수소 연소 엔진, 변화하는 운송 부문에서 점점 더 실현 가능해 보인다

전 세계적으로 CO2 배출을 제한하는 규제가 강화됨에 따라, 지속 가능한 운송 수단을 찾는 과정에서 수소가 대체 연료로 주목받게 되었습니다. 

수소(H)는 온실가스 배출 없이 연소할 수 있는 능력 덕분에 유망한 옵션으로 부상했습니다. 이 연소 가능한 원소는 무색, 무미, 무취이며 비교적 높은 에너지 밀도를 가지고 있어, 부피당 많은 에너지를 함유하고 있어 차량에 이상적인 연료원입니다. 

이 가장 가벼운 원소는 연료 전지를 통해 전기차에 동력을 공급하는 방식으로 운송 부문에서 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 수소 내연 엔진(HICE)은 이제 탐구되고 있습니다 제로 배출을 달성하기 위해서입니다. 하지만 이것이 정확히 무엇일까요?

수소 연소란 무엇인가?

수소는 화학 원소이며, 연소는 연료와 공기 혼합물에서 에너지를 방출하는 화학 과정입니다. 액체든 기체든 수소 연소는 힘을 생성합니다. 

넓은 가연 범위 덕분에 수소는 연소에 적합합니다. 뛰어난 연비를 제공하고 높은 자기점화 온도를 가지고 있어, 연소 중 에너지 손실을 줄이는 높은 압축비를 가능하게 합니다. 또한, 최종 연소 온도가 낮아 배기 가스로 배출되는 오염 물질의 양을 최소화합니다.

이 깨끗하게 연소하는 엔진은 실제로 차량에서 어떻게 작동하나요?

수소는 액체 휘발유와 달리 가스로, 특수 연료 공급 시스템이 필요합니다. 이를 위해 고압 저장 탱크가 수소 가스를 보관하여 여행에 필요한 충분한 연료를 확보합니다. 

한편, 제어 밸브는 가스가 엔진 흡기 매니폴드로 흐르는 것을 조절하여 효율적인 연소를 위한 최적의 공기-연료 혼합비를 보장합니다. 흡입 과정에서 연료는 공기와 혼합되어 실린더로 들어갑니다.

깨끗하고 효율적인 연소를 위해서는 적절한 공기-연료 혼합비가 필요합니다. 수소 연소 엔진은 정교한 연료 분사 시스템을 사용하여 유해 배출물을 최소화하고 출력 효율을 최적화합니다.

피스톤은 적절한 연료와 공기 혼합물을 압축하고, 고에너지 점화 플러그가 이를 점화하여 연소가 일어납니다. 수소는 빠르게 연소하면서 큰 열을 방출하므로 연소 가스가 급격히 팽창합니다.

이 팽창하는 가스가 피스톤을 밀어내며, 그 움직임은 크랭크샤프트를 통해 회전 동력으로 변환됩니다. 이 힘이 바퀴를 구동시켜 차량을 앞으로 움직이게 합니다. 

이 과정은 수소 연소 엔진이 제공할 수 있는 더 깨끗하고 강력한 주행 경험을 보여주며, 보다 지속 가능한 운송 미래를 약속합니다. 그러나 수소 내연 엔진(HICE)에서의 빠른 속도와 높은 온도는 수소 친화적인 소재, 첨단 엔진 설계 및 혁신적인 연료 분사 기술을 통해 달성됩니다.

수소 연료 전지와는 어떻게 다른가?

수소는 운송 부문에서 연료 전지와 연소 엔진이라는 두 가지 뚜렷한 방식으로 사용됩니다. 두 과정 모두 탄소 배출이 없는 수소를 사용하지만, 차량에 동력을 공급하는 방식은 다릅니다.

앞서 언급했듯이, 수소 연소 엔진은 전통적인 엔진과 마찬가지로 수소를 연소시켜 동력을 생산합니다. 여기서 수소는 공기와 혼합되어 제어된 폭발을 일으키며, 차량을 추진하는 기계적 에너지를 생성합니다. 

한편, 연료 전지와 수소 차량은 화학 과정을 통해 수소를 전기로 변환합니다. 이 과정에서 전기화학 장치가 수소와 산소를 전기, 열, 수증기로 변환합니다. 보다 구체적으로는 수소를 양성자와 전자로 분리하여 전기를 생성하고, 이 전기가 차량을 구동하는 전기 모터에 공급됩니다.  

