엔진의 다운사이징을 경기가 호조일 때 혼자 주장해서 현실로 연결시킨 히타무라 고이치 박사
그 후 환견 문제를 해결할 차세대 수단으로써 예혼합압축착화연소에 착안해 계속해서 연구해 왔습니다. 그런 히타무라 고이치 박사가 다음으로 눈길을 준 것이 천연가스입니다.
1. 차세대 환경 대책 자동차의 배출량
자동차의 배출 가스 규제가 강화되면서 최신 자동차의 배출가스는 상당히 깨끗해졌습니다. 가장 깨끗한 자동차에서는 도시 공기보다 배기 쪽이 더 깨끗할 정도로서, 그런 자동차로 달리면 공기가 정화된다고 해도 과언이 아닐 만큼의 상황까지 왔습니다. 배출가스 규제는 앞으로도 강화될 것이기 때문에 거기에 대한 대응으로 미래의 Power train을 예상해 보자면, 지구 온난화의 원인인 이산화탄소의 배출저감이 최대 과제라고 할 수 있습니다.
이에 대한 환경대응 자동차로서 전기자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 연료전기 자동차, 하이브리드 자동차, 천연가스 자동차, 클린디젤 자동차가 거론되면서 개발이 이루어지고 있습니다. 제 각각 붐을 일으키며 시장에 도입되었지만 하이브리드 자동차를 빼고는 본격 보급단계에 이르지 못하고 있습니다. 특히 일본에서는 소형 천연가스 자동차가 거의 관심 밖에 있는 것이 현실입니다.
여기서 환경 대응 자동차가 가지고 있는 이산화탄소 저감효과에 대해 말한다면, 다양한 Powertrain의 Well to Wheel에 있어서의 총 이산화탄소 배출량을 세계적으로 산출한 결과가 '일본의 공식 이산화탄소 배출량'으로서, 일본에서 공식적으로 이산화탄소 배출량을 거론할 때는 이 수치가 사용되고 있습니다. 이에 따르면 전기 자동차의 이산화탄소 배출량은 가솔린 자동차의 1/2.5 이하, 천연가스 개질수소인 연료전지 자동차는 1/2입니다. 전기차의 경우, 발전한 전기를 사용하느냐에 따라 배출량 수치가 많이 변합니다. 전기는 색깔로 표시되지 않아서 여기서는 전력평균을 사용하지만, 2009년에 원자력 발전이 최대로 가동되었을 때의 수치이기 때문에 후쿠시마 사고 이후를 고려해 2012년 수치를 사용하면 적색으로 나타낸 수치로 증가합니다. 연료전지 자동차도 천연가스로부터 수소를 만들면 거의 비슷한 수치가 됩니다.
천연가스 자동차와 하이브리드 자동차의 경우 이산화탄소 배출량이 가장 적어 환경대응 자동차로서 유망하다는 것을 알 수 있습니다. 다만 엔진 자동차는 워밍업 중의 연비가 매우 나쁘다는 문제가 있기 때문에, 수 km 이하의 단거리 주행으로 한정하면 전기 자동차 쪽의 이산화탄소 배출량이 적을 것입니다.
2. 천연가스와 천연가스 엔진의 특징
천연가스의 주성분은 메탄이기 때문에, 환경대응 자동차용 연료로서의 천연가스는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
- 혼합기에 불꽃점화로 착화해 가솔린과 똑같은 화염전파연소를 시킬 수 있습니다. 다만 기체연료인 만큼 체적효율이 떨어지기 때문에 Torque가 10% 정도 낮습니다.
- 혼합연소 때문에 그을음이 발생하지 않고, 메탄이 주성분인 천연가스의 에너지당 이산화탄소 배출량이 가솔린보다 26% 적습니다.
- 옥탄가가 높기 때문에 높은 체적비를 이용해 고효율 엔진을 실현할 수 있습니다. 또한 과급 다운 사이징과 궁합이 잘 맞습니다.
- 천연가스는 기체연료이기 때문에 고압탱크의 중량 등을 추가하면 중량당 에너지 밀도가 가솔린이나 경유의 1/10밖에 되지 않습니다. 액화시킨 LNG에서는 그 3배 정도의 에너지 밀도를 나타냅니다.
- CNG 탱크를 포함한 에너지밀도가 수소와 비교하면 3/5배, 전지와 비교하면 10 정도로 큽니다. 즉 가솔린 엔진과 똑같은 연소방식이기 때문에, 베이스 가솔린 엔진에 천연가스 연료를 공급하는 시스템을 추가하고 일부 부품을 변경하면 쉽게 천연가스 엔진을 만들 수 있습니다. 그 때문에 천연가스 산출국인 이란과 파키스탄, 아르헨티나에서 각각 200~300만 대 규모로 보급하고 있습니다. 다만 에너지밀도가 낮기 때문에 주행거리가 충분하지 않아서 대부분 가솔린과 겸용으로 사용합니다. 그을음 발생이 거의 없기 때문에 대형트럭분야에서 디젤엔진을 개조하게 되기 때문에 연료 분사 노즐을 바꿔서 점화 플러그를 장착하고, 저 체적비의 화염전파연소용 피스톤 등으로 개조할 필요가 있습니다. 개중에는 경유를 실린더 안으로 분사해 경유의 압축착화로 점화하는 듀얼 퓨얼 엔진도 있습니다. 그을음과 녹스(NoX) 문제를 동반하지만, 희박하게 연소시킬 수 있기 때문에 열효율이 높습니다. 천연가스 탑재에 있어서 대형트럭은 매일 정기적으로 장거리를 주행하기 때문에 액체 상태를 유지하는 것이 쉬우므로, 에너지 밀도가 큰 LNG를 사용하는 것이 많습니다. 셀가스 혁명으로 들끓는 미국에서는 몇 년 전까지 LNG를 사용하는 대형트럭이 매년 8% 정도 계속해서 증가하기도 했습니다. 한편 옥탄가가 높기 때문에 천연가스 엔진을 전용으로 설계하면 체적비를 대폭 높일 수 있습니다. 밀러 사이클을 사용하지 않아도 무과급 엔진에서 13~14, 터보 과급에서 12 정도는 가능할 것입니다. 과급 다운사이징을 한 천연가스 엔진의 경우, 고과급 / 고 체적비로 설계하면 토크저하 문제가 해결될 뿐만 아니라 고효율 엔진을 구현할 수 있습니다. 또한 가솔린을 사용할 때는 과급압을 낮춤으로써 노킹을 방지할 수 있기 때문에 바이 퓨얼도 용이합니다. 고효율과 더불어 에너지당 이산화탄소 배출량이 적기 때문에, 이산화탄소 저감에 더 많이 공헌할 수 있습니다.
전기자동차나 연료전지 자동차를 보급시키려면 각각 전기충전소, 수소충전소를 현재의 주유소에 버금갈 정도로 구석구석까지 설치할 필요가 있는데, 그러기 위한 투자는 엄청날 수밖에 없습니다. 각 자동차들이 보급될 때까지는 보조금 지원을 피할 수 없습니다. 하이브리드 자동차나 클린디젤 자동차는 기존 주유소를 사용할 수 있어서 문제는 없지만, 가격이 비싸다는 문제가 있습니다.
한편 천연가스 자동차의 경우는 기존 파이프라인과 LNG의 수송시스템을 이용할 수 있습니다. 미국에서는 LNG 대형트럭의 급속한 보급에 맞춰 보조금에 의존하지 않고 간선도로변을 따라 LNG 충전소가 설치되고 있습니다. CNG 천연가스 승용차의 경우는 가정까지 들어와 있는 도시가스를 야간에 충전하고, 장거리 주행을 할 때는 간선 도로변에 있는 충전소를 이용하면 연료공급 인프라에 애를 먹을 일이 없습니다. 실제로 미국에서는 가정용 천연가스 충전기가 일부지역에서 보급되어 있습니다.
현재 일본에서는 천연가스 충전소 설치나 고압탱크 정비에 여러 규제가 있기 때문에 천연가스 자동차 도입에 걸림돌로 작용하고 있지만, 다행히 국가적인 연료전지 자동차 보급활동에 따라 기체연료 관련 규제 개정이 시작됨으로써 천연가스 자동차 보급을 촉진할 토양이 만들어지고 있습니다. 천연가스 충전소 설치가 진행되지 않을 경우라도, 천연가스 자동차를 가솔린으로 주행할 수 있는 바이퓨얼 자동차로서 도입하면 주행거리 문제는 거의 해소됩니다. 연료전지 자동차 개발에 따라 70 MPa의 고압탱크를 낮은 가격으로 제작할 수 있게 되면, 수소의 3.5배나 되는 에너지밀도의 천연가스를 사용하는 천연가스 자동차 주행거리와 탱크 공간 문제도 해결됩니다.
3. 차세대 환경대응 자동차의 주역은 천연가스 엔진
셀가스 혁명으로 천연가스가 저가로 풍부하게 공급될 것이 기대되면서, 그 자체로도 이산화탄소 감축에 공헌할 것이라는 기대와 더불어, 궁극적으로는 바이오에서 유래한 메탄을 이용해 이산화탄소 제로를 실현하는 것도 가능합니다. 아우디에서는 바이오에서 유래한 메탄과 동시에 생성되는 이산화탄소에 풍력발전으로부터 물을 전기 분해해 만든 수소를 반응시켜 만든 메탕올, 바이 퓨얼 자동차에 공급하는 사업을 시작하고 있습니다 저장할 수 없는 전기에너지를 수소로 바꾸어 이용하는 것이 수소회사인데, 히다치조선에서는 거기에 이산화탄소를 추가해 메탄으로 이용한다는 메탄회사 연구를 실험 중입니다.
바이오 연료로서는 '바이오매스 수송연료'에 나타나 있듯이 다양한 연구개발이 진행되고 있는데, 액체연료의 제조개발도 진행 중입니다. 자동차용 연료로는 에너지 밀도와 취급용이성 관점에서 액체연료가 이상적입니다. 그 때문에 대부분의 운수연료는 가솔린이나 경유 같은 액체연료가 차지하고 있는 것이 현실입니다. 여기세 바이오에서 유래한 재생가능 액체연료를 사용할 수 있게 되면, 현재의 인프라를 크게 바꾸지 않고 편리성의 희생시키지 않으면서 이산화탄소를 배출하지 않는 자동차를 구현할 수 있습니다. 거기에는 열효율 50%를 넘는 엔진이 하이브리드 시스템과 더불어 사용될 것입니다.
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