Current Issue

무탄소 연료를 차량용 연료로 사용하기 위해서는 우선적으로 연료가 갖는 특성을 이해할 필요가 있다. Table 1은 무탄소 연료들과 기존 연료들의 특성치들을 일반적인 연료 탱크의 형태를 기준으로 비교하였다. 같은 무탄소 연료인 수소 연료와 암모니아 연료를 비교하면 암모니아의 경우, 상온에서 비교적 낮은 압력하에 액상 연료로의 보관이 용이하고 부피당 에너지 밀도가 높아서 차량 연료로써 사용과 운송이 용이하다. 또한 연료의 높은 안티 노크성, 낮은 연소 온도와 기화 잠열로 인해 연소 중에 자연 발화(노킹)에 대한 위험이 적어 높은 압축비 엔진(압축비 25:1 이하)에서의 사용이 용이하다. 하지만 암모니아 연료가 악취와 독극성을 갖는 것과 낮은 연소 속도(LBV: Laminar Burning Velocity)와 낮은 착화성(Flammability)은 암모니아 엔진 개발에 있어서 풀어야 할 중요한 과제이다. 수소 연료의 경우, 무취성 연료이지만 고압축 연료탱크의 필요성과 안전성 확보가 필요하다는 점이 풀어야 할 과제이다. 연료의 연소적인 특성에서는 수소연료의 경우, 암모니아나 다른 연료에 비해 높은 연소 속도와 넓은 공연비 영역에서의 높은 착화성이 엔진 개발에 있어 장점이라 하겠다. 연료의 차량 적제적 측면에 있어 무탄소 연료의 에너지 밀도가 기존 연료와 비교해 적은 부분은 연료 탱크 시스템 개발 과정에서 풀어야 할 추과 과제이다.

무탄소 연료의 사용에 따른 엔진으로부터 배출되는 이산화탄소의 감소 뿐 아니라 연료 생산 과정에서 야기되는 에너지를 고려한 이산화탄소 생성량 감소 또한 환경적 측면에서 고려해야 할 중요한 사항이다. 최근 전과적 환경적 영향에 대한 평가를 통해 연료들의 생산과 사용에 따른 환경에 미치는 영향들이 비교되었다.^19-22)

Fig. 1은 1 kg의 암모니아를 생산하는데 필요한 물질과 에너지 사용량을 정리하였다. 수소의 경우, 천연가스를 이용한 생성(그레이 수소)과 수전해를 이용한 생성 (그린 수소)을 비교하였고 이에 필요한 재료량과 재생 에너지량을 보여준다. 또한 생성된 수소를 이용해 암모니아를 생성하기 위해 추가되어지는 질소와 에너지량을 보여준다. 수전해를 이용한 친환경 그린 수소 생성 과정에서 33 MJ(0.178 kg of H₂)의 친환경 에너지가 요구되어지고 이를 이용하여 암모니아를 생산(1 kg of NH₃) 하기 위해 추가적으로 5 MJ 이상의 에너지가 추가적으로 요구된다. 이를 기본으로 연료의 생산 방식에 따라 예상되는 이산화탄소의 생성량을 측정할 수 있는데 암모니아 연료의 경우 Fig. 2와 같이 정리된다. Fig. 2는 여러 경로로 생산되어진 암모니아의 생성과정에서의 GHG 배출에 대한 보고를 비교한 것이다. 이 결과는 지구 온난화 지수(GWP: Global Warming Potential)를 기본으로 측정한 것인데, 이 치수는 다양한 가스의 지구 온난화 영향을 비교할 수 있도록 개발된 수치이다. 이는 1톤의 이산화탄소(CO₂) 배출량에 비해 주어진 기간 동안 가스 1톤의 배출량이 얼마나 많은 에너지를 흡수하는지를 측정한 것이다. 예를 들어 천연가스의 수증기 개질로 생성되는 그레이 수소를 사용하는 암모니아의 경우, GWP100 지수는 2.7-4.8 tCO₂-eq/tNH₃ (50.5-89.8 gCO₂-eq/MJNH₃, LHV를 18.7 MJ/kgNH₃로 가정할 때) 범위로 나타난다. 이 수치는 공정에 사용되는 기술 유형 및 전기 공급원, 그레이 수소의 탄소 포집 및 격리 시설과 연관되는 블루 수소를 사용하면, 암모니아 배출량 지수가 1.1~1.7 tCO₂-eq/tNH₃(20.6 ~ 31.8 gCO₂-eq/MJNH₃)로 감소된다. 마지막으로 그린 수소를 사용하는 암모니아의 경우가 가장 낮은 지수를 갖는데, 사용되는 전기 유형에 따라 녹색 암모니아의 탄소 지수는 0.1 ~ 0.7 tCO₂-eq/tNH₃ (1.9 ~ 13.1 gCO₂-eq/MJNH₃)이다.

