일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.7.3

탄소중립 엔진의 새로운 연료 ‘e-fuel’
도요타∙닛산∙혼다, 본격적인 연구개발 추진

도요타자동차와 닛산자동차, 혼다는 각각 이산화탄소와 수소의 합성 액체연료 ‘e-fuel (이퓨얼)’의 연구개발을 본격적으로 추진한다. 에너지 생성 단계를 포함한 하이브리드카(HEV)의 CO₂ 배출량을 전기자동차(EV)보다 낮은 수준으로 하는 것을 목표로 한다. 이는 한층 더 엄격해지는 2030년의 환경 규제에 대비하기 위함이다.

e-fuel은 물을 전기 분해한 H₂와 CO₂를 촉매 반응을 통해 합성한 액체의 탄화수소 사슬(연료)이다. 재생 가능 에너지를 이용해 생성함으로써 CO₂ 배출과 흡수를 동일하게 하는 ‘탄소중립(Carbon Neutral)’을 실현한다.

e-fuel은 가솔린 연료 및 디젤 연료에 혼합해 사용이 가능하다. e-fuel로 HEV를 포함한 엔진 탑재 차량의 주행 중 CO₂ 배출량을 감소시켜 탄소중립을 추구한다. 도요타 등 일본계 기업 3사가 e-fuel의 효율적인 합성법과 사용법, 사업모델 등의 연구를 각각 추진하기 시작한 사실이 닛케이 X-Tech의 취재에서 밝혀졌다. 3사 모두 HEV를 2030년 파워트레인의 축으로 삼고 있다.

탄소중립을 실현할 수 있는 액체 연료에는 옥수수나 해조류 등으로 만들어지는 바이오 연료가 있다. 태양에너지를 이용한다고는 하지만, 생성에 시간이 걸린다는 단점이 있다. 반면 e-fuel은 공업적으로 생성 가능하기 때문에 제조 시간이 짧아 대량 생산에 적합하다고 알려져 있다. 식량을 사용하지 않는다는 이점도 있다.

e-fuel의 연구개발에서 앞서고 있는 곳이 독일의 아우디. 2017년에 e-fuel 연구 시설을 독일에 설립했다고 발표. 점차 엄격해지는 유럽의 환경 규제에 신속하게 대비하고 있다. 가격 및 항속거리 등 과제를 가지고 있는 EV만으로 규제에 임하는 것은 리스크가 높다고 생각하는 것으로 보인다.

유럽이 2030년에 도입하는 CO₂ 배출 규제는 2021년 대비 37.5% 줄인다는 매우 엄격한 것이다. 또한 2025년 이후에는 Well-to-Wheel(1차 에너지에서 바퀴를 돌리기까지)로 CO₂ 배출량을 규제한다는 논의가 현재 추진되고 있다.

차량이 주행되는 동안만을 평가하는 현행 규제에서는 CO₂ 배출량이 제로인 EV에 발전(發電) 시의 CO₂가 추가되어 계산된다. 이 경우, 지역의 전원(電源) 구성에 따라서는 CO₂ 배출량이 HEV와 큰 차이가 없어 EV에만 의존해 규제를 클리어하는 방법을 채택하기 어려워진다. 이 때문에 HEV 등 엔진이 탑재된 차량의 배출량을 줄일 수 있는 e-fuel이 주목을 받게 된 것이다.

-- 과제는 10배 비싼 가격, 수면 아래에서 추진되는 합성법 개선 연구 --
대형 부품제조사인 독일의 MAHLE(말레)에서 연구부문을 총괄하고 있는 Scharrer 씨는 “(2030년 규제 달성을 위한) e-fuel의 도입은 결정적인 한 걸음이 될 것이다”라고 강조한다. 가솔린 연료에 최대 20% 정도 혼합하는 것이 효율적이라고 분석. 또한 MAHLE가 제공하는 기존의 엔진부품으로도 문제 없이 동작하는 것을 확인했다고 한다.

도요타 등 3사가 e-fuel 연구를 추진하는 것은 규제 대응과 더불어 그 보급 규모가 EV와 HEV의 판매 비율에 큰 영향을 미친다고 보기 때문이다. e-fuel이 보급된다면 HEV의 비율이 높아질 가능성이 크다. 막대한 투자가 필요한 파워트레인 개발의 방향성을 좌우할 수 있는 것이다. 3사는 연구를 신속하게 추진해 e-fuel의 가치를 찾아낸다는 전략이다.

e-fuel 개발은 아직 연구 중이며 대량 생산까지는 앞으로 10년은 걸릴 것이라는 전망도 있다. 지금부터 착수해 2030년의 규제에 맞출 수 있을지는 아무도 장담하지 못하는 상황이다.

물론 유럽 기업들에게 e-fuel 관련 특허를 모두 선점 당하는 것을 방지하기 위한 전략이기도 할 것이다. e-fuel은 생성 과정에서 수소를 이용하기 때문에 수소 사회를 표방하는 일본의 에너지 전략과 상성이 좋다. 기체로 운반이 어려운 수소를 액체 e-fuel로 전환하는 것은 수소 에너지 가능성을 높이는 기술이라고 할 수 있기 때문이다. 유럽 기업들이 기술을 장악하게 되면 일본의 수소 사회 실현에 지장이 발생할 수 있다.

하지만 도요타 등 3사는 e-fuel 연구에 착수하지만, 제조∙판매까지 추진할 계획은 없는 것으로 보인다. 예를 들어 혼다는 “(방대한 투자가 필요한) e-fuel 제조는 연료회사가 담당하는 것이 좋다고 생각한다”(혼다 파워유닛 개발총괄부의 기무라(木村) 엔지니어)라고 밝히고 있는 등, 자동차 제조사는 연료회사의 후방 지원 역할을 맡게 될 것이라는 자세를 분명히 하고 있다.

유럽 기업들도 같은 방침인 것으로 보인다. 유럽의 석유업계단체 ‘Fuels Europe’은 올 6월 15일, 카본 뉴트럴의 액체 연료 연구 추진을 발표. 유럽 자동차 제조사가 지원하고 석유회사가 실제 제조를 담당하는 구조를 엿볼 수 있었다.

e-fuel의 과제는 가격이 비싸다는 것. 1톤 당 500엔 전후라고 전망되고 있다. 일본에서는 세금을 뺀 가솔린 연료의 가격 50~60엔의 10배에 가깝다. 이와 같은 가격 경쟁력으로는 e-fuel의 보급은 기대하기 어렵다.

가격이 비싼 것은 탄화수소 사슬을 합성하는 Fischer-Tropsch(FT) 반응에서 고온∙고압으로 해야 하기 때문에 대량의 에너지를 소비하기 때문이다. 또한 투입한 H₂와 CO₂에 대해 FT 반응으로 생성 가능한 탄화수소 사슬의 양은 60~70%로, 수율이 낮다는 점도 비싼 가격의 원인이다.

이러한 점들을 해결하기 위해 세계적으로 FT법 개선 연구가 수면 아래에서 추진되고 있다. 예를 들어 도요타는 철(fe)과 코발트(Co) 등이 사용되는 촉매 개선 등을 통해 온도와 압력을 낮추면서 수율을 높일 수 있는 합성법을 모색하고 있는 것으로 보인다. 과제의 해결 방법이 나오게 된다면 저렴한 친환경 자동차 파워트레인이 엔진이 될 수 있을 것이다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved