[자동차 기술] 내연기관 친환경 연료 e퓨얼에 대하여

 e퓨얼이라는 새로운 유형의 연료에 대한 기사. 전기를 통해 물을 전기분해하여 수소를 만들고 여기에 이산화탄소나 질소를 결합하여 다양한 형태의 연료를 만든다는 개념인데, 성능적으로는 기존 화석연료와 크게 차이가 없다고 한다. 

 

 다만 기존의 경우에는 원유시추 > 정제 > 연료주입 의 3단계만 거치면 되었는데 e퓨얼은 친환경 전기생산 > 물 전기분해 > 이산화탄소/질소 합성 > 연료주입 총 4단계가 되어 한단계 추가되었다. 이게 약점이지 않겠나라는 생각. 그리고 단가가 비싸다는것은 아직 많은사람들이 사용할 정도의 대세가 아니라는 뜻인데 어떻게 대세로 돌려올지가 관건. 지금은 전기차가 대세이고 수소연료차는 약간 아웃사이더, 내연기관은 개밥에 도토리 신세다. 

 

 e퓨얼은 전기차의 심각한 결함이 생길때 대안으로 계속 떠오르지 않겠냐는 생각이다. 아직 기술적으로나 가격적으로나 연구가 더 필요한 분야라 생각. 우선은 이런기술이 있다 정도로만 알고 넘어가면 좋겠다. 

[Mint] 내연기관 자동차를 왜 죽여? 기름만 ‘e퓨얼’로 바꾸면 되지

[Cover Story] 친환경차 대신 ‘친환경 합성연료’ 내연기관의 구원투수로 급부상

안상현 기자 입력 2021.06.25 03:00 | 수정 2021.06.25 03:00

 

“자동차 엔진이 문제가 아닙니다. 여기 쓰이는 화석연료가 문제죠.”

 

 독일 국무장관을 지낸 힐데가드 뮐러 VDA(독일자동차산업협회) 회장이 지난 3월 한 독일 언론에 한 말이다. 연료만 친환경으로 바꾸면 내연기관 자동차를 친환경 자동차로 바꿀 수 있다는 얘기다. 과연 이게 가능할까. 그는 ‘이퓨얼(e-fuel)’이라는 신종 연료를 대안으로 내세웠다. 원유 한 방울 안 섞였지만, 촉감이나 질감이 일반 휘발유나 경유와 거의 똑같은, 무색 무취에 가까운 액체다. 그는 “당장 2030년까지 독일 도로에 있는 모든 승용차와 트럭을 (전기차로) 교체하는 건 현실적으로 어렵다”며 “재생에너지를 이용해 만든 합성 연료(이퓨얼)가 필요하다”고 했다.

 

그래픽=김의균, 사진=게티이미지뱅크

 

 온실가스 배출을 줄이기 위한 전 세계적 대응이 본격화하면서, 인공 합성 연료 ‘이퓨얼’이 주목받고 있다. 이퓨얼은 전기 기반 연료(Electricity-based fuel)의 약자다. 물을 전기 분해해 얻은 수소를 이산화탄소나 질소 등과 결합해 만든다. 이산화탄소와 질소는 대기 중에서 포집해 쓰고, 태양광이나 풍·수력 같은 친환경 에너지를 이용해 제조하므로 온실가스 저감 효과가 크다. 그러면서도 석유와 화학적 구성(탄화수소)이 동일해 가솔린·디젤은 물론, 제트 엔진에도 개조 없이 쓸 수 있어 편리하다. 물론 여전히 제조비가 높아 경제성이 떨어지고, 이산화탄소가 배출을 ‘0′으로 만들지는 못한다는 단점도 있다. 하지만 전기·수소차가 보편화하기까지 기존 내연기관차의 탄소 배출량을 줄여주고, 이를 통해 현재 자동차 업계의 ‘친환경 전환'에 필요한 시간을 벌어 줄 수 있다는 일석이조 효과가 있다.

