국토교통부는 지난 7월 14일 압축천연가스(CNG) 버스에 대해 유가보조금을 지급하는 것을 골자로 한 여객자동차 운수사업법 ‘여객자동차 유가보조금 지급지침’ 일부 개정안을 고시했다. 이번 개정안은 갈수록 심각해지고 있는 미세먼지 오염을 줄이기 위해 정부가 지난해 6월 발표한 미세먼지 관리 특별대책의 일환으로, 기존 경유 버스를 CNG 버스로 전환키로 한데 대한 후속조치라 할 수 있다. 이처럼 최근 국내에서는 CNG 버스의 보급확대 등 천연가스차(NGV, Natural Gas Vehicle)에 대한 정부와 관련업계의 관심이 증가하고 있다.

메탄(CH4)을 주성분으로 하는 천연가스는 옥탄가가 높아 압축비를 높여도 엔진 노킹이 일어나지 않기 때문에 열효율과 출력을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 가솔린과 경유 등 기존 자동차연료보다 연료비가 저렴하고 이산화탄소 배출량이 적어 경제성과 친환경성을 두루 갖추고 있는 것이 특징이다.

천연가스차는 그동안 차종의 제한 및 충전 인프라의 부족 등으로 인해 기술개발 및 시장확대에 어려움이 따랐지만, 세계 각국에서 셰일가스를 본격적으로 생산하는 등 천연가스 수요가 증가함에 따라 전 세계 자동차회사들이 경쟁적으로 천연가스차 개발에 열을 올리고 있다. 또한 풍부한 매장량과 셰일가스의 본격적인 보급 등으로 가격안정성(경제성)을 갖춤에 따라 자동차 선진국과 일부 신흥국에서는 천연가스차(NGV)를 차세대 친환경차로 선정하고 각종 세제해택 및 특혜를 제공하는 등 기술개발 및 보급을 확대하고 있는 추세다.

그림1. NGV 보급현황

이러한 배경에는 유럽의 경우 오는 2021년까지 자동차의 이산화탄소 배출량이 km당 95g 수준으로 줄여야 할 뿐만 아니라 미국 내에서 자동차를 판매하는 제조사들은 2025년까지 23.2km/ℓ의 기업평균연비(CAFE)를 만족시켜야 하는 등 갈수록 자동차 배출가스와 연비규제가 강화되고 있기 때문이다. 이러한 규제를 만족시키기 위해서는 다양한 파워트레인 기술이 필요하기 때문에 많은 자동차 제조업체들이 새로운 대체연료에 주목하고 있는 이유이기도 하다.

천연가스차는 현재 승용차와 버스 및 중대형 화물차 위주의 상용차 형태로 개발되고 있으며 연료의 저장방법에 따라 200~250kg/㎤의 고압으로 연료를 압축하는 압축천연가스(CNG)와 영하 165℃ 이하로 냉각시켜 액체상태의 액화천연가스(LNG)차로 구분할 수 있다. LNG의 경우 연료의 온도를 영하 165℃ 이하로 유지해야 하므로 저장탱크와 연료공급시스템, 충전인프라 부족 등의 이유로 대부분 CNG 자동차 위주의 개발 및 보급이 이뤄지고 있다. 그러나 LNG는 단위부피당 주행거리가 길어 장거리 운행을 많이 하는 대형트럭과 트레일러 등을 중심으로 미국 및 유럽 등에서 개발 및 보급이 확대되고 있는 추세다.

CNG 승용차의 경우 유럽 자동차 제조사를 중심으로 이미 오래 전부터 다양한 모델이 출시되어 판매중이다. 아우디 G-트론과 폭스바겐 골프 CNG, 피아트 푼토 및 500L 등이 대표적인 양산 CNG 모델이다. 또한 폭스바겐과 아우디는 지난 5월과 6월 각각 폭스바겐 폴로 CNG와 아우디 스포트백 G-트론을 새롭게 선보인 바 있다.

폴로 CNG 버전은 1.0L TCI 엔진을 장착한 5도어 해치백 스타일로 기존 디젤차를 대신할 차세대 모델로 알려져 있다.

또한 스포트백 G-트론은 2014년 출시된 바이퓨얼 엔진의 CNG 버전이다.

