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1 최종보고서 경유버스및 CNG 버스환경 경제성분석을 통한 CNG 버스보급정책타당성조사연구 연구수행기관 : 한국환경정책 평가연구원 환경부

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3 제출문 환경부장관귀하 본보고서를 경유버스및 CNG 버스환경 경제성분석을통한 CNG 버스보급정책타당성조사연구 의최종보고서로제출합니다 년 11 월 한국환경정책 평가연구원장 연구책임자 : 강상인 (KEI 선임연구위원 ) 연구참여자 : 강광규 (KEI 선임연구위원 ) 박준현 (KEI 연구원 ) 제갈운 (KEI 연구원 )

4 요약 1. 국내 외경유및 CNG 버스기술개발수준및정책동향조사 가. 주요선진국의경유및 CNG 버스기술개발수준파악 1) 미국 전세계적으로대체연료차량에대한연구가활발히진행되고, 특히미국의경우금융위기이후자동차업계의화두는연비의절감과친환경이다. 또한석유기반의운송사업을에탄올이나바이오디젤, 전기자동차, 수소등과같은대체에너지를사용하는방향으로서서히전환하고있는상황에서친환경차량의개발과더불어기존가솔린차량의연비개선을위한부품개발에이르기까지각완성차기업들과부품기업들은모두연비절감과배출가스절감을위한차량의개발에매진하고있다. 이처럼각브랜드별로연비개선과친환경차량개발에엄청난인력과자본을투자하는이유는소비자기호의변화나시장수요에대응하기위해서이기도하지만, 무엇보다미국연방정부의규제때문이다. 연방정부는자동차생산기업에게매년특정수준까지배출가스규제강화를요구하고있는데, 한국, 일본등미국자동차시장에서중소형차량을많이판매한기업들에비해, 미국의완성차기업들은대형차량이나 SUV, 픽업트럭등연비가낮고배출가스가심한차량들의판매비중이높기때문에연방규제에대응하기위한자동차기술개발이활발하고, 그에따라다른나라들에비해기술발전수준이높다. i

5 < 표 1> 미국주요 CNG 기술개발회사 구분 개발내용 CNG 차량실험하고분석할수있는기능 아르곤 국립연구소 온실가스방출을규제하고, 표준차량에서의에너지사용 을통해, 전문가들에게생산, 유통그리고연소의각단 계에서연료주기분석을이용한다양한연료의온실가스 방출을검사하기위한능력보유 엔진, 연료, 윤활유등을중점적으로개발 Cummins 사와공동으로 10 리터디젤엔진을기반으로 SWRI 사 부식실직접분사층상급기 CNG 엔진개발 스웨덴 Volvo 사와공동으로디젤엔진을 Lean-burn 방식으로개발 Cummins 사 현재까지 84 대의 CNG 엔진을개발 CNG 및 CNG 하이브리드기술관련가장대표적인회사 Eaton 사 파워트레인면에서강한기술력보유 주정부와공동으로 CNG 자동차에 Hybrid Drive Unit 을매칭하여개발및시운전 ISE 사의 CNG 시스템은연비를 40% 까지증가 CNG 차량엔진플렛폼의경량화 ISE 사 배기가스저감달성 ( 이산화탄소저감 ) 배터리저장능력향상 CNG 하이브리드시스템개발 CAP 사 캘리포니아주정부등의지원에의해 LEV 규제기준을 만족하는 MPI 시스템혼소엔진을개발 ii

6 2) 유럽 유럽의경우저상버스가많이보급되어있는상황으로, CNG 연료용기안 전에관한연구가주로진행되고있고, 각개발회사별친환경차량개발에 대한연구가활발히이루어지고있다. < 표 2> 유럽주요 CNG 버스개발회사 구분 이탈리아 스웨덴 개발내용 이탈리아의 CNG 이용은 1930 년대에시작되어전쟁후 석유의이용에이어보급은낮아지고오일쇼크이후수차 회복경향 CNG 실차의경우 20 여개의중소기업에서개조 대부분이탈리아의 CNG 차에는촉매컨버터가미장착 Volvo 사는 Co Nordic 프로젝트의일환으로 CNG 버스 개발 Co Nordic 프로젝트로 HD 도시형버스 영국 독일 Ricardo 사 Alexander Dennis 사 Champion 사 Collins 사 Mercedes Benz 사 AUDI 사슈투트가르트대학 배출가스를최소화하는것을목표로 Scania 의디젤엔진을기본으로한삼원촉 매방식의 CNG 엔진을개발 더블데커하이브리드버스생산 포드 E-450 섀시를바탕으로 Azure Dynamics Balance System 이적용된 하이브리드버스생산 E-450 하이브리드버스에도입될플러 그인충전시스템개발 Citaro G BlueTec 버스생산 가솔린자동차의 CO2 배출량을 20% 줄이고자 TFSI 엔진을기본으로직분식 CNG 기관개발 터보차져와 EGR을장착한 CNG 기관을 실험 iii

7 나. 국내경유및 CNG 버스기술개발수준파악 국내의경우도직접분사식 CNG 엔진에대한많은연구가이루어지고있다. < 표 3> 국내주요 CNG 기술개발현황 구분 개발내용 1,900cc 급양산엔진을가시화엔진으로개조하여분사시기변 대우버스 ( 주 ) 경을통해직접분사식 CNG 엔진의연소및배출가스특성에 대해연구 1,439cc 4 실린더천연가스기관의압축비를 9:1, 10:1, 11:1 로 한국동력자원연구소 변화시키고기존압축비와동일한가솔린기관과비교하여기관 회전수, 공기과잉률및점화시기에따른기관의성능특성에 대해연구 한국기계연구원 천연가스기관의출력향상을위해과급및압축비의변화를 검토 대형직접분사식 CNG 기관에서흡기보조분사시분사율이 성균관대학교 10% 에서희박한계의최대치는공기 - 연료당량비 1.5 부근에서 나타나는것을보였으며, 노크한계압축비는 11.5 임을밝힘 우리나라의 NGV 엔진기술을해외와비교해보면기술수준은크게차이가나지않는다. 다만, 4세대기술적용에있어우리나라의경우는학계와연구소중심으로기술개발이이루어지고있으며, 해외의경우는일부자동차제작사들에의해상용화가진행중에있다. 3세대와 4세대엔진의경우출력과연비, 배기가스저감능력등에서큰차이를보이고있기때문에앞으로강화될배출가스규제에대한대비를위해서는반드시 4세대엔진기술개발이필요하다. 용기제조기술분야에서도우리나라와해외의기술을타입별로비교하여 iv

8 보면용기제조기술이비슷한 Type 1, 2의경우는생산기술이나품질에서는큰차이를보이고있지않다. 반면 Type 3, 4의경우우리나라업체들이상용화에성공하여제품을판매하고있는단계지만용기제조의핵심인랩핑에사용되는탄소섬유제조기술이미흡하여대량판매가이루어지지않고있기때문에제조단가가해외보다높아해외진출에어려움이있다. 또한, LNG 용기의경우는 한비가국산화를통해자체적으로생산해공급하고있으며, 한국가스공사가기술개발을하여 NGV 업계가기술이전을한상태이지만아직신뢰성이낮아추가적인기술개발이더필요하다. 국내천연가스자동차는현재 EURO-4의기준으로상용화가되어있으며, 중대형천연가스상용차 ( 버스및청소차 ) 만개발및판매되고있다. 그이유는중소형자동차의개발 판매와관련된이해당사자간의갈등, 충전소인프라구축부족, 천연가스자동차보급이외의자동차저공해화정책추진등으로중소형자동차의시장형성여건이미흡하기때문이다. 우리나라를포함한세계각국가들의 NGV의기술개발현황을보게되면향상된연비, 열효율, 배기가스저감에포인트를두고이부분에집중적인개발을진행하는것으로보인다. 다만우리나라의경우는현대기아자동차나, GM 대우와같은자동차제작사에서상용화를위한기술개발은진행하지않는것으로보이며, 국내연구기관들을중심으로엔진에대한 4세대기술실증연구를진행하는것으로보인다. 이와는다르게세계의유수자동차제작사들은 NGV의상용차에대한 4세대기술개발과상용화에주력하고있다. 따라서천연가스자동차의수출확대를위하여국내의주력인천연가스상용차의배기가스수준을 EURO-6 기준에부합하거나이를넘어서는기술개발및중소형 NGV의상용화가시급하다. v

9 국내천연가스자동차엔진중기존의 6기통디젤엔진을모태로하여개발한 CNG 엔진은불꽃점화방식의 Lean-Burn 엔진으로개발되었다. 천연가스버스의기본구조는종래의디젤버스와같고, 연료계통만이변경되었다. 사용연료인천연가스는디스펜서를통하여고압의천연가스를차량내의가스용기에저장하며, 이때의저장된연료량은운전석에서압력계로모니터링할수있도록되어있다. 또한, 내부압력의과다상승시안전밸브를거쳐외부로벤팅하는안전장치가설치되어있다. 압축된가스는용기로부터연료배관을거쳐감압밸브에서사용압력으로일정한압력으로감압된후, 공기와혼합되어엔진내부로공급되는구조이다. 2. 미국, 유럽등외국사례를토대로배출허용기준강화정책이 CNG 보급정책에미치는영향분석 가. 미국 1) 미연방 미국의자동차배출가스규제는미연방환경청 (EPA) 이정하는 Tier 기준과캘리포니아주의독자적인대기방지조례인 LEV(Low Emission Vehicle) 기준을적용하고있다. 미연방의배출가스규제기준은 1994 년부터경량차량및중량차량에대해 2단계에걸친배출가스기준 (Tier1, Tier2) 를규정하고청정연료사용자동차의생산및보급촉진을위한구매의무화조항을반영하고있다. Tier2 규제는배출가스의배출량을 10단계카테고리로나누어자동차메이커가차종당어느카테고리를만족시킬것인지를스스로정하도록하고, 각각의모델판매대수에따라산출한기업평균배출가스기준이 Bin5 카테고리에해당하는규제치에만족시키도록규정짓고있다. vi

10 < 표 4> Bin# 카테고리 인증기준치단위 : Bin# (Useful Life = 120,000miles) g/mile 적용시기 년 년 Phase-in 자동차판매대수에따라산출된기업평균배출가스기준이 Bin5를만족시 켜야하므로, Bin8 카테고리에해당차량을판매하는것도가능하다. 하지만 Bin8 카테고리이후해당모델은 2008년부터는판매할수없도록하였고, 2009년형모델부터는 Bin7 보다엄격한기준을만족하는모델을도입하였다. 2) 캘리포니아주 LEV(Low Emission Vehicle) 및 ZEV(Zero Emission Vehicle) 프로그램으로대별되는캘리포니아주의자동차배기가스규제는연방정부의규제치보다배출가스기준이엄격하다 년모델차량에대해적용되어오던 LEV1 기준에이어 2004 년모델부터 NOx 및 PM 기준이한층강화된 LEV2 프로그램을시행중이다. 또한자동차메이커로하여금일정비율의무공해차량 (ZEV) 판매를의무화함으로써청정연료자동차시장확대를추진하고있다. vii

11 < 표 5> 캘리포니아주배출가스기준 인증기준치단위 : Emission Classes (Useful Life = 120,000 miles g/mile NMOG 5) CO NOx PM HCHO 6) LEV 1) ULEV 2) SULEV 3) ZEV 4) * 1) LEV : Low Emission Vehicle * 2) ULEV : Ultra Low Emission Vehicle * 3) SULEV : Super Ultra Low Emission Vehicle * 4) ZEV : Zero Emission Vehicle * 5) NMOG : Non-Methane Organic Gas( 비메탄계유기가스 ) * 6) HCHO : Formaldehyde( 포름알데히드 ) * CARB-LEV2 규정채택지역 : 캘리포니아, 뉴욕, 메사추세스, 메인, 버몬트 나. 유럽 EU의자동차배기가스기준은경량자동차 ( 승용차및소형트럭 ) 에대해서는지침 70/220/EEC에서, 그리고중량디젤트럭및버스에대해서는지침 88/77/EEC에서각각규정하고있으며, 각지침에서규정하는기준은유럽의자동차배기가스규제기준인 EURO Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ 기준으로대변되며, 지속적으로강화되고있는추세이다. EU 집행위원회는 2007년 2월에유럽시장에출시되는신차의이산화탄소평균배출량의감축을의무화하는법률규제도입을결정하였다. 이는 1998 년에자동차업계가 EU와자발적협약을맺고 2009년까지신차의평균이산화탄소배출량을 140g/km로낮추겠다고약속했으나, 이것이이루어지지않자 EU 당국이감축을의무화하는법률도입추진을진행한것이다. EU viii

12 집행위원회는 2012 년까지신차의평균배출량을 130g/km 로의무적으로감 소시키는규제법안을상정하였고, 2012 년부터 2015 년까지 동허용량을 초과할경우점차재정적불이익을확대함으로써자동차제조사가법안을이행하도록유도한다는계획이었다. 2008년 12월 EU 이사회와 EU 의회가자동차이산화탄소규제법안에대한합의를도출했으며, 2009년 4월에 EU 이사회를통과하였다. 통과된법안이제시하는감축목표는 EU 집행위원회안을유지하여자동차엔진기술을통해 130g/km를달성하고이와함께타이어, 바이오연료등으로부터 10g/km를추가감축하도록했다. 동감축목표의경우, 단계별로 2012년신규자동차생산량의 65%, 2013 년 75%, 2014년 80%, 2015년이후 100% 감축을합의하였는데, 이는 EU 집행위원회가 2012년부터 100% 시행하자고제안한것보다는완화된것이다. 한편이법안은애초에차량중량 2,610kg까지의승용및경상용자동차에한정하여적용할것을제안하였으나, 결정된법안에서는승용및경상용자동차모두를적용대상으로하여동일하한배출기준을적용함으로써중량제한을철폐하였다. 벌금수준은상기감축목표를기준으로 2012년부터 2018년까지초과한 g 당누적으로 1g의경우 5유로, 2g의경우추가 15유로 ( 총 20유로부과 ), 3g의경우추가 25유로 ( 총 45유로 ), 4g 이상의경우추가 95유로 ( 총 140 유로 ) 를부과하고, 2019년이후에는초과 g 당 95유로부과를결정하였다. ix

13 3. 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 가. 현행규제현황및차기배출가스규제수준비교 1) 유럽 EURO는유럽연합이 1990년도입한차량배기가스규제의명칭이다. 2007년 5월 30일유럽각료이사회는승용차및경량트럭배기가스기준을한층강화한새로운자동차배기가스기준을발표하였다. 이규제가 EURO-5와 EURO-6이다. 이규제의가장큰특징은입자상물질 (PM), 질소산화물 (NOx) 의규제강화이다. EURO-6는유럽뿐만아니라북미, 일본등을포괄하는전세계배출기준의첫시행단계이다. EURO-6의배기가스기준은 EURO-5에비해배기가스배출량을대폭감소시켜야한다. 질소산화물의배출량은 EURO-5에비하여 80%(0.40g/kWh) 까지줄여야하며, 입자상물질의경우 50%(0.01g/ kwh) 까지감축해야한다. < 표 6> 디젤자동차와가스자동차배출가스기준비교 (Passenger Car(2.5t GVW)) ( 단위 : g/km) 구분 HC+NOx CO NOx PM EURO-4( 디젤 ) EURO-4( 가스 ) 0.1(HC) EURO-5( 디젤 ) EURO-5( 가스 ) 0.05(HC) (GDI) x

