[월간수소경제 성재경 기자] 수소엔진에 관심을 갖게 된 계기는 지난해 5월 도요타가 1.6리터 3기통 터보 수소엔진을 탑재한 ‘코롤라 GR(GR 야리스)’ 차량으로 후지스피드웨이에서 열린 ‘ORC 루키 레이싱’에 참여한 때부터다.
수소는 가솔린에 비해 연소 속도가 8배나 빠르고 고압과 고온에 대응하기 위한 열관리 기술이 필요하다. 이 차량은 도요타가 스포츠카용으로 개발한 기존의 GR 야리스 직분사 엔진 기술을 최대한 살리고, 덴소의 엔지니어들이 개발한 혁신적인 인젝터 기술을 적용한 것이 특징이다.
특히 지난 8월 초에는 이스즈, 덴소, 도요타자동차, 히노자동차, 이들 회사의 합작사인 CJPT(Commercial Japan Partnership Technologies Corporation)가 탄소중립을 달성하기 위한 하나의 옵션으로 대형 상용차용 수소엔진 개발 계획과 기초연구를 시작했다고 발표하기도 했다.
도요타의 아키오 사장은 수소엔진 개발에 아주 적극적이다. ‘모리조’라는 가명으로 실제 카레이서로 경기에 참여하고 있기도 하다. 그의 말마따나 수소엔진은 에너지 전환 흐름에 부응하면서, 기존 엔진과 플랫폼을 공유해 고용 유지에도 큰 도움이 된다.
이제 국내에서도 수소엔진 개발이 시작됐다. 현대두산인프라코어가 중심이 되어 출력 300kW의 배기량 11리터급 수소엔진과 수소탱크시스템 등을 개발하게 된다. 2024년에는 대형트럭과 버스 등 상용차, 굴착기 같은 건설기계에 수소엔진을 탑재해 성능검증을 거친 후 2025년부터 양산에 들어간다는 목표를 세워두고 있다.
이번 과제는 지난 5월에 시작됐다. 산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원의 국책과제로 ‘건설기계・상용차용 수소엔진 시스템 및 저장・공급계 개발’을 목표로 한다. 이 사업을 주관하고 있는 현대두산인프라코어 엔진선행개발팀의 유덕근 책임연구원(팀장)과 서면 인터뷰를 진행했다.
회사 소개를 부탁한다. 현대두산인프라코어는 현대중공업그룹의 건설기계부문 계열사로 건설중장비, 엔진 사업을 하는 걸로 안다.
현대두산인프라코어는 현대건설기계와 함께 현대중공업그룹 건설기계부문 중간지주사인 현대제뉴인에 속해 있다. 현대두산인프라코어는 굴착기와 로더로 대표되는 건설기계, 디젤・가스엔진 등을 제조하는 글로벌 기업이다. 크게 건설기계사업본부, 엔진사업본부로 조직이 나뉘며 이번 사업을 이끌고 있는 엔진사업본부는 건설기계, 농기계, 지게차 등 산업기계용 엔진과 더불어 차량용(버스, 트럭), 선박, 발전기와 방산용 엔진에 대한 사업을 진행하고 있다.
현재 현대두산인프라코어 엔진선행개발팀을 이끌고 있다. 어떤 일을 하는 부서인가?
엔진선행개발팀은 지난 2010년 현대두산인프라코어 엔진사업본부가 독자적인 엔진 연소・성능시스템 개발 역량을 확보하면서 시작됐다고 할 수 있다. 엔진개발 과정에서는 초기 연소 방향, 주요 성능시스템의 최적화된 사양 선정이 매우 중요하다. 향후 시행착오를 줄일 수 있고 개발 기간을 단축하는 등 기술경쟁력 확보에 꼭 필요한 선행 과정이다. 하지만 이전만 하더라도 엔진사업본부는 엔진개발 프로세스의 상당 부분을 AVL, 리카르도(Ricardo), FEV 등 글로벌 기술용역사에 의존해왔다.
