Nikkei Automotive_2022.10 특집 요약 (p38-49)

도요타, 수소 엔진차의 시판화
EV만으로는 탄소중립을 실현할 수 없다

전기자동차(EV)만으로는 탄소중립(카본 뉴트럴)을 실현할 수 없다. 전동 파워트레인에 대한 분위기 변화를 느끼고, 도요타자동차가 시판화를 선언한 것이 수소 엔진차다. 고군분투로도 보이지만 사실 수소 엔진에 본격적으로 나서는 건 도요타자동차 만은 아니다. EV 일변도였던 유럽도 연구 개발을 서두르고 있고, ‘본심’이 드러나기 시작했다.

Part 1. EV 일변도에서 수소 엔진으로
도요타가 앞서고, 유럽도 변심

2022년 6월, 도요타자동차가 수소 엔진을 시판화한다는 뜻을 밝혔다. 전기자동차(EV)에 기울어 있던 유럽에서는 ‘본심’이 새어 나오고 있다. 내연기관을 탑재한 신차의 판매 금지를 검토해 왔지만 내연기관차의 존속 가능성이 나오기 시작했다. 탄소중립의 실현을 위해 수소 엔진차가 달리기 시작한다.

도요타자동차는 22년 6월, 수소 엔진차의 시판화 의욕을 드러냈다. 투입 시기는 미정이라고 하면서도 “후지산 등산에 비유하면 4부 능선 정도에는 와 있다”(도요타자동차 집행임원 사토(佐藤) 씨).

후지산 정상, 즉 수소 엔진차의 시판화를 향해 ‘등산’을 추진하는 도요타자동차. 개발 로드맵의 4부 능선은 ‘배기 개발’이다. 배기가스를 깨끗하게 하기 위한 연소 조건의 최적화나 후처리 장치의 개발 등을 진행하고 있는 단계라고 한다. 이어지는 5부 능선은 '기능 신뢰성/대책'으로, 움직임의 안정화나 내구성 개선 등에 주력한다.

그리고 더욱 험난해지는 여정은 6부 능선인 ‘탱크의 소형화’와 7부 능선인 ‘실증 평가’이다. 도요타자동차는 이 7부 능선까지, 2023년 무렵에 나아갈 계획이다.

닛산자동차나 혼다는 수소 엔진과 거리를 두기 때문에 도요타자동차가 부각돼 보인다. 하지만 세계로 눈을 돌리면 모습은 달라진다. 전기자동차(EV)에 경도되었던 유럽에서 수소 엔진차에 대한 관심이 높아졌다. 부품업체들도 내연기관 기술의 새로운 출구로 수소 엔진 개발을 가속화하고 있다.

-- 유럽의 엔진차 금지 법안 약화 --
도요타나 유럽이 기대를 거는 큰 이유는, 수소 엔진이 탄소중립을 실현하는 선택지의 하나가 될 수 있기 때문이다. 원리적으로 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않고 기존의 엔진 부품과 생산 설비 등을 활용할 수 있다.

또한 마찬가지로 수소를 사용하는 연료전지차(FCV)에 비해 비용을 줄이기 쉽다. 미국 BorgWarner는 “가솔린 엔진차의 비용과 비교하면 FCV는 시스템을 쇄신할 필요가 있기 때문에 몇 배로 올라간다. 그러나 수소 엔진차라면 1.2~1.3배면 된다”라고 추산했다.

대형 상용차와도 궁합이 잘 맞는다. 한 일본 업체의 엔진 기술자는 “주류인 과급 직분사 디젤 엔진은 연료 분사계만 변경하면 수소 엔진에 대응할 수 있다”라고 말한다. 이런 점에 착안한 도요타는 이스즈자동차, 덴소 등과 손잡고 대형 상용차용 수소 엔진의 기획/기초 연구를 시작했다고 22년 7월에 발표했다.

유럽에서는 ‘EV만으로는 자동차 산업의 탄소중립은 달성할 수 없다’는 ‘본심’이 새어 나오기 시작했다. 예를 들면, 22년 4월에 오스트리아에서 열린 파워트레인 국제회의 '제43회 Vienna Motor Symposium' 기조강연에서 독일 Bosch의 슈테판 하르퉁 CEO는 “탄소중립을 실현하기 위해서는 EV뿐 아니라 다양한 어프로치가 필수적이다”라고 발언했다.

즉, 내연기관의 종언은 오지 않았고, 파워트레인의 하나로서 중요한 역할을 계속 담당해야 한다는 분위기가 조성되었다. 탄소중립 기술의 동향에 밝은 SOKEN의 후루노(古野) 이그제큐티브 펠로우는 “이 변화는 크다”라고 지적한다.

21년 7월에 유럽위원회(EC)에서 나온 법안 'Fit for 55 Package' 중 '승용차 및 소형 상용차 CO₂ 배출 기준 개정안'에도 약화된 자세를 볼 수 있다. 실질적으로 35년에 내연기관차 신차 판매를 금지하는 것으로, 22년 6월 유럽 각료이사회가 지지했다.

