천연가스자동차 (NGV) 의기술동향 박창현조사분석 1 팀 환경부는대기오염을줄이기위해 2000년부터보급해온천연가스버스가전국적으로 3천대운행하고있다고 15일밝혔다. 환경부는 " 이날현재까지등록된천연가스버스는모두 3 천25대로작년 6월 2천대보급을돌파한이후 10개월만 " 이라면서 " 올해말까지 5천대보급을달성할계획 " 이라고전했다. - 2003-04-15 연합뉴스 - Ⅰ. 서론 천연가스자동차 (Natural Gas Vehicle) 란천연가스를연료로엔진을구동하는자동차로 1930년대부터이탈리아와러시아에서구조변경키트를이용하여보급이시작되었다. 초기에는주로과잉생산된천연가스의소비를목적으로하였으나, 1970년대이후에는 2차례의석유파동을거치면서에너지절약수단으로천연가스자동차를보급하였다. 1990년대에들어서는자동차로인한대기오염문제특히, 대형경유차의배출가스를근원적으로해결하는수단으로보급되고있다. 차종을보면, 종래에는가솔린승용차를구조변경하여가솔린과천연가스를병행사용할수있는 Bi-Fuel자동차가많았지만현재는주로천연가스전용엔진을탑재한자동차를운행하고있다. 국내에서도 2002년한일월드컵을즈음하여환경부와각지자체를중심으로대기환경오염의주범인디젤엔진을이용하는버스와관용청소차량을 NGV로대체하도록관계법령 ( 대기환경보전법 ) 을마련하고비용보조, 조세감면등의재정적지원을통해보급을확대하기위해노력하고있다. 현재전국적으로 3천여대의천연가스버스가운행중이다. 본리포트는천연가스자동차와관련하여그특허동향을살펴보기로한다.
Ⅱ. 본론 1. 천연가스자동차의개요 1-1. 천연가스의연료특성 가. 무공해에너지 - 분진, 유황등불순물거의함유치않은청정연료 - SOx, Soot 등이발생되지않음 - CO2 배출이석유보다 20 ~ 30% 적음 나. 안전에너지 - 비중 0.6으로누출시대기중급히확산하여화재, 폭발등의위험성이매우낮음 - 연소하한계가다른연료보다높고, 자연발화온도도높음 다. 고효율에너지 - 불꽃조절이용이 - 완전연소가능 - 직화방식에따른열효율높음 - 옥탄가가높아압축비를높일수있음. 라. 편리한에너지 - 배관망에의한공급방식이므로공급중단우려및저장시설불필요 - 연소시수증기, 탄산가스만발생 -> 별도폐기처리시설불필요 마. 풍부한가채매장량 NG LPG 에탄올 메탄올 수소 가솔린 경유 분자식 CH 4 C 3H 8 C 2H 5OH CH 3OH H 2 C 8H 18 C 12H 26 몰질량 (g/mol) 16 44 46 32 2 약100 밀도 : 액상 (kg/l) 0.42 0.51 0.79 0.795 0.0708 0.75 0.84 : 기상 (kg/m 3 ) 0.8 2.0 이론공연비 17.3 15.6 9.02 6.48 34.3 14.7 14.6 RON MON 130 125-130 96-111 89-96 106 89 106 92 92 83 Cetane Number 8 5 45-55 저발열량 (MJ/kg) 54.7 46.3 26.78 19.92 119.4 42-44 42 에너지밀도 (MJ/l) 7.88 * 23.5 21.03 15.69 1.93 * 31.83 35.08 SOx 0.01 - - - - - 0.2 대기오염물질 CO 0.3 - - - - - 0.5 (g/ 만Kcal) 미세먼지 0 - - - - - 0.6 비점 ( o C) -162-42 78.3 64.7-252.7 35-210 180-36 0 자발화온도 ( o C) 632 504 420 470 585 250 225 < 표1. 대체연료의물성치 >
1-2. 천연가스자동차의종류 가. 압축천연가스자동차 (CNGV:Compressed Natural Gas Vehicle) : 기체상태의천연가스를고압 ( 일반적으로 20MPa) 으로압축하여연료용기에저장하여사용하는자동차. - 겸용 (Bi-Fuel) : 압축천연가스와휘발유를동시에자동차에저장하고그중한가지를선택하여연료로사용하는방식이다. 천연가스보급초기에천연가스의충전환경이좋지않을때사용하기적합한장점이있다. 대부분사용사량의개조용으로적용됨. - 혼소 (Dual-Fuel) : 압축천연가스와경유를동시에저장하여두가지연료를동시에사용하는방식이다. 디젤은엔진시동및운전중에파이롯분사하여점화원으로활용하도록구성되어있다. - 전소 (Dedicated) : 압축천연가스만을저장하여사용하는방식으로, 천연가스엔진으로최적화할수있으므로, 출력성능및배출가스저감능력이우수하여전세계적으로가장많이보급되고있는방식이다. 