[요약]
- 기계연-현대차 공동연구팀은 수소연료만 100% 사용하는 ‘직접분사식 수소엔진’을 개발하고, 성능평가를 통해 세계 최고 수준의 우수성을 입증
- 연구팀은 지속적인 무탄소 연료 동력기술 연구개발을 통해 탄소중립 실현에 앞장 설 예정
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한국기계연구원과 현대기아자동차 공동연구팀은 수소연료만 100% 사용하는 ‘직접분사식 수소엔진’을 개발
- 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘드론 및 로봇 구동용 액체수소엔진 개발’ 및 현대차 지원 ‘수소 직분사엔진 대상 평가’ 과제의 지원을 받아 수행
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- 기존의 ‘포트분사식 수소엔진’은 기체 상태인 수소연료가 차지하는 공간 때문에 연소실에 공기 유입이 줄어들어 효율성이 떨어지고, 수소연료와 공기의 역화로 인해 엔진 성능이 감소하는 문제가 발생
- 수소엔진은 수소 연료 분사 방식에 따라 PFI(Port Fuel Injection), DI(Direct Injection)로 구분
- PFI는 수소연료를 흡기 포트에 분사하는 방식으로, 분사 압력이 낮아 DI 방식에 비해 시스템 개발·구성 난이도가 비교적 낮고 원가가 저렴하나, 엔진의 비출력 및 열효율이 높지 않고 연소제어가 어려운 것이 단점
- 기존의 ‘포트분사식 수소엔진’은 기체 상태인 수소연료가 차지하는 공간 때문에 연소실에 공기 유입이 줄어들어 효율성이 떨어지고, 수소연료와 공기의 역화로 인해 엔진 성능이 감소하는 문제가 발생
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- 이에 연구팀이 개발한 ‘직접분사식 수소엔진’은 고압의 수소연료를 연소실에 직접 분사하기 때문에 역화 문제를 원천적으로 해결
- DI는 수소연료를 연소실 내부에 직접 분사하는 방식으로, 분사압력이 높아 분사기 및 연료공급계 개발·구성 난이도가 높으나, 높은 압축비와 연료 성층화, 초희박연소를 통해 열효율을 극대화하면서 출력 성능을 향상시키고 유해 배출물 저감이 가능
- 이에 연구팀이 개발한 ‘직접분사식 수소엔진’은 고압의 수소연료를 연소실에 직접 분사하기 때문에 역화 문제를 원천적으로 해결
- 이번에 개발한 수소엔진은 가솔린 엔진 대비 이산화탄소(CO2) 배출은 99%, 미세먼지 배출은 90% 줄일 수 있으며, 이는 유럽의 무공해 자동차 기준을 충족
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- 유럽은 1992년 ‘유로1’ 이후 배기가스 배출에 대한 제한을 점진적으로 강화해온 상황
- 단계별로 강화된 유로2~유로5를 거쳐 2014년부터 유로6을 시행 중이며, 2022년 11월 EU집행위는 한층 더 강화된 규제안인 유로7을 발표
- 유로7은 ▲질소산화물 배출기준(60mg/km) ▲브레이크 입자 배출 기준(7mg/km, 2035년부터 3mg/km로 강화) ▲측정 대상 오염물질 입자 기준(10nm까지 측정) ▲배출물질 요건 준수 기간·주행거리(10년 또는 20만km) 등을 규제
- 이에 확대되는 규제 범위에 포함된 전기차, 배터리, 타이어 관련 우리 기업의 사전 대비가 필요할 것으로 예상
- 유럽은 1992년 ‘유로1’ 이후 배기가스 배출에 대한 제한을 점진적으로 강화해온 상황
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- 수소엔진 기술은 자동차의 주된 동력원에 사용되고 있는 화석연료를 무탄소 수소연료로 대체할 수 있는 즉각적이고 경제적인 기술
- 유럽의 경우 CO2 배출량을 기준으로 분류하고 있으며, 국제표준시험방식(WLTP) 기준으로 75g/km 이하인 차종을 초저배출차량(Ultra Low Emission Vehicle, ULEV), 그 중 50g/km 이하인 차량을 무공해차량(Zero and Low Emission Vehicle, ZLEV)으로 분류
- 수소엔진은 ZLEV 기준을 만족하며, 자동차 배기가스를 정화하는 후처리 장치 없이도 15ppm 이하의 질소산화물(NOx)을 배출하며, 최대 40%의 높은 열효율을 달성
- 수소엔진 기술은 자동차의 주된 동력원에 사용되고 있는 화석연료를 무탄소 수소연료로 대체할 수 있는 즉각적이고 경제적인 기술
[시사점]
- 국제사회는 기후변화에 대응하기 위해 온실가스 배출량 감축방안을 논의해 왔으며, 장기저탄소발전전략(LEDS)과 구체적인 국가 온실가스 감축계획을 포함하는 국가 온실가스 감축목표를 제출
- 우리나라는 국제사회의 노력에 동참하고 건강하고 넉넉한 미래를 만들어가기 위해 2020년 ‘2050 탄소중립 선언’ 및 ‘2050 탄소중립 비전’을 선포
- 탄소중립을 위한 노력의 일환인 수소엔진 자동차가 본격적으로 상용화하기 위해서는 수소 충전소와 수소 원료 생산 등 인프라 확대가 필요
[출처]
- KEIT, PD 이슈리포트 2022-6월호 : 이슈1(건설, 산업기계용 수소엔진 기술동향), 2022.6.27.
- 전기신문, 기계연, 수소연료 100% 사용 가능 수소엔진 국내 최초 개발, 2023.9.9.
- EU 기후행동, CO₂ emission performance standards for cars and vans
- KOTRA, EU 자동차 배출규제 유로7 주요 내용과 입법 동향, 2023.6.7.