연료 전지 차량(FCEV)은 낮은 부하에서 더 효율적이며, 수소 연소 엔진은 무거운 부하에서 더 좋은 성능을 보입니다. 이는 HICE가 대부분의 시간을 대량 화물을 운송하는 대형 트럭에 더 적합함을 의미합니다. 반면, 자동차, 버스, 견인 트럭은 일반적으로 낮은 부하에서 운행되므로 연료 전지의 혜택을 더 많이 받을 수 있습니다. 

하지만 두 기술 모두 수소를 사용하기 때문에 배출물은 유사합니다. 연료 전지 차량은 배출이 없으며, 수소 연소 엔진은 거의 제로에 가까운 미량의 CO2를 배출하지만 NOx(질소산화물)를 생성할 수 있습니다. 또한, 수소 엔진은 품질이 낮은 수소로도 작동할 수 있어 특정 활용 사례에 유리합니다.

수소 내연 엔진은 수십 년간 사용되어 왔으며 인프라 변경이 필요하지 않습니다. 따라서 차량 제조업체에게 기존 기술을 활용하는 수소 엔진 전환은 비교적 적은 도전 과제를 가집니다. 반면 연료 전지는 더 가볍고 조용하며 높은 효율성을 자랑합니다. 수소에 저장된 에너지의 최대 60%를 전기로 변환합니다.

연료 전지는 내연 엔진보다 낮은 온도에서 작동하므로 화재나 폭발 위험이 낮습니다. 그러나 비교적 새로운 기술이기 때문에 연료 전지는 수소 연소 엔진보다 비용이 더 많이 듭니다.

이는 서로 경쟁한다는 의미가 아니라, HICE와 FCEV가 서로를 보완한다는 뜻입니다. 결국 두 기술 모두 동일한 수소 생산, 저장, 운송 및 배분 인프라를 활용하며, 운송 부문의 배출을 제로로 줄이는 데 기여합니다.

수소 연소의 장단점 평가

따라서 수소 사용은 명백히 큰 장점을 가지고 있지만, 특히 수소 연소는 어떨까요? 앞서 언급했듯이, 주요 이점은 HICE의 환경적 영향입니다. 

이 엔진은 주로 수증기라는 깨끗한 부산물을 배출하여 전통적인 가솔린 엔진에 비해 큰 장점을 제공합니다. 온실가스 배출 감소에 기여할 뿐만 아니라, 수소 연소 엔진은 약 45%의 높은 열 효율을 가지고 있어 디젤 엔진(40% 이하) 및 가솔린 엔진(30% 이하)보다 훨씬 효율적입니다.

HICE의 또 다른 큰 장점은 기존 내연 엔진 기술을 활용해 제작할 수 있어 추가 인프라나 인력 재교육이 필요 없다는 점입니다. 또한, 수소는 바이오매스, 물 전기분해, 천연 가스 등 다양한 원천에서 생산될 수 있어 증가하는 청정 에너지 수요를 충족시킬 수 있습니다.

수소를 연료로 삼는 근거는 확실히 강하지만, 문제가 없다는 뜻은 아닙니다. 실제로 수소 연소 엔진은 해결해야 할 여러 과제에 직면해 있습니다.

우선, 수소 탱크를 위한 대형 저장 공간이 필요해 차량 무게가 크게 증가합니다. 이는 물론 마모 위험을 높여 차량 수명을 단축시킵니다. 연료가 쉽게 연소되기 때문에 엔진 부품에 위험이 따릅니다. 수소를 활용하는 것도 쉽지 않으며, 시간과 에너지를 많이 소모하는 과정입니다.

또한, 에너지 밀도가 낮아 기존 내연 엔진에 비해 생성되는 출력이 상대적으로 적습니다. 가솔린과 같은 다른 연료는 8:1 압축비가 필요하지만, 수소 연소 엔진은 40:1 압축비가 필요해 또 다른 문제가 됩니다. 게다가 이러한 엔진을 대량 생산하는 것은 비용이 많이 드는 작업입니다.