다수의 기술용역 프로젝트를 진행하면서 독자 엔진의 성능・연소시스템 개발 역량을 확보했고, 이를 독자 엔진개발 프로세스에 접목하면서 자체적으로 신제품을 내놓을 수 있게 됐다. 지난 10여 년간 Tier 4 규제 대응을 위한 No-DPF 연소 기술인 ULPC(Ultra Low PM Combustion)와 Stage 5 연비개선 기술인 ULFC(Ultra Low Fuel Consumption) 기술개발을 성공적으로 수행했고, 최근에는 신규 디젤엔진(차세대 엔진 및 전자식 선박・발전기 엔진)의 연소・성능계 개발과 CO2 저감을 위한 신기술 개발, 하이브리드 파워트레인 개발, 독자적인 HCU 소프트웨어 로직 개발 등을 진행하고 있다. 또 전동화(배터리팩), 수소 파워트레인(수소연료전지, 수소연소엔진) 등 미래 파워트레인의 기술기획 등을 진행해 엔진사업본부의 전동화 사업화에도 기여하고 있다.
현재 팀원들은 엔진개발의 핵심인 연소, 성능, 소프트웨어, 하이브리드, 시험 검증, 빅데이터・AI 분야 전문 연구원으로 구성되어 있다. 현대중공업그룹 내 한국조선해양 엔진기계사업부와는 엔진 사이즈 등은 다르지만 동일한 내연기관을 다룬다는 점에서 기술교류회 등 다양한 형태로 소통을 이어가고 있다. 이런 노력이 더해져 미래 파워트레인 개발에 시너지를 낼 것으로 기대하고 있다.
이번 국책과제에서는 어떤 모델을 기반으로 수소엔진 개발을 진행하게 되나?
현대두산인프라코어는 1.8L부터 27L 배기량과 디젤, LPG, CNG를 연료로 하는 엔진 전체 라인업을 보유하고 있으며, 해당 엔진은 산업용(건설기계, 농기계, 산업차량), 차량용(버스, 트럭), 선박용, 발전용, 방산용으로 개발해 공급하고 있다. 양산 규모는 연간 13만 대에 이른다.
이중 차량용 엔진으로는 6L, 8L, 11L 엔진을 보유하고 있으며 국내외 버스・트럭 제조사에 디젤・CNG 엔진을 공급하고 있다. 승용차의 경우 CO2 규제 대응을 위해 하이브리드 차량과 더불어 최근에는 순수 배터리 전기차를 다수 출시하고 있으며, 시장이 크게 형성되고 있다.
승용의 CO2 규제는 상용차로 확대될 예정이다. EU는 2025년부터, 한국은 2026년부터 적용된다. 아직 확정되지는 않았지만 건설기계 또한 2030년경에는 확대 적용될 것으로 보고 있다. 버스는 도심을 운행하는 기존 CNG엔진 버스가 있고, 최근에는 전기버스가 적용되고 있다. 승용차가 아닌 상용차에 순수 배터리 전기를 적용하면 운행거리와 충전시간 등에 한계가 있어 현대자동차에서는 수소연료전지를 적용한 버스와 트럭을 출시한 바 있다.
현대두산인프라코어 엔진사업본부는 사업 밸류체인, 개발 역량, 미래 파워트레인 성장 가능성 등을 종합적으로 판단해 지난 2020년부터 개발 타당성 검토를 진행해왔고, 작년 말에 수소연소엔진을 개발하기로 결정하고 산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원에 국책과제를 제안한 바 있다.
이에 ‘건설기계용・상용차용 300kW급 Zero-CO2 수소연소엔진 시스템 및 저장 공급계 개발’ 과제를 올해 5월부터 진행하고 있다. 11L 엔진에 우선 적용하기로 한 것은 건설기계용과 더불어 트럭・선박・발전용으로 개발된 디젤엔진(DX12), 버스용으로 개발된 CNG엔진(GX12)이 있어 이를 기반으로 수소연소엔진(HX12) 개발을 추진할 경우 다양한 차량과 장비에 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.
이번 사업에 어떤 회사나 기관이 참여하고 있나? 향후 기술개발 일정도 궁금하다.