 

지난 1월 네덜란드 암스테르담 스히폴 국제공항에서 스페인 마드리드행(行) KLM 여객기가 친환경 합성 연료인 이퓨얼(e-항공등유)을 급유받고 있다. 이퓨얼이 상업용 여객기에 쓰인 첫 사례다. KLM

◇자동차·에너지 기업 투자 줄이어

 이퓨얼은 이미 다양한 실전 테스트로 가능성을 인정받고 있다. 유럽 항공사 KLM이 지난 1월 네덜란드 암스테르담에서 스페인 마드리드로 가는 여객기에 세계 최초로 합성 연료를 적용해 쓴 것이 일례다. 다국적 에너지 기업 셸에서 만든 ‘e-항공 등유’ 500L를 일반 연료에 혼합해 썼다. 기술적 우려에도 이륙에서 착륙까지 아무 문제 없이 비행에 성공, 이퓨얼의 안정성 문제를 불식했다.

 

 이퓨얼을 만드는 기술은 그리 복잡하지 않다. 1925년 독일에서 개발된 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공법을 이용한다. 설비 투자만 이뤄지면 어렵지 않게 이퓨얼을 만들 수 있다. 벌써 독일과 일본의 완성차 업체들을 선두로 세계적 대기업들이 적극적으로 이퓨얼 생산 시설에 투자하고 있다. 독일의 스포츠카 제조사 포르셰가 작년 12월 2400만달러(약 272억원)를 들여 칠레에 이퓨얼 공장을 세우고 있다. 포르셰는 2022년부터 풍력발전을 이용한 이퓨얼(e-메탄올) 생산에 착수할 예정이다. 2024년에는 5500만L를, 2026년에는 그 10배를 생산하는 게 목표다. 독일 아우디는 이보다 앞선 2017년 e-가솔린과 e-디젤 등 이퓨얼 연구 시설을 설립하고 현재 연료 생산 및 엔진 실험을 하고 있다. 일본에선 도요타·닛산·혼다 등 대표 자동차 기업 3사(社)가 지난해부터 본격적인 이퓨얼 등 합성 연료 연구에 나섰다.

 

 거대 정유사들 역시 거액을 베팅 중이다. 미국 에너지 기업 엑손모빌은 포르셰와 함께 올해부터 이퓨얼 테스트에 나섰고, 오는 2025년까지 탄소 포집 및 저장 기술에 30억달러(약 3조4000억원)를 투자키로 했다. 스페인 최대 에너지 기업 렙솔도 6000만유로(약 811억원)를 들여 북부 항구도시 빌바오에 이퓨얼 공장을 짓고 있고, 네덜란드 헤이그에 본사를 둔 셸은 작년 5월 네덜란드 정부와 손잡고 항공기용 이퓨얼 생산을 시작했다.

 

/그래픽=김성규

◇“하이브리드에 쓰면 전기차보다 친환경적”

 이퓨얼이 친환경인 이유는 크게 두 가지다. 우선 대기 중 이산화탄소 농도를 직접적으로 낮춰준다. 대기 중 이산화탄소를 흡수해 원료로 쓰는 DAC(Direct Air Capture·공기 직접 포집 방식) 기술을 많이 이용하기 때문이다. DAC 장치 한 대가 연간 흡수하는 이산화탄소량은 10만t으로, 나무 4000만 그루가 1년 동안 흡수하는 이산화탄소량과 맞먹는 것으로 알려졌다. 마이크로소프트 창업자 빌 게이츠는 이 기술을 가진 캐나다 환경 기업 카본엔지니어링에 투자하며 “세상을 뒤흔들 혁신 기술”로 평가하기도 했다.

 

 이퓨얼은 특히 유럽에서 도입을 검토 중인 LCA(Life Cycle Assessment·전 생애 주기 평가) 관점에서 탄소 배출량 절감 효과가 크다. LCA는 탄소 배출량 규제에서 주행뿐 아니라 부품 및 연료 생산 단계와 조립·폐차·재활용 단계 등 모든 과정을 고려하는 평가 방식이다. 전기차는 배터리 같은 주요 부품 생산·폐기 과정에서 상당한 이산화탄소를 배출한다. 이 때문에 LCA 평가에선 친환경성이 떨어진다. 도요타 자동차의 연구에 따르면 엔진 열효율이 50%에 도달한 차세대 하이브리드 차량에 이퓨얼 20%를 혼합한 연료를 사용하면 탄소 총배출량은 순수 전기차보다도 낮았다. 하이브리드차에 이퓨얼을 쓰는 것이 전기차보다 더 친환경적이란 얘기다.

