틀을 깨는 5가지 수소 연소 엔진

수소 연소는 가장 유망한 연료 옵션 중 하나로 부상했으며, 상당한 환경적 가치와 성능을 제공합니다. 설계 수준에서 이 엔진들은 40년 이상 거슬러 올라갑니다.

1970년, 발명가 Paul Dieges는 가스 구동 내연 기관을 수소로 작동하도록 하는 수정 특허를 받았습니다. 그 이후로 이 기술은 차량, 자동차, 버스를 구동하는 능력에서 크게 발전했으며, 그 잠재력이 매우 커서 향후 상업용 항공기도 수소를 주요 연료로 채택할 가능성이 있습니다.

수소 연소 엔진에서는 액체 또는 기체 수소가 개조된 가스 터빈 엔진에서 연소되어 추진력을 생성합니다. 이 과정은 전통적인 내연 기관을 닮았지만, 화석 연료 대신 수소가 사용됩니다.

사용과 중요성이 커짐에 따라, 어느 HCE가 가장 흥미로운 미래를 가질지에 대한 추측이 많습니다. 다음 섹션에서는 틀을 깨기 위해 준비된 5가지 수소 연소 엔진을 살펴봅니다.

Cummins 15리터 수소 엔진

Cummins의 15리터 엔진 플랫폼은 핵심적으로 연료에 구애받지 않습니다. 수소, 천연 가스, 디젤과 호환됩니다. 그러나 수소와 함께 사용할 경우, 저탄소에서 무탄소 연료 능력 범위의 최고의 버전이 되어 중장비 비도로 적용 분야의 탈탄소화를 최적 수준으로 가속화함으로써 진정으로 틀을 깨게 됩니다. 

그 특성에 대해 이야기하면서, Cummins 글로벌 오프하이웨이 엔진 사업부 부사장 Antonio Leitao는 다음과 같이 말했습니다:

“Cummins의 완전 새로운 플랫폼은 내연 기관을 새로운 수준으로 끌어올리며, EPA Tier 5 및 EU Stage 6와 같은 미래 초저배출 기준을 충족할 수 있고, 저탄소에서 무탄소 연료 능력을 통해 건설 및 채석 현장을 보다 저비용으로 탈탄소화할 수 있도록 돕습니다. 15리터 엔진은 전력 밀도가 크게 증가하고 설치 공간이 더 컴팩트해 장비 제조업체가 기계로 더 많은 일을 할 수 있는 능력을 제공합니다.”

수소 엔진의 구체적인 경우를 논의한다면, 직접 분사와 저연소 방식으로 400~530 hp(298-395 kW) 출력과 최대 토크 2600 N·m를 제공합니다. 무탄소 그린 수소에서 전력을 얻으며, 700바 압력의 고용량 연료 저장 시스템을 사용해 급유 사이의 최대 운용 시간을 확보할 수 있습니다. 

이 버전은 2027년까지 전량 생산될 예정이며, 회사는 15리터와 6.7리터 배기량의 엔진을 생산할 것입니다. 

이 엔진은 초기 단계부터 업계 이해관계자들의 검증을 받아왔습니다. 2022년 1월, 주요 운송 및 물류 제공업체인 Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN)는 검증 및 통합을 시작하기로 결정했습니다 Cummins의 15리터 수소 내연 엔진을 자사 차량에 적용하기 위해.

Cummins는 2024년 2월 6일에 2023년 4분기 및 연간 실적을 보고했습니다. 2023년 4분기 매출은 85억 달러로 2022년 동기 대비 10% 증가했으며, 2023년 전체 매출은 341억 달러로 2022년 대비 21% 상승했습니다.

Toyota용 Yamaha의 5.0리터 V8 100% 수소 구동 엔진

Toyota Motor (TM ) Corporation은 Yamaha Motor에 미래 수소 엔진 개발을 의뢰했습니다. Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation, Yamaha Motor 등 다섯 기업은 탄소 중립에 적합한 내연 기관을 위한 연료 옵션 범위를 탐색하고 확대하기 위해 협력 연구를 진행하기로 결정했습니다.

개발에 대해 이야기하면서, Yamaha Motor 사장 Yoshihiro Hidaka는 다음과 같이 말했습니다:

“수소 엔진은 탄소 중립이 될 가능성이 있으며, 동시에 내연 기관에 대한 우리의 열정을 유지할 수 있습니다. 다양한 기업 문화와 전문 분야를 가진 회사들과 협력하고 파트너 수를 늘리는 것이 우리가 미래를 선도하는 방법입니다.”

