LNG차

LNG차(Liquefied natural gas Vehicles)는 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 천연가스차의 한 종류이다. LNG자동차라고도 한다. LNG 저장 방식을 이용할 경우 초저온 액체저장방식을 이용하기 때문에 상대적으로 작은 부피의 저장 용기로도 1200km까지 주행할 수 있다.

개요

LNG차는 저온 상태의 LNG를 차량에 충전해 기화기를 통해 엔진에 공급하는 방식을 사용하는 자동차이다. LNG와 CNG는 둘 다 메테인(methane)을 주성분으로 하는 천연가스이다. 메테인은 비중이 0.555이므로 LNG와 CNG도 공기보다 가볍다. 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. 또한 LNG차는 CNG차에 비해 에너지 저장 밀도가 높아 장거리 주행이 가능한 특징이 있다. 화물차 또는 시외버스와 같은 대형차량의 경우 연료 소모가 많고 장거리 운행을 해야 하기 때문에 LNG 연료 공급 방식이 적합하다. 연료 충전 인프라가 취약한 현실에서 LNG 차량이 유리한 또 하나의 이점은 인프라 부담을 줄여줄 수 있다는 점이다. LNG 충전소를 화물 터미널, 고속버스 터미널, 공항 터미널, 화물선적항등에 설치한다면 전국적으로 LNG차 보급이 가능하다.

도입 배경

대도시 대기 오염의 요인 중 하나인 자동차 배출가스는 대기 오염 비중의 약 60% 이상으로, 자동차 배출가스 중 미세먼지의 57%가 대형경유차에 기인하는 것으로 알려져 있다. 경유 시내버스 1대는 승용차 40~80대분에 상당하는 오염 물질을 배출하는 만큼 대형 경유차의 배출물 저감 방안은 대기 환경 개선에 시급한 과제이다. 이러한 이동오염원의 감소를 위해 국내에서는 천연가스 버스를 적극적으로 운용하고 있다. CNG(Compressed Natural Gas) 충전소를 통해 연료를 공급받고 있는 압축천연가스(CNG)은 저장할 수 있는 가스량에 한계가 있고, 다수의 연료 용기를 탑재해야 하기 때문에 차량 중량이 증가하고 연료 1회 충전당 운행 거리가 짧은 것이 단점으로 지적되어 왔다. 또한 저공해 연료로 대두되고 있는 LPG의 경우 노킹 등의 문제로 대형차량에 적용하기 어려우며, 메탄올의 경우 아직 연료 경제성이 확인되지 않아 적용 가능성이 희박하다. 향후 수소 경제가 현실화될 경우 수소 연료의 적용을 기대해 볼 수 있지만 대형차의 경우는 적용하기 어렵다. 왜냐하면 액체수소(LH2)도 단위 열량당 연료용기의 용적 비율이 디젤에 비해 4.5배 정도 크기 때문에 수소를 사용할 경우 현재 CNG가 안고 있는 주행 거리의 문제가 더욱 심각해진다. 즉, 액체수소 용기가 디젤 용기보다 4.5배 커져야 하므로 그만큼 경제성이 떨어지게 된다. 따라서 현실적인 방안은 LNG 연료를 적용하는 방법이며 이를 위해 LNG 연료 용기의 기술적 안전성이 선행되어야 한다. 이러한 조건이 만족될 경우 대형차에 LNG를 적용하는 저공해 기술은 가장 현실적이며 적절한 방안일 될 수 있다. 배출가스 측면의 경우 천연가스는 경유에 비해 PM과 NOx를 각각 100%와 60%를 저감시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 특성을 고려할 때 LNG는 대형 경유차량의 대체 연료로 가장 우수한 것으로 평가된다. 따라서 시내버스나 단거리 주행차량은 CNG차량으로, 장거리 고속버스나 트레일러 등은 LNG를 사용하는 것이 운행면이나 경제성면에서 합리적인 방안이 될 수 있다.