이 자체는 상정할 수 있었지만 변화가 있었던 것은 여기부터다. 탄소중립 연료기술과 플러그인하이브리드차(PHEV) 기술 진척을 고려해, 26년에 재검토를 실시하겠다는 것이다. 내연기관 존속의 가능성이 나왔다. EV 일변도였던 전동화 분위기가 변하기 시작했다. 실용화를 위한 과제는 많지만 수소 엔진에 주력하는 가치는 충분히 있을 것으로 보인다.

Part 2. 도요타의 수소 엔진차
이상 연소 억제, 시판에 일보 접근

레이스를 '실험장'으로 규정하고 수소 엔진차를 지속적으로 개량해 온 도요타자동차. ‘플레이그’라고 불리는 이상 연소에 대응하며 반응을 파악해 가고 있는 것으로 보인다. 엔진 기술에 정통한 SOKEN 후루노 이그제큐티브 펠로우가 도요타자동차의 수소 엔진차의 진화에 대해 설명해 주었다.

Part 3. 부품업체도 뜨거운 시선
내연기관 기술의 새로운 출구로

도요타자동차가 시판화 의향을 밝힌 수소 엔진차. 전기자동차(EV) 일변도였던 전동화에 대한 상황이 변화하고 있는 가운데, 내연기관에 축을 두었던 부품업체들이 개발을 가속화하고 있다. 유럽과 일본의 거점에서 움직이기 시작한 수소 엔진 개발 현장에 다가가 보았다.

“일본에서도 대응하기 시작한 참이다”. BorgWarner Morse Systems Japan의 미시마(三島) 사장은 이렇게 말한다. 일본의 수소 관련 고객에 대해, 미국 BorgWarner의 시스템이나 부품 노하우로 서포트하고 있다고 한다.

BorgWarner FIS Japan의 컨트리 매니저 겸 수석 엔지니어인 Hans Hardam 씨는 “수소뿐만 아니라 합성연료(e-Fuel)나 암모니아를 사용하는 엔진 등, 내연기관의 혁신과 관련한 폭넓은 테마를 개발하고 있다”라고 말한다.

다양한 차세대 엔진 후보가 있는 가운데 수소 엔진의 매력은 무엇일까? 내연기관 부품을 주력 사업으로 삼아온 BorgWarner로서는 인젝터나 터보차저와 같은 기존 제품을 활용할 수 있는 점이 크다.

이러한 특징에 착안해 BorgWarner는 2개의 거점에서 수소 엔진의 개발/검증을 시작했다.

21년 7월 15일. 프랑스 중앙부의 도시 블루아 거점에서, BorgWarner가 직접 설계한 수소 엔진에 불이 켜졌다. 배기량 1.5L 가솔린 엔진 베이스에, 자사의 인젝터를 넣었다. 이 인젝터는 압축천연가스(CNG) 차량용 제품을 개량한 것이다. 영국 거점에서는 배기량 2.2L 디젤 엔진이 베이스인 수소 엔진을 평가 중이다.

프랑스나 영국의 거점에서 실시한 실험을 통해 “인젝터의 설치 위치나 연료 계통의 압력 등, 연료 분사 시스템을 올바르게 구축하는 것이 수소 엔진에서는 특히 중요하다는 것을 알았다. 배기가스의 경우는 대부분의 운전 조건하에서 규제치를 크게 밑돈다는 사실도 확인했다”(Hans Hardam 씨).

수소 엔진의 경우, 고부하 운전 시 연소 반응 과정에서 질소산화물(NOx)이 많이 배출되는 것이 과제였다. Hans Hardam 씨는 “공기과잉률(λ)=2 이상의 희박(lean) 연소라면 NOx는 거의 나오지 않는다. λ=1.5를 밑돌면 NOx가 배출되게 된다”라고 설명한다.

이러한 지식을 바탕으로 BorgWarner는 6종류의 수소 인젝터를 개발했다. 직분사와 포트 분사 각각에서, 수소 분사량이 다른 3가지씩을 준비한다. 앞서 기술한 바와 같이 베이스로 한 것은 CNG 차량용 인젝터이다.

-- 니가타에서 수소 엔진 평가 --
22년 5월. 일본에서도 수소 엔진의 실제기기 평가가 시작됐다. 움직인 것은 엔진 부품의 피스톤 링을 주력 제품으로 하는 RIKEN이다.

RIKEN의 CEO이자 최고운영책임자(COO)인 마에카와(前川) 씨는 21년 실시한 인터뷰에서 "(기존) 엔진차 시장은 30년 전후로 피크아웃할 것이다"라고 전망했다. 그러면서 새로운 수익원 구축을 서두르고 있다고 밝혔다.

RIKEN은 그 대응의 일환으로 수소 엔진 관련 개발에 착수했다. RIKEN은 21년 10월에 '수소/신에너지 사업준비실'을 신설해 수소 엔진용 부품 개발과 수소 엔진을 평가하는 해석 설비 도입을 시작했다. 22년 4월에 수소/신에너지 사업추진실로 개칭. 그리고 같은 해 5월에 니가타현 가시와자키사업소에서 수소 엔진의 실기 평가를 시작했다.

“이미 국내외의 여러 업체의 프로젝트에서 시제품에 대한 문의를 받고 있는 상황이다”(RIKEN). 수소 엔진은 내연기관 업계를 구할 수 있을까? 부품 업체의 대응이 열기를 띠기 시작했다.

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