166년이 지난 후에도 내연기관은 아직도 미개발 잠재력을 가지고 있다

우리 시대의 가장 위대한 발견 중 하나는 내연기관의 발명이며, 이는 산업화 발전과 그에 따른 인간 문명에 중요한 역할을 했습니다.

이 엔진들은 19세기에 처음 발명되었지만, 과학자와 엔지니어들은 이 시기가 시작되기 10년 전부터 그 개발에 기여하기 시작했습니다.

1791년에 가스 터빈이 개발되었고, 그 몇 년 후에 가스 엔진이 특허를 받았습니다. 액체 연료를 최초로 사용한 내연기관에 대한 특허가 1794년에 출원되었으며, 세기가 끝나기 전에 최초의 미국 내연기관이 제작되었습니다.

1862년에 내연기관으로 구동되는 최초의 자동차가 만들어졌지만, 최초의 현대식 내연기관은 10년이 넘은 1876년에 등장했습니다. 1885년에 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐가 설계를 개선하여 최초의 실용적인 내연기관과 카뷰레터를 발명했습니다.

그렇다면 내연기관은 정확히 어떻게 작동할까요? 먼저, 연소는 연료와 공기의 혼합물을 점화함으로써 에너지가 방출되는 화학 과정입니다. 내연기관(ICE)은 이 에너지를 부분적으로 기계적 작업으로 변환합니다.

연료와 공기의 혼합물이 점화되면 수천 개의 작고 제어된 폭발이 일어나며, 이것이 바로 연소 또는 연소 과정입니다.

내연기관에서는 연료 점화와 연소가 모두 엔진 내부에서 발생하며, 엔진은 고정된 실린더와 움직이는 피스톤으로 구성됩니다. 연소는 가스의 팽창과 열 방출을 일으켜 피스톤을 위아래로 움직이게 합니다. 이는 다시 파워트레인의 기어 시스템을 통해 크랭크샤프트를 회전시켜 차량의 바퀴를 앞으로 구동합니다.

내연기관에는 두 종류가 있습니다: 점화식 가솔린 엔진과 압축점화식 디젤 엔진이며, 차이는 연료 공급 및 점화 방식에 있습니다.

내연기관은 지배하지만 도전에 직면한다

이들의 발명 이후 150년이 넘은 현재, 전 세계 도로에는 여전히 10억 대가 넘는 내연기관(ICE)이 운행되고 있습니다.

한편, 전 세계 내연기관 시장은 현재 약 2천억 달러 규모이며, 신흥 시장에서의 차량 수요 증가와 엔진 설계 기술 발전에 힘입어 연평균 9.2% 성장해 2033년에는 3천억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

하지만 내연기관에 가장 큰 도전은 전기차(EV)의 급증과 강화된 배출가스 규제입니다.

EV가 현재는 더 보편화되어 전 세계 신차 판매의 약 18%를 차지하고(2018년 2%에서 상승)지만, 도로상의 전체 내연기관 차량 중 EV 비중은 여전히 매우 낮습니다. 시장 점유율이 3~5%로 추정되므로, 100대의 내연기관 차량 중 3~5대만이 EV입니다.

EV 성장 추세는 엔진에 대한 수요 증가에 의해 촉진되며, 이는 화석 연료 고갈과 전 세계적인 오염 급증을 초래하고 있습니다.

자동차 부문에서 가솔린과 디젤이 가장 지배적인 연료이기 때문에, 환경 오염은 여전히 내연기관의 주요 문제입니다. 이들 엔진에서 배출되는 주요 물질은 미연소 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물 및 미세먼지입니다.

이로 인해 심각한 건강 위험과 지구 온난화가 발생하고 있으며, 전 세계 국가들은 자동차 부문의 배출가스를 규제하기 위해 엄격한 규제를 도입하기 시작했습니다. 이는 자동차 엔지니어와 연구자들이 다양한 엔진 기술 및 재생 가능하고 친환경적인 연료를 실험하도록 이끌었습니다.

일부 국가가 내연기관을 완전히 금지하려는 움직임까지 보이는 가운데, 연구자들은 엔진의 성능을 향상하고 환경 영향을 줄이기 위해 지속적으로 발전시키고 있습니다.

폐열을 에너지로 전환해 내연기관 효율성을 높이기

내연기관은 강력한 에너지를 생산하지만, 생성된 에너지 전체가 활용되는 것은 아닙니다. 실제로 화학 에너지의 약 25%~30%만이 사용 가능한 전력으로 전환됩니다.