기술

저온 용기

대부분 차량 연료 용기는 연료 주입 시 싱글 호스로 연결되어 채워지게 된다. 충전소에서 대략 100psi(690kPa), -129℃ 상태의 LNG를 차량 연료 용기로 펌핑한다. 연료는 연료 주입 연결 부로 흘러 들어와 체크밸브를 지나 차량 연료 용기의 윗부분에서 스프레이 상태로 뿌려져 상부의 증기상태의 연료를 액화시키면서 주입되기 때문에 연료가 주입되어도 용기의 압력이 상승하지 않게 된다. LNG차 연료 용기에 채워진 LNG는 시간이 지나면서 온도가 올라가게 되는데, 이때 부피가 팽창하게 되므로 연료 주입 시 연료가 연료용기 내에 가득 채워져서는 안 된다. 만약 차량이 며칠 동안 운전되지 않게 되면 연료 용기 내 압력이 최대치가 되어 충전소 탱크에서 연료 LNG 주입이 곤란하게 되는데 이때에는 수동으로 벤트 호스를 LNG차에서 벤트 커넥션에 연결하여 벤팅해 연료 용기 내 압력을 떨어뜨린 다음 연료 주입을 해야 한다. 액상의 연료가 차량 연료 용기 내에 주입되어 스프레이 헤드까지 채워지게 되면 액상의 LNG 연료의 스프레이에 의해 용기 상부의 기상의 연료를 더 이상 액화시키지 않기 때문에 용기 내 압력이 상승하게 되는데 이 때 연료 주입은 자동으로 멈추게 되어 연료 저장 용기가 가득 채워지지 않게 조절하게 된다. LNG차의 연료 용기는 가능한 낮은 온도를 유지하기 위해 단열이 잘 되도록 설계되어 있으나 시간이 지날수록 주위 온도로부터 저온 연료 용기 내로 열이 공급되기 때문에 연료의 기화에 의해 용기 내 압력이 상승하게 된다 차량이 정기적으로 운행될 때에는 이코노마이저 밸브(Economizer Valve)에 의해 탱크 내 기상의 연료를 연료 공급관으로 공급함으로서 연료 용기의 압력을 유지할 수 있으나 오랜 기간 주차되어 있을 경우에는 연료 용기 내의 압력이 계속해서 상승하게 되는데, 안전을 고려하여 위험 수치에 다다르기 전에 감압 밸브에 의해 기상의 연료를 벤트함으로써 용기의 압력을 유지하게 된다.

충전

한국가스공사는 2019년부터 2021년까지 선도적으로 항만, 화물터미널, 고속도로 휴게소 등에 20여 개의 LNG 충전소를 신설하고 2022년부터는 민간주도로 90여 개의 LNG 충전소를 건설할 계획이다. 충전소에서 경제 규모의 충전 대수인 일일 약 60대의 충전에 도달하기 전 수년간 적자가 전망되고 있어 한국가스공사가 선도적인 투자로 LNG 가격 경쟁력을 확보하고 LNG차 양상 여건을 조성하겠다는 것이다. 또한 수소 SPC인 하이넷과 수소 및 LNG 복합충전소에 대한 협력을 적극 추진할 계획이다. 기존 LNG 충전소 대비 약 40%의 설치비를 절감할 수 있는 소형 LNG 충전소와 항만 야드트랙터 등에 LNG 충전이 가능한 이동식 LNG 충전차량도 개발할 계획이다.

비교

LNG와 CNG 차량의 특성 비교

천연가스는 연료 공급 방식에 따라 CNG와 LNG로 구분할 수 있으며, CNG는 고압 용기에 약 200 기압으로 압축된 가스를 저장하여 사용하며, LNG는 -130℃ 내외의 초저온 연료를 자동차 연료로 공급한다. 국내외적으로 CNG가 천연가스 연료의 대부분을 차지하는 이유는 LNG의 적용이 CNG에 비해 어렵고 또한 LNG를 공급할 수 있는 인프라가 부족하기 때문으로 판단된다. 국내의 경우 CNGV(CNG vehicle)의 보급이 시장에서 좋은 반응을 보이고 있으며 성숙 단계에 있다고 판단되지만 LNGV(LNG vehicle)는 이제 개발 단계를 거쳐 시험 운행하는 단계이다. 한편 연소 점화 방법에 따라서 천연가스 엔진은 전소(dedicate) 방식과 혼소(dual fuel) 방식으로 나눌 수 있으며 전소 방식의 경우 전기 방식에 의한 점화 방식으로 가솔린 기관의 연소 방식이며 혼소 방식은 디젤 연료를 점화원으로 이용하는 방식이다. 기존 경유차량을 천연가스 엔진으로 개조하는 경우 혼소 방식을 적용하면 점화 계통의 변경 없이 천연가스 공급 시스템만을 장착함으로써 비교적 간단히 연료 전환이 가능한 특징이 있다. 현재의 인프라와 기술을 고려할 때 시내버스와 운행 거리가 짧은 중소형 차량의 경우에는 CNG를, 장거리 버스와 화물차 그리고 대형 물류차량의 경우에는 LNG를 적용하는 것이 바람직하다. LNG 차량은 CNG에 비해 연료 밀도가 높기 때문에 동일저장 체적에서 2.2배의 연료를 더 저장할 수 있는 장점이 있다. 이러한 결과는 대형차에서 충전 횟수 증가, 인프라 부족 등의 문제를 발생시키지만 LNG를 적용할 경우 주행 거리 증가로 상당 부분 해소할 수 있는 특징이 있다. 충전 인프라가 부족한 상황에서 LNGV는 효과적으로 대형차에 천연가스 차량을 보급할 수 있는 방안이며 다양한 차종 개발을 통해 국내 NGV 보급 정책을 확장시킬 필요가 있다. 한편 CNG와 LNG의 연료 공급 조건의 변화로 인한 엔진의 기술적 차이는 크지 않다. 즉 LNG의 경우 연료 공급 장치를 통해 기화되어 엔진으로 공급되므로 엔진에서의 공연비 및 점화 계통 제어는 CNG의 경우와 동일한 개념이다. 다만 연료의 온도 및 압력의 변화에 따른 영향을 보상해 주어야 한다.

