끓는점이 낮기 때문에 상온에서 소형의 가벼운 압력용기에 쉽게 충전할 수 있다는 것이 최대의 장점이다. 즉 상온에서 약간의 압력만 가하면 액화돼 프로페인은 약 270분의 1, 뷰테인은 약 240분의 1로 그 부피가 줄어든다. 덕분에 간편하게 압력용기에 담아 운반할 수 있다. 충전과 운송 그리고 보관이 편리하다보니 가정용·영업용 연료는 물론 택시 등 자동차 연료로도 널리 쓰이고 있다. LPG를 자동차 연료로 이용할 경우 기온에 따라 프로페인과 뷰테인의 혼합 정도를 달리 하는데, 더운 지역으로 갈수록 뷰테인의 함량이 점점 더 높아진다. 자동차 연료로서의 LPG는 옥탄가가 매우 높은 반면에 출력이 떨어지는 단점이 있어, 버스 같은 대형차보다 택시나 승용차 같은 소형차에 많이 쓰인다. 또한 LPG는 누설되면 부피가 270배로 늘어나는데다, 공기보다 무거워서 밀폐공간에 갇히기 때문에 폭발위험이 크다. LNG와 CNG, LPG 같은 가스가 자동차 연료로 확대되는 것은 이들 연료가 친환경적이기 때문이다. 이들은 연소 과정에서 유해물을 거의 발생시키지 않는데다 가솔린이나 경유보다 이산화탄소 방출량이 적다. 휘발유의 한 성분인 옥테인과 프로페인 그리고 천연가스 주성분인 메테인을 비교해 보면 옥테인은 3.72㎉의 에너지를 생성할 때 1g의 이산화탄소를 발생시킨다. 반면 프로페인은 4.02㎉, 메테인은 4.84㎉를 얻을 때 1g의 이산화탄소가 나온다. 즉 동일한 에너지를 얻는다면 메테인, 프로페인, 옥테인 순으로 이산화탄소를 발생시킨다는 의미다. LNG와 CNG 그리고 LPG도 엄격하게 관리만 된다면 크게 문제가 되지 않는다. 또한 탱크 내 특수소재로 스펀지 같은 구조로 만들어 35기압 정도에서 거의 같은 용량의 메테인 가스를 저장할 수 있는 가볍고 작은 CNG 저장 탱크가 개발되며 기술적인 진보도 이뤄지고 있다. 이렇게 되면 우려됐던 안전성 문제는 해결될 수 있을 것이다.[8]
현황[편집]
환경부가 CNG 버스를 중심으로 보급정책을 펴왔던 시내버스, 경찰버스 등이 전기차와 수소차 보급 정책으로 인해 줄어들고 있다. 2019년 말 3만8,474대 등록됐던 CNG차량은 2020년 785대 줄어든 3만7,689대가 등록됐다. SK가스나 E1 등 LPG수입사가 업무용 차량으로 QM6 구매에 나서기도 하며 어린이 통학차량, 1톤 LPG화물차 보급 정책 등에도 2019년 9월 3만8,777대에서 2020년 10월 1,088대가 감소한 3만7,689대가 등록됐다.[9] 이렇듯 서울시는 CNG 버스를 친환경 전기 및 수소버스로 적극 교체하고 있다. 2030년이 되면 서울의 시내버스에서 CNG 버스는 사라지고 그 자리를 전기와 수소 버스가 대신할 것으로 보인다. CNG 버스 감소로 공영차고지 내 CNG 충전소는 수소버스를 충전할 수 있는 대형 수소충전소로 전환된다. 서울시는 2021년부터 시내버스로 운영 중인 CNG버스를 전기 및 수소버스로 단계적으로 교체하고 있다. 계획대로 진행된다면 오는 2030년에는 서울시내에서 CNG버스는 사라지고 빈자리는 전기버스와 수소버스로 채우게 될 전망이다. 사실 CNG를 연료로 사용하는 버스는 경유버스 대비 온실가스 배출이 적다는 점에서 그동안 친환경 버스로 인식됐다. 실제 서울시도 지난 2000년부터 CNG버스를 도입해 대기오염을 줄이는데 앞장섰다. 그렇지만 CNG버스도 온실가스를 발생시키는 만큼 완전한 친환경버스는 아니다. 따라서 기후변화 대응 차원에서 서울시는 온실가스 배출이 없는 전기버스와 수소버스를 적극적으로 도입하겠다는 것이다.[10] 우선 서울시는 2021년부터 오는 2025년까지 3000대를 도입해 CNG버스를 교체할 예정이다. 전기버스 운영의 핵심 인프라인 전기충전소도 이미 8개 공영차고지에 10개 운수업체가 설치해 운영하고 있다. 전기충전소는 소규모로 설치할 수 있다는 점에서 앞으로 추가 확대가 쉽게 이뤄질 전망이다. 서울시는 조례 개정을 통해 수소 충전 인프라를 구축할 수 있는 기반을 마련한다는 방침이다. 현행 서울시의 공영차고지 관련 조례를 보면 공영차고지 내에 CNG 충전소 설치와 운영은 가능하지만, 수소충전소 설치 및 운영에 관한 조항은 미비하다. 수소충전소 부지의 경우도 CNG버스 감소로 폐쇄가 되는 CNG 충전소 부지를 활용하는 방안을 우선적으로 검토한다. 비교적 면적이 큰 강서와 양천, 은평, 중랑의 공영차고지의 경우 재구조화를 통해 수소충전소 설치 가용공간을 확보한다. 공영차고지 내 구축된 수소충전소는 민간에도 개방된다. 서울시는 오는 2025년까지 11개소의 수소충전소를 구축한다는 계획을 가지고 있다.[11][12]