Fig. 1. 
H₂ and NH₃ production process(Material and energy balances)

Fig. 2. 
Comparison of carbon intensity values of ammonia (measured as GWP100)

이 결과를 통해 무탄소 연료 생산과정에서의 이산화탄소의 배출량은 수소 생산 방식에 의해서 90 %이상이 결정되어지고²⁰⁾ 그린 수소는 수전해를 통한 방식이 현재로써는 일반적이다. 블루 암모니아의 경우 그레이 암모니아와 비교해서 60 ~ 65 %의 이산화탄소 배출량 저감의 효과가 있고 그린 암모니아의 경우는 최대 85 ~ 95 % 의 저감 효과를 보인다. 추가적으로 기존의 화석연료인 디젤과 가솔린 연료와 비교하여(Carbon intensity for fossil fuels of 94 gCO₂-eq/MJ) 블루 암모니아와 그린 암모니아의 경우 최대 98 % 까지의 이산화탄소 저감의 효과를 기대할 수 있다.²³⁾

무탄소 연료를 엔진에 사용하는 측면에서 연료 특성을 고려한 특성화된 연료 분사시스템의 개발이 필요하다. 일상적으로 가스상태에서 분사되는 수소 연료의 경우, 이를 위한 가스 연료 분사시스템의 적용이 필요하고, 암모니아 연료의 경우는 상온에서 분사압력 조절을 통해 액상 또는 가스 상태로의 분사가 가능하다 하겠다. Fig. 3은 주어진 온도와 압력에서의 암모니아 연료의 상태를 보여준다. 일반적으로 암모니아 연료는 높은 기화열로 인해 가스상태로 분사되는 경우가 일반적이다. 이 경우 연료는 최대 10 bar 이하의 분사압력으로 제약되기 때문에 고부하 운영에 있어 비교적 낮은 공연비값(암모니아 이론공연비 6.06:1)와 함께 높은 연료 분사량이 요구된다. 이를 위해 낮은 압력하에 높은 분사량이 가능한 분사노즐이 요구된다.

Fig. 3. 
NH₃ fuel thermodynamic properties

1D 시뮬레이션을 이용하여 무탄소 연료 엔진 모델을 설계하고 상용 엔진의 최대출력을 얻기 위해 필요한 에너지 공급량 즉, 분사량을 측정하였다. 또한 가스 분사 시스템을 현재 상용되는 가스 분사 장치를 사용하여 실용화 가능성을 평가하였다. Fig. 4는 무탄소 연료(수소와 암모니아)의 분사 인젝터의 예를 보여준다(DI-CHG injector, by BorgWarner). 이는 1.6리터급 상용 엔진의 최대 출력인 3500 rpm에서 80 kW의 엔진 출력에 도달하는 데 필요한 인젝터 유량을 식별하기 위한 암모니아 엔진 성능을 시뮬레이션을 통해 계산한 결과이다. 단기통 엔진 실험에서의 연소 모델을 가정할때, 결과적으로 180 CA에 주입된 암모니아의 분사량이 최대 14 g/s까지 요구되어진다. 수소의 경우는, 연료 특성에 따른 분사 압력의 제약이 적고 높은 이론 공연비로 인해 분사량이 비교적 적어 분사 시스템 개발이 비교적 수월하다고 하겠다. B사의 가스 인젝터를 사용할 경우, 수소 연료는 41 bar의 분사압력에 10 g/s의 최대 분사량을 보였고 암모니아는 최대 10 bar에서 최대 7 g/s의 분사량이 가능하였다.²⁵) 이 경우 수소는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실린더당 하나의 직분사 또는 포트분사 시스템의 적용이 가능하고 암모니아 연료 엔진의 경우는 실리더당 2개의 인젝션 시스템이 고부하 영역 운영을 위해 필요하다 하겠다.