나. 액화천연가스자동차 (LNGV:Liquefied Natural Gas Vehicle ) : 액체상태의천연가스를 -162 의초저온상태로초저온용기에저장하여사용하는자동차. LNG를기화시켜믹서나또는인젝터를사용하여흡기관에공급하는방식과, 기화된가스를고압으로가압하여연소실내에직접분사하는방식이있다. LNG 자동차는연료를액체상태로저장하기때문에 CNG 자동차에비해주행거리가길다. 또한우리나라와같이 LNG 상태로수입하는경우는이를직접사용할수있어, LNG를기화하여배관을통하여공급한후다시압축하여사용하는 CNG에비해압축기를구동하여야하는에너지가절감되며압축기설치도필요없다. 그러나지금까지는 LNG 단열용기개발, LNG 충전기술이미진하였으나최근들어많은진전이있어실용화단계에접어들고있다. 미국과유럽, 일본등에서시험운행이활발하며미국에만약 700대이상의차량이시험운행중에있다. 다. 흡착천연가스자동차 (ANGV:Adsorbed Natural Gas Vehicle ) : 기체상태의천연가스를사용할때저장압력을낮추기위해가스용기내의흡착제에흡착하여사용하는자동차. 하지만흡착제의비용이고가이고저장효율이낮아현재의기술수준으로는실용화에는많은문제점이있다
1-3. 천연가스자동차의구조 < 그림 1. 대우자동차천연가스시내버스의연료공급시스템 > 연료계통으로는기존디젤연료계통의분사펌프, 분사노즐등을벗어나가스레귤레이터, 믹서, 트로틀밸브, 연료제어밸브등의가스연료계통을추가해장착한다. 압축천연가스 (CNG) 를적정압력으로감압해연료공기혼합장치및트로틀밸브를거쳐엔진으로공급되도록되어있다. 연소실로공급된혼합기는점화를위해연료분사노즐위치에설치된점화플러그에서점화되어연소폭발한다. 점화계통은점화코일, 점화케이블및점화플러그로구성되어있고, 내구력향상을위한밸브등의재질변경도수행되었다. 엔진의최적운전제어를위해각종센서를통해모니터링한가스온도압력, 흡입공기온도압력, 냉각수온도, 혼합기압력, 대기압, 배기가스중의산소농도등의신호를받아전자제어장치에서연료량, 점화시기등을전자적으로제어하도록구성되어있다. < 그림 2. 현대자동차천연가스버스의구조도 >
한편현재운행되고있는천연가스버스의기본구조를살펴보면종래의디젤버스와같고, 연료계통만이개조되었다. 사용연료인천연가스는디스펜서를통해고압 (200kg/ cm2 ) 의천연가스를가스용기에저장한다. 이때의저장된연료량은운전석에서압력계로모니터링할수있도록되어있으며내부압력의과다상승때안전밸브를거쳐외부로벤팅하는안전장치가설치되어있다. 압축된가스는용기로부터연료배관을거쳐감압밸브에서사용압력으로일정한압력으로감압된후공기와혼합되어엔진내부로공급된다. 특히천연가스자동차의가스용기는자동차부품중에서가장튼튼하게제작되어있어 700 의불속에서도파열되지않으며 30m 높이에서낙하시켜도파열되지않게설계되어있다. 2. 천연가스자동차의특허동향 본특허동향조사는한국특허정보원내검색도구를활용하여조사대상을출원일기준국내는공개된특허와실용신안을대상으로하였고, 일본의경우공개된특허를미국은등록된특허문헌을참고로하였다. 따라서최근 2년간의특허동향은다소차이가있을수있다. 2-1. 국내의출원동향 국내의 NGV관련출원건수는 300여건으로조사되었으며 < 그림3> 에서와같이 90년대초부터증가세를보이다가 IMF 이전까지활발한출원이이루어졌고그이후꾸준한출원이이루어지고있다. 이는정부가 '91년부터 '97년까지천연가스를연료로사용하는자동차개발을완료하고시범운행을거쳐보급을확대하는정책과도맥락을같이한다. 한편 < 그림4> 에서보는바와같이출원은기아, 대우, 현대자동차 3사가주도를하고있으며한국가스공사등에서도출원이이루어지고있다. 기술분야별출원동향을살펴보면연료공급장치과관련된출원이주도를하고있으며천연가스저장과관련하여저장용기, 충전설비및안전과관련된출원이증가하는추세이다. 국내연도별출원건수 국내출원인별분포 출원건수 100 80 60 40 20 0 1988 1990 1992 연도 1994 1996 1998 2000 2002 10% 5% 1 19% 26% 19% 기아자동차 대우자동차 현대자동차 한국가스공사 고등기술연구원 제인엔지니어링 광신기계공업 그린하이테크 대우종합기계 대우중공업 두원정공 주식회사엔케이 개인 외국인 기타 < 그림 3. 국내의연도별출원동향 > < 그림 4. 국내의출원인별출원동향 >