 

 

 독일 연방정부가 2016년부터 에너지 기업들과 함께 추진해 온 ‘코페르니쿠스 프로젝트’를 통해 만든 이퓨얼(e-fuel). 물을 전기분해해 얻은 수소에 이산화탄소를 합성해 만들었다. 석유로 만든 기존 연료와 달리 유황 등 색을 띠는 성분이 없어 훨씬 투명하다. DPA

 

 기존 자동차 산업이 배터리와 모터 등 전혀 다른 설계와 부품을 가진 전기차 중심으로 전환하는 데 막대한 시간과 비용이 소요되는 것을 고려하면, 이퓨얼(e-fuel)은 탄소 배출량을 더 빠르게 줄일 수 있는 효과적 대안이라는 말도 나온다. 미국 투자은행 골드만삭스는 전 세계 자동차 산업이 전기차로 완전히 전환하는 데 드는 기반 시설(인프라) 투자 비용만 6조달러(약 6795조원)에 이를 것으로 추산했다. 이는 2021년 대한민국 예산(555조원)의 12배 이상이다.

◇내연기관 산업 생명력 늘려줘

 이퓨얼은 연료(에너지원)의 에너지 밀도가 높다는 장점도 있다. 한국화학연구원에 따르면 이퓨얼의 에너지 밀도는 휘발유(34.2MJ/L)나 경유(38.6MJ/L)와 비슷하다. 이는 전기차에 주로 쓰이는 리튬이온 배터리 에너지 밀도(0.9~2.63MJ/L)의 10배 이상이다. 전기원 한국화학연구원 차세대탄소자원화연구단장은 “대형 선박과 항공기는 장거리 주행을 하는 만큼 에너지 밀도가 높아야 한다”며 “가벼우면서 에너지 밀도가 높은 합성 연료가 적합하다”고 했다.

 

 이퓨얼은 내연기관 산업의 생명 연장을 통해 전기·수소차 생태계로 전환하기 위한 비용 조달을 할 시간을 벌 수 있다는 점에서도 매력적이다. 탄소 저감 정책을 펼쳐야 하는 국가와 산업계 입장에서 특히 그렇다. 이퓨얼에 대한 투자가 급격히 확대되는 또 다른 이유다. 이 때문에 독일과 일본 등 자동차 산업이 발달한 국가에서 정부가 정책적으로 친환경 합성 연료 생산을 장려하고 있다.

 

 독일은 이미 2019년에 이퓨얼 생산을 위한 재생에너지 활용 계획을 발표했다. 사무국을 설치하고 여러 관련 프로젝트에 계속해 자금을 지원한다는 내용이다. 2020년 기준 독일의 전력 소비 중 재생에너지 비율은 46.2%로, 독일 정부는 이미 이퓨얼에 수천만 유로를 투자 중이다. 일본은 지난해 10월 합성 연료 개발을 천명하고, 2050년까지 현재의 가솔린 가격 이하의 e-가솔린을 만드는 걸 목표로 내세웠다. 한국에서도 합성 연료 개발이 추진되고 있지만, 아직 초기 단계다. 지난 4월 산업계와 학계, 연구 기관, 정부가 함께하는 ‘이퓨얼 연구회’를 창설해 합성 연료 적용 필요성을 검토하고 중장기 기술 개발 일정을 짜기로 했다.

◇여전히 낮은 경제성은 약점

 이퓨얼 등 친환경 합성 연료는 그러나 이산화탄소 배출량을 ‘0’으로 줄이진 못한다. 주행 시 배출 가스가 발생하는 건 마찬가지기 때문이다. 다만 기존 화석연료보다 이산화탄소 배출량이 적어 기존 내연기관차를 전기차와 수소차가 모두 대체하기까지 중간자적 역할을 할 수 있다. 정재우 한국자동차연구원 수석연구원은 “합성 연료는 처음부터 끝까지 인위적으로 조성한 고순도 연료라 휘발유와 경유보다 연비(압축비)가 더 좋다”며 “같은 주행거리 대비 탄소 배출량이 더 적기 마련”이라고 설명했다. 독일 포르셰는 “개발 중인 합성 연료를 이용하면 (내연기관의) 이산화탄소 배출량을 최대 85%까지 감소시킬 수 있다”는 전망도 내놨다.