14 < 표 7> 디젤자동차와가스자동차의 EURO-6 배출기준비교 ( 단위 : g/kwh) 구분 CO THC NMHC CH4 NOx PM NH3(ppm) ESC( 디젤 ) ETC( 디젤 ) ETC( 가스 ) ESC : European Static Cycle ETC : European Transient Cycle 2) 미국 미국의경우자동차배기가스에대해대기청정법과자동차기업평균연비로규제하고있으며미국연방환경청 (EPA) 이배기가스규정을제정하고있다. 연방정부차원에서 1970년에제정된대기청정법을통해처음으로자동차배기가스기준을규정했으며주차원에서는캘리포니아주가 1960년자동차오염방지법을제정하고 1966년부터엔진의배기가스규제를실시하고있다. 지금까지미국에서판매되는모든자동차는미국연방환경청의연방기준또는캘리포니아주의배기가스기준중각주마다조금씩차이가있지만둘중하나이상을충족시켜야한다. 캘리포니아기준은캘리포니아및북동부지역에서채택하고있으며나머지주들은연방법을따르고있다. 가 ) 대기청정법 대기청정법에서는탄화수소, 질소산화물, 일산화탄소, 입자상물질, 포름알데히드등의배기가스를규제하고있으며, 대기오염이심각한캘리포니아주에대해별도의자동차배기가스규제기준을제정할수있는권한을부여한것이특징이다. xi

15 1 Tier 2 bin 1 : 가장청정한배기가스자동차, 거의제로수준의배기가스 (ZEV : Zero Emission Vehicle) 2 Tier 2 bin 2 4 : 평균기준보다청정한자동차 3 Tier 2 bin 5 : 평균기준자동차 4 Tier 2 bin 6 9 : 평균에미달하는자동차 5 Tier 2 bin 10 : 배기가스기준을통과한자동차 6 Tier : 예전연방기준 나 ) 캘리포니아주 1960년자동차오염방지법을제정하고 1966년부터자동차배기가스배출규제를실시하였다. 각차량의배기가스는실시연도에따라잠정저공해차량 (TLEV), 저공해차량 (LEV), 초저공해차 (ULEV), 유해물질 0인무공해차 (ZEV) 등으로구분하고있다. 1 ZEV : 유해물질 0인차량 2 ULEV Ⅱ : 초저공해자동차, 탄화수소및일산화탄소배출수준이거의 LEV Ⅱ의절반수준 3 ULEV Ⅰ : 초저공해차량, 저탄화수소배출을강조한기준 4 LEV Ⅱ : 저공해차량, 대기청정법의 Tier 2 bin 5에해당하는수준, NOx 배출량이 LEV Ⅰ의 25% 인차량 5 LEV Ⅰ : 저공해차량, Tier 1의 2배정도엄격한기준 xii

16 3) 국내 가 ) 디젤차량 디젤차량의경우 NOx와입자상물질 (PM) 이많이배출된다. 우리나라는디젤차량배출가스규제를 1984년 7월부터실시하였으며기준을강화하여왔으나아직도선진국에비해많이완화되어있는수준이다. 1996년의우리나라중량디젤차량의 NOx 규제는미국 1990년수준의약 40%, 유럽연합 (EU) 의 1993년수준의 22% 가완화된수준이며입자상물질 (PM) 은미국 1990년수준의약 170%, EU 1993년수준의 80% 가완화된수준이다. 그러나 2002년이수에는미국, EU와같은선진국수준으로규제가강화되었으며, 시내버스의경우 1998년에 EU의 1993년수준, 2000년에는 EU의 1996년수준보다더엄격한수준으로규제가강화되었다. 2013년부터는디젤차량에적용되는배출허용기준이선진국수준으로대폭강화된다. 버스, 트럭등대형경유차는 EURO-6 기준과나노입자개수, 암모니아기준이신모델은 2014년 1월부터, 기존모델은 2015년 1월부터적용된다. 나 ) CNG 차량 천연가스는환경에영향을적게주는에너지이며지구온난화에영향을주는이산화탄소의배출량은석탄을 100으로보면석유 83, 천연가스는 57이다. 천연가스는상온에서는액체화하는것이어렵기때문에자동차연료로사용하기위해고압용기에담아사용하여야하므로, 용기의부피가커지고, 폭발의위험때문에과거에는널리사용하지못하였다. 하지만최근에도시지역환경문제, 특히버스, 트럭의매연, 입자상물질및 NOx에의한도시대기오염이문제가되자도시대기오염저감방안의하나로압축천연가스 (CNG) 를연료로이용하는차량에대한연구와보급이널리시행되게되었다. xiii

17 CNG 버스는 2013 년부터 EURO-6 기준보다약 13% 강화된기준이적 용된다. 또한, 신모델은 2013 년 1 월부터, 기존모델은 2014 년 1 월부터메 탄및암모니아기준이새롭게도입된다. 3. 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미 치는영향분석 가. 선진국의경우분석 1) 미국 미국은오일에너지에대한의존도를낮추고지구온난화와관련된배출을줄이기위해에너지독립안전법을 2007년 12월 19일에시행하였다. 이법의주요골자는 2020년까지 2007년당시의 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 기준보다 40% 강화해평균연비 35mpg 달성을위해 2011년부터단계적으로연비기준을상향하고북미에서생산된자동차는 CAFE 기준의 92% 수준에도달해야하는것으로규정하고있다. 또한, 자동차기업들이 CAFE 기준을충족하지못할경우에는패널티를지불하여연료절감을위한연구개발보조금지급등에활용하고, 충족시에는크레딧을제공하여다른종류의차량이나기업과거래할수있도록하였다. 가 ) 에너지독립안전법 에너지독립안전법은기존의연비기준을 2016년까지 35.5mpg로, 이산화탄소배출은 250grams/mile로강화하였다. 미정부의에너지독립안전법시행으로완성차업체들은연비강화와배출물질규제를위한준비를서둘러야하는상황이예상되는가운데 2008년기준으로미국에자동차를판매하고있는회사별로기업연비를볼때일본과한국등외국계자동차회사들이평균연비가높아강화된기준달성에유리할것으로전망된다. xiv

18 < 표 8> 미국의배기가스규제강화에따른차량가격변화 항목 단위 년도 증가되는 차량가격 $ 연료충전장치 가격 $ ( 가솔린과 비교 ) 5X 5X 2.5X 2.5X Fuel Economy MPGE Equal +5% +8% +10% 주행거리마일 150 배기규제 CA/Fed std. ULEV ULEV/SUL EV ULEV/SUL EV ULEV/SUL EV 자료 : Fuel quality and vehicle emissions standards cost benefit analysis, Coffey Geosciences PTY LTD, < 표 8> 에서볼수있듯이배출가스규제수준이강화되는동안추가로증가되는차량가격은감소하는것으로나타나고있다. 이것은규제수준이증가되는동안이를충족시키기위한차량기술과연료충전장치기술등도함께발전하여더욱저렴한비용으로강화되는규제를만족시킬수있게되기때문이다. 미국에서진행되었던, 배기가스규제에드는비용과차량가격과의상관관계를연구한자료에따르면일반적으로차량가격과배기가스규제에드는비용에는상관관계가거의없다. xv

19 [ 그림 1] 년미국의차량가격과배기가스규제비용 일반적으로강화되는배출가스규제는차량생산에있어서새로운추가비용을발생시킬것으로예상된다. 하지만증가하는차량생산비용은배출가스규제에따라차량생산기술이함께발전함에따라서더욱적은비용으로규제를만족할수있는차량생산이가능하게됨으로써꾸준히증가하지는않는다. 2) 유럽 유럽의경우도미국과마찬가지로새로운배출가스규제를충족시키기위해서차량회사들의투자개발비상승으로인한차량가격의상승을예상할수있으나, 친환경차량보급을위한정부의각종경제적인인센티브와기술의발전에따라, 배출가스규제강화가실질적으로차량가격의상승에미치는영향은크지않을것으로예상할수있다. xvi

20 4. 경유및 CNG 버스환경 경제성분석 가. 경유및 CNG 버스의환경성평가시험 CNG 보급에따른오염물질배출량의증감량을측정하여 CNG 보급정책의환경성을평가한다. 본과제에서는국립환경과학원교통환경연구소의대형차대동력계를이용하여, 시험모드인 NIER 06 모드를적용하여경유및 CNG 버스의오염물질배출량증감을측정하였다. 1) 분석대상 < 표 9> 실험버스연식, 특성, 대수 구분 CNG 경유 연식대수엔진형식연식대수엔진형식특성 현대 C6AE D6HA EGR 및 p-dpf 대우 GL11K 2011, DL08K SCR 2) 분석범위 < 표 10> 측정오염물질종류 구분 CO THC NMHC CH 4 NOx PM 입자개수 * VOC * CO2 단위 g/km g/km g/km g/km g/km 개 /km mg/km g/km * 미규제물질 xvii

21 3) 분석방법 시험모드 시험분석장치 연비분석 < 표 11> 시험방법서울시 2010년버스평균주행속도와가장유사한시험분석모드인 NIER 06 모드를이용국립환경과학원교통환경연구소대형차대동력계이용경유 : 측정된배출가스 (CO, HC, CO2) 이용한탄소밸런스법으로계산 CNG : 유럽연비계산식이용 < 연비 = (/{[ [(0.749 HC)+(0.429 CO)+(0.273 CO 2 )]}> 4) 분석결과 < 표 12> 주행거리 (km) 당오염물질배출평균값 * 비교 구분 CO (g/km) THC(g/km) NMHC CH 4 NOx (g/km) PM (g/km) 입자개수 ( 개 /km) VOC (mg/km) CO2 (g/km) CNG(1) E 경유 (2) E (1)-(2) * 평균값 : CNG 차량별평균 ( 현대차 2대, 대우차 2대 ), 경유차량별평균 ( 현대차 2대, 대우차 2대 ) 5) 결론 시험결과주행거리당오염물질배출평균값의경우, CO, NOx, PM, CO2에서는경유대비 CNG 버스배출값이 (-) 값으로, CNG 버스의배출량이적고, THC는경유대비 CNG 버스배출값이 (+) 값으로, CNG 버스의배출량이많다. 따라서 THC 이외의오염물질에서 CNG 버스의환경성이우수한것으로나타났다. xviii

22 나. 경유및 CNG 버스의경제성분석 CNG 보급의사회적편익과사회적비용을비교하여 CNG 보급정책의경제성을분석한다. 사회적편익은환경오염저감의화폐가치 ( 환경편익 ), 저렴한연료사용에따른기회비용의저감등을고려하고, 사회적비용은 CNG 버스보급을위한공공부문지출 ( 환경개선비용 ) 인차량구입보조비용, 취득세수손실, 환경개선부담금손실등을고려한다. 사회적편익이사회적비용보다클경우경제성이있는것으로판단할수있고, 반대의경우경제성이없는것으로판단할수있다. 1) 사회적편익 가 ) 환경편익 환경편익은국립환경과학원교통환경연구소의시험결과중, 비규제물질인 VOC, 입자개수를제외한규제대상오염물질중 6종을이용한다. 연간주행거리를기준으로오염물질별 ( 경유버스대비 ) 총배출저감량을구하고, KAIST, EC에서제시한단위오염배출저감량당화폐가치를곱하여, 연간환경편익을구하고, 내구연한 10년동안의연도별환경편익을 5년기준국고채금리인 3.27% 로할인하여합산한현재가치를산출한다. 분석결과 < 표 13> 경유차대비 CNG 버스오염물질별연간저감량 THC 구분 CO NOx PM CO2 NMHC CH4 단위배출량 (g/km) 연간총주행거리 (km/ 대 년 ) 85, 연간저감량 (kg/ 대 년 ) 단위저감량당편익화폐가치 ( 원 /kg) 2, (100 만기준 ) 5, ( 수백만기준 ) 6, (100 만기준 ) 13, ( 수백만기준 ) 408, (100 만기준 ) 816, ( 수백만기준 ) , (100 만기준 ) 6, ( 수백만기준 ) 총계 연간저감편익 ( 원 / 대 년 ) 658,387 5,781,421 2,184,953 3,532, , ,863 11,632,642 xix

23 NOx, PM, HC의단위저감량당편익화폐가치는 EC 기준이용하였고, CO의단위저감량당편익화폐가치는 KAIST 보고서를이용하여, HC에대한상대적위해지수적용하였다. 또한 NOx, PM, HC, CO의단위저감량당편익화폐가치는각지역별인구차를고려하여인구백만기준과수백만이상기준적용하였다. 2008년 8월기준통계청의전국인구분포도에따르면서울과경기지역인구수는각각 1,000만명이상이고, 도 이상지역의인구수도 100만명이상이다. CO 2 는탄소배출권거래가격인 Kg당 원 (2011년) 을이용하였고, CH 4 는 CO2의지구온난화지수 (GWP) 고려하여산정 (CO2의 21배 ) 하였다. < 표 14> 내구연한 10 년간오염물질별환경편익의현재가치합 연간환경편익할인율내구연한내연도별현재할인가치합 11,632,642 원 / 대 3.27% 101,072,381 원 / 대 결론 경유버스대비 CNG 버스는내구연한 10 년동안대당현재가치기준 101,072,381 원의환경편익이있는것으로나타났다. 나 ) 경제적편익 분석범위및방법경유버스대비 CNG 버스세전가격기준버스연료비절감금액을분석한다. 연간주행거리를기준으로경유버스대비 CNG 버스의연간연료비저감금액을구하고, 이를내구연한동안할인하여합산한현재가치를산출비교한다. xx

24 < 표 15> 경유버스대비 CNG 버스단위거리당연료비절감액 구분 세전가격 단위거리당환산가격 CNG (1) ( 원 / m3 )* ( 원 /km) 경유 (2) 원 ( 원 /l)** ( 원 /km) 절감액 (1)-(2) ( 원 /km) CNG 연비 : 2.42(km/ m3 )( 국립환경과학원교통환경연구소, 2012) 경유연비 : 3.49(km/l)( 국립환경과학원교통환경연구소, 2012) CNG 세전가격 : 2011년하반기 2012년상반기 CNG 세전가격평균 ( 한국가스공사, 한국천연 가스차량협회 ) 경유세전가격 : 2011년하반기 2012년상반기경유세전가격평균 ( 오피넷, 석유정보망 ) 경유의경우 l 당가격이고, CNG의경우m3당가격이므로, 서로직접비교가불가능하다. 그러므로본연구에서는국립환경과학원교통환경연구소의시험결과인경유와 CNG의연비를이용하여, 각연료의가격을단위거리당가격으로환산하여비교하였다. 분석결과본연구에서사용한시내버스연간주행거리는 85,942.90km( 자동차주행거리실태조사, 교통안전공단, 2008) 이고, 이를이용하면경유버스대비 CNG 버스의대당연간연료비절감액은 2,019,658원이다. CNG는경유대비 km 당 23.50원경제적인연료로판단할수있고, 수송용 CNG 시내버스연료사용은경유대비대당연간 2,019,658원의기회비용저감효과를가져오는것으로볼수있다. CNG 버스대당내구연한동안연료비절감액의현재가치합은 17,548,834 원으로산출되었다. xxi