대부분은 배기 및 엔진 냉각 시스템을 통해 열로 손실되는 연료에 저장됩니다. 그러나 손실된 모든 에너지를 활용할 방법이 있으며, 과학자들은 이를 생산적으로 이용할 해결책을 연구하고 있습니다.

연구가 발표한¹ 이번 연도 ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces에 실린 연구는 배기열을 전기로 전환하는 방법을 입증하여 지속 가능한 에너지원을 제공했습니다.

해군 연구소, 육군 신속 혁신 기금 프로그램, 그리고 국립 과학 재단 산업부의 자금 지원을 받아 펜실베니아 주립대학 기계공학과 연구원들은 열전 발전기 시스템 프로토타입을 발표했습니다.

열전 발전기(TEG)는 연료 소비와 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시킬 수 있습니다. 연료 비효율성은 온실가스(GHG) 배출의 주요 원인으로, TEG와 같은 혁신적인 폐열 회수 시스템의 필요성을 강조합니다.

이러한 폐열 회수 TEG 시스템은 반도체 재료를 이용해 열을 전기로 변환합니다.

200년 이상 전에 발명된 TEG 시스템은 전자 기기, 의료 기기 및 항공우주 분야에 활용될 수 있습니다. 이 시스템은 움직이는 부품이나 화학 부산물이 없어 조용히 작동하며 환경 친화적입니다. 또한 내구성이 뛰어나며 불필요한 유지보수가 필요 없고, 대량 및 유연한 장치에 통합하기에 적합합니다.

연구에 따르면:

“고속 이동 물체를 위한 열 에너지 수집은 효율적이고 지속 가능한 에너지원 제공을 통해 작동 능력과 지속성을 향상시키는 데 특히 유망합니다.”

열전(TE) 기술은 열원과 주변 온도 사이의 온도 차이를 활용하여 작동합니다. 이를 통해 TE 기술은 이러한 시스템에 지속적인 전력을 공급하여 전통적인 배터리 의존도를 낮추고 작동 시간을 연장합니다.

유망하지만 현재 많은 열전 장치의 설계는 복잡하고 무겁기 때문에 필요한 온도 차이를 유지하기 위해 더 많은 냉각수가 필요합니다. 그러나 연구에서 언급했듯이, 통합 TEG 시스템 설계 연구는 소재 개발에 비해 크게 뒤처져 있습니다.

Wenjie Li와 Bed Poudel의 지도 아래 펜스테이트 연구원들은 열 에너지를 회수하기 위한 소형 TEG 시스템을 구축했습니다. 이 TEG 시스템은 자동차뿐만 아니라 무인 항공기(드론) 및 헬리콥터와 같은 고속 차량의 배기 폐열도 효율적으로 전기로 변환할 수 있습니다.

이 새로운 TEG는 반도체 재료로 비스무트-텔루라이드를 사용합니다. Bi2Te3는 비스무트와 텔루륨으로 만든 회색 분말이며, 저온 열전 성능이 뛰어납니다.

또한 연구에서는 에어컨에 사용되는 삼각형 플레이트 핀 열교환기를 활용해 엔진 배기 가스와 같은 차량 배기 파이프에서 열을 포집했습니다.

또한 온도 조절을 위해 히트싱크가 도입되었습니다. 이 종방향 사다리꼴 핀 형태의 원통형 부품은 온도 차이를 크게 증가시켜 TEG 시스템의 전기 출력에 직접적인 영향을 미칩니다.

이 히트싱크는 강제 대류를 통해 열을 분산하도록 설계되었으며, 팀은 유한 요소 분석(FEA) 시뮬레이션을 활용해 설계를 최적화하여 온도 구배와 전력 출력을 향상시켰습니다.

그 결과, 팀의 TEG 프로토타입은 비스무트 텔루라이드 기반 TE 모듈을 사용해 190°C의 온도 구배에서 40와트의 출력 전력을 달성했습니다. 이 정도 전력은 전구 하나를 켤 수 있을 정도입니다.

특히, 연구 결과는 배기 파이프 내 높은 공기 흐름 조건이 효율을 높이고 시스템의 전기 출력을 증가시킨다는 것을 보여주었습니다.

팀은 고속 환경을 모방한 시뮬레이션에서 TEG 시스템을 테스트했으며, 높은 유연성을 보여주었습니다. 그들의 폐열 시스템은 자동차 수준의 배기 속도에서 최대 56W를 생산했으며, 이는 리튬이온(Li) 18650 배터리 5개에 해당합니다. 헬리콥터 수준의 배기 속도에서는 146W까지 도달했으며, 이는 Li-ion 18650 배터리 12개에 해당합니다.

Li-ion 18650 배터리는 대용량, 긴 수명, 고전압 및 높은 안전성을 제공하며, 전자 기기, 전기차(EV) 및 에너지 저장 장치에 가장 많이 사용됩니다.