엔진 공개 행사에서 5.0리터 V8은 Lexus RC F 럭셔리 스포츠 쿠페의 5.0리터 엔진을 기반으로 인젝터, 실린더 헤드, 흡기 매니폴드 등을 수정한 것으로 보였습니다. 이 엔진은 6,800rpm에서 최대 450 hp, 3,600rpm에서 최대 540 Nm 토크를 제공할 수 있습니다. 고성능 5.0리터 90도 V8 DOHC 32밸브 엔진은 Yamaha에 의해 수소 사용으로 전환되었습니다. 

2023년 연간 보고서에 따르면, Yamaha는 그룹 전체 통합 매출 451.4억 엔과 핵심 영업 이익 45.9억 엔을 기록했습니다.

BMW iX5 수소 엔진

BMW는 2023년부터 미래 차량을 테스트해 왔습니다. 섭씨 45도까지의 온도, 모래, 먼지, 다양한 경사도, 변동하는 습도 등 모든 조건을 시험했으며, 수소 연료전지 기술이 극한 영하 온도에서도 일상 사용에 적합하다고 판단했습니다. 

구체적으로, BMW iX5 수소 연료전지 시스템은 지속적으로 125 kW/170 hp의 높은 출력을 제공할 수 있습니다. 

Toyota Motor Corporation은 BMW 그룹을 위해 개별 셀을 제조하도록 위임받았습니다. BMW 그룹의 Landshut 공장은 스택 외장을 제작하며, 이는 2단계 제조 공정의 두 번째 단계입니다. 첫 번째 단계는 셀을 적층하고 다른 부품을 조립하는 것입니다. 

125 kW/170 hp 성능을 제공하는 연료전지는 BMW 그룹의 Gen-5 BMW eDrive 기술과 특수 개발 배터리의 혁신적인 조합입니다. 결합 시 최대 285 kW/401 hp의 출력을 제공할 수 있습니다. 

BMW 그룹은 고해상도 터빈이 포함된 압축기와 고전압 냉각 펌프 등 전용 수소 부품 개발도 담당했습니다. 연료전지 내부 메커니즘은 탱크의 수소가 대기 중 산소와 반응해 전기를 생성하고 모터를 구동합니다. BMW iX5 수소 차량에 탑재된 두 개의 탱크는 총 6kg의 가스를 저장할 수 있으며, WLTP 사이클에서 504km의 주행 거리를 제공합니다. 

BMW 그룹은 수소 급유가 배터리 전기차 충전보다 빠르기 때문에 iX5 엔진이 미래의 연료 보급 방식이라고 평가합니다. 

BMW와 수소의 연관은 전반적입니다. 그룹 공장 물류는 2013년부터 가스를 사용해 왔으며, 라이프치히 공장에서 독일 최초의 실내 수소 충전소를 건설한 기업이기도 합니다. 라이프치히 공장의 페인트샵도 차량 생산에서 수소 사용을 시범 운영하고 있습니다.

2023년에BMW 그룹은 연간 매출이 약 1,555억 유로이며, 2022년 약 1,430억 유로 대비 9% 증가했다고 보고했습니다. 

Volvo의 고압 직접 분사(HPDI) 기술을 적용한 수소 연소 엔진

Volvo 트럭에 탑재될 수소 연소 엔진은 고압 직접 분사(HPDI) 기술을 적용하게 되며, 이는 소량의 점화 연료를 고압으로 분사하면 수소가 추가되기 전에도 압축 점화를 가능하게 합니다. 이 기술의 장점 중 하나는 연료 소비를 낮추면서도 높은 에너지 효율을 유지한다는 점이며, 엔진 출력이 손상되지 않도록 보장합니다. 

Volvo 그룹은 이미 Westport Fuel Systems (WPRT ) 와 HPDI 기술을 활용한 합작 투자를 위한 계약을 체결했으며, 이는 2024년 2분기에 가동될 예정입니다. 

Volvo의 수소 엔진 전략을 설명하면서, Volvo Trucks의 제품 관리 및 품질 책임자인 Jan Hjelmgren은 다음과 같이 말했습니다:  

“전통적인 내연 기관이 유지되지만 수소로 구동되는 트럭은 우리 디젤 트럭과 동일한 성능과 신뢰성을 갖추면서, 전 구간에서 순제로 CO2 배출이라는 추가 이점을 제공합니다. 이는 수년간 시장에 나온 배터리 전기 트럭을 보완하는 귀중한 역할을 할 것입니다.”

고객 테스트는 2026년에 시작되며, 트럭은 이번 십년 말쯤 상용화될 예정입니다. 

