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Nikkei X-TECH_2023.11.17

수소엔진은 자동차에만 존재하는 것이 아니다
구보타가 발전기용으로 개발하는 이유

가동 시 이산화탄소를 배출하지 않는 수소엔진은 동력원 탈탄소화를 위한 선택지 중 하나로 꼽힌다. 수소엔진에 주목하고 있는 것은 비단 자동차 대기업만이 아니다. 농기계 대기업인 구보타와 같은 비자동차 업체들도 연구개발에 도전하고 있다.

최근 기존 엔진 기술의 연장선상에 있는 수소엔진에 대한 기대가 높아지고 있다. 기존의 자산과 기술을 활용할 수 있기 때문이다. 한편, 수소엔진 기술 자체는 아직 개발이 진행되고 있다. 또한, 연료로서의 수소는 경유나 가솔린과 비교하면 체적당 에너지 밀도가 작고, 현시점에서 충분한 공급 인프라가 정비되어 있지 않다고 하는 해결 과제를 안고 있다.

그렇다면 왜 농기계 및 건설기계 제조업체인 구보타가 수소엔진 개발에 도전하는 것일까?

-- 수소엔진을 발전기에 탑재 --
기존 엔진의 저연비화, 하이브리드화 등과 병행해 구보타는 수소엔진을 탈탄소화 달성를 위한 선택지 중 하나로 규정하고 있다. “수소는 공급 인프라와 가격에 과제도 있지만, 수소엔진에 큰 잠재력이 있는 것은 확실하다.

그렇기 때문에 전망이 불투명한 가운데서도 개발이 추진되고 있다. 우선은 현행 법의 규제나 고객의 요망에 대응하면서, 소량이라도 양산할 수 있는 상황으로 만들고 싶다”. 구보타의 다네다(種田) 이그제큐티브 오피서 엔진 사업부장은 이렇게 말한다.

구보타가 개발하고 있는 산업용 수소엔진은 공사장이나 행사장 등에서 사용되는 가반형 발전기로의 탑재를 목표로 개발되고 있다. 이것은 구보타가 생산하는 산업용 엔진을 베이스로 수소용으로 개량한 배기량 3.8L, 직렬 4기통 과급기 장착 엔진으로, 질소산화물(NOx)을 저감하는 EGR(배기가스 재순환) 시스템을 갖추고 있다.

구보타는 가반형 발전기를 제공하는 덴요와 협업해 수소엔진을 탑재한 발전기 시제품을 개발. 2025년에 시제품을 완성하는 것이 목표이다. 베이스가 되는 가반형 발전기는 시장에서 인기 있는 출력 45kVA의 모델. 탑재되는 수소엔진은 발전기용이기 때문에 회전 수는 1,500rpm 또는 1,800rpm의 정점 운전을 상정하고 있다.

구보타의 사카이제조소(堺製造所) 내부에 있는 개발 거점에는 수소용 배관이나 방폭 사양 등이 실시되어온 시험실에 전용 운전 벤치가 설치되어 있다. 연료인 수소는 부지 내 저장소에서 약 1MPa의 압력으로 운반되어 레귤레이터를 통해 엔진에 투입된다. 인젝터와 이그니션 코일, 점화 플러그, 제어용 ECU(전자제어유닛)와 같은 부품은 수소용 전용 제품을 사용한다.

시험 운전이 개시된 것은 올 4월경. 현재는 엔진 단독 동작 시험이 계속 시행되고 있으며, 향후 발전기와 결합될 예정이라고 한다. 실용화를 위해 해결해야 할 과제는 몇 가지 있다. 예를 들면, “백파이어라고 불리는 현상 방지, 블로바이가스(Blow-by Gas)에 포함되는 미연수소를 최소화할 연구가 필요하다”(구보타).

수소엔진의 성능을 기존 디젤엔진과 동등한 수준까지 향상시키는 것은 쉬운 일이 아니다. “우선은 마력을 동등한 레벨로 끌어올리는 것이 목표이다”(다네다 부장). 가능한 한 기존 디젤 엔진과의 차이를 줄여 제품의 동력원으로써의 편리성을 유지하면서, 수소엔진의 가능성을 모색해나갈 방침이라고 한다.