25 2) 사회적비용 (CNG 보급정부지출 ) 가 ) 분석범위및방법 CNG 버스운행에대한정부보조금혹은지출 CNG 보급을위한직 간접적인정부보조금혹은정부의지출을사회적비용으로산출한다. 취득세는차량판매가에서부가세를제외한금액의 2% 이고, 본연구에서차량판매가격은현대자동차뉴슈퍼에어로시티의가격인 107,395,000원을적용한다. < 표 16> CNG 버스정부보조금종류 구분차량구입보조취득세부가가치세면제융자금보조연료비보조환경개선부담금총계 ( 원 / 대 ) 면제 (2%) ( 판매가격 10%) ( 원 / 대 ) ( 원 / 대 ) 면제 ( 내구연한 ) 금액 18,500,000 2,147,900 10,739,500 2,069,598 10,877, ,155 45,582, 년부터 2011 년말까지의충전소융자금보조액과충전소보급현황, CNG 차량보급대수, 연료비지원실집행비용등을이용하여구한결과 가 < 표 16> 에나타나있다. < 표 17> 연도별 CNG 버스대당연료비지원금액 ( 실집행비용 ) 구분 연료비지원금액 CNG 버스대수 대당연료비지원금액 2002년 2,746 대 84억원 2003년 4,312 대 1,190,138 원 2004년 114억원 6,121 대 1,862,440 원 2005년 156억원 8,665 대 1,800,346 원 2006년 194억원 11,988 대 1,618,286 원 2007년 218억원 15,097 대 1,443,996 원 2008년 224억원 19,078 대 1,174,128 원 2009년 212억원 22,870 대 926,978 원 2010년 170억원 25,996 대 653,946 원 2011년 172억원 28,827 대 596,662 원 자료 : 환경부, 2011 xxii

26 CNG 연료비지원금액의경우 < 표 17> 에서알수있듯이, 2002 년 2011 년 평균 1,251,880 원인상황으로, 꾸준히감소하여 2011 년현재 596,662 원이다. 경유버스운행에대한정부보조금혹은지출 < 표 18> 경유버스정부보조금종류 구분환경개선부담금환경개선부담금면제 (4 년 ) 총계 금액 143,604( 원 / 대 ) 547,690( 원 / 대 ) 547,690( 원 / 대 ) 경유버스의경우 2009년이후등록차량중 EURO-4 기준을만족하는차량의경우 4년간환경개선부담금면제이고, EURO-5 기준을만족하는차량의경우 5년간환경개선부담금면제이다. 또한 DPF 부착차량은부착일로부터 3년간면제이다. 본연구에서는국립환경과학원교통환경연구소에서시험한차량들이 2011년등록차량들이므로, 4년면제를적용하여분석하였다. 나 ) 분석결과 경유버스대비 CNG 버스보급에들어가는추가적인정부보조지출을대상으로, 일회성지원에해당하는지출 ( 차량구입보조금, 취득세면제, 부가가치세면제 ) 의합과내구연한동안이루어지는연도별지출 ( 환경개선부담금, 유가보조금 ) 의현재할인가치를합한총지출액을환경개선비용으로산출하였다. xxiii

27 구분 CNG 보조금 (1) 경유차보조금 (2) 순 CNG 보조금 (1)-(2) < 표 19> 순 CNG 보조금 ( 단위 : 천원 ) 차량구입 취득세 부가세 융자금 보조 면제 면제 보조 연료비환경개선부담금총계보조면제 18,500,000 2,147,900 10,739,500 2,069,598 10,877,586 1,247,775 45,582, , ,690 18,500,000 2,147,900 10,739,500 2,069,598 10,877, ,085 45,034,669 경유버스대비 CNG 버스세금감면액및경유버스유가보조금미고려 < 표 19> 에서보듯이, 순 CNG 보조금은 45,034,669 원이다. 3) 경유버스및 CNG 버스경제성분석의결과 < 표 20> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성평가분석 구분 금액 ( 단위 : 원 / 대 ) 사회적편익 ( 환경편익 + 경제적편익 )(1) 118,621,215 사회적비용 (CNG 보급비용 )(2) 45,034,669 경제성 (1)-(2) 73,586,546 경유버스대비 CNG 버스의보급은내구연한동안대당 73,586,546 원의 경제성이있다. xxiv

28 5. 결론 본연구에서는국립환경과학원교통환경연구소에서시험한내용을바탕으로경유버스대비 CNG 버스의환경성및경제성을분석하였다. 그결과 CNG 버스는경유버스에비해서 THC를제외한오염물질에서환경성이있는것으로나타났고, 사회적편익과사회적비용을고려한경제성평가에서도경유버스에비하여경제성이있는것으로나타났다. 이는현재수행중인정부의 CNG 보급정책이사회적으로유용한것이므로, 계속해서정부가개입하여사업진행을유도하는것이타당하다는것을의미한다. xxv

29 < 목차 > 제1장서론 1 1. 과업의배경및목적 1 가. 배경 1 나. 목적 2 2 과업의세부내용 3 가. 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 3 나. 배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 3 다. 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 3 라. 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 4 제2장국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 8 1. 국외기술개발수준분석 8 가. 미국 8 나. 유럽 12 다. 캐나다 16 라. 호주 17 마. 일본 17 바. 중국 19 사. 인도 국내기술개발수준분석 22 가. 국내 CNG 기술현황 22 나. 국내천연가스용기기술 25 제3장배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 미국 유럽등의외국사례 31 가. 미국 31 나. 유럽 국내영향예측 36 제4장경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 유럽과미국의배출가스규제현황및차기규제기준 40 가. 유럽 40 나. 미국 42

30 2. 국내배출가스규제현황및차기규제기준 47 가. 디젤차량 47 나. CNG 차량 48 제5장차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 미국의배출가스규제수준과차량가격변화 53 가. 에너지독립안전법 54 나. 전망 국내배출가스규제수준변화및이에따른차량가격변화 58 가. 현재국내운행중인 CNG 차량현황 58 나. 현재국내운행중인경유및 CNG 차량가격현황 61 다. CNG 차량지원정책 배출규제기준-차량가격 62 제6장경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 시내버스환경성평가를위한주행모드 67 가. 서울시시내버스주행속도 67 나. 차대동력계용버스주행모드 68 다. CNG 및경유버스환경성평가용시험모드 경유및 CNG 버스의환경성평가시험 70 가. 시험내용및방법 70 나. 시험결과 경유및 CNG 버스의환경성평가 78 가. NIER 06 모드적용시환경성평가 경유버스대비 CNG 버스의경제성평가 83 가. NIER 06 모드적용시사회적편익 83 나. NIER 06 모드적용시경제적편익 85 다. NIER 06 모드적용시사회적비용 87 라. NIER 06 모드적용시정책의경제성분석결과 92 제7장결론 97

31 < 표차례 > < 표 2-1> Cummins 사의 CNG 엔진제원 9 < 표 2-2> NGV 개조차량현황 18 < 표 3-1> Bin# 카테고리 32 < 표 3-2> 캘리포니아주배출가스기준 33 < 표 4-1> 디젤자동차와가스자동차의배출기준비교 41 < 표 4-2> 디젤자동차와가스자동차의 EURO-6 배출기준비교 42 < 표 4-3> 미연방배출가스분류체계 44 < 표 4-4> EPA Tier-3 Nonroad Diesel Engine Emission Standards 44 < 표 4-5> Tier-4 Emission Standards-Engine up to 560kW 45 < 표 5-1> 미국의배기가스규제와차량가격변화 53 < 표 5-2> 2008년미국자동차회사별평균연비 56 < 표 5-3> 연도별 CNG 자동차등록현황 59 < 표 5-4> 천연가스충전소현황 (2011) 61 < 표 5-5> 경유및 CNG 차량가격 61 < 표 5-6> 2000년 2020년배출인자 ( 전차종 ) 63 < 표 6-1> 연도별버스평균주행속도 67 < 표 6-2> 구간별버스주행속도 67 < 표 6-3> NIER 시험모드특성 68 < 표 6-4> 버스별제원 71 < 표 6-5> CNG-경유버스오염물질배출량시험결과 (NIER 06모드 ) 75 < 표 6-6> CNG-경유버스 VOC 시험결과 (NIER 06모드 ) 76 < 표 6-7> CNG-경유버스오염물질배출량시험결과 (WHVC 모드 ) 77 < 표 6-8> CNG-경유버스 VOC 시험결과 (WHVC 모드 ) 77 < 표 6-9> 버스별오염물질배출량추정치 79 < 표 6-10> CNG NET 배출저감량 79 < 표 6-11> 오염물질별대기위해지수 (SO2=1, KAIST) 81 < 표 6-12> 오염물질별대기오염의사회적한계비용 (2011년기준 ) 81 < 표 6-13> 경유차대비 CNG 버스오염물질별연간저감량 82 < 표 6-14> 내구연한 10년간오염물질별환경편익의현재가치합 84 < 표 6-15> 버스별연비, 주행거리, 연료가격 85 < 표 6-16> 연료별가격및연간연료비금액 85 < 표 6-17> 경유버스대비 CNG 버스단위거리당연료비절감액 86 < 표 6-18> 경유및 CNG 버스차량가격 87 < 표 6-19> 경유버스대비 CNG 버스구입비차액 88 < 표 6-20> 경유버스취득세비용 88

32 < 표 6-21> 연도별 CNG 충전소융자금현황 88 < 표 6-22> 연도별 CNG 충전소설치현황 89 < 표 6-23> 연도별 CNG 차량보급현황 89 < 표 6-24> 연도별 CNG 버스대당연료비지원금액 ( 실집행비용 ) 90 < 표 6-25> 환경개선부담금산출요소 91 < 표 6-26> 순 CNG 보조금 92 < 표 6-27> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성평가분석 92 < 표 7-1> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성평가분석 97 < 표 7-2> 순 CNG 보조금 ( 유류세, 유가보조금포함 ) 98 < 표 7-3> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성평가분석 98

33 < 그림차례 > [ 그림 4-1] EURO# 규제기준비교 40 [ 그림 4-2] 경유및휘발유차량 EURO# 기준비교 41 [ 그림 4-3] 미국과 EU 배출규제수준비교 46 [ 그림 4-4] 미국과유럽디젤엔진에적용되는배기규제비교 47 [ 그림 5-1] 년까지미국의차량가격과배기가스규제비용 57 [ 그림 5-2] CNG 차량보급률 58 [ 그림 5-3] CNG 자동차등록변동그래프 60 [ 그림 5-4] 연료비변동그래프 60 [ 그림 6-1] NIER 06 모드주행패턴 69 [ 그림 6-2] WHVC 모드주행패턴 70 [ 그림 6-3] 배출가스시험장치시험모습 73 [ 그림 6-4] 배출가스시험장치계통도 73

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35 제 1 장서론

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37 서론 1 제 1 장서론 1. 과업의배경및목적 가. 배경 1990년대에들어대도시를중심으로한대기오염문제가사회적관심사로대두되면서자동차로인한대기오염문제, 특히대형경유차의배출가스를근원적으로해결하는수단에대한대응방안모색이필요하게되었다. 우리나라의경우 2002년에개최되는월드컵을좀더쾌적한환경에서치르자는의견에따라오염물질배출이없는저공해차량보급연구및정책을실시하게되었다. 미국을포함한세계각국의정부, 연구기관, 각종단체및자동차제작메이커에서는기존의유류연료를대체하고자에탄올, 메탄올등의알코올연료와 LPG 및천연가스, 그리고전기및수소에너지등을연구해왔다. 그러나당시기술수준으로는전기에너지와수소에너지는실용화단계에이르려면상당한기간이필요하다는결론이었다. 따라서중 단기대체연료에적합한알코올, LPG 및천연가스연료가유력한것으로여겨졌었다. 그중연료의안전성, 장기수급성, 경제성및환경보전측면에서천연가스연료가가장유력한것으로인식되었다. 천연가스는연료특성상휘발유, 경유를사용하는자동차보다오염물질이적게배출되며, 지구온난화원인물질인 CO2 발생량이휘발유차대비 70%, 경유차대비 85% 로상당히낮아환경적인측면에서우수하였다. 또한타연료에비해화재위험도, 연료탱크의폭발위험성, 연료의독성등전반적인안전성면에서우수한것으로평가되었으며, 세계도처에서확보가능한추정매장량이 1989년세계유류소비량을천연가스로 100% 대체했을경우 250년가량을사용할수있는안정적인연료였다. 공급가격역시기존유류에너지대비저렴하였기에매우경제적인연료이기도하였다.

38 2 CNG 보급정책의환경 경제성분석 이에정부에서는대형경유자동차에서배출되는오염물질이전체자동차오염물질의 50% 를차지하는상황에서, 오염물질이경유차는물론휘발유차보다적게배출되는 CNG 차량의개발및보급을결정하였고, 대도시지역대기오염저감을위해 2000년부터 CNG 버스보급정책을추진하였다. 그결과로서울등도시지역미세먼지오염도를크게저감하였으나, 중앙정부및지방정부는 CNG 버스등에과세표준의 2% 인취득세와 5% 인등록세를전액면제해주는세제혜택에서부터직접적인보조금지급, 환경개선부담금면제등지난 10년동안 CNG 버스보급을위해 1200억원의정부지원금을지원하였지만, 최근기존경유버스보다대기오염물질배출수준이크게개선된 EURO-5 기준의경유버스가출시되고, CNG 버스폭발등으로계속되는안전성문제때문에, 업계등에서 CNG 버스지원정책의지속필요성에대한문제제기와클린디젤버스보급정책의전환등을요구하고있는상황이다. 따라서 CNG 버스보급정책의타당성을종합검토하고향후 CNG 버스보급정책방향을설정할필요가있다. 나. 목적 본연구의목적은 CNG 버스와경유버스의대기오염물질및온실가스배출량측정비교를통하여환경 경제성을평가하고, 이를바탕으로 CNG 버스보급정책의타당성을종합검토하고, 향후 CNG 버스보급정책방향설정에기여하고자함이다.

39 서론 3 2. 과업의세부내용 가. 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 미국, 유럽및세계각국의기존조사자료분석및현재의 CNG 기술수준현황을조사, 분석하고, 국내의기술개발수준과천연가스용기기술을조사하여, 배출허용기준이강화되는시점에서주요선진국및국내의 CNG 자동차기술개발수준을분석및전망한다. 나. 배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 과거에배출허용기준이강화될당시차량보급정책에미치는영향을조사하고, 현재시행되고있는미국 유럽등외국의배출허용기준에따른차량보급정책을조사 분석하여, 이를바탕으로차후시행될 EURO-6 기준이적용될시점에서배출허용기준강화 (EURO-5, EURO-6) 정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석한다. 또한국내배출허용기준이강화되는 EURO-6 적용시점에서차량보급정책을예측한다. 다. 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 현재시행되고있는미국과유럽의배출가스규제현황과국내에서적용 하고있는규제현황을비교하고, 차후적용하게될 EURO-6 의규제수준을 비교한다.