수소가 낮은 배출량 때문에 선택되었지만, 연소 엔진은 일부 NOx 배출을 포함해 탄소 발자국을 남기며, 이는 엔진의 목적을 무효화합니다. 따라서 열 관리와 남은 배출물을 사후 처리 시스템으로 관리하는 것이 중요합니다.

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수소 연소 엔진이 미래인가?

수소 연소 엔진(HICE)은 수십 년 동안 존재해 왔습니다. 액체 수소를 연료로 한 세계 최초의 실험적 상업 항공기인 투폴레프 Tu-155는 1988년에 하늘을 날았습니다. 이는 HICE가 많은 사람들이 생각하는 것만큼 새롭지 않다는 것을 보여줍니다.

수년간 널리 채택되지 않았음에도 불구하고, HICE는 최근 토요타, 보쉬, 혼다, 커민스, 다임러, 스즈키, 볼보 등 대형 자동차 브랜드들의 재관심을 끌고 있습니다. 항공 부문도 수소 연소를 탐구하고 있습니다. 예를 들어, 에어버스는 다양한 산업 파트너와 협력해 수소 연소를 기반으로 설계된 ZEROe 콘셉트 항공기를 개발하고 있습니다.

운송 부문에서 수소 연소 엔진에 대한 관심이 증가하고 있지만, 현재는 전기차(EV)와의 치열한 경쟁에 직면해 있습니다.

HICE는 거의 제로에 가까운 배출을 하지만, 전기차는 전기로 구동되어 배기 가스 배출이 전혀 없습니다. 또한 전기차는 연소 과정에서 에너지 손실이 발생하는 HICE보다 높은 에너지 효율을 가지고 있습니다.

전기차는 새로운 인프라가 필요하지만 충전소 수는 빠르게 증가하고 있습니다. 반면 수소충전소는 비교적 부족하지만, 수소차 충전은 전기차 충전보다 빠릅니다.

BYD, 테슬라, 리비안, 제너럴 모터스, 볼보 등과 같은 기업들은 전기차 분야에서 큰 진전을 이루고 있습니다. 전기차(EV) 시장은 약 3840억 달러 규모 2022년에, 반면 전 세계 수소 내연 엔진(HICE) 시장은 는 예상 2030년까지 350억 달러에 이를 것으로.

자동차 제조업체들은 현재 수소 연소 기술을 실험하고 있지만, 전기차 기술 발전에 비해 진행 속도가 비교적 느립니다. 업계는 비용 등 많은 생산 장벽을 극복해야 하며, 이는 당분간 전기차가 운송 부문을 계속 장악할 것임을 의미합니다. 그러나 HICE는 가까운 미래에 운송 연료 믹스의 중요한 부분이 될 수 있습니다.

수소는 연료로서 무시될 수 없으며, HICE는 지속 가능한 운송의 미래에서 중요한 역할을 수행합니다. 그러나 이를 가능하게 하려면 정부 지원과 기술 발전이 필요합니다.

수소가 여전히 미래의 연료가 될 수 있는 이유를 알아보려면 여기를 클릭하세요.

HICE 분야의 최신 개발

지난 10년간 탈탄소화는 전 세계 국가와 기업에 매우 중요한 과제가 되었습니다. 운송 부문은 전 세계 온실가스 배출량의 10%를 차지하므로 특히 중요합니다. 

파리(COP21)와 글래스고(COP26) 협정에 따르면, 운송 추진 기술은 CO2를 신속히 감축해야 합니다. 이를 위해 효과적인 해결책이 필요하지만, 모든 답을 제공할 수 있는 단일 솔루션은 없습니다. 다양한 솔루션을 혼합하면 문제를 보다 효과적으로 완화할 수 있습니다. 여기에는 현재 차량 구조에 최소한의 변화를 요구하는 수소 연소 엔진이 포함됩니다.

(TSLA ) (GM )

논리적이고 매우 효율적인 옵션으로서 HICE는 큰 관심과 발전을 보이고 있습니다. 최근 앨버타 대학교 연구진은 수소 연소 엔진에 유망한 새로운 코팅 소재를 개발했습니다. 새로운 복합 고농축 합금인 AlCrTiVNi5는 낮은 팽창, 높은 안정성, 파손 내성, 고온 및 고압 환경을 견디는 능력 등 우수한 열기계적 특성을 가지고 있습니다.

새 코팅을 기존 상용 합금과 비교한 결과, 연구진은 AlCrTiVNi5가 섭씨 900도에서 100시간까지 부식 환경을 견디며 현재 시장의 다른 모든 제품보다 뛰어나다는 것을 발견했으며, 이는 수소 경제 발전의 문을 열어줍니다.

이번 달 초, 토요타는 수소 연소를 실현하기 위해 합성 연료, 바이오디젤, 가솔린 및 수소로 구동되는 내연 엔진을 개발했다고 발표했습니다. 이를 위해 엔지니어들은 GR 코롤라 레이스카의 1.6리터 엔진을 사용했으며, 이는 열 효율 균형 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다. 새로운 엔진은 기존보다 10%~20% 작지만 더 강력합니다.

토요타 CEO 코지 사토에 따르면, 수소는 미래이며, 회사는 다음과 같이 말했습니다:

“탄소 중립을 달성하고 수소를 깨끗하고 재생 가능한 에너지 원으로 활용하기 위한 노력의 일환으로 이 엔진을 개발하고 있습니다.”

수소와 관련된 이러한 개발은 전 세계에서 진행되고 있습니다. 지난해 말, 인도 최대 자동차 기업인 타타 모터스는 HICE 개발을 위한 엔진 테스트 셀과 수소 연료 저장 및 공급 인프라를 포함한 연구개발 시설을 공개했습니다.

올해 타타는 미국 대기업 커민스와 협력해 중·대형 상용 차량용 HICE 제조 시설을 인도에 구축했습니다. 이는 지난해 합작 투자에서 연간 4,000대의 H2 엔진과 10,000개의 배터리 시스템을 생산하기 위해 4억 2400만 달러를 투자한다는 발표 이후의 일입니다.

수소 연소 엔진을 개발하는 기업들

이제 이 분야의 주요 기업 몇 곳을 살펴보겠습니다: 

#1. 혼다

이 자동차 제조업체는 토요타, 야마하, 가와사키, 스즈키와 함께 HySE(수소 소형 모빌리티 및 엔진 기술)라는 협업 프로젝트를 통해 수소 연소 엔진에 적극 참여하고 있습니다. 초기에는 기술 실현 가능성에 회의적이었지만, 혼다는 1.6리터 4기통 수소 엔진을 탑재한 ‘HySE-X1’을 개발했습니다. 

혼다는 시가총액 561억 8800만 달러 기업으로 현재 주가는 31.93달러이며 연초 대비 3.25% 상승했습니다. 회사의 연간 매출(TTM)은 1300억 달러, EPS(TTM)는 7.37, P/E(TTM)는 4.33, 배당 수익률은 4.19%입니다.

#2. 토요타

이 일본 기반 자동차 제조업체는 수십 년 동안 수소를 연료로 사용해 왔습니다. 수소 연소 차량으로는 GR 코롤라 H2와 GR 야리스 H2가 있습니다. 토요타는 차량 개발을 가속화하기 위해 슈퍼 타이큐 내구 레이스에도 참여했습니다. 이번 주에도 토요타는 수소를 포함한 다양한 연료로 구동 가능한 새로운 엔진을 선보였습니다.

토요타는 시가총액 3,140억 달러 기업으로 현재 주가는 198.86달러이며 연초 대비 8.53% 상승했습니다. 회사의 연간 매출(TTM)은 2,870억 달러, EPS(TTM)는 24.18, P/E(TTM)는 8.22, 배당 수익률은 2.45%입니다.

결론

수소 연소 엔진은 환경 영향 감소, 기존 인프라 활용, 높은 열 효율 등 큰 장점을 제공한다는 것이 명확합니다. 그러나 물론 HICE만으로는 지속 가능한 운송을 실현하기 어렵습니다. 다양한 솔루션을 결합함으로써 보다 안전한 환경을 만들 수 있습니다. 이때 HICE는 중요한 역할을 수행하며 화석 연료에서의 전환을 돕습니다.  (TMCV.BO ) (TMCV )

수십 년간 실현되지 않았던 잠재력이 이제 재관심, 민간 투자, 정부 지원, 기술 발전 덕분에 수소 동력 차량이 마침내 주목받게 되었습니다. 

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