연구진에 따르면 최신 연구의 TEG 시스템은 기존 배기구에 직접 통합될 수 있어 추가 냉각 시스템이 필요하지 않습니다.

연구진은 이 연구가 청정 에너지 솔루션에 대한 수요 증가 속에서 고속 차량에 열전 장치를 실용적으로 통합할 수 있는 길을 열어줄 것이라고 믿고 있습니다.

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내연기관은 계속 진화한다

내연기관의 배기열 회수는 효율성을 높이고 연료 소비를 줄이는 데 대한 관심이 증가하고 있습니다. 이러한 노력은 환경 오염과 지구 온난화를 감소시키는 데 도움이 됩니다.

TEG 외에도 바텀 사이클, 전기 터보 복합(ETC) 장치, 증기 흡수, 스털링 엔진(SE), 열음향 발전기(TAG) 등이 자동차 및 산업 배기 시스템에서 열을 회수하는 데 활용됩니다.

하지만 열전 발전기는 신뢰성 높고 소형이며 고체 상태 기술로, 기계적 움직임 없이 열을 직접 전기로 변환할 수 있어 가장 많이 채택되고 있습니다. 또한 가볍고 진동이 없으며, 방향 제한이 없고 배출이 전혀 없습니다.

이러한 연료 효율성 방법 외에도, 내연기관은 성능, 효율성 및 환경 지속 가능성을 향상시키기 위한 다른 발전도 이루어지고 있습니다.

여기에는 연료를 직접 연소실에 주입하는 직접 연료 분사 기술이 포함되어 연료-공기 혼합비를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 한편 터보차저는 흡입 공기를 압축해 작은 엔진이 더 큰 엔진에 필적하는 출력을 생성하도록 합니다.

흥미로운 발전 중 하나는 내연기관과 전기 모터를 결합한 하이브리드 시스템입니다. 하이브리드 파워트레인은 저속 주행 시 전력을, 고속 주행 시 내연기관을 활용하는 유연성을 제공합니다.

혼다, 현대, 렉서스, BYD, 포르쉐 등 기업이 주도하는 하이브리드 차량은 전 세계적으로 큰 인기를 얻고 있지만, 전통적인 자동차에 비해 비용이 높고 출력이 낮은 문제에 직면하고 있습니다.

또 다른 발전은 내연기관 차량에 사용되는 연료 분야에서 나타났습니다. 에탄올, 천연 가스, 프로판, 바이오디젤과 같은 대체 연료를 탐구함으로써 온실가스 배출을 낮추고 화석 연료 의존도를 줄여 내연기관의 환경 영향을 감소시키고자 합니다.

이러한 대체 연료 중 특히 수소는 내연기관을 구원하고자 하는 연구자와 기업들의 큰 관심을 받고 있습니다.

가장 간단한 분자 중 하나인 기체 형태의 수소는 매우 높은 압력이나 매우 낮은 온도에서만 에너지 밀도가 매우 낮으며, 그 경우에도 대부분의 액체 연료보다 에너지 밀도가 훨씬 낮습니다. 이는 연료 저장 문제를 야기합니다. 또한 질소산화물(NOx) 배출이 더 높습니다.

하지만 수소가 빛을 발하는 부분은 연소 속도가 매우 빠르다는 점이며, 이는 휘발유보다 훨씬 높습니다. 또한 수소가 산소와 연소할 때 탄소가 배출되지 않아 매력적인 대체 연료가 됩니다. 이러한 이유로 수소 내연기관과 수소 연료전지가 큰 주목을 받고 있습니다.

이 두 종류의 동력 차량 모두 수소를 사용합니다. ICEV에서는 수소를 가솔린처럼 연소시키고, 연료전지 수소 차량(FCEV)은 수소를 장치에 사용해 전기를 생성합니다.

작년에는 알버타 대학교 연구진이 수소 내연기관을 혁신하기 위한 새로운 알루미늄-니켈 합금을 소개했습니다. AlCrTiVNi5 합금은 극한 고열 조건에서 높은 안정성, 낮은 열팽창 및 뛰어난 내구성을 제공하여 수소 연소의 극한 온도를 견디기에 이상적입니다.

토요타는 또한 작년에 가솔린 및 기타 연료 외에도 수소로 구동 가능한 여러 내연기관 프로토타입을 공개했습니다.

새로운 내연기관 접근 방식을 선도한다

현재 내연기관은 전기차와 배출 규제로부터 증가하는 압박을 받고 있지만, 그럼에도 불구하고 운송 부문을 계속 장악하고 있습니다. 이는 주로 기존 인프라와 광범위한 가용성 때문이며, 기업들은 배출이라는 핵심 문제 해결에도 큰 진전을 이루고 있습니다.

예를 들어, Cummins(CMI )와 Ford Motor(F )는 수소 내연기관 기술에 투자하고 있으며, ClearSign Technologies Corporation(CLIR )은 에너지 효율을 높이고 엄격한 배출 기준을 충족하기 위해 Duplex Burner Architecture를 개발했습니다.

따라서, 여전히 새로운 내연기관 접근 방식을 개발하고 이를 성장시키는 혁신가의 투자 잠재력을 자세히 살펴보겠습니다.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

첨단 대체 연료 시스템의 선도 공급업체인 Westport Fuel Systems (WPRT ) 는 경량, 고압 제어 및 시스템, Cespira, 대형 OEM, 기업 부문 등 여러 부문을 통해 운영됩니다.

시가총액 7,250만 달러인 Westport의 주가는 현재 주당 4.70달러이며, 연초 대비 27.93% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -1.57이며, P/E(TTM) 비율은 -2.91입니다.

회사는 2024년 3분기에 6,620만 달러의 매출을 보고했으며, 이는 전년 동기 대비 14% 감소한 수치입니다. 매출은 대형 OEM 자산을 Volvo Group과 Westport가 공동 설립한 Cespira로 전환함으로써 촉진되었습니다.

이 합작을 통해 Westport Fuel Systems와 Volvo Group은 HPDI 기술의 개발, 홍보 및 상용화를 가속화하려고 합니다. 이는 현재 재생 연료로, 향후 수소로 구동되는 내연기관을 활용한 저렴하고 지속 가능한 교통 솔루션의 진전을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다.

특히, 이 합작은 전 세계 장거리 및 오프로드 대형 적용 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. Volvo CTO인 Lars Stenqvist는 HPDI 기반 내연기관이 \”상업 운송 분야의 글로벌 탈탄소화 노력에 중요한 역할을 할 것\”이라고 말했습니다.

3분기 동안 회사의 순손실은 390만 달러였으며, 말기 현금 및 현금성 자산은 3,330만 달러였습니다.

“우리는 대체 연료가 미래 교통 및 산업 적용 분야에서 지속 가능성을 촉진하는 역할에 대해 여전히 확신하고 있습니다.”

– CEO Dan Sceli

수소에 대해 이야기하면서 그는 전 세계 인프라 개발이 둔화되어 수소 기반 자동차 및 산업 적용의 채택에 영향을 미쳤다고 언급했습니다. Dan에 따르면:

“이 시장의 성공은 인프라 설치와 청정 수소 생산에 달려 있으며, 두 요소 모두 실현이 늦어지고 있습니다.”

그럼에도 불구하고 회사는 수소 연료가 지속될 것이라 믿지만, 전 세계적인 청정 연료 채택은 즉각적이라기보다 점진적인 과정이 될 것으로 예상합니다.

그 사이 Westport는 프로판, 천연 가스, 재생 천연 가스 및 수소와 같은 저렴한 대체 저탄소 연료를 계속 제공할 것입니다.

“우리는 오늘 이용 가능한 혁신을 활용한 실용적인 적용으로 낮은 배출 규제를 해결함으로써 더 깨끗한 성능을 추진하고 있습니다.”

– Dan

결론 

내연기관은 이동성 혁명의 시작점이었습니다. 그러나 이러한 엔진은 약 40%의 효율 범위로 작동하며, 화석 연료 사용으로 인해 환경에 상당한 부정적 영향을 미칩니다. 운송 부문은 실제로 전 세계 온실가스 배출량의 두 번째로 큰 원천입니다.

이로 인해 전 세계는 전기차와 같은 친환경 대안으로 전환하고 있습니다. 그러나 이것이 전부는 아니며, 내연기관도 변화하는 환경에 맞춰 진화하고 있어, 한 세기가 지난 지금도 아직 활용되지 않은 잠재력을 보여주고 있습니다.

폐열 회수를 위한 열전 발전기(TEG), 하이브리드 파워트레인, 수소와 같은 대체 연료와 같은 혁신이 현재 이 변화를 주도하고 있습니다. 지속적인 연구와 혁신을 통해 내연기관은 보다 효율적이고 환경 친화적으로 변모할 준비가 되어 있습니다. 그리고 세계가 더 깨끗한 기술을 수용함에 따라 내연기관은 전기차와 공존할 뿐만 아니라 보다 지속 가능한 미래에 의미 있게 기여할 수도 있습니다.

틀을 깨는 상위 5대 수소 내연기관 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.