NGV 의국내기술분야별출원동향 A001( 연료공급 ) 100 A002( 충전, 저장용기, A008( 기타 ) 50 단열, 냉각 ) A003( 제어, 센서, 측 A007( 배기가스처리 ) 0 정 ) A006( 흡기관련 ) A004( 안전 ) A005( 연소실관련 ) < 그림 5. 국내의기술분야별출원동향 > 2-2. 일본의출원동향 일본은 80년대중반부터통상산업성주도의 에코스테이션 2000 계획 에의하여 CNG 자동차보급을위한인프라구축사업이추진되었으며, 여기에 Tokyo Gas, Osaka Gas 등의가스업계가가세하여 NGV 보급이본격적으로추진되기시작하였다. 따라서일본내출원건수도 80년대중반부터 00년도초반까지증가세가유지되고있고, 자동차회사들을비롯하여가스업계에서의출원도활발하다 < 그림 6,7>. 또한도표에는나타나있지않지만초기에는가스업계의출원이주도를하였지만최근에는가스업계는물론소형밴이나버스를생산하는자동차업계의출원이증가하고있는상황이다. 일본내연도별출원건수 출원건수 35 30 25 20 15 10 5 0 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 연도 < 그림 6. 일본내연도별출원동향 >
3% 일본내출원인별분포 10% 25% 10% 4% 5% TOYOTA HONDA MITSUBISHI FUJI HEAVY MITSUI ISHIKAWAJIMA-HARIMA HEAVY 기타 ( 출원3건미만 ) 7% 7% 7% 9% SUZUKI NISSAN OSAKA GAS HITACHI HINO MOTORS SEIBU GAS < 그림 7. 일본내출원인별출원동향 > 2-3. 미국의출원동향 미국또한앞서살펴본한국과일본과같이초기천연가스자동차의보급은정부주도하에이루어졌다. 90년의대기정화법 (Clean Air Act), 92년의에너지정책법등에의하여 CNG 자동차보급이추진되고있고, NGVC( 천연가스자동차연합 ) 을중심으로보급활동이전개되고있다. < 그림 8> 의연도별출원동향에서 80년대초반부터꾸준하게이어지던출원이 90년대에들어급속히증가하였고출원인별로는가스업계및자동차회사를비롯하여다양한출원인별출원이이루어지고있다. 미국내연도별출원건수 45 40 35 30 출원건수 25 20 15 10 5 0 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 연도 < 그림 8. 미국내연도별출원동향 >
68% 미국내출원인별분포 3% 3% 3% 3% 4% 3% Gas Research Institute Ford Caterpillar Honda Minnesota Valley Engineering Siemens Cummins Engine Woodward Governor Company Ramgen Power Systems Consolidated Natural Gas Service Company Inc Cooper Cameron Corporation Westport Research Inc. General motors 기타 ( 개인및출원건수 5 미만 ) < 그림 9. 미국내출원인별출원동향 > Ⅲ. 결론 한미일 3개국의천연가스자동차의출원동향을살펴본결과 NGV의기술은환경문제가크게대두되었던 90년대초반부터급속하게발전하고있다. 초기에는 LEV(Low Emission Vehicle) 로써정부의주도하에기술개발이나보급이이루어졌지만최근에는개인회사로그역할이넘어가고있다. 한편, 아직까지는많은대기오염물질을배출하는디젤기관을사용하는트럭이나버스등에대다수적용되고있다. 국내에서도최근천연가스를사용하는버스를보급하는데정부가앞장서고있는실정이지만차량가격이디젤차량보다높고충전소설치등산적한문제점이많아난항에부딪쳐있다. 하지만날로갈수록더해가는환경문제는우리만의문제가아닌전세계인의문제임을인식한다면현재각나라에서추진중인저공해차량의도입및기술개발에기술적개발가치는충분하다고생각한다. [ 참고자료 ] -http://www.kipris.or.kr -http://www.me.go.kr -http://www.ngvi.co.kr -http://www.kgsedu.or.kr -http://www.kangv.org -http://www.ngv.org -NGV2000 참관보고서 -NGV 개발현황과보급전망 ( 한국천연가스차량협회 )
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