해외 현황

중국은 대륙 장거리 운행을 대상으로 하는 대형 LNG 트럭을 중심으로 보급 확대되고 있으며, 2019년 기준 약 30만여 대의 LNG차가 보급되었다. 유럽의 경우 LNG 트럭 보급 확대를 위한 커넥팅 유럽 퍼실리티(Connection Europe Facility) 프로젝트와 LNG 블루 코리더(LNG blue Corridor) 프로젝트가 진행되고 있으며 2020년 기준 4500대에서 2030년 40만 대로 LNG 트럭이 증가할 것으로 예측하고 있다. 그리고 미국도 ITCT 프로젝트와 함께 5000여 대의 LNG차가 보급된 것으로 보고되고 있으며 향후 수송 부문 LNG 수요를 2018년 167만 톤에서 2050년 1151만 톤으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

전망

수송 분야 미세먼지 저감 이슈와 함께 수송 분야 LNG 연료에 대한 관심이 증가함에 따라 다시 LNG차 보급 활성화에 대한 필요성이 커지고 있다. 이에 따라 2019년부터 LNG트럭 완성차를 중심으로 LNG차 시장 확대를 위한 LNG트럭 시범 보급이 추진되고 있다. 이전까지 LNG트럭 완성차만을 통한 LNG차 시장을 단기간에 활성화시키기에는 어려운 점이 있었다. 하지만 2020년 LNG차 튜닝 기준이 마련됨에 따라, 기존 경유트럭의 LNG 연료 튜닝을 통한 LNG트럭으로의 전환이 가능해짐으로써 국내에서도 LNG차 보급에 속도를 낼 수 있는 환경이 조성된 것이다. 우리나라의 경우 2008년부터 LNG혼소 방식으로 LNG자동차가 보급을 시도했으나 저유가 상황으로 인한 경제성 하락 및 혼소기술력 부족 등으로 2011년 LNG자동차 보급이 중단됐다. 그러나 2014년부터 항만 내 야드트렉터가 LNG로 전환이 성공적으로 이뤄져 환경적 및 경제적으로 우수한 것으로 평가됨에 따라 지속적으로 전환이 이루어지고 있으며, 2019년 기준 총 340여 대의 LNG야드트랙터가 운영되고 있으며 향후 계속적으로 증가될 예정이다. 또한 LNG야드트렉터의 LNG 충전을 위해 총 4곳에 LNG 충전소가 새롭게 구축돼 운영이 되고 있다. 일반도로를 주행하는 트럭의 경우 관련 튜닝 규정이 없어서 그동안 LNG트럭으로 튜닝이 불가능했었다. 그러나 2019년 12월 한국도로교통안전공단과 한국가스공사 간 LNG트럭 튜닝 규정 검토를 위한 업무협약을 마치고 LNG차로 튜닝할 수 있는 규정이 제정됨에 따라 일반 트럭도 이제 LNG트럭으로 튜닝이 가능해졌으며 이로 말미암아 LNG트럭의 보급을 더욱 활성화할 수 있게 됐다. 이에 따라 한국가스공사에서는 LNG 충전 인프라를 확충하기 위한 플랜을 수립하고 LNG 충전 설비의 추가적인 구축을 위한 노력을 하고 있다. 앞으로 수송 분야에서 전기자동차를 비롯한 수소자동차 등 친환경차의 보급은 더욱 확대될 것으로 예상되고 있지만 기존 내연기관 자동차 산업을 보호하고 또한 미세먼지 저감효과를 얻을 수 있는 LNG차 보급 확대 전략도 바람직한 것으로 전망된다.

참고자료

• 〈LNG차량 도입배경 및 개발 현황〉, 《투데이에너지》, 2006-08-16
• 노윤현, 〈LNG 천연가스자동차 개발 기술동향〉, 《한국환경산업기술원》, 2006-11-16
• 한정옥 박사, 〈(기고)LNG자동차 기술개발 현황 및 보급전망上-한정옥박사〉, 《아이가스저널》, 2007-11-06
• 유상연 과학칼럼니스트, 〈CNG와 LNG는 무엇이 다를까?〉, 《한겨레신문》, 2010-09-06
• 최인수 기자, 〈LNG차량, 차종 확대ㆍ충전소 신설...보급 가속화〉, 《에너지신문》, 2019-06-13
• 오영삼 한국가스공사 가스연구원 책임연구원, 〈LNG차 튜닝기준 마련...LNG차 보급 속도 낸다〉, 《에너지신문》, 2020-05-13

같이 보기

• CNG차
• LPG차
• 천연가스차

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