40 4 CNG 보급정책의환경 경제성분석 라. 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 현재배출가스규제를위해미국에서시행중인법률과그것이차량가격결정에미치는영향을조사, 분석하고, 과거배출가스와차량가격에관한상관관계를연구한자료를분석하여, 배출가스규제수준강화가차량가격에미치는영향을분석한다. 또한현재국내에서운행중인경유와 CNG 차량가격을비교하고, 정부에서시행중인보조금정책등을조사, 분석한다.

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42 제 2 장국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망

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44 8 CNG 보급정책의환경 경제성분석 제 2 장국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 1. 국외기술개발수준분석 가. 미국 1988년에는대체연료법이제정되어탐색이시작, 이어 1990년에는캘리포니아주에서 Low Emission Vehicle(LEV) 프로그램이제정, 연방정부에서대기정화법이 13년만에대폭으로개정되었고, 또한촉진책으로에너지정책법이 1992년 10월에제정되었다. 로스엔젤래스지구는 1993년에충전소 51개소, 384대의 CNG 차량을포함 1614대의 NGV 차량을도입하였다. Georgia 주는 389대의차량을도입 (NGV 전용차는 11대 ) 충전소는약 17개소이다. 1) SWRI 연구소 SWRI 연구소는미국에서엔진, 연료, 윤활유등을중점적으로연구, 198 8년캘리포니아주 CEC 프로그램의일환으로 HD NGV 프로젝트 (Soil Gas Santa Babara 대기관리국주관 ) 에참여 Cummins 사와공동으로 10리터디젤엔진을기반으로부식실직접분사층상급기 CNG 엔진의개발을실시하였다. 이엔진은남캘리포니아교통국의버스 6대에탑재되어시험운행, 이외에 1989년에스웨덴볼보사와공동으로디젤엔진을 Lean-Burn 방식으로개발하였다. 2) Cummins 사 Cummins 사는미국의대형디젤엔진메이커로알려져있는데, 지금까지 많은 CNG 엔진을개발하여약 84 대를시험및제작하였다.

45 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 9 < 표 2-1> Cummins 사의 CNG 엔진제원 모델 L10-240E L10-240CNG 연료경유 CNG 출력 179kW(240HP) 179kW(240HP) 최고회전 2,000rpm 2,100rpm 최대 Torque 1,051N.m(775ft/lbs) 1,017N.m(750ft/lbs) 회전 1,200rpm 1,200rpm 배출가스는다음과같다. NOx 6.1g/(kW.h) (4.5g/ps.h), CO <6.8g/(kW.h) (5.0g/ps.h), THC <1.8g/ (kw.h) (1.3g/ps.h), PM 0.07g/(kW.h) (0.05g/ps.h) 3) Eaton 사 전세계적으로 CNG 하이브리드기술을개발하고있는회사들은많지만, CNG 하이브리드기술관련해서는미국 Eaton사가가장대표적인것으로알려져있다. 미국 Eaton사는파워트레인측면에서강한기술력을보유하고있고, 기존에소비자가사용하고있는엔진에파워트레인 ( 변속기, MMC 모터, 배터리등 ) 을장착하여중국및세계각국에공급하고있다. 미국 Eato n사가가지고있는대체연료용파워트레인계통의기술개발은세계최초이다. 관련하여미국에서는 Eaton사와엔진메이커들이주정부와공동으로연료전지또는대체연료 (CNG) 자동차에 Eaton사의 Hybrid Drive Unit를매칭하여개발및시운전하고있다. 4) ISE 사 미국캘리포니아주에소재한중장비용하이브리드부품전문회사인 Innovative Solution for Energy(ISE) 사는 2011 년까지샌디에고시에 CNG 하이브리드버스를공급할예정이고, 대량생산은 2011 년초부터시작될전망이다. 해당기종은 1997 년도입된 New Flayer 저상 CNG 버스를기반으로제작된모델로서, ISE사의 Thunder Volt 하이브리드시스템을탑재할계획이다.

46 10 CNG 보급정책의환경 경제성분석 ISE사는현재휘발유및경유엔진, 그리고연료전지를기반으로한하이브리드기술을보유하고있으며, 이를적용한 CNG 하이브리드버스약 3 00여대가실제도입되어사용되고있다. 이러한경험을바탕으로 ISE 사는, CNG 하이브리드버스의개발을통해기술력을더욱강화하려는노력을하고있다. ISE 사에서개발한 CNG 하이브리드시스템의특징과장점은다음과같다. 첫째, 효율성 ( 연비 ) 이증가하였다는점이다. ISE 사의 CNG 하이브리드시스템은연료효율 ( 연비 ) 을 40% 까지향상시킬수있다. 이는일정한거리를위해필요한연료의탑재량을줄이는효과를가져오는데, 결국필요한연료량을저장할연료탱크의크기를줄임으로써, 기존의 CNG 버스보다차체를경량화시킬수있다는장점을갖고있다. 두번째특징은엔진플랫폼이다. ISE 사의 CNG 하이브리드시스템은포드사의 V10 엔진을탑재할예정인데, 6개의실린더엔진은 230 마력을낼수있으며이엔진은기존의 CNG 버스에서사용되는개량형디젤엔진과비교하여같은수준의배기가스후처리장치를탑재하고있음에도불구하고약 4,500 킬로그램의경량화를달성하였다. 세번째특징은오염물질즉배기가스의저감효과이다. ISE 사의 CNG 하이브리드시스템은기존의 CNG 버스와비교하여약 40% 의이산화탄소배출저감효과를가져올것으로예상하고있다. 이는현재상용화되어있는디젤하이브리드버스와비교할때매우낮은수준의이산화탄소배출을달성한것이다. 한편, ISE 사의 CNG 하이브리드시스템은추가적인후처리기술의적용없이미국환경청 (EPA) 이 2010년규정한질소산화물 (NOx) 및미세먼지 (PM) 의규제기준을만족한다. 마지막특징은배터리저장능력의향상이다. ISE 사의 CNG 하이브리드시스템의전기모터 (85kw급) 와발전기 (165kw급) 및인버터는독일지멘스사가제공했고, 온보드시스템은 ISE 사가자체적으로개발하였다. 독자적인리튬이온배터리를사용하고있는데최대 240마력, 9.6kwh의에너지를엔진에공급할수있다. 이를통해다른하이브리드버스와비교하여더나은차량성능을구현하면서도, 배터리저장수명은향상되어기존 CNG 버

47 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 11 스의약점으로지적되었던짧은운행거리의문제점을어느정도보완할수있는것으로평가되고있다. 종합적으로, 가속및감속이빈번하게발생하는버스의시내주행패턴을고려하였을때, ISE 사의 CNG 하이브리드버스시스템은기존 CNG 버스보다다음과같은우수성이있다. 가 ) 연비가향상되어차량운행의경제성이높아진다. 나 ) 온실가스및각종배기가스가저감되어보다더친환경적이다. 다 ) 차체경량화로인해가속성능이향상된다. 라 ) 저속주행시배터리보조동력을활용함으로써정숙하고안전한주행가능하다. 5) CAP 사 미국의 Clean Air Power(CAP) 사는천연가스와디젤연료를동시에사용하는혼소엔진및부품을생산하는업체로 410마력이하의대형혼소엔진시스템위주로개발을진행하여 LNG 차량에적용하고있다. 특히캘리포니아주정부 (CARB) 등의지원에의해 LEV 규제기준을만족하는 MPI 시스템혼소엔진을개발하였다. 미국에서는대형디젤기관에대해소량의디젤분사에의한파일럿점화방식의직접분사식 CNG 기관으로개조하고 EGR을이용하여기관성능및배기가스에대한영향을연구하였다. 그결과단순히 EGR 율과부하에대한 EGR 적용보다공기-연료당량비등과같은인자에의한영향이기관운전과배출에큰영향을미친다고밝혔다. 또한고압연료분사시스템을적용한디젤기관을이용하여저부하상태에서질소산화물및입자상물질이저감되는것을알아내었다. 고압으로분사된천연가스를압출말기디젤파일럿분사를통해점화시키며, 배기저감을위해 EGR 장치를적용하는방법을연구하고있다.

48 12 CNG 보급정책의환경 경제성분석 6) 아르곤국립연구소 미국의아르곤국립연구소는자동차산업의연구진을도와 CNG 차량을실험하고분석할수있는기능을갖추고있다. 특히, 아르곤국립연구소는온실가스방출을규제하고, 표준차량에서의에너지사용을통해서전문가들에게생산, 유통그리고연소의각단계에서연료주기분석을이용한다양한연료의온실가스방출을검사하기위한능력이있다. 나. 유럽 1) 이탈리아 이탈리아의 CNG 이용은 1930년대에시작되어전쟁후석유의이용에이어보급은낮아지고오일쇼크이후수차례회복경향이있었는데실제차량은 CNG 키트의제조회사, 타르타니사, 랜디랜즈사, 오토스프링사등의중소기업 (20여개) 에서개조되고있다. 개조회사는운수성에허가를얻어개조작업을하고있으며대부분이탈리아의 CNG 차에는촉매컨버터는장착되지않고있다. 그밖에우디네시에서도 60여대의 CNG 버스. Fleet test를계획중이며현재 50여개소의충전소를건설중에있고몇년내에충전소를총280여개소로늘릴계획이다. 가 ) Iveco 사 Iveco 사는 1970년대군사적용도 1980년대는생에너지, 1990년대는환경보전으로변화한개발이었는데현재의 CNG 엔진개발은네덜란드의 TN O와협력하여 Iveco 엔진 (6기통,9.5리터) 을토대로시험하고있다. 연료공급장치는 TNO 제품을사용하였고배출가스측정결과 (NOx / 0.96, HC / 0.52, CO / 0.87, PM / 0.015) 이었음. 380km의주행거리와 450리

49 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 13 터용탱크 2 개를장착, 이들의버스는 1991 년 1 월부터 5 대가이태리의라벤 나시에운행되고있다. 2) 스웨덴 Volvo 사는 Co Nordic 프로젝트의일환으로에테르보시 (Gothenburg) 의요 청에의하여 CNG 버스 (THG103) 를개발하였고 R&D 에서개발된디젤엔진 의동력성능은 9.6 리터 185kW, 950N.m 의출력토크특성을갖고있다. 3) 프랑스 프랑스는세계제2차대전중가솔린대체로서 NGV를개발하여 1959년까지사용되었으며그이후는새로제작되고있다. 최근에는가스공사가 1985 년신용도개발의일환으로 NGV를개조하고있고, 현재 30여대의 Bifuel 차가사용되고있으며, 1991년도에 100여대가증차되었다. 4) 영국 CNG 기술관련실험차량대수는 1 만 4 만대로계획하고있고 2000 년에는 20 만대를목표로진행하였다. 가 ) Ricardo 사 가스엔진기술에대해서도 1927년의창립당시부터자가발전용에석탄가스를대상으로한가스직접분사엔진 (DISC) 를개발하여이용한귀중한경험을갖고있고, 지금의환경 에너지문제에관해서는 10년전부터산업 정치용 ( 형 ) 가스엔진을개발시험하고있다.

50 14 CNG 보급정책의환경 경제성분석 개발의접근방법으로는삼원촉매방식과 Lean-burn을시험하고있고현재 2종의프로젝트를추진하고있는데, Co-Nordic버스프로젝트와 USA MD NGV( 버스 / 트럭 ) 프로젝트이다. 전자는 HD도시형버스배출가스를최소화하는것을목표로, Scania 제품의디젤엔진을기본으로한삼원촉매방식의 C NG 엔진을개발하였다. 천연가스엔진중개발키의하나는연소실내에서 HC의발생을최소화시키는것인데 HC의발생이많은이유는한번발생한 HC는메탄이주성분이기때문에촉매컨버터등의후처리에서도저감이비교적어렵다. 또메탄혼합기는연소속도가비교적늦는데이들해결책으로서는 Nebula 연소실이고안되었다. 동연소실은삼원촉매방식및 Lean-burn 양쪽에이용되었다. 개발엔진제원을아래와같다. 엔진형식 : Scania DSG 11, 배기량 : 11리터, 압축비 : 11.5:1, 가스공급시스템 : Deltec사캬브레터사용, 스테핑모터부착, 터보. 인터쿨러를사용하였으며개발의결과당초개발목표인 (NOx: 2.0g/(kW.h) (1.47g/ps.h), HC:1.0g/(kW.h) (0.74g/ps.h), CO:2.0g/(kW.h) (1.47g/ps.h), PM: 0.1g/ (kw.h) (0.074g/ps.h) 를달성하였다. 나 ) Alexander Dennis 사 영국의 Alexander Dennis 사는 Enviro 더블데커하이브리드버스를생산한다. 이하이브리드버스는 BAE 하이브리드시스템과 4.5리터, 실린더, 185hp(138kW) 의 Cummins ISB 디젤엔진 ( 일반버전에서는 6.7리터, 실린더, 250hp(186kW) 에해당 ) 을장착하고있다. Alexander Dennis 사는 IC E의볼륨을축소함으로써약 25% 의연료절감효과가발생했다고보고하고있다.

51 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 15 다 ) Champion 사 Champion 사는포드 E-450 섀시를바탕으로 Azure Dynamics Balance System 이적용된하이브리드버스를생산하고있다. 다 ) Collins 사 Collins 사역시 Azure Dynamics Balance 하이브리드시스템을, 드 E- 450 섀시기반모델인 NEXBUS 에적용하였고, 아울러 Collins Bus 는 E- 450 하이브리드버스에도입될플러그인충전시스템을개발중이다. 5) 독일 가 ) Mercedes Benz 사 독일 Mercedes Benz(Daimler) 사는 Citaro G BlueTec 버스를생산하였다. 직렬하이브리드방식으로, 4.8리터의 218hp(160kW) 블루텍디젤 ICE, 429hp(320kW) 출력의 4륜전기드라이브모터, 그리고루프에는리튬이온배터리팩이탑재되었다. 12리터디젤 ICE의 Citaro에비해 30% 정도연료가절약된다. 나 ) AUDI 사 독일의 AUDI 사는가솔린자동차의 CO2 배출량을 20% 줄이고자 TFSI ( 터보가솔린 ) 엔진을기본으로직분식 CNG 기관을개발하였다. 압축비 12. 1:1로가솔린엔진과동일한출력으로약 120kW/163bhp 정도이며, 말레이시아에실증사업을수행중인것으로알려지고있다.