현대두산인프라코어가 수소엔진시스템 개발을 맡고, 한국기계연구원에서 개발된 수소엔진에 대한 성능 시험과 검증을 동력계상에서 진행하게 된다. 중앙대는 수소엔진시스템 개발에 필요한 연소모델을 개발하고, 국내 기술용역사인 테너지(Tenergy)는 프로토타입 성능검증이 진행되는 동안 수소저장탱크와 공급라인, 제어기를 개발한다. 탑재될 트럭과 굴착기가 요구하는 수소저장탱크 용량이나 탑재 레이아웃이 상이하기 때문에 별도로 개발을 진행하되 최적의 설계를 적용할 계획이다.
또 건설기계부품연구원은 소형엔진 기반 수소엔진 연소특성 시험과 11L 수소엔진이 탑재된 굴착기의 성능검증을 진행한다. 수요기업으로 참여하는 타타대우상용차는 11L 수소엔진의 탑재를 진행하고 다양한 조건에서 검증시험을 통해 적용 가능성을 확인할 예정이다. 규제샌드박스 신청도 준비하고 있다. 현 수소법에서는 수소연료전지가 탑재된 차량에만 충전이 가능하다. 건설기계부품연구원과 타타대우상용차는 수소엔진이 탑재된 상용차나 건설기계에도 수소를 충전할 수 있도록 규제샌드박스를 신청할 계획이다.
기술개발 일정은 내년 초에 첫 번째 프로토타입 HX12 엔진을 개발해 엔진 동력계 성능검증을 진행하고, 2024년 초에는 실제 상용차(트럭)에 탑재해 검증을 이어간다. 또 2025년 초에는 건설기계(굴착기)에 탑재해 장비 성능검증을 진행할 예정이다. 본 사업이 완료되는 2025년 이후에는 본격적인 양산에 들어간다는 목표를 세워두고 있다.
벨기에 CMB.TECH의 경우 이미 디젤 기반 이중연료 수소엔진을 선박과 트럭에 적용하고 있다. 디젤 기반 수소엔진 기술을 어떻게 보고 있는지 궁금하다.
CMB.TECH의 이중연료 엔진은 기존 디젤엔진에 기반하고 있다. 엔진으로 공급되는 공기에 수소나 암모니아를 분사해 혼합하고 압축 착화가 가능한 디젤 연료를 극소량(연소가 발생될 정도의 매우 적은 양) 분사해 초기 점화를 시키고 이후 수소와 공기 혼합기를 연소시켜 에너지를 얻는 방식이다. 이런 시스템의 경우 분사시스템과 연료저장시스템을 각각 2개씩 가져가야 해서 가격경쟁력 측면에서 불리할 수 있다. 또 소량이지만 디젤 연료가 첨가되고 미연(未燃)가스로 인해 탄소가 배출되기에 기술경쟁력 측면에서 불리하다.
현대두산인프라코어에서 개발하고 있는 수소연소엔진은 수소와 공기 혼합기에 점화원으로 스파크 플러그를 사용하므로 CMB.TECH사의 수소연소엔진과 비교해 가격이나 기술 경쟁에서 우위에 있다. 우리가 검토한 이중연료 기술은 수소연료뿐 아니라 CNG 또는 ‘수소+CNG’ 혼합연료를 사용하는 기술이다. 이 방향으로 개발을 진행할 예정이며, 수소 운송의 핵심이 되는 암모니아와 메탄올 연료 사용에 대한 검토도 병행해서 진행하고 있다.
개발 예정인 HX12 엔진은 기존 디젤엔진과 CNG엔진을 모델로 하고 있어 내구성 측면에서는 상용급 차량의 디젤엔진과 동등한 수준으로 볼 수 있다. 기반 엔진을 최소 수준에서 변경해 CNG엔진의 점화, 연소성능 시스템을 수소엔진화할 예정이다.
이번에 개발하는 300kW 출력, 11L급 수소엔진을 어떤 차량에 탑재해 성능시험을 진행하게 되나?
이번에 개발하는 수소엔진(HX12)은 타타대우상용차의 맥쎈 대형 카고트럭(6x4)과 현대두산인프라코어 건설기계사업본부의 34톤 크롤러 굴착기에 탑재될 예정이다. 또 최근 업무협약을 체결한 버스 제조사의 저상버스에도 탑재해 검증에 나설 예정이며 추가적으로 발전기, 선박, 철도 등으로 적용 범위를 넓혀갈 계획이다.