HPDI 기술은 미래 교통 시스템 작동 방식에 혁신적인 추가 요소이며, 전 세계 트럭 및 오프로드 장비 제조업체가 Euro 7 및 미국 EPA 규제 요구사항을 충족하는 데 직면한 과제를 해결합니다.

이중 동심 바늘 설계 인젝터는 CO2 배출량의 97%를 감소시킬 수 있습니다. 따라서 이 기술을 적용한 트럭은 새로운 EU CO2 배출 기준에 따라 ‘무공해 차량’으로 분류됩니다. 엔진은 또한 질소산화물 및 입자 배출도 매우 적게 발생합니다.

2023년 Volvo 그룹의 통화 조정 순매출은 11% 증가한 5,528억 SEK이며, 조정 영업이익은 776억 SEK으로 개선되었습니다.

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Kia와 Hyundai가 협업해 개발한 수소 연소 엔진

최신 움직임으로, 한국 자동차 대기업인 Kia와 Hyundai가 수소 연소 엔진 설계에 협력했습니다. 이 엔진은 2025년까지 승용차에 적용될 준비가 될 수 있습니다. 

보도에 따르면 이 엔진은 잠재적으로 지금까지 수소 엔진이 겪어온 내구성 및 대규모 실현 가능성 문제를 모두 해결할 수 있다고 합니다. 프로토타입은 180~200 마력의 2리터 수소 엔진으로, 동일 크기의 가솔린 엔진과 비슷한 토크 및 파워 곡선을 가지고 있습니다. 이점은 연료 소비 측면에서 수소 엔진이 훨씬 뛰어나다는 것입니다. 엔진은 연소실에 30바 압력으로 수소를 주입함으로써 작동 전반에 걸쳐 높은 열 효율을 유지할 수 있습니다.

엔진 생산을 확대하기 위해 Hyundai와 Kia는 파트너십을 체결했습니다. 예를 들어, 물 전기분해 기술을 전문으로 하는 캐나다 기업 Next Hydrogen Corporation과 양해각서를 체결했으며, 알칼리성 물 전기분해 시스템 개발을 통해 Hyundai와 Kia의 청정 수소 가격 경쟁력을 향상시킬 것입니다.

회사도 W. L. Gore & Associates(Gore)와 협력해 수소 연료전지 시스템용 고급 고분자 전해질 막(PEM) 공동 개발 계약을 체결했습니다. PEM은 연료전지 내 전극 사이의 양성자 이동을 촉진합니다. PEM이 들어오는 수소와 산소의 직접 결합을 차단함으로써 양성자만 선택적으로 전도되고, 그 결과 전류가 생성되어 차량에 전력을 공급합니다.

Hyundai Motor Company와 Kia Corporation의 배터리 개발 및 수소·연료전지 개발 담당 책임자 Chang Hwan Kim에 따르면:

“우리는 Gore와의 파트너십 다음 장에 진입하고 있습니다. 15년간의 협력을 활용해 첨단 연료전지 기술을 확보하고 연료전지 전기차 시장을 선도함으로써 지속 가능한 미래로의 움직임을 가속화할 것입니다.”

2023 회계연도에 Hyundai는 162,664억 원의 연간 매출을 기록했으며, 이는 2022년 매출 142,152억 원 대비 14% 이상 증가한 수치입니다. 2023년 Kia는 99,808,420억 원의 매출을 기록했습니다.

수소 연소 엔진의 미래는 그 어느 때보다 밝아 보입니다

승용차부터 트럭까지, 모든 주요 글로벌 자동차 제조업체는 수소 연소 엔진을 탄소 중립적이고 지속 가능한 녹색 미래를 위한 최적의 선택으로 만들기 위해 가능한 모든 자원과 연구를 투자하고 있습니다. 

깨끗한 환경을 제공하는 것 외에도, 이 엔진은 여러 면에서 우수합니다. 예를 들어, 무거운 배터리 팩이 필요 없으며, 이는 전기차에서 흔히 볼 수 있는 특징입니다. 수소-전기 변환 스택은 리튬 이온 배터리보다 작고 가벼우면서도 비슷한 주행 거리를 제공합니다. 수소 연소 엔진은 3~5분만에 급유가 가능하며, 에너지 밀도는 배터리보다 최소 3배 높고, 한 번 충전으로 2~3배 더 긴 주행이 가능합니다.

여기서 우리는 틀을 깨기 위해 준비된 주요 엔진 유형들을 거의 모두 살펴볼 기회를 가졌습니다. 미래는 이러한 최첨단 혁신들로 가득할 것으로 기대됩니다.

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