52 16 CNG 보급정책의환경 경제성분석 다 ) 슈투트가르트대학 독일의슈투트가르트대학에서는터보차져와 EGR을장착한 CNG 기관을실험하고하이브리드시스템으로시뮬레이션평가하였다. 시뮬레이션결과전운전영역에서하이브리드시스템을장착한경우의토크가더높게나타난것으로보고되었다. 유럽의 Transport and Air Quality Unit 프로젝트에서총 9대의저공해자동차로실증사업을수행중인것으로알려지고있다. 이저공해자동차의 THC 배출량은전차종모두 EURO-6의기준을만족하나 CO 배출량은천연가스자동차의경우 EURO-6 기준의두배정도이며, NOx 배출량은오히려메탄-가솔린하이브리드자동차와타차종에비해월등히낮게나타나 EURO-4 기준을만족하였다. 다. 캐나다 캐나다에있어서 NGV의보급은태평양연안의 British Columbia(BC) 주, 토론토주변의 Ontario 주및 Quebec 주에집약되고있고, BC Internation al 사가보급추진을하고있으며, 매년 대의가솔린차가 Bifuel 차로개조하고있는상황이다. 1) AFS 사 천연가스엔진과인젝터, 레귤레이터등의천연가스자동차용부품을생산하는업체로스로틀바디에인젝터를장착하여연료를분사하는혼소 SPI 시스템을개발하여대형차량에적용하였다. 이러한가솔린과천연가스를선택적으로사용하는 SPI 겸용시스템을개발하여멕시코의택시개조시장에참여하고있고, 10l 급대형엔진의린번 (Lean-burn) 전소시스템도개발하고있다.

53 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 17 2) Cummins-Westport 사 캐나다의 Cummins-Westport 사는대형혼소엔진개발에주력하고있 다. 특히천연가스와디젤연료를동일인젝터에서분사할수있도록액츄에 이터를개발하여배출가스와출력면에서우수한성능을입증하였다. 라. 호주 1985년연방정부는대체연료대책으로서 NGV를연구하고있는데호주각주중빅토리아주의 GAFCOR 사는 1975년부터 R&D를시작으로멜버른대학의협력으로실용화에노력하여왔다. 1986년에는 NGV 부문을설립하여디젤중량차에기술적, 시장업무를개시하여다종의기술을개발하여보급에노력하고있으며현재버스24대, 트럭45대, 포크리프트 120대를보급하였다. 1) AEC 사 호주의 AEC 사는 MPI 전소제어시스템을개발, 대형엔진에적용하는촉 매없이도 EURO-4 수준까지배출가스를저감하여 MAN( 유럽차량그룹 ) 과 르노등에엔진을공급하는것으로알려져있다. 마. 일본 일본은 1985 년부터천연가스차량연구및보급을시작하여충전소증가 와더불어 NGV 차량도증가하고있다.

54 18 CNG 보급정책의환경 경제성분석 < 표 2-2> NGV 개조차량현황 소유자 일본가스협회 동경가스 大阪가스 동경가스 서부가스 大多口가스 계 화물차 8(8) 61(9) 50(4) 26(4) 5 150(25) 승용차 2 5 4(2) 1 12(2) 화물차 2(2) 1 2 5(2) 대형버스 1 1 소형버스 경자동차 2 2 원부자동차 계 8(8) 69(11) 57(4) 32(6) (29) 충전소 ) 일본자동차연구소 (JARI) JARI는제1차오일쇼크전후부터현재까지계속하여알코올연료, 메탄올엔진에관한 R&D를하여왔고, 메탄올이외의대체연료로서천연가스에의조사는 1983년에시작되었다. 2년간의예비조사후본격적인조사연구는 1 986년에착수하였는데이때 LNG엔진이개발대상이었다. DI방식, 흡기메니홀드에분사하는방식등이시작되어, R&D는 1991년도에종료하였고, 199 1년부터는 MITI/JGA의압축천연가스자동차의실용화조사를시작현재까지 4년간 CNG 엔진기술이시도되었고주로도시환경문제에의대응기술로서 HD, 삼원촉매방식 ( 믹서형 ) 같은 Lean-burn방식또분사식 Lean-burn 방식이이용되었다. 2) 이스즈자동차 이스즈자동차는최근도시형환경문제에대응하여 HD CNG 엔진의엘프청소차를동경가스와공동으로개발하고있다. 현재운수성의인증을받아자치단체에시험운행에들어간상황이다. 일본의이스즈와캐나다의 Westport사의합작으로직접분사식 CNG 엔진을개발중이다. 이엔진은터보차져와 EGR 시스템을장착하였으며, 선택적환원촉매장치 (SCR : Selective Catalytic Reduction) 로 NOx 저감을도모한다. 또한, 이스즈는천연가스를디젤기관과같이확산연소하는방식인디젤

55 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 19 사이클 CNG 기관을연구하였다. 사용된 CNG 인젝터는자계에의한소자의변형으로니들을움직이는방식이다. 이기관이탑재된 2톤트럭도고효율과저공해를동시에달성할수있음이확인되었다. 일본의 ACE 프로젝트, 즉고효율클린에너지자동차연구개발에서는하이브리드파워시스템과천연가스엔진을조합한자동차가개발되었다. 2톤트럭을기본으로개발된 CNG 자동차는압축착화엔진으로기통간연소의불균형을억제하고과급기를개량함으로써안정연소영역을 80% 까지확대하여 3 5.1% 의열효율을실현했다. 한편 2톤트럭을기본으로불꽃점화방식을채택한 CNG 자동차도개발되었다. 또한정지형천연가스엔진개발도이뤄지고있으며저압축비에의한노킹억제및고팽창비를얻기위한흡기변의폐쇄시간을변경하는밀러사이클을채용해 30% 이상의출력향상과 43% 의열효율달성을보고하였다. 바. 중국 중국은천연가스하이브리드자동차와전기자동차에대해높은관심을갖고있다. 특히, 중국정부는정부하이테크놀로지 R&D(National High Technology Research and Development Program) 을운용중이다. 중국의천연가스하이브리드자동차내의자동차생산자들은천연가스하이브리드자동차가장래고부가가치의경쟁력있는상품이라고생각하고있으며, 중국의대표기업들인 FAW, Dongfeng, SAIC Motor, Changan, Chery, BYD 등은많은인력과자원을천연가스하이브리드자동차산업에투자하고있다. 이와관련하여중국의최대상용차 OEM 업체의하나인 Beiqi Fut on사는연간 5천대의천연가스하이브리드버스를생산할수있는설비확충을위해투자하고있다.

56 20 CNG 보급정책의환경 경제성분석 1) FAW 사 FAW 사는 2008년베이징올림픽을겨냥하여 Hybrid City Bus를생산하여, 2009년 1월공식출시하였다. 2009년 8월부터 Jeifang 버스에 Enova 하이브리드시스템을도입하기시작하였다. 이버스의최대속도는 53mph(8 5kph) 로, 100명이상의생산을목표로하고있다. 특히, CNG 하이브리드버스의경우연비가약 38% 까지개선가능하다고보고되고있다. 2) 형통 ( 亨通 ) 사 중국중경시에소재한중국최대의상용차량제작회사인형통버스주식회사는옥시그룹과의합작으로미국산업용기계제작회사인 Eaton Group 의하이브리드버스시스템을도입하여, 2009년 1월 9일중국최초로하이브리드 CNG 버스 ( 모델명 : CKZ6126HENV3) 를출시하였다. 2년동안의개발기간동안약 300만위안의투자비용이소요되었으며, 17,000km에달하는주행성능테스트실시하였다. CNG 하이브리드버스의전장은 12미터, EURO Ⅲ-compliant CUMMINS ISBe 5.9-liter 엔진을기반으로한하이브리드시스템을갖추고있다. 기존의 CNG 버스와비교하여 27% 의연료효율향상효과 ( 연 10,000m 2 의천연가스절감효과 ) 를달성한것으로평가하고있다. 아울러에너지효율성을약 23% 로향상되었으며, 질소산화물 (NOx) 의경우연간 576kg 정도발생하지만기존의디젤버스에비해서는연간 500kg 정도의이산화탄소저감효과를갖고있는것으로평가되고있다. CNG 하이브리드버스는시속 50km 까지도달하는데 22.5초가걸려기존모델보다성능이 20% 향상되었으며, 같은성능환경에서경유로환산하여 100km 를주행하는데 28.3 리터의연료만소모한다. 배터리수명은약 8년이며, 50km의속도로주행할때소음이약 70데시벨로서편안한주행성능을구사하고있고, 유럽환경기준이 EURO-4 배기가스기준을만족하는것으로평가되고있다.

57 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 21 3) 일기 ( 一氣 ) 버스사 중국내 3위규모의운송업체인광주일기 ( 一氣 ) 버스가형통사의하이브리드 CNG 버스를 2009년총 30대구입하여 2009년 1월 11일부터중경과광주를운행하는버스노선에투입운행하고있다. 이는중국최초의하이브리드 CNG 버스운행사례이며, 도입후광주일기버스사는월평균차량유지비용을 20% 이상감축한것으로보고되었다. 사. 인도 1) Ashok Leyland 사 인도의대표적인상용차메이커인 Ashok Leyland 사는 2010년 1월에개최된 Auto Expo 2010에서플러그인하이브리드버스 HYBUS' 를발표하였다. 이 CNG 하이브리드버스는 Series-hybrid 형식을취하고있고, 리튬이온 (Lithium-Ion) 배터리를장착하고있고, CNG를최적의조건에서발전용으로사용하고발생된전기를배터리에저장하는방식을채택하였다. 2010년말경 Commonwealth Game 기간에도로주행테스트를실시할계획인데, 일반버스대비연비를약 20 30% 향상시킬수있을것으로예측하고있다.

58 22 CNG 보급정책의환경 경제성분석 2. 국내기술개발수준분석 가. 국내 CNG 기술현황 국내의경우도직접분사식 CNG 엔진에대한많은연구가이루어지고있다. 1) 대우버스 ( 주 ) 대우버스 ( 주 ) 에서는 1,900cc 급양산엔진을가시화엔진으로개조하여분사시기변경을통해직접분사식 CNG 엔진의연소및배출가스특성에대해연구하였다. 그결과분사압력이증가될수록분사각은줄어들고침투길이가늘어나는경향을보였다. 직접분사식 CNG 엔진은체적효율이증가함으로써출력향상을가져오며, 성층화효과및실린더내유동속도증가를통해연소한계를대폭증가시키는결과를보였다. 또한연소한계영역을향상시킴으로희박영역에서미연탄화수소및질소산화물이저감됨을보였다. 2) 한국동력자원연구소 한국동력자원연구소에서는 1,439cc 4실린더천연가스기관의압축비를 9: 1, 10:1, 11:1로변화시키고기존압축비와동일한가솔린기관과비교하여기관회전수, 공기과잉률및점화시기에따른기관의성능특성에대해연구하였다. 압축비증가에따라출력은향상되며, 연료소비율도감소되었다. CNG 기관에서 CO는거의배출되지않으며 HC는가솔린기관과유사하지만희박영역에는더욱감소하는경향을보였다. NOx의배출농도역시가솔린의경우보다증가함을보였다. CNG 기관의열효율을가솔린기관에비해향상되고압축비증가에따라더욱향상됨을나타내었다.

59 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 23 3) 한국기계연구원 한국기계연구원에서는천연가스기관의출력향상을위해과급및압축비의변화를검토하였다. 이를통해천연가스기관의출력및효율을상승시키기에는압축비변화보다는과급하는방법이엔진운전영역범위에서유효하다는것을밝혔다. NOx는압축비증가시기존엔진의배출량과비슷함을보였지만과급의경우에서는 2배정도상승되는것을나타냈다. 이런결과로부터엔진의운전영역에따라적절한과급압의선정이필요한것을보였다. 4) 성균관대학교 성균관대학교에서는대형직접분사식 CNG 기관에서흡기보조분사시분사율이 10% 에서희박한계의최대치는공기-연료당량비 1.5 부근에서나타나는것을보였으며, 노크한계압축비는 11.5임을밝혔다. 직접분사식과흡기관분사식 CNG 기관에과급을하여비교한경우에는직접분사식의출력과열효율은공급열량증가에의해증가되나 NOx 배출량이흡기관분사식보다전반적으로크게나타나과급에의해희박한계가확장되더라도부가적인 NOx의저감장치사용이필요한것을보였다. 이밖에도기존천연가스에수소를섞어서연소시키는 HCNG 엔진개발및하이브리드기술을접목시킨 CNG-하이브리드자동차에대한기술개발역시이루어지고있다. 하지만우리나라의경우는좁은시장으로자동차제작사가적극적으로승용차에대한개발은이루어지지않고있으며, 공공성을가지는대형자동차에대해서만기술개발이이루어지고있다. 우리나라의 NGV 엔진기술을해외와비교해보면기술수준은크게차이가나지않는다.

60 24 CNG 보급정책의환경 경제성분석 다만, 4세대기술적용에있어우리나라의경우는학계와연구소중심으로기술개발이이루어지고있으며, 해외의경우는일부자동차제작사들에의해상용화가진행중에있다. 3세대와 4세대엔진의경우출력과연비, 배기가스저감능력등에서큰차이를보이고있기때문에앞으로강화될배출가스규제에대한대비를위해서는반드시 4세대엔진기술개발이필요하다. 용기제조기술분야에서도우리나라와해외의기술을타입별로비교하여보면용기제조기술이비슷한 Type 1, 2의경우는생산기술이나품질에서는큰차이를보이고있지않다. 반면 Type 3, 4의경우우리나라업체들이상용화에성공하여제품을판매하고있는단계지만용기제조의핵심인랩핑에사용되는탄소섬유제조기술이미흡하여대량판매가이루어지지않고있기때문에제조단가가해외보다높아해외진출에어려움이있다. 또한, LNG 용기의경우는 한비가국산화를통해자체적으로생산해공급하고있으며, 한국가스공사가기술개발을하여 NGV 업계가기술이전을한상태이지만아직신뢰성이낮아추가적인기술개발이더필요하다. 국내천연가스자동차는현재 EURO-4의기준으로상용화가되어있으며, 중대형천연가스상용차 ( 버스및청소차 ) 만개발및판매되고있다. 그이유는중소형자동차의개발 판매와관련된이해당사자간의갈등, 충전소인프라구축부족, 천연가스자동차보급이외의자동차저공해화정책추진등으로중소형자동차의시장형성여건이미흡하기때문이다. 우리나라를포함한세계각국가들의 NGV의기술개발현황을보게되면향상된연비, 열효율, 배기가스저감에포인트를두고이부분에집중적인개발을진행하는것으로보인다. 다만우리나라의경우는현대기아자동차나, GM 대우와같은자동차제작사에서상용화를위한기술개발은진행하지않는것으로보이며, 국내연구기관들을중심으로엔진에대한 4세대기술실증연구를진행하는것으로보인다.

61 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 25 이와는다르게세계의유수자동차제작사들은 NGV의상용차에대한 4세대기술개발과상용화에주력하고있다. 따라서천연가스자동차의수출확대를위하여국내의주력인천연가스상용차의배기가스수준을 EURO-6 기준에부합하거나이를넘어서는기술개발및중소형 NGV의상용화가시급하다. 국내천연가스자동차엔진중기존의 6기통디젤엔진을모태로하여개발한 CNG 엔진은불꽃점화방식의 Lean-Burn 엔진으로개발되었다. 천연가스버스의기본구조는종래의디젤버스와같고, 연료계통만이변경되었다. 사용연료인천연가스는디스펜서를통하여고압의천연가스를차량내의가스용기에저장하며, 이때의저장된연료량은운전석에서압력계로모니터링할수있도록되어있다. 또한, 내부압력의과다상승시안전밸브를거쳐외부로벤팅하는안전장치가설치되어있다. 압축된가스는용기로부터연료배관을거쳐감압밸브에서사용압력으로일정한압력으로감압된후, 공기와혼합되어엔진내부로공급되는구조이다. 나. 국내천연가스용기기술 압축천연가스 (CNG) 자동차에서사용되는 CNG 용기는사용재료와복 합재료강화방법에따라 4 가지로구분한다. 1) Type 1 Type 1(CNG-1) 용기는강또는알루미늄으로만들어진금속제용기로복합재료에의한구조적강화없이금속재료만으로압력하중을견디도록만든용기이다. 이러한형태의용기는높은압력을견디기위하여용기의벽두께를두껍게해야하므로무게가많이나가는단점이있다.