기본적으로 기존 디젤엔진의 엔진룸 자리에 수소연소엔진이 탑재되고, 기존 연료통 대신 수소저장탱크가 들어갈 예정이라 기존 차량의 장비 새시를 최소한으로 변경해 새로운 파워트레인을 적용하게 된다. 소품종 대량생산 플랫폼 사업을 주로 하는 승용차와 달리 다품종 소량생산의 특징을 가지고 있는 상용차(트럭・버스), 건설기계 제조사 입장에서는 수소연소엔진이 포트폴리오를 다양하게 가져가는 장점이 될 수 있다.
수소연료전지, 배터리와 비교했을 때 수소엔진의 장단점을 어떻게 보고 있나?
수소연소엔진은 수소연료전지, 배터리와 함께 차량 운행 과정에서 탄소배출이 없는 ‘제로 솔루션’을 제공하지만, 파워팩이 들어가는 애플리케이션의 크기와 용도에 맞게 적용되어야 저탄소를 실현할 수 있어 일반적인 비교를 통한 우위를 구분하는 것은 바람직하지 않다.
현대두산인프라코어 엔진사업본부의 고객군 차량과 장비 중에 고부하, 장시간・장거리 운행이 필요한 트럭・버스・발전・선박・건설기계로 한정해서 보면 이동거리와 충전시간, 에너지밀도 측면에서 배터리에 비해 유리하다.
배터리, 수소연료전지를 동시에 놓고 비교하면 수소연소엔진은 구성 부품이 기존 내연기관과 유사해 기존 플랫폼을 그대로 사용할 수 있고, 노후화된 장비나 차량의 리트로핏(Retrofit, 개조) 적용이 용이하며, 100만km 이상 혹은 8~10년 이상의 장시간 사용과 더불어 잘 닦인 도로가 아닌 험지 등 극한환경에서 사용이 가능하다는 이점이 있다.
가장 큰 장점으로는 초기 차량가격과 총 소유비용(TCO)을 들 수 있다. 배터리를 장착한 전기버스의 경우 정부보조금은 2억5천만 원 수준이며, 수소버스는 정부보조금 3억9천만 원에 제조사 판매 장려금으로 1억1천만 원을 더해야 기존 버스 가격 수준에 맞출 수 있다. 수소엔진차량도 초기에는 수소저장탱크가 추가되어 기존 내연기관 차량 대비 부품가가 증가하겠지만, 배터리나 연료전지가 장착된 차량과 비교해서는 낮을 것으로 예상된다.
고객 입장에서 100만km 운행거리의 트럭을 가정해 TCO를 분석한 독일 수소기술 전문기업인 케유(KEYOU)의 데이터를 보면, 디젤은 1km당 0.78유로, 배터리는 1.1유로, 수소연료전지는 1.4유로, 수소연소엔진은 0.82유로 수준으로 디젤과 비슷하거나 조금 높은 수준으로 알려진다. 비용 면에서 수소연소엔진은 높은 경쟁력을 보유하고 있다.
배터리 차량은 주행거리를 늘리기 위해 용량을 높여야 하지만, 이 경우 무게가 무거워지고 부피가 커져 탑재가 어려워지고 적재 공간이 줄어든다. 또 충전시간도 그만큼 오래 걸려 승용차나 소형트럭, 초소형 건설기계에 적합한 솔루션이다.
수소연료전지는 배터리에 비해 주행거리, 충전시간에 장점이 크지만, 99.97% 이상의 고순도 수소를 써야 한다. 그에 반해 수소연소엔은 97~98% 정도의 수소를 적용할 수 있다는 연구 결과가 있다. 이 또한 이번 엔진개발 과정에서 확인할 예정이며, 개질기 업체 등과 협업해서 수소생산 단가 측면에서도 검토를 진행할 계획이다. 저순도 수소를 쓸 수 있다는 건 수소 생산단가 측면에 이점이 있다. 수소연료비를 낮추고 수소 수요를 증대해 수소경제 활성화에 기여할 수 있다.
그러나 이런 장점만 있는 것은 아니다. 각각의 파워트레인 효율을 비교하면 대략적으로 배터리는 70%, 수소연료전지는 45%지만 수소연소엔진은 내연기관, 특히 가스엔진의 특성상 40% 수준으로 낮다. 기술개발로 극복해야 하는 과제(당사의 개발 목표는 43% 효율 달성이다)이지만, 앞으로 수소생산량이 늘어나고 수소생산 가격이 수소경제 로드맵의 목표 기준으로 크게 낮아진다면 큰 이슈는 안 될 것으로 본다.