Fig. 4. 
Picture of direct-injection compressed hydrogen gas (DI-CHG by BorgWarner)²⁵⁾

무탄소 엔진들의 일반적인 연소 형태를 파악하기 위해 유럽에서 널리 사용되는 1.6 리터 가솔린 GDI 상용 엔진(CR: 10.5)과 2.0리터 디젤 CI 상용 엔진(CR: 16.5)의 실험값을 수소와 암모니아 단기통 엔진(Table 2)과 비교하였다(단기통엔진은 기본엔진을 사양과 같다). 수소엔진은 가솔린 GDI 엔진을 암모니아는 디젤 CI 엔진을 SI 방식으로 사용한 실험값이다. 이는 암모니아는 연료 특성상 높은 압력과 온도에서도 자연착화가 일어나지 않아서 저부하에서의 연소 안정성을 위해 16:1 이상의 높은 압축비가 유리한 반면 수소엔진의 경우, 연료의 자연 착화로 인한 노킹의 위험을 줄이기 위해서 12:1 보다 낮은 압축비 엔진의 사용이 적합하다.

Fig. 5는 무탄소 엔진과 상용 엔진의 중속(2,000 rpm), 고부하(15 bar of IMEP)에서의 평균 실린더 내 압력을 비교하였다. 기존 가솔린, 수소와 디젤기관의 경우, 흡기 중에 공기만을 흡입한 후 연소실에 연료를 직접 분사하는 방식이며 암모니아 엔진은 연료와 공기가 예혼합을 거쳐 연소실로 흡입되는 차이점이 있다. 이로 인해 무탄소 엔진이 기존 가솔린 엔진보다 높은 흡기 압력을 나타낸다. 연소 시점에 있어서는 이미 설명했듯이, 암모니아 연료의 높은 안티노크성으로 인해 가솔린처럼 MBT limit(Maximum Brake Torque limit) 이후에도 연소 지연이 필요치 않아 높은 효율을 갖는다. 디젤 엔진과 비교하면 고부하시 높은 압력 상승으로 인해 최대 압력(본 엔진의 경우, 180 bar of max. P_incylinder)의 제한을 받게 되는데, 암모니아 연소의 경우에는 비교적 낮은 연소 온도와 압력으로 인해 연소시기를 상사점 주변에서 진행하여도 비교적 최고 압력에 대한 부담이 적다고 하겠다. 수소 연소의 경우, 자연발화와 높은 연소 온도를 피하기 위해 높은 공연비(Lambda = 2)로 운영되었으며, 이로 인해 2 bar 이상의 높은 흡기 압력이 요구되어진다. 본 실험 데이터를 바탕으로 1D 시뮬레이션 모델의 연소 모델을 정의하였다.

Fig. 5. 
Average of pressure curves for a SI reference engine, CI reference engine and NH₃ SI engine(2,000 rpm and 15 bar of IMEP)