62 26 CNG 보급정책의환경 경제성분석 2) Type 2 Type 2(CNG-2) 용기는 Type 1 압력용기에서원통부분의벽두께를감소시켜무게를줄이기위해강또는알루미늄으로만들어진금속제라이너위에수지를함침시킨탄소섬유나유리섬유를원주방향으로감아서보강한복합재료용기이다. 이형태의용기는 Type 1 에비해무게는다소감소되지만라이너가압력하중의일부를부담해야하므로용기양끝단돔부분의벽두께가두껍게제작되므로경량화정도는그다지크지않다. 또한복합재료가몸통부분만원주방향보강이되고길이방향으로는보강이되지않아길이방향의파손에대한우려가있다. 3) Type 3 Type 3(CNG-3) 용기는강또는알루미늄으로만들어진얇은금속제라이너위에에폭시나불포화폴리에스터수지를함침시킨탄소섬유나아라미드섬유또는유리섬유를원주방향과길이방향으로감아서보강한용기로금속제라이너는하중을부담하지않거나극히일부분만을부담하도록제작된다. 4) Type 4 Type 4(CNG-4) 용기는용기의경량화를목적으로나일론이나고밀도폴리에틸렌 (HDPE) 과같은비금속재료로만들어진라이너위에수지를함침시킨탄소섬유나유리섬유를원주방향과길이방향으로감아서보강한용기로비금속재료로만들어진라이너는하중을거의부담하지않고, 가스가새지않도록하는역할만을한다. Type 3 와 Type 4 용기를초경량복합재료 CNG 용기라부른다. 초경량복합재료 CNG 용기는가스를담아두는알루미늄또는플라스틱라이너를탄소섬유복합재료로길이방향과원주방향으로보강한탱크이다. 이는

63 국내 외경유및 CNG 자동차기술개발수준분석및전망 27 기존금속제용기보다 2배이상가볍다. 내구성도뛰어나다. 하지만보강재로사용되는탄소섬유의가격이고가이므로제품가격은기존의금속제에비해높다. 전통적으로천연가스자동차가많이보급되어있는남미국가들은대부분 Type 1 또는 Type 2 와같은금속제용기를사용하고있다. 초경량용기 (Type 3, Type 4) 는 1990년대부터보급되기시작하여미국, 일본, 캐나다, 독일등의선진국에서주로사용하고있다. 우리나라에서도현재보급이점차늘어나고있다. 차량의성능향상을위해초경량용기의사용이점차확대되고있으나세계적으로초경량용기의시장점유율은아직은낮은수준이다. 우리나라에서는 Type 1, 2가보급되어있으며, 개조시장에서는 Type 1, 2, 3, 4 모두사용되고있다. 국내개발이전에는이태리 Faber사제품을수입하여사용하였다. Type 4 용기는개발되어 CNG 개조차시장에판매되고있지만상대적으로높은가격문제로시장진입에어려움을겪고있는형편이다.

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65 제 3 장배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석

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67 배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 31 제 3 장배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 1. 미국 유럽등의외국사례 가. 미국 대체연료관련차량기술개발로배기규제를만족하기위해자동차에있어가장필요한기술, 자동차의에너지효율향상및미국의석유의존도를현저히줄이기위한기술개발에목표를둔 The Office of Advanced Automoti ve Technologies(OAAT) 의프로그램등을추진하고있다. 또한미국에너지성 (DOE, Department Of Energy) 에서는에너지안보와관련하여수송용자동차발전단계에대한로드맵을만들고그에따른연구개발전략을수립, 연구개발을수행중이다. 미국의자동차배출가스규제는연방환경청 (EPA) 이정하는 Tier 기준과캘리포니아주독자적인대기방지조례인 LEV(Low Emission Vehicle) 기준을적용하고있다. 1) 미국의배기가스규제기준 가 ) 자동차종류 소형승용차 (Light Duty Vehicles) : 승차인원 12인이하차량 소형화물차 - Light Duty Truck : GVWR 8500lb(3856kg), 공차중량 6000lb (2721kg) - Heavy Light Duty Truck : GVWR 8500lb, 공차중량 > 6000lb 중량자동차 (Heavy Duty Vehicles) : GVWR > 8500lb, 공차중량 > 6000lb

68 32 CNG 보급정책의환경 경제성분석 나 ) 미국 ( 연방 ) 의자동차배출가스허용기준 미국 ( 연방 ) 의배출가스규제기준은 1994년부터경량차량및중량차량에대해 2단계에걸친배출가스배출기준 (Tier1, Tier2) 를규정하고청정연료사용자동차의생산및보급촉진을위한구매의무화조항을반영하고있다. 2004년부터는 Tier2 기준이적용되어오존생성을통해광화학스모그에영향을미치는질소산화물 (NOx) 의규제가강화되었고, 포름알데히드등휘발성유기화합물기준치도 50% 수준으로강화한규정을시행하고있다. Tier2 규제는배출가스의배출량을 10단계카테고리로나누어자동차메이커가차종당어느카테고리를만족시킬것인지를스스로정하도록하고, 각각의모델판매대수에따라산출한기업평균배출가스기준이 Bin5 카테고리에해당하는규제치에만족시키도록규정짓고있다. < 표 3-1> Bin# 카테고리 Bin# 인증기준치 단위 : (Useful Life = 120,000miles) g/mile CO NMOG NOx PM 적용시기 년 2009 년 Phase-in 자동차판매대수에따라산출된기업평균배출가스기준이 Bin5 를만족 시켜야하므로, Bin8 카테고리의해당차량을판매하는것도가능하다. 그러

69 배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 33 나 Bin8 이후카테고리해당모델은 2008 년이후부터는판매할수없도록 하였고, 2009 년형모델부터는 Bin7 보다엄격한기준을만족하는모델을 도입하였다. 다 ) 미국캘리포니아주배출가스허용기준 세계에서자동차의배출가스규제가가장먼저시행된곳은미국캘리포니아주의로스앤젤레스이다. 도시화가급격히진행된로스앤젤레스에서는이미 1943년유명한 LA스모그가발생하였으며, 이것이미국에서의자동차배출가스공해의시작이었다. 1952년캘리포니아공과대학의 A.J.H. 스미트에의해 LA 스모그가태양광선과자동차의배출가스에의한광화학스모그라는것이밝혀지면서자동차배출가스가 LA스모그의유력한발생원이라고하여주목되기시작하였다. LEV(Low Emission Vehicle) 및 ZEV(Zero Emission Vehicle) 프로그램으로대별되는캘리포니아주의자동차배기가스규제는연방정부의규제치보다배출가스기준이엄격하다. 1994년 2003년모델차량에대해적용되어오던 LEV1 기준에이어 2 004년모델부터 NOx 및 PM 기준이한층강화된 LEV2 프로그램을시행중이다. 또한자동차메이커로하여금일정비율의무공해차량 (ZEV) 판매를의무화함으로써청정연료자동차시장확대를추진하고있다. < 표 3-2> 캘리포니아주배출가스기준 Emission Classes 인증기준치 단위 : (Useful Life = 120,000 miles) g/mile NMOG 5) CO NOx PM HCHO 6) LEV 1) , ULEV 2) , SULEV 3) ZEV 4) * 1) LEV : Low Emission Vehicle * 2) ULEV : Ultra Low Emission Vehicle

70 34 CNG 보급정책의환경 경제성분석 * 3) SULEV : Super Ultra Low Emission Vehicle * 4) ZEV : Zero Emission Vehicle * 5) NMOG : Non-Methane Organic Gas( 비메탄계유기가스 ) * 6) HCHO : Formaldehyde( 포름알데히드 ) * CARB-LEV2 규정채택지역 : 캘리포니아, 뉴욕, 메사추세스, 메인, 버몬트 나. 유럽 유럽의배기가스규제는 2005년에 EURO-4가적용되기시작했는데, EU 위원회에는 2008년에 EURO-5 적용하였다. EURO-4의규제치는가솔린승용차에서 HC가 0.10g/km, NOx가 0.08g/km, CO가 1.0g/km. 이것이 E URO-5의드래프트에서는 CO의수치는변함이없고 HC가 0.07g/km, NO x가 0.06g/km 로각각 25% 씩저감할것을요구하고있다. 배기가스의시험모드는다르지만 EURO-5안은미국의 Bin5나일본의규제치보다는엄격하지않다. 연비에관해서는유럽자동차공업회가 2008년의신형차량평균이산화탄소배출량을 1995년대비 25% 줄어든 140g/km로할것을자율규정했으나, 올해유럽위원회에서그것을강제규정으로하고배출량도 120g/km까지낮출것을요구하였다. EU의자동차배기가스기준은경량자동차 ( 승용차및소형트럭 ) 에대해서는지침 70/220/EEC에서, 그리고중량디젤트럭및버스에대해서는지침 88/77/EEC에서각각규정하고있으며, 각지침에서규정하는기준은유럽의자동차배기가스규제기준인 EURO Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ 기준으로대변되며, 지속적으로강화되고있는추세이다. EU 집행위원회는 2007년 2월에유럽시장에출시되는신차의이산화탄소평균배출량의감축을의무화하는법률규제도입을결정하였다. 이는 1998 년에자동차업계가 EU와자발적협약을맺고 2009년까지신차의평균이산화탄소배출량을 140g/km로낮추겠다고약속했으나, 이것이이루어지지않자 EU 당국이감축을의무화하는법률도입추진을진행한것이다. EU 집행위원회는 2012년까지신차의평균배출량을 130g/km로의무적으로감 소시키는규제법안을상정하였고, 2012 년부터 2015 년까지 동허용량을

71 배출허용기준강화정책이 CNG 버스보급정책에미치는영향분석 35 초과할경우점차재정적불이익을확대함으로써자동차제조사가법안을이행하도록유도한다는계획이었다. 2008년 12월 EU 이사회와 EU 의회가자동차이산화탄소규제법안에대한합의를도출했으며, 2009년 4월에 EU 이사회를통과하였다. 통과된법안이제시하는감축목표는 EU 집행위원회안을유지하여자동차엔진기술을통해 130g/km를달성하고이와함께타이어, 바이오연료등으로부터 10g/km를추가감축하도록했다. 동감축목표의경우, 단계별로 2012년신규자동차생산량의 65%, 2013 년 75%, 2014년 80%, 2015년이후 100% 감축을합의하였는데, 이는 E U 집행위원회가 2012년부터 100% 시행하자고제안한것보다는완화된것이다. 한편이법안은애초에차량중량 2,610kg까지의승용및경상용자동차에한정하여적용할것을제안하였으나, 결정된법안에서는승용및경상용자동차모두를적용대상으로하여동일하한배출기준을적용함으로써중량제한을철폐하였다. 벌금수준은상기감축목표를기준으로 2012년부터 2018년까지초과한 g 당누적으로 1g의경우 5유로, 2g의경우추가 15유로 ( 총 20유로부과 ), 3 g의경우추가 25유로 ( 총 45유로 ), 4g 이상의경우추가 95유로 ( 총 140유로 ) 를부과하고, 2019년이후에는초과 g 당 95유로부과를결정하였다.

72 36 CNG 보급정책의환경 경제성분석 2. 국내영향예측 2012년부터자동차의배출가스허용기준이유럽과미국등선진국수준으로강화하였다. 또한배출가스기준에나노입자개수및입자상물질관리를강화한규정등이신설되었다. 이르면 2012년부터경유자동차의배출가스허용기준으로 EURO-6가적용될예정이다. 2014년유럽에도입되는 EURO-6는지금시행중인 EURO -5보다질소산화물, 입자상물질기준이각각 80%, 50% 로강화된기준이다. 국내 CNG 버스는 2013년부터 EURO-6 기준보다약 13% 강화된기준이적용된다. 또한, 신모델은 월부터기존모델은 월부터메탄 (0.5) 및암모니아 (10ppm) 기준이새롭게도입됨에따라연비성능도크게개선될것으로기대하고있다. 환경부는국내제작차량및건설기계에대해차기배출허용기준을선진국수준으로강화하는법령개정을통해국민건강보호와대기환경개선을동시에달성할것으로예상하고있다. 저공해자동차및관련부품의개발을가속화하고세계의자동차환경규제강화에적극대응함으로써글로벌경쟁시대에자동차산업의국제경쟁력확보에도기여할것으로전망된다.

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74 제 4 장경유및 CNG 버스배출가스 규제현황및차기규제기준비교

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76 40 CNG 보급정책의환경 경제성분석 제 4 장경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 1. 유럽과미국의배출가스규제현황및차기규제기준 가. 유럽 1) 현행규제현황및차기배출가스규제수준비교 EURO는유럽연합이 1990년도입한차량배기가스규제의명칭이다 년 5월 30일유럽각료이사회는승용차및경량트럭배기가스기준을한층강화한새로운자동차배기가스기준을발표하였다. 이규제가 EURO-5와 E URO-6 이다. 이규제의가장큰특징은입자상물질 (PM), 질소산화물 (NOx) 의규제강화이다. EURO-1의경우는 1993년부터일반승용차와경트럭대상으로적용되었고, EURO-2는 1996년부터승용차대상으로시행되었다. EURO-3이 2000 년부터전자동차로대상확대되었고, EURO-4의경우는 2005년부터적용되었다. EURO-5는 2009년 9월부터적용되었고, EURO-6의경우 2014년 9 월부터적용예정이다. [ 그림 4-1] EURO# 규제기준비교

77 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 41 EURO 기준등급은질소산화물, 일산화탄소, 이산화탄소배출량을단계적으로줄이게되어있다. 가솔린, LPG, LNG 차량기준모두명시되어있으나한국에서는디젤차량만적용을받는다. PM은 EURO-4의 80%, 질소산화물은 EURO-4의 20% 강화된수치를만족시켜야한다. [ 그림 4-2] 경유및휘발유차량 EURO# 기준비교 < 표 4-1> 디젤자동차와가스자동차의배출기준비교 (Passenger Car(2.5t GVW)) 단위 : g/km 구분 HC+NOx CO NOx PM EURO-4( 디젤 ) EURO-4( 가스 ) 0.1(HC) EURO-5( 디젤 ) EURO-5( 가스 ) 0.05(HC) (GDI) EURO-6는유럽뿐만아니라북미, 일본등을포괄하는전세계배출기준의첫시행단계이다. EURO-6의배기가스기준은 EURO-5에비해배기가스배출량을대폭감소시켜야한다. 질소산화물의배출량은 EURO-5에비하여 80%(0.40g/kWh) 까지줄여야하며, 입자상물질의경우 50%(0.01 g/kwh) 까지감축해야한다.