 

 아직 생산비가 높아 경제성이 떨어진다는 것도 문제다. 친환경 운송 수단을 연구하는 비영리 단체 ICCT는 2030년 기준 합성 연료 가격이 L당 3~4유로(약 4000~5400원)에 달할 것으로 전망했다. 휘발유 가격의 3~4배 수준이다. 이퓨얼을 만드는 피셔-트로프슈 공정에는 고온·고압이 요구되는데, 이 과정에서 막대한 에너지(전력)가 소모된다. 공정 효율도 아직 낮다. 수소와 탄소를 결합해서 나오는 탄화수소 연료의 수율(收率)은 6~7%대에 머물고 있다.

 

 독일 민간 싱크탱크 아고라 베르케르스벤데는 “100㎞ 주행에 필요한 이퓨얼을 만드는 데 드는 전력은 103kWh”라며 “이는 전기차(15kWh)와 수소연료전지차(31kWh)와 비교해 3.3~6.8배 많다”고 분석했다. ICCT는 재생에너지에서 전기차 배터리로 이어지는 에너지 변환 효율이 72%에 달하는 반면, 합성 연료는 16%에 불과하다는 분석도 내놨다. 미국 경제지 포브스는 이런 연구 결과를 토대로 “합성 연료는 지구를 구하지 못한다”며 “(이런 가격의 합성 연료를 써야 한다면) 내연기관차를 폐차하거나 기존 화석연료를 계속 사용할 가능성이 크다”고 꼬집었다.

 

 그러나 유럽의 합성 연료 관련 기업 협의체 ‘이퓨얼 얼라이언스’는 “탄소세 도입과 규모의 경제가 합성 연료의 가격 경쟁력을 높여줄 것”이라고 전망한다. 탄소세 도입으로 기존 화석연료 가격이 오르고, 양산에 들어간 합성 연료 가격은 크게 내려간다는 것이다. 이퓨얼 얼라이언스는 “2050년에는 주유소 연료가 모두 합성 연료로 바뀌고 가격은 가솔린 기준 1.45~2.24유로(약 1957~3023원) 사이가 될 것”이라고 예측했다.

 

이산화탄소로 내연기관차 굴린다… 포르셰·도요타·현대차 개발 나선 ‘이퓨얼’

車 업계 “전기차 개발만으로 환경 규제 대응 어렵다” 판단
낮은 경제성은 과제…이퓨얼 생산비, 휘발유의 10배

연선옥 기자 입력 2021.07.28 06:00

 

 미국 제너럴모터스(GM)와 독일 폭스바겐은 2035년부터 내연기관차 판매를 중단하겠다고 선언했다. 글로벌 환경 규제가 강화되고 있어 화석연료로 달리는 내연기관차 판매 비중을 줄이지 않으면 차를 팔아 번 돈을 고스란히 벌금으로 내야 하는 상황이 됐기 때문이다.

 

 그렇다면 내연기관차를 퇴출하고 배터리로 달리는 전기차로 완전히 전환하는 것이 정답일까. 가장 높은 수준의 환경 규제를 적용하고 있는 유럽의 일부 국가에서조차 100% 전기차 전환이 해답은 아니라는 견해와 함께 대안을 찾는 움직임이 활발하다.

 

 이 과정에서 신종 연료 ‘이퓨얼(e-fuel)’이 주목받고 있다. 전기 기반 연료(Electricity-based fuel)의 약자인 이퓨얼은 무색무취에 가까운 액체이지만, 화학적 구성(탄화수소)이 석유와 같아 가솔린·디젤차는 물론, 제트 엔진 연료로도 바로 쓸 수 있다. 이퓨얼은 물을 전기 분해해 얻은 수소를 이산화탄소나 질소 등과 결합해 만드는데, 수소는 태양광이나 풍·수력 같은 재생에너지를 이용해 얻고, 이산화탄소와 질소는 대기 중에서 포집해 쓰기 때문에 온실가스 저감 효과가 크다.