무탄소 연료의 엔진이 기존 연료를 사용하는 엔진과 같은 출력을 갖기 위해 필요한 흡기 방식(터보 시스템)의 설계가 필요하다. 암모니아 엔진은 기존 연료인 디젤 연료 엔진과 비교하였다. Fig. 6(a)는 디젤 엔진과 암모니아 엔진의 속도 증가에 따른 최대 부하(Full loads) 터보 시스템의 압력과 흡기량에 따른 효율을 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 보여준다. 우선 디젤 엔진의 1D 모델은 실험과 시뮬레이션 결과(GT: Gamma Technologies 1D simulation tool)가 유사함을 보임으로서 모델의 유효성을 검증하였다. 이를 기반으로 암모니아 연소 시스템과 암모니아 연소 실험의 결과를 기본으로 1D 시뮬레이션을 수행한 결과, 암모니아 엔진이 디젤과 같은 최대 출력을 달성할 수 있음을 보였다. 흡기 시스템의 효율적인 부분에서, 암모니아 연료는 상대적으로 낮은 이론 공연비(6.06:1)를 갖지만, 암모니아 연소의 형태가 디젤 모드에서와 같은 희박 연소가 아닌 점(이론공연비 영역에서의 운영)과 직분사 형태가 아닌 점이 디젤엔진과 비교하여 배기가스량을 줄이고 상대적으로 터보차져의 효율을 낮추는 결과를 갖게 된다. 그림에서와 같은 특히 저속시에 암모니아 엔진의 터보차져 운영 역역이 디젤 터보차져의 서지 라인(검은색 점선) 하단에 존재하게 된다. 이는 실질적으로 운영이 불가능한 영역으로써 암모니아 엔진 작동에는 약간 소형화된 터보차져가 적당하다고 할 수 있다. 1D 시뮬레이션을 통해 여러가지 질량과 속도의 터보차져를 설계해 본 결과, Fig. 6(b)처럼 암모니아 엔진의 경우 터보차져 질량을 80 % 비율로 저감하고 운전하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 이는 유럽에서 상용되는 차량들의 터보차저의 사양들을 고려할 때, 추가적인 연구없이 보다 소형차량에 사용되는 터보차져 시스템을 적용하여 사용이 가능한 상황이라 하겠다. 이는 1D 시뮬레이션을 통해 검증되어진 결과치이다.

Fig. 6. 
(a) Full load curve with diesel (experiments and simulations) and ammonia (simulations) with the original diesel turbo charger, (b) Simulation of ammonia full load curve with 80 % of TC mass

수소엔진의 흡기시스템 개발의 경우, 기존 엔진들(가솔린과 디젤 엔진)과 비슷한 수준의 최대 부하(21 bar of BEMP at 1500 ~ 4500 rpm)를 갖기 위해서는 흡기 시스템의 개선이 필수적이다. 이는 서론에서 언급하였듯이 수소엔진의 자연 착화와 연소 중에 생성되는 질소산화물을 줄이기 위함이다. 본 연구는 1D 프로그램을 이용하여 수소엔진 개발에 요구되어지는 흡기 압력과 공기량을 측정하고 이에 필요한 흡기 시스템을 예측하였다. 암모니아 엔진과 마찬가지로 1D 시뮬레이션의 수소 연소 모델은 단기통 실험 결과를 참조하였다. 터보시스템의 성능 비교를 위해 가솔린보다 더 출력이 좋은 디젤엔진의 흡기시스템에 수소엔진 흡기 요구조건을 비교하였다.

Fig. 7은 수소 엔진에 요구되는 흡기압력과 공기량에 따른 터보시스템의 효율을 기존 디젤 엔진 흡기 시스템과 비교한 결과이다. Fig. 7에 불 수 있듯이 수소 엔진의 경우, 디젤과 비교해서도 최대부하시 높은 공연비가 요구되므로 높은 압력과 공기량이 요구되어진다. 특히, 저속 운영과 고속 운영시에 흡기압과 공기량의 요구치가 서지라인 바깥부분에 위치함을 볼 수 있다. 이는 저속(1000 ~ 1500 rpm)과 고속(4500 rpm 이상)시 최적 공연비를 맞추기 위해서는 기존의 터보시스템(1 stage VGT)으로는 운영이 불가능하고 터보시스템 성능 향상을 위해 추가적인 E-booster(슈퍼차져) 시스템이 요구됨을 알 수 있다. 결과적으로 무탄소 연료를 이용한 엔진의 경우, 암모니아 엔진은 기존 디젤엔진 터보시스템에서 성능을 낮춘 다운사이징 터보차져 설계가 요구되어지는 반면, 수소엔진은 출력이 향상된 터보시스템이 요구되어짐을 알 수 있다. 이는 두 엔진의 최적의 공연비 결정에 따른 결과라고 하겠다.

Fig. 7. 
Full load curve with diesel (experiments) and hydrogen (simulations) with the original diesel turbo charger

무탄소 연료를 사용하는 엔진은 이산화탄소를 거의 배출하지 않는 장점이 있는 반면, 연소중 높은 온도시에 생성되는 질소산화물들과 연료의 불완전 연소에 의한 미연 가스는 환경적으로 유해함으로 해결해야 하는 과제이다. 이를 위해 엔진 개발에 있어 후처리 장치의 연구도 병행되어야 한다.

수소 엔진은 높은 연소 온도에 따른 질소산화물에 대한 대책이 주요과제이다. 연소과정에서의 희박 연소와 연소 지연을 통해 연소 온도를 줄이는 방법으로 질소산화물을 저감할 수 있다. 하지만 최대 출력을 위해선 많은 공기량 확보가 필요함으로 흡기시스템의 성능 향상(희박 연소를 위한 공기량 확보)과 후처리장치의 고려가 필요하다. 일반적인 후처리 장치는 기존 디젤기관과 같은, SCR을 통해 질소산화물을 줄이는 방안이 주요 방식이라 하겠다.²⁶⁾

암모니아 엔진은 연료의 특성상 희박연소가 아닌 이론공연비 영역에서 연소가 진행되어진다. 이로 인해 연소 중에 높은 질소산화물이 형성되어진다. 또한 연소 중에 미연 암모니아 가스가 발생되는데 이에 대한 대책 마련이 필요하다. 특히 암모니아 가스는 독성 물질이므로 암모니아 스토리지 시스템에 대한 고려가 필요하다. Fig. 8에서 보는 것처럼, 암모니아 엔진의 배출가스 성향은 가솔린 엔진과 비슷하다. 가솔린 엔진에 미연가스인 탄화수소(가솔린 엔진)와 미연 암모니아(암모니아 엔진)의 경우, 이론공연비(lambda=1) 주변에서 낮은 값을 갖지만 공연비가 확실히 변화함에 따라 희박 또는 리치한 공연비 상황에서 연소의 불안전성과 함께 증가함을 알 수 있다. 반면, 일산화탄소(가솔린 엔진)와 수소가스(암모니아 엔진)의 경우는 리치 연소(낮은 공연비) 즉, 산소의 부족 현상으로 인해 증가됨을 볼 수 있다. 암모니아 연소에서의 수소는 연소 중에 발생하는 해리를 통한 암모니아 연료가 수소로 변환(Decomposition)된 것으로써 산소의 잔류 여부에 따라 연소 과정에서 연소되거나 미연상태로 배출된다.

Fig. 8. 
NH₃ fuel thermodynamic properties

암모니아 엔진의 후처리장치에 대한 연구²⁷⁾는 일반적으로 기존 엔진들에 사용중인 SCR과 3way catalyst에 대한 비교 평가가 진행 중이다. 희박 연소 엔진에 사용되는 SCR 사용의 가능성과 산화 환원반응의 발란스가 필요한 3way catalyst에 성능을 고려하여 암모니아 엔진에 적합한 후처리 시스템의 선택이 필요하다. 특히, 암모니아 엔진 배출가스인 수소와 지구온난화에 막대한 영향을 주는 N₂O의 고려가 필요한데, 이는 후처리 장치의 성능에도 영향을 주기 때문이다. 단기통 실험 결과를 참조할 때, 이 배출가스들은 연소가 안정적인 이론 공연비 조건에서 아주 낮은 배출량의 결과를 갖는다. 차량용 암모니아 엔진 개발에 있어서 풀어야 할 중요한 과제는 미연 암모니아 가스 배출에 대한 부분이다. 특히, 저부하에서의 연소 속도 개선을 통한 연소의 안정성이 미연 암모니아 가스 저감을 위해 우선되어야 하고, 이외에도 전부하 영역에서 배출되는 미연 암모니아는 연소실 구조에 의한 연소 전파와 확산에 취약한 부분의 존재를 의미한다(Squish zone, fuel trap in crevices area). 이는 차후 연소실 디자인과 더불어 스파크 에너지 향상을 통해 개선되어져야 하고 후처리 장치에 대한 추가적인 연구가 필요하다 하겠다.