78 42 CNG 보급정책의환경 경제성분석 < 표 4-2> 디젤자동차와가스자동차의 EURO-6 배출기준비교 ( 단위 : g/kwh) 구분 CO THC NMHC CH4 NOx PM NH3(ppm) ESC( 디젤 ) ETC( 디젤 ) ETC( 가스 ) ESC : European Static Cycle ETC : European Transient Cycle 나. 미국 미국의자동차배출가스규제는미국연방환경청 (EPA) 이정하는 Tier 기준과캘리포니아주독자적인대기방지조례인 LEV(Low Emission Vehicl e) 기준을적용한다. 자동차배기가스에대해대기청정법과자동차기업평균연비로규제하고있으며미국연방환경청 (EPA) 이배기가스규정을제정하고있다. 연방정부차원에서 1970년에제정된대기청정법을통해처음으로자동차배기가스기준을규정했으며주차원에서는캘리포니아주가 1960년자동차오염방지법을제정하고 1966년부터엔진의배기가스규제를실시하고있다. 지금까지미국에서판매되는모든자동차는미국연방환경청의연방기준또는캘리포니아주의배기가스기준중각주마다조금씩차이가있지만둘중하나이상을충족시켜야한다. 대개캘리포니아기준은캘리포니아및북동부지역에서채택하고있으며나머지주들은연방법을따르고있다.

79 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 43 1) 대기청정법 대기청정법에서는탄화수소, 질소산화물, 일산화탄소, 입자상물질, 포름알데히드등의배기가스를규제하고있으며대기오염이심각한캘리포니아주에대해별도의자동차배기가스규제기준을제정할수있는권한을부여한것이특징이다. 가 ) Tier 2 bin 1 : 가장청정한배기가스자동차, 거의제로수준의배기가스 (ZEV : Zero Emission Vehicle) 나 ) Tier 2 bin 2 4 : 평균기준보다청정한자동차다 ) Tier 2 bin 5 : 평균기준자동차라 ) Tier 2 bin 6 9 : 평균에미달하는자동차마 ) Tier 2 bin 10 : 배기가스기준을통과한자동차바 ) Tier : 예전연방기준 2) 캘리포니아 1960년자동차오염방지법을제정하고 1966년부터자동차배기가스배출규제를실시했다. 각차량의배기가스는실시연도에따라잠정저공해차량 (TLEV), 저공해차량 (LEV), 초저공해차량 (ULEV), 유해물질 0인무공해차량 (ZEV) 등으로구분하고있다. 가 ) ZEV : 유해물질 0인차량나 ) ULEV Ⅱ : 초저공해자동차, 탄화수소및일산화탄소배출수준이거의 LEV Ⅱ의절반수준다 ) ULEV Ⅰ : 초저공해차량, 저탄화수소배출을강조한기준라 ) LEV Ⅱ : 저공해차량, 대기청정법의 Tier 2 bin 5에해당하는수준, NOx 배출량이 LEV Ⅰ의 25% 인차량마 ) LEV Ⅰ : 저공해차량, Tier 1의 2배정도엄격한기준

80 44 CNG 보급정책의환경 경제성분석 < 표 4-3> 미연방배출가스분류체계 분 류 비 고 Tier 2 bin 1 최고기준, Zero-Emission Vehicle(ZEV) Tier 2 bin 2 4 평균기준보다우수 Tier 2 bin 5 평균기준, LEV Ⅱ Vehicle Tier 2 bin 6 9 평균이하 Tier 2 bin 10 자동차에적용할수있는최저기준 Tier 년모델까지만허용되며, 부적합기준 < 표 4-4> EPA Tier1-3 Nonroad Diesel Engine Emission Standards, g/kwh(g/bhp.hr) Engine Power kw <8 (hp <11) 8 kw< 19 (11 hp <25 19 kw <37 (25 hp <50 37 kw <75 (50 hp < kw <130 (100 h p< k W<225 (175 h p<300 Tier Year CO HC NMHC+ NOx NOx PM Tier (6.0) ( ( ) ) Tier (6.0) - 7.5(5.6) - 0.8(0.6) Tier (4.9) - 9.5(7.1) - 0.8(0.6) Tier (4.9) - 7.5(5.6) - 0.8(0.6) Tier (4.1) - 9.5(7.1) - 0.8(0.6) Tier (4.1) - 7.5(5.6) - 0.6(0.45 ) Tier (6.9) - Tier (3.7) - 7.5(5.6) - 0.4(0.3) Tier (3.7) - 4.7(3.5) - - Tier (6.9) - Tier (3.7) - 6.6(4.9) - 0.3(0.22) Tier (3.7) - 4.0(3.0) - - Tier (8.5) 1.3(1.0) - 9.2(6.9) 0.54(0.4) Tier (2.6) - 6.6(4.9) - 0.2(0.15) Tier (2.6) - 4.0(3.0) - -

81 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 k W<450 (300 h p< k W<560 (600 h p<750 kw 56 0 (hp 75 0) Tier (8.5) 1.3(1.0) - 9.2(6.9) 0.54(0.4) Tier (2.6) - 6.4(4.8) - 0.2(0.15) Tier (2.6) - 4.0(3.0) - - Tier (8.5) 1.3(1.0) - 9.2(6.9) 0.54(0.4) Tier (2.6) - 6.4(4.8) - 0.2(0.15) Tier (2.6) - 4.0(3.0) - - Tier (8.5) 1.3(1.0) - 9.2(6.9) 0.54(0.4) Tier (2.6) - 6.4(4.8) - 0.2(0.15) < 표 4-5> Tier 4 Emission Standards-Engine up to 560 kw, g/kwh(g/bhp-hr) Engine Power kw<8 (hp<11) 8 kw<1 9 (11 hp< 25) 19 kw< 37 (25 hp< 50) 37 kw< 56 (50 hp< 75) 56 kw< 130 (75 hp< 175) 130 kw <560 (175 hp <750) Year CO NMHC NMHC+ NOx NOx PM (6.0) - 7.5(5.6) a (0.3) (4.9) - 7.5(5.6) - 0.4(0.3) (4.1) - 7.5(5.6) - 0.3(0.22) (4.1) - 4.7(3.5) (0.022) (3.7) - 4.7(3.5) b (0.22) (3.7) - 4.7(3.5) (0.022) c 5.0(3.7) 0.19(0.14) (0.30) 0.02(0.015) d 3.5(2.6) 0.19(0.14) (0.30) 0.02(0.015)

82 46 CNG 보급정책의환경 경제성분석 a-hand-startable, air-cooled, DI engines may be certified to Tier 2 standards through and to an optional PM standard of 0.6 g/kwh starting in 2010 b g/kwh (Tier 2) if manufacturer complies with the 0.03 g/kwh standard from 2012 c - PM/CO: full compliance from 2012; NOx/HC: Option 1 (if banked Tier 2 credits used) 50% engines must comply in ; Option 2 (if no Tier 2 credits claimed) 25% engines must comply in , with full compliance from d - PM/CO: full compliance from 2011; NOx/HC: 50% engines must comply in EURO-6는미국 EPA가실시하는 2010년상용차규정에더욱근접해졌다. 2010년부터시행되는미국상용차배기가스규정은 NOx가 0.27g/kW h, PM이 0.013g/kWh이다. 이러한규제로인하여메르세데스벤츠사상용차량의경우 1960년보다유해배출가스를 98% 저감하고엔진의마력수는 2배이상높아졌다고보고하였다. [ 그림 4-3] 미국과 EU 배출규제수준비교

83 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 47 [ 그림 4-4] 미국과유럽디젤엔진에적용되는배기규제비교 2. 국내배출가스규제현황및차기규제기준 가. 디젤차량 한때디젤차량은유해가스가적게배출되는깨끗한자동차로취급되기도 하였다. 그이유는디젤차량에서는 CO 와 HC 가배출가스방지장치가부착 되어있지않은차량에비하여아주적게배출되었기때문이다. 하지만오늘

84 48 CNG 보급정책의환경 경제성분석 날에는배출가스방지기술이발달하여오염물질을대폭줄일수있기때문에 NOx와입자상물질이많이배출되는디젤차량이오염물질을더욱많이배출한다고볼수있다. 우리나라는디젤차량배출가스규제를 1984년 7월부터실시하였으며기준을강화하여왔으나아직도선진국에비하여많이완화되어있는실정이다. 1996년의우리나라중량디젤차량의 NOx 규제는미국 1990년수준의약 40%, 유럽연합 (EU) 의 1993년수준의 22% 가완화된수준이며입자상물질 (PM : Particulate Matter) 은미국 1990년수준의약 170%, EU 1993년수준의 80% 가완화된수준이다. 그러나 2002 년이후에는미국, EU와같은선진국수준으로규제가강화되었으며, 시내버스의경우 1998년에 EU의 1993년수준, 2000년에는 EU의 1996년수준보다더엄격한수준으로규제가강화되었다. 2013년부터는디젤차량에적용되는배출허용기준이선진국수준으로대폭강화된다. 나노입자개수및암모니아기준이신설되며, 2014년부터 EURO -5보다질소산화물 80%, 입자상물질 50% 가강화된 EURO-6 가적용된다. 소형경유차의나노입자규제는신모델은 2012년 1월부터, 기존모델은 2013년 1 월부터적용되며, EURO-6 기준은신모델은 2014년 9월부터, 기존모델은 2015년 9월부터적용된다. 버스, 트럭등대형경유차는 EURO-6 기준과나노입자개수, 암모니아기준이신모델은 2014년 1월부터, 기존모델은 2015년 1월부터적용된다. 나. CNG 차량 천연가스는환경에영향을적게주는에너지이다. 지구온난화에영향을주는이산화탄소의배출량은석탄을 100으로보면석유 83, 천연가스는 57이다. 천연가스는상온에서는액체화하는것이어렵기때문에자동차연료로사용하기위해고압용기에담아사용하여야하므로, 용기의부피가커지고, 폭발의위험때문에과거에는널리사용하지못하였다. 하지만최근에도시지역환경문제, 특히버스, 트럭의매연, 입자상물질및 NOx에의한도시대기오염이문제가되자도시대기오염저감방안의하나로압축천연가스 (CNG) 를연료로이용하는차량에대한연구와보급이널리시행되게되었다.

85 경유및 CNG 버스배출가스규제현황및차기규제기준비교 49 천연가스의이용은배기가스에의한공해가감소되고, 완전연소로열효율을향상시킬수있으며, 기존운행중이던차량을개조하여이용할수있다는장점이있다. 또한전세계적으로이용가능한천연가스의매장량은풍부하다. 하지만천연가스를연료로이용하기위해서는천연가스를충전할수있는충전소를별도로설치하여야하며, 충전시간은길지만, 디젤연료에비하여주행거리가짧다는단점과폭발의위험성이있다. CNG 버스는 2013년부터 EURO-6 기준보다약 13% 강화된기준이적용된다. 또한, 신모델은 월부터, 기존모델은 월부터메탄및암모니아기준이새롭게도입된다.

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87 제 5 장차기배출가스규제수준이경유 및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석

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89 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 53 제 5 장차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 1. 미국의배출가스규제수준과차량가격변화 미국의경우표 5-1에서보는바와같이배출가스규제수준이강화되는동안차량기술과연료충전장치기술등의발전으로인하여추가로증가되는차량가격은감소하는것으로나타났지만, 규제수준강화에따라기업의신규투자로인해차량가격은꾸준히상승해왔다. 항목증가되는차량가격연료충전장치가격 Fuel economy < 표 5-1> 미국의배기가스규제와차량가격변화 년 도 단위 $ $ ( 가솔린 5X 5X 2.5X 2.5X 과비교 ) MPGE Equal +5% +8% +10% 주행거리 마일 배기규제 CA/Fed Std. ULEV ULEV/SULEV ULEV/SULEV ULEV/SULEV 자료 : Fuel quality and vehicle emissions standards cost benefit analysis, Coffey Geosciences PTY LTD, 년 12월 19일에미국은오일에대한의존도를낮추고지구온난화와관련된가스배출을줄이기위해에너지독립안전법을시행하였다. 이법의주요골자는 2020년까지 2007년당시의 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 기준보다 40% 강화해평균연비 35mpg 달성을위해 2011년부터단계적으로연비기준을상향하고북미에서생산된자동차는 CAFE 기준의 92% 수준에는도달해야하는것으로규정하고있다. 또한, 자동차기업

90 54 CNG 보급정책의환경 경제성분석 들이 CAFE 기준을충족하지못할경우에는패널티를지불해야하고패널티 는연료절감을위해연구개발보조금지급등에활용하고, 충족시에는크레 딧을부여다른종류의차량이나다른기업과거래할수있도록할예정이었다. 가. 에너지독립안전법 에너지독립안전법은기존의연비기준을 2016 년까지 35.5mpg 로, 이산 화탄소배출은 250grams/mile 로강화하였다. 1) 오바마정부가발표한연비기준에대한주요내용은 2016MY(Model Year) 의연비기준을승용차의경우 39mpg로, 경트럭의경우 30mpg 로높여평균적으로 35.5mpg를달성하겠다는것이다. 2) 기존에발표한 2010년부터 2015년까지연비기준중 2011년까지는현행대로유지하고 2012년부터 2016년까지는이번에발표한 2016년기준을충족하기위해연도별기준을마련해발표할예정이다. 3) 자동차배출가스규제도연비기준과보조를맞춰 2016년까지이산화탄소배출가스를 250grams/mile로규제할예정이다. 4) 배출가스규제또한연비기준과마찬가지로 2012년부터 2016년까지연도별로별도의기준을마련해발표할계획이다. 5) 주별로별도로배출가스규제도허용할방침이다. 6) 미국정부는에너지독립안전법으로인해동일한해에판매된자동차가수명을다할때까지 8억9000만메트릭톤의이산화탄소배출감소효과와오일사용량 19억배럴이줄어들것으로전망하였다. 에너지독립안전법의주요내용은에너지안보의측면에서, 미국의석유요구를감소시키고자국가적인차원에서자동차생산자들에게새로운환경보존의요구를제시함으로써, 새로운자동차기술의발전과운송수단의전자화, 플러그-인하이브리드자동차개발을장려하는내용을담고있다.

91 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 55 이법은온실가스방출을줄이는데도움이될수있는재생연료사용기준 (RFS) 에대한규정과연방정부의에너지효율을위한요구등조명과전자제품에있어서에너지효율을향상시키기위한내용의규정을둔다. 구체적으로는 2022년까지바이오연료를적어로 360억갤런을사용할것을연료생산자에게요구하는재생연료기준을제시하는데, 그로인해미국은재생연료자원의공급을늘림으로써석유의존성을줄이는결과를낳을수있을것이라예상한다. 이와같은재생연료기준의수준은지금의기준과비교하였을때거의 5배에달한다, 더나아가이법에서제시하는 2022년의바이오연료중 210억갤런을반드시옥수수와녹말이외의바이오연료인셀룰로스에탄올등다른바이오연료로부터얻어야한다. 국가적으로에너지에대한비용을줄이고, 에너지를절약할새로운가전기구의에너지효율기준을세우기위하여이법은에너지정책및보존법 (EPCA) 을보완한다. 이법이제시하는평균연비제도는 1차오일쇼크이후에대회원유의존도를낮추기위해미국이도입한제도로서미국내에서판매되는모든회사별자동차의가중평균연비가일정한수준을초과할경우벌금형태의세금을부과하는제도이고, 평균연비는리터 (l) 당 14.8km이다. 나. 전망 미국정부의에너지독립안전법시행으로완성차업체들은연비강화와배출물질규제를위한준비를서둘러야하는상황이예상되는가운데 2008년기준으로미국에자동차를판매하고있는회사별로기업연비를볼때일본과한국등외국계자동차회사들이평균연비가높아강화된기준달성에상당히유리할것으로전망된다.