 

내연기관차의 연료 주입구./포르셰 제공

 

 환경 규제에 대응해야 하는 글로벌 완성차 업체들은 전기차 전환과 함께 이퓨얼 개발에 나서고 있다. 독일 스포츠카 제조사 포르셰는 지난해 2400만달러(약 272억원)를 투자해 칠레에 이퓨얼 공장을 세우고 있다. 포르셰는 내년부터 풍력 발전을 이용해 수소를 얻어 이퓨얼(e-메탄올)을 생산할 계획이다.

 

 포르셰와 함께 폭스바겐그룹 안에 있는 독일 아우디 역시 2017년 이퓨얼 연구소를 설립했다. 아우디는 2018년 3월 상당한 양의 이퓨얼을 생산했는데, 아우디가 개발한 e-가솔린은 유황과 벤젠 성분이 없어 배기가스에 오염물질이 적은 것이 특징이다. 또 옥탄가가 높아 엔진 효율도 높다.

 

 전기차 전환이 최종 목적지가 아닐 수 있다고 주장하는 일본 완성차 업체들도 이퓨얼 연구에 적극적이다. 특히 순수 전기차보다 이퓨얼을 연료로 하는 하이브리드차가 전체 탄소 배출량이 더 적다고 주장하는 도요타는 닛산, 혼다와 함께 본격적인 이퓨얼 연구에 나섰다.

 

 전기차 전환으로 큰 소비 시장을 잃게 된 정유사들도 이퓨얼 개발에 나서고 있다. 미국 엑손모빌은 포르셰와 이퓨얼 개발에 협력하고 있고, 유럽 쉘사는 항공기용 이퓨얼 생산을 시작했다. 스페인 최대 에너지 기업 렙솔은 6000만유로(약 811억원)를 들여 북부 항구도시 빌바오에 이퓨얼 공장을 짓고 있다. 미국 자동차 부품사 테네코는 산학 협력을 통해 이퓨얼의 상업적 가능성을 시험하고 있다.

 

 국내에서도 이퓨얼 개발을 위한 공감대가 형성되고 있다. 현대자동차는 SK에너지, 현대오일뱅크, GS칼텍스, S-OIL 등 국내 정유사와 함께 이퓨얼 개발에 나서기로 했다.

 

이퓨얼을 생산하는 아우디의 파일럿 설비./아우디 제공

 

 전기차 개발에 늦은 일본차 업체뿐 아니라 전동화 전환에 적극적인 포르셰, 아우디, 현대차까지 이퓨얼 개발에 뛰어든 것은 이들이 전기차 개발에만 집중해서는 리스크가 크다고 판단한 것으로 풀이된다.

 

 전기차 개발과 관련 인프라 구축 과정에서 상당한 비용이 드는 것은 물론 주행거리 등 해결해야 할 과제가 많다. 게다가 유럽 일부 국가를 제외하면 전기차 배터리를 충전하기 위한 전력을 생산하는 과정에서 상당한 양의 탄소가 발생힌다. 환경 규제가 단순히 자동차에서 배출되는 오염물질을 대상으로 하는 것이 아니라 궁극적으로 에너지 생산에서부터 차량 구동에 이르는 전 과정, 이른바 ‘유정에서 바퀴까지(well to wheel)’로 확대된다면 전기차 전환만으로 환경 규제를 피해가기 어렵다는 의미다.

 

 다만 이퓨얼이 상용화되려면 상당한 기간이 필요하다는 게 전문가들의 평가다. 가장 큰 문제는 생산비가 높아 경제성이 떨어진다는 점이다. 한국환경산업기술원에 따르면 현재 이퓨얼의 리터당 생산비는 5000원 정도로, 세금을 제외하면 휘발유 가격의 10배 정도다.

 

출처1: https://www.chosun.com/economy/mint/2021/06/25/75FXCFJ6IVFFHFYUVUTF3ZUES4/

출처2 : https://biz.chosun.com/industry/car/2021/07/28/M2W4ZH7HY5G43M5R4IWS2ORE7I/