수소엔진이 효율 면에서 연료전지와 경쟁이 가능한지, 그 차이가 어느 정도인지 궁금하다. 연비 측면에서 수소전기차와 경쟁할 만한 시점을 언제로 보나?
앞서 이야기한 바와 같이 수소연소엔진의 효율은 40% 수준으로 수소연료전지 효율 대비 5% 정도 열세다. 낮은 부하에서는 더 큰 차이가 나지만 수소전기차에서 발생되는 전기가 DC-DC 컨버터, 배터리팩, 인버터, 전기모터 등으로 전달되는 과정에서 발생되는 손실을 고려하면 효율은 동등하거나 5% 남짓 차이가 난다고 본다. 리카르도가 제시한 효율 비교 그래프를 보면, 고부하 운전이 빈번한 차량의 특정 운전점(運轉點)에서는 대등한 수준으로 평가된다. 다만, 낮은 부하의 운전영역도 상당 부분을 차지하는 만큼 수소연료전지와의 비교에서는 낮은 연비를 보인다고 할 수 있다.
수소전기트럭의 경우 수소 31kg으로 약 400km를 주행(연비 12.9km/kg)한다고 볼 때, 수소엔진트럭을 여기에 단순 비교하면 같은 양의 수소로 약 360km를 주행(연비 11.5km/kg)할 것으로 예상된다. 다만 정확한 수치 비교를 위해서는 실제 차량에 수소엔진을 탑재한 후 연비 평가가 진행되어야 한다. 개인적으로 수소전기차와의 연비 경쟁보다는 수소엔진을 적용한 애플리케이션 확대로 수소 수요를 늘려 수소생산 단가를 낮출 수 있다는 점에 초점을 두었으면 한다. 단순히 효율을 따지기보다 모빌리티 부문의 탈탄소화에 대한 기여도로 평가를 받았으면 한다.
일본의 도요타는 수소엔진을 탑재한 ‘코롤라 GR’ 차량으로 내구레이스에 꾸준히 참여하고 있다. 또 최근에는 이스즈, 덴소, 히노자동차와 함께 대형 상용차용 수소엔진 개발 계획과 기초연구를 시작했다고 밝혔다. 일본 업계의 이런 흐름을 어떻게 보는지 궁금하다.
레이싱카에 탑재된 성능 위주의 고도화 기술로 내구와 안정성을 테스트한 다음, 이 기술을 일반 고객을 위한 승용차량의 엔진이나 파워트레인에 적용하는 것이 일반적인 흐름이다. 앞서 말한 일본의 네 회사가 CJPT라는 합작사를 세워 탄소중립을 달성하기 위한 하나의 옵션으로 대형 상용차용 수소엔진 개발 계획과 기초연구를 시작한 점은 개인적으로 매우 부럽다.
기존 엔진을 최소한으로 변경해서 개발한다고는 하나, 신규 엔진개발인 만큼 초기개발에 들어가는 부품 개발비나 설비 투자 규모가 상당하다. 당사 또한 리스크를 줄이기 위한 여러 가지 방안을 검토 중에 있으며, 이번 과제 수주도 그 일환이라고 할 수 있다. 향후 이뤄질 대규모 설비 투자를 생각하면 아직도 갈 길이 멀다.
CJPT의 설립 취지 역시 수소엔진 개발의 리스크를 해소하기 위한 전략으로 볼 수 있다. 규모가 작고 협업 형태는 다르지만 이번 국책과제에 현대두산인프라코어, 타타대우, 테너지(일진하이솔루스) 등 기업과 한국기계연구원, 건설기계부품연구원 등 정부출연 연구기관, 중앙대 등으로 구성된 컨소시엄을 중심으로 원천기술 개발을 진행하고 있는 연구소, 학교 등과 협업 추진을 검토하고 있다. 또 수소경제 활성화 측면에서 현대중공업그룹 엔진기계사업부와의 기술 교류, 최고의 연료전지 기술을 보유한 현대차그룹과도 시너지를 내기 위한 노력을 지속할 예정이다.