92 56 CNG 보급정책의환경 경제성분석 < 표 5-2> 2008년미국자동차회사별평균연비 단위 : mile/gallon 회사명 승용차 경트럭 도요타 혼다 기아차 현대차 GM 포드 크라이슬러 폭스바겐 BMW 다임러 완성차및자동차부품업계는연비향상을위해자동차중량을낮추고엔 진과트랜스미션의효율을증가시키기위해경량신소재의사용과기술개발 등이더활발해질것으로예상된다. 1) 내외장재에있어서는기존의성능과강도등을유지하면서자동차중량을줄일수있는경량신소재의채택이늘어날것으로예상되고, 엔진과트랜스미션분야에서는효율을높이기위한신기술개발과적용이확대될것으로전망된다. 2) 신소재사용과신기술개발등에따른신규투자로자동차가격이대당 1,300달러이상증가할것으로예상되어소비자들의부담은다소증가할것으로보이나미국정부에서는연료비절감에따라충분히상쇄될것으로예상하고있다. [ 그림 5-1] 은미국에서진행되었던, 배기가스규제에드는비용과차량가 격과의상관관계를연구한자료이다. 이자료에따르면조사한대부분의해 에차량가격과배기가스규제에드는비용은상관관계가거의없다. 차량가

93 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 57 격이결정될때에는배기가스규제보다는생산비용과다른가격결정요소들이더욱중요한비중을차지한다. 배기가스저감을위한비용은차량생산회사에서차량가격을결정하는데사용하는한가지요소에불과하다. 그러므로배기가스규제에대한고려는확실히차량가격증가에영향을주기는하지만, 차량가격결정시에배기가스규제에대해고려하는것은추측에근거한것이다. [ 그림 5-1] 년까지미국의차량가격과배기가스규제비용 일반적으로강화되는배기가스규제는차량생산에있어서새로운비용의추가를발생시킨다. 하지만이렇게추가되는비용은강화되는규제에따라자동차기술도함께발전하여, 더욱적은비용으로규제를만족할수있는제품을생산할수있는기술이개발되기때문에배기가스규제강화됨에따라차량판매값이끊임없이증가하는것은아니다.

94 58 CNG 보급정책의환경 경제성분석 2. 국내배출가스규제수준변화및이에따른차량가격변화 가. 현재국내운행중인 CNG 차량현황 현대국내에는 2011년까지총 2만 8,827대의 CNG 버스가보급된것으로집계되었다. 환경부가집계한 2011년 CNG 자동차보급현황에따르면총 2만 8,827대가누적보급되어시내버스면허대수 3만 359대중 95% 를보급달성한것으로나타났다. 이중서울, 부산, 대구, 인천, 광주, 대전, 울산시등 7대광역시는보급률 100% 를넘어섰다. [ 그림 5-2] CNG 차량보급률 전체 CNG 차량중버스의보급률은 84%, 청소차는 3% 이다. 서울시누적보급대수는 8,894 대 ( 버스면허대수 8598대 ) 로 103.0%, 부산시는 1,964대 ( 버스면허대수 1,944대 ) 로 101.0%, 대구시 1,744대 ( 버스면허대수 1,658 대 ) 로 105.2%, 인천시 2,440대 ( 버스면허대수 2,342대 ) 로 104.2%, 광주시 1,140 대 ( 버스면허대수 1,012 대 ) 로 112.6%, 대전시 1,055 대 ( 버스면허대수 965대 ) 로 109.3%, 울산시 745대 ( 버스면허대수 644대 ) 로 115.7% 이다.

95 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 59 이같은보급률초과현상은기존운행중인 CNG 버스와내구연한이 9 11 년인 CNG 버스의교체대수를모두포함했기때문이며실제로일부지역 은미미한숫자의경유버스가아직운행중이다. < 표 5-3> 연도별 CNG 자동차등록현황 한편경기도는 6,753대 ( 면허대수 7435대 ) 로 90.8% 의보급률을보이고있으며강원도 328대 ( 면허대수 547대 ) 60.0%, 충청북도 384대 ( 면허대수 539대 ) 71.2%, 충청남도 366대 ( 면허대수 700대 ) 52.3%, 전라북도 706대 ( 면허대수 818대 ) 86.3%, 전라남도 578대 ( 면허대수 678대 ) 85.3%, 경상북도 578대 ( 면허대수 1098대 ) 52.6%, 경상남도 1,152대 ( 면허대수 1,381 대 ) 83.4% 가보급됐다. 천연가스청소차는지난 2004년부터 2011년까지총 1,019대가보급됐다. 이가운데서울시는 479대, 부산시 46대, 대구시 81대, 인천시 15대, 광주시 5대, 대전시 18대, 울산시 7대가보급됐으며경기도 81대, 강원도 18대, 충청북도 24대, 충청남도 5대, 전라북도 70대, 전라남도 59대, 경상북도 49대, 경상남도 62대가보급되었다.

96 60 CNG 보급정책의환경 경제성분석 [ 그림 5-3] CNG 자동차등록변동그래프 연료비의경우경유의오름세가가장크고, CNG 연료비오름세가타연 료에비해가장안정적이다. [ 그림 5-4] 연료비변동그래프

97 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 61 < 표 5-4> 천연가스충전소현황 (2011) 지역서울경기인천부산경남울산대구경북광주전남전북대전충남충북강원계 충전소 기 나. 현재국내운행중인경유및 CNG 차량가격현황 현재국내에서운행중인경유및 CNG 차량의가격은 CNG 차량이 1.5 배가량비싼편이며, 정부와지방자치단체는 CNG 차량의보급을위하여다 양한지원정책을구사하고있다. < 표 5-5> 경유및 CNG 차량가격 구분 가격 현대 ( 뉴슈퍼에어로시티 ) 경유 CNG 일반버스좌석버스일반버스좌석버스 90,160,000 원 90,570,000 원 107,395,000 원 108,145,000 원 대우 ( 로얄시티 (BS106)) 경유 CNG 일반버스좌석버스일반버스좌석버스 85,660,000 원 85,820,000 원 107,000,000 원 107,730,000 원 초저상버스 대우 ( 로얄시티 (BS106)) 현대 ( 뉴슈퍼에어로시티 ) 208,500,000 원 208,996,000 원

98 62 CNG 보급정책의환경 경제성분석 다. CNG 차량지원정책 국내에서는 CNG 차량의원활한보급을위하여각종정부와지방자치단 체에서각종지원정책을펼쳤다. 1) 서울시는 CNG 차량에는부가가치세는물론취득세와등록세전액을면제해주는세제혜택을지원하였다. 2) 경유버스보다비싼 CNG 버스차액전액을차량구입비로보조하거나융자금을지원하였다. CNG 버스한대당보조금 1,850만원을지원하거나, 연 2%, 5년거치 10년분할상환의융자금으로 850만원을지원하였다. 3) 인프라구축의일환으로 CNG 충전소설치를지원하고, 경유와천연가스의가격차이는연료보조금으로지급하였다. 4) 1년에두차례부과되는환경개선부담금을면제해주었다. 우리나라의경우배출가스규제가강화됨에따라기준을충족시키기위해, 추가로발생하는연구개발비가연구개발비의어느정도부분을차지하며, 이러한추가연구개발비가반드시소비자에게부담되는부분이라고파악하기는어려운내용이다. 3. 배출규제기준 - 차량가격 배출가스규제기준의강화는차량가격상승의한가지요인으로작용할수있다. 미국의경우 EURO-4(US 2006) 기준에서 EURO-5(US 2007) 으로전환될당시, EURO-5 기준을충족시키기위해중량디젤자동차의경우 $2,500 $3,600의추가비용이발생하였다. 또한중량디젤자동차에서질소와요소산화물의배출을통제하기위하여 SCR(Selective Catalytic Reduction) 기술의이용결과로디젤연료사용시매 25리터의디젤소모

99 차기배출가스규제수준이경유및 CNG 버스차량가격에미치는영향분석 63 당 1리터의비율로 EURO-5(US 2007) 기준을만족시키는것으로나타났다. 이것은 EURO-5 이후강화되는기준을만족시키는차량이꾸준히증가하기위해 2009년에 $62million에서 2020년에 $76million의비용상승이계속해서발생할것을예측가능하게한다. < 표 5-6> 2000 년 2020 년배출인자 ( 전차종 ) Emission Factor(g/km) Year Carbon Oxide of Exhaust Total Particulate Monoxide nitrogen Hydrocarbon Hydrocarbon Matter

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101 제 6 장경유및 CNG 버스 환경 경제성분석

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103 경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 67 제 6 장경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 1. 시내버스환경성평가를위한주행모드 가. 서울시시내버스주행속도 서울시도시교통본부에의해총 380 개노선 ( 간선, 지선, 순환노선 ) 에대하 여 2010 년조사된버스의평균주행속도는평균 19.8 km/h 로조사되었다. < 표 6-1> 연도별버스평균주행속도 ( 단위 : km/h) 연도별 속도 구간별주행속도에서는가로변버스전용차로가 18.2 km/h, 일반차로구간 이 19.0 km/h, 중앙버스전용차로가 21.8 km/h 로중앙버스전용차로의주 행속도가가장높다. < 표 6-2> 구간별버스주행속도 ( 단위 : km/h) 구분 일반차로 버스차로 유형 가로변버스전용차로중앙버스전용차로

104 68 CNG 보급정책의환경 경제성분석 나. 차대동력계용버스주행모드 국내의대형차대동력계용차속별시험모드는 2000년대형차배출계수산출용모드로개발되었으며, 서울시및대전시의시내버스주행패턴을조사하여각구간별평균주행특성을반영하여시간-차속의형태로구성되어있고, 또한해마다평균주행속도가다른점을고려하여대표차속별로 12개의모드가있다. 각주행모드의주요특성및주행패턴은다음표와같다. < 표 6-3> NIER 시험모드특성 주요특성 시험모드 주행시간 (s) 정차시간 비율 (%) 정속주행 시간비율 (%) 주행거리 (km) 평균속도 (km/h) 최고속도 (km/h) NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER NIER

105 경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 69 다. CNG 및경유버스환경성평가용시험모드 본연구에서는차대동력계용시험모드중 2010 년조사된서울시평균주 행속도 (19.8 km/h) 와가장유사한 NIER 06 모드 ( 평균속도 19.88km/h) 를 선택하였다. 주요특성 시험모드 주행시간 (s) 정차시간 비율 (%) 정속주행 시간비율 (%) 주행거리 (km) 평균속도 (km/h) 최고속도 (km/h) NIER Vehicle Speed (km/h) 평균속도 : km/h 주행시간 : 919s 주행거리 : 5.08 km Time (s) [ 그림 6-1] NIER 06 모드주행패턴 또한향후규제값과의비교를위하여 EURO 6(2014 년적용 ) 규제에서 적용될 WHVC 모드를추가로측정하였다.

106 70 CNG 보급정책의환경 경제성분석 주요특성 시험모드 주행시간 (s) 정차시간 비율 (%) 정속주행 시간비율 (%) 주행거리 (km) 평균속도 (km/h) 최고속도 (km/h) WHVC 1, [ 그림 6-2] WHVC 모드주행패턴 2. 경유및 CNG 버스의환경성평가시험 가. 시험내용및방법 1) 시험차량 시험차량은대우, 현대의 CNG 및경유시내버스각 2대씩총8대를선정하였다. CNG 버스의경우대우, 현대모두동일한기술이적용되었으나, 경유버스의경우는현대의경우 EGR 및 p-dpf를대우는 SCR을적용하여기술적으로다른특성을가지고있다.

107 경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 71 < 표 6-4> 버스별제원 연료 차명 연식 엔진형식 공차중량출력배기량 (kg) (ps/rpm) (cc) 현대 뉴슈퍼에어로 2011 C6AE 11, /2,000 11,149 시티 CNG (2대) 대우 BS106 (2대) 2011 GL11K 10, /2,200 11,051 현대뉴슈퍼에어로시티 (2대) 2011 D6HA 10, /1,9,00 9,960 경유 2012 DL08K 10, /2,200 7,640 대우 BS106 (2대) 2011 DL08K 9, /2,200 7,640 2) 시험모드선정 시험모드는 1 장에서설명한대로 2010 년서울시버스평균주행속도와가 장유사한 NIER 06 모드와향후규제와의비교를위하여 EURO 6 규제에서 적용될 WHVC 모드를선정하였다. 주요특성 시험모드 주행시간 (s) 정차시간 비율 (%) 정속주행 시간비율 (%) 주행거리 (km) 평균속도 (km/h) 최고속도 (km/h) NIER WHVC 1,

108 72 CNG 보급정책의환경 경제성분석 3) 분석항목 분석항목은규제물질인 CO, HC, NOx, PM, 입자개수와온실가스인 CO 2, CH 4 및미규제물질인 VOC를선정하였다. 연비의경우는측정된배출가스 (CO, HC, CO 2 ) 를이용한탄소밸런스법을이용하여계산하였다. 다만, CN G 버스의경우국내에아직연비계산법이없어유럽에서사용되는연비계산식을사용하였다. 연비계산식은유럽의 CNG 계산식사용 연비 = ( (/{[ [(0.749 HC)+(0.429 CO)+(0.273 CO 2 )]} 4) 시험분석장치 차대동력계를이용한배출가스시험장치는주로차대동력계, 보조운전장치, 시료채취장치, 희석터널, 입자상물질측정장치및배출가스분석기등으로구성되어있다. 배출가스측정은실제시험자동차가차대동력계의롤러위에서각모드별로주행할때배기관으로부터배출되는가스를정용량시료채취장치 (CVS : Constant volume sampler) 에서일정량의공기로희석한후, 시료채취백에채취하여배출가스분석기로분석하였다. 운전보조장치 (Driver aid) 는운전자가자동차를도로에서주행하는상태로운전할수있도록화면에운행상태를표시해주는장치이며, 또한시료채취장치 (Constant volume sample r) 는자동차배출가스를공기와희석하여채취할수있는장치이며희석터널은고온에의한입자상물질의변화를배제시키고대기조건으로제어하기위해시료채취온도가항상 52 이내로유지되도록외부공기와배기가스를희석시키는기능을한다. 아래그림은차대동력계를이용하여시험하는모습과배출가스측정시스템의계통도를나타내고있다.

109 경유및 CNG 버스의환경 경제성분석 73 [ 그림 6-3] 배출가스시험모습 [ 그림 6-4] 배출가스시험장치계통도