-- 농기계가 아니라 발전기인 이유 --
구보타는 자사의 메인인 농기계나 건설기계가 아닌 발전기용 동력원으로 수소엔진을 개발하는 이유는 무엇일까? 그 계기는 발전기 제조 업체인 덴요의 제안이었다. “수소엔진 연구에 대해 고객사와 대화하는 가운데, 덴요가 관심을 나타낸 것은 개인적으로도 의외였다”(다네다 부장)

검토를 거듭한 결과, “기술적 허들이 낮은 측면도 있다는 것을 알게 되었다”(다네다 부장). 농기계나 건설기계로의 탑재보다도 실용화가 용이할 수 있다는 느낌이 있었다고 한다.

전술한 바와 같이 실용화를 위해 해결해야 할 과제 중 하나가 연료인 수소의 체적 에너지 밀도가 작다는 점이다. 자율주행하는 농기계나 건설기계에 수소엔진을 탑재하려면 압축 수소를 저장할 수 있는 고성능 대형 연료탱크가 필요하다. 탱크에 수소를 보급하기 위한 수소충전소 등 사회적 공급 인프라도 필수이다.

이러한 점에서 설치 장소를 자주 바꾸지 않는 발전기의 경우, 전용 수소탱크가 필요 없어 현재의 공급 인프라를 활용할 수 있다. 예를 들면, 공장의 가스 공급시 일반적으로 사용되는 커들을 발전기의 설치 장소로 운반, 사용이 끝나면 교환하는 운용이다.

“고압가스의 안전 법규를 충족시키는 등의 과제는 있지만 전혀 성립되지 않는 이야기도 아니다”(다네다 부장).

실제로 사카이제조소에서 수소엔진 개발에 사용하는 수소도 커들에 수납된 수소통을 통해 공급하는 구조이다. 이번 수소엔진 개발을 위해 신설했다는 전용 저장소에는 총 용적 약 840m³의 수소가 보관되어 있다. 이것은 “배기량 3.8L의 수소엔진을 약 반나절간 풀가동할 수 있는 양에 해당한다”(구보타 담당자)

-- 배기량 3.8L는 경계선 --
수소를 연료로 한 발전방법은 엔진과 발전기의 조합에 국한되지 않는다. 일반적으로 내연기관보다 연료전지(FC)가 에너지 변환 효율이 높은 것으로 알려져 있다.

다네다 부장도 소형 엔진을 사용한 발전기의 경우, 연료전지가 효율성 면에서 우위에 있다고 인정하고 있다. 그러나, “대형 엔진의 경우, 효율 측면에서 수소엔진이 연료전지를 앞선다고 알려져 있다”(다네다 부장). 구보타가 개발하는 수소엔진의 배기량 3.8L라는 크기는 그 효율의 우열이 역전되는 ‘경계선’이라고 한다.

또한 연료 선택지에 유연성이 있다는 것도 수소엔진의 장점이다. 예를 들어, 수소엔진은 연료전지용 만큼 높은 순도의 수소를 필요로 하지 않고, 생성 비용이 저렴한 수소를 연료로 쓸 수 있다. 수소와 천연가스의 혼소(混燒)라는 선택지도 있다.

“적당히 섞어 연소시킨다는 그런 단순한 이야기는 아니지만, 비율을 정해 조정하면 가능하다. 수소 비용이 저렴해질 때까지의 전환 기술이라는 측면도 수소엔진에는 있다”(다네다 부장).

동력원의 탈탄소화를 향해 다양한 선택지가 부상하고 있는 가운데, 구보타가 염두에 두는 것은 어디까지나 움직이는 기계 제품을 만드는 것에 있다고 한다. “물론 동력원 자체의 효율과 비용을 따지는 것은 중요한 개발 요소이다. 하지만 동력원을 바꾸면 기계의 부대설비는 크게 달라진다. 엔진을 채택해 온 고객에게는 부담이 큰 개발 투자가 된다”(다네다 부장).

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