일본의 경우 수소엔진 차량용 액체수소탱크를 함께 개발하고 있다. 주행거리 연장, 연료 충전의 효율 면에 이점이 커 보인다.
액체수소탱크를 적용하게 되면 압축된 기체수소 대비 주행거리 연장 측면에 이점이 크고, 기존 내연기관이 적용된 차량이나 장비 탑재 시 공간 활용에도 큰 도움이 된다. 액체수소탱크를 탑재해 기술적으로 수소엔진이 요하는 수소연료 분사 조건을 맞출 수 있다면 적용에 큰 문제가 되지 않는다. 다만 끓는점이 영하 253℃인 액체수소 생산의 효율을 고민해야 한다. 암모니아(끓는점 -33℃), LNG(-162℃)를 벙커링하는 과정에 에너지가 많이 들어 효율화가 필요하고 액체수소의 저장, 운송, 충전 시 BOG(Boil off Gas)에 대한 기술적인 해결방안 검토가 필요하다.
이러한 기술적인 부분은 해결방안을 찾아 적용할 수 있으나 국내는 자동차용 액화수소 내압용기에 대한 기준이 국제표준과 비교해 보완이 필요한 실정이다. 기술력이 있는 국내업체들이 개발에 나서는 데 최우선적으로 선결되어야 할 사안이다. 기술이나 규제 측면의 해법을 빨리 찾아낸다면 수소연료전지나 수소연소엔진이 적용될 수 있는 분야는 더욱 확대될 것이다.
이번에 개발하는 수소엔진을 적용한 차량 출시를 계획하고 있는지 궁금하다. 아니면 파워트레인 판매나 개조사업 쪽으로 사업 방향을 잡고 있나?
현대두산인프라코어 엔진사업본부는 버스, 트럭, 건설기계, 선박, 발전기에 들어가는 엔진을 공급하는 사업을 진행하므로 파워팩 판매가 주력이다. 현대두산인프라코어는 엔진사업본부의 수소연소엔진이 탑재된 수소굴착기를 판매할 수 있고, 대외적으로는 수소엔진 파워팩을 다양한 애플리케이션 제조사에 공급해 당사의 수소엔진이 탑재된 차량, 장비, 선박, 발전기가 시장에 유통될 수 있다. 본 과제의 대상 차량, 굴착기 외에도 버스 제조사와 탑재 논의가 진행 중이고, 발전기에 적용하는 안도 검토하고 있다. 개발된 수소연소엔진을 더 많은 애플리케이션에 판매해야 하기 때문에 앞으로 특수차량, 선박, 철도뿐 아니라 가능하면 UAM 등 항공 분야까지 적용되도록 힘쓸 생각이다.
끝으로 정부 정책에 대한 의견을 들어보고 싶다. 현재 수소법 기준으로 수소연료전지가 장착된 차량에만 충전이 가능하고, 정부가 지원하는 보조금도 수소전기차에만 국한돼 있다.
그렇다. 유럽은 이미 수소엔진이 장착된 차량과 장비에 대해서는 ‘제로 CO2’를 인정하고 이에 대한 규제완화, 혜택 등을 상당 부분 논의하고 있다. 내연기관 기반의 수소엔진이지만 아직 시장이 형성되지 않아 수소엔진의 핵심 부품 단가가 높고, 제조사 입장에서는 특히 수소저장탱크 장착에 대한 부담이 크다. 하지만 국내 수소경제 활성화를 위한 로드맵에는 포함이 안 되어 있고, 친환경차량이나 저(무)탄소차량 분류, 배기 규제 관점의 기준에도 수소엔진 차량에 대한 언급이 없다.
이제 막 수소엔진 개발에 나선 시점이긴 하나 빠른 시일 안에 정부와 제조사, 협회, 기관 등이 모여서 논의를 진행했으면 한다. 또 국내 수소규제자유특구 내 테크노파크나 지자체가 수소엔진에 많은 관심을 두고 협업할 수 있는 기회의 장이 열렸으면 하는 바람이 있다. 국내 첫 번째 상용화 수소엔진 개발인 만큼 성공적인 결과를 도출할 수 있도록 최선을 다하겠다.