각주[편집]
- ↑ 한정옥 박사, 〈(기고)LNG자동차 기술개발 현황 및 보급전망上-한정옥박사〉, 《가스저널》, 2007-11-06
- ↑ 채제용 기자, 〈(기획) '천연가스 황금시대'...수송용 시장 뜨겁다〉, 《이투뉴스》, 2014-05-12
- ↑ 김연숙 기자, 〈(창간기획) 수송시장 '한판 승부'...CNG차〉, 《에너지신문》, 2013-09-13
- ↑ 채영석 기자, 〈천연가스-수소 혼합연료 엔진기술 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2010-11-22
- ↑ 채영석 기자, 〈국내 메탄계 가스엔진 기술개발 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2013-09-30
- ↑ 6.0 6.1 김연숙 기자, 〈(창간기획) 수송시장 '한판 승부'...CNG차〉, 《에너지신문》, 2013-09-13
- ↑ 오종훈 기자, 〈현대차 하이브리드 버스 블루시티 개발〉, 《오토다이어리》, 2010-11-03
- ↑ 8.0 8.1 유상연 과학칼럼니스트, 〈CNG와 LNG는 무엇이 다를까?〉, 《동아사이언스》, 2010-09-06
- ↑ 조대인 기자, 〈LPG·CNG차 줄고 휘발유·경유·수소·전기차 늘어〉, 《투데이에너지》, 2021-04-13
- ↑ 예병정 기자, 〈'미세먼지 계절관리제' 한 달, 서울 공기질 개선됐다〉, 《파이낸셜뉴스》, 2021-01-06
- ↑ 예병정 기자, 〈2030년 서울엔 천연가스 아닌 ‘수소 버스’ 달린다〉, 《파이낸셜뉴스》, 2020-12-21
- ↑ 예병정 기자, 〈10년 후면 CNG버스 사라진다..전기·수소버스로 대체〉, 《파이낸셜뉴스》, 2020-12-21
참고자료[편집]
- 한정옥 박사, 〈(기고)LNG자동차 기술개발 현황 및 보급전망上-한정옥박사〉, 《가스저널》, 2007-11-06
- 유상연 과학칼럼니스트, 〈CNG와 LNG는 무엇이 다를까?〉, 《동아사이언스》, 2010-09-06
- 오종훈 기자, 〈현대차 하이브리드 버스 블루시티 개발〉, 《오토다이어리》, 2010-11-03
- 채영석 기자, 〈천연가스-수소 혼합연료 엔진기술 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2010-11-22
- 김연숙 기자, 〈(창간기획) 수송시장 '한판 승부'...CNG차〉, 《에너지신문》, 2013-09-13
- 채영석 기자, 〈국내 메탄계 가스엔진 기술개발 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2013-09-30
- 김연숙 기자, 〈(창간기획) 수송시장 '한판 승부'...CNG차〉, 《에너지신문》, 2013-09-13
- 채제용 기자, 〈(기획) '천연가스 황금시대'...수송용 시장 뜨겁다〉, 《이투뉴스》, 2014-05-12
- 예병정 기자, 〈2030년 서울엔 천연가스 아닌 ‘수소 버스’ 달린다〉, 《파이낸셜뉴스》, 2020-12-21
- 예병정 기자, 〈10년 후면 CNG버스 사라진다..전기·수소버스로 대체〉, 《파이낸셜뉴스》, 2020-12-21
- 예병정 기자, 〈'미세먼지 계절관리제' 한 달, 서울 공기질 개선됐다〉, 《파이낸셜뉴스》, 2021-01-06
- 조대인 기자, 〈LPG·CNG차 줄고 휘발유·경유·수소·전기차 늘어〉, 《투데이에너지》, 2021-04-13
같이 보기[편집]