북미의 경우에도 포드 F150 CNG와 쉐보레 임팔라와 크루즈, 혼다 시빅 GX 등 다양한 NGV 모델을 판매중이다. 이밖에 현대자동차는 인도시장을 겨냥한 1.2L급의 CNG Bi-fuel 차량인 그랜드 i10(Grand i10) 해치백과 엑센트(Xcent) 세단 등 2개 차종에 대한 출시 예고를 발표한 바 있다.

이러한 승용 CNG 모델들은 대부분 충전인프라가 부족하고 운행경로 또한 다양하기 때문에 가솔린과 CNG를 운전상황에 따라 독립적으로 사용하는 바이 퓨얼(Bi-Feul) 엔진을 적용해 충전인프라 부족으로 인한 불안감을 해소하고 연소효율을 향상시키고 있는 것이 특징이다.

바이 퓨얼이란 하나의 엔진으로 두 가지 연료를 선택적으로 사용할 수 있는 방식으로 일반적으로 휘발유와 LPG 또는 휘발유와 CNG, 휘발유와 수소연료, 디젤과 CNG 등 주로 석유연료와 가스연료를 선택적으로 사용하는 것이 특징으로, 두 가지 연료를 선택적으로 사용하는 방법과 연소실 내부에서 두 가지 연료를 섞어서 연소하는 방법, 아예 처음부터 두 가지 연료를 혼합해 사용하는 방법 등에 따라 듀얼 퓨얼(Dual fuel), 플렉스 퓨얼(Flex feul), 바이베리언트(Bivalent) 등으로 불린다.

듀얼 퓨얼의 경우 CNG 엔진에서 경유를 파일럿분사(Pilot injection, 예비분사)해 먼저 폭발시킨 다음 CNG 연료를 분사함으로써 연소효율을 향상시키는 방식으로 대형 선박엔진 등에서 주로 사용되는 방식이다. 최근에는 이러한 연료사용 및 연소방식과 관계없이 관련용어를 혼용하고 있는 추세로 북미나 아시아 쪽은 바이퓨얼을, 유럽쪽에서는 바이베리언트 퓨얼이란 용어를 주로 사용하고 있는 추세다.

한편 CNG 버스 및 중·대형 CNG 자동차는 유럽의 경우 IVECO, 메르세데스 벤츠, MAN, 볼보 등이 미국의 경우 Cummins-westport에서 생산된 CNG 또는 LNG 엔진을 탑재한 NFA(New Flyer of America), NABI(North America Bus Inc), Peterbilt Motor 등에서 천연가스 자동차를 생산하고 있다.

국내의 경우 최근 CNG 하이브리드 버스를 개발한 현대자동차가 현대 그란시티와 유니버스 CNG, 블루시티 CNG 등을 생산 판매하고 있으며, 두산인프라코어에서 생산된 CNG엔진을 탑재한 자일대우버스 등에서 도시버스 위주로 양산하고 있다. 이러한 버스 및 중·대형 자동차는 소형 승용 CNG 모델에 비해 상대적으로 일정한 운전경로를 가지고 있으며, 장거리 주행이 많고 차고지에 자체적인 충전시설을 갖추고 있는 경우가 많아 천연가스 연료만을 사용하는 모노 퓨얼(Mono Feul, 단거리)이나 듀얼 퓨얼(장거리) 방식이 사용된다.

천연가스차 시장현황 및 보급확대 정책

세계천연가스차량협회에 따르면 현재 천연가스차는 전 세계적으로 약 2,300만대 이상 보급되어 있으며, 셰일가스의 본격적인 개발과 공급으로 오는 2024년까지 약 3,000만대 이상 보급될 것으로 전망되고 있다.(그림1 참조)

아시아(66%)를 비롯해 중남미(23%), 유럽(9%) 등 천연가스 생산국을 중심으로 보급이 이뤄지고 있으며, 국가별로는 중국과 이란, 파키스탄, 아르헨티나, 인도, 브라질, 이탈리아가 높은 보급률을 보이고 있다.

미국의 경우 약 16만대, 유럽의 경우 약 130만대 정도의 천연가스 자동차가 보급된 것을 비롯해 신흥국인 BRICs 국가의 경우도 약 870만대 정도로 추산되고 있다.

현재 전 세계적으로 보급된 천연가스차의 보급현황을 살펴보면 소형승용차가 95%, 중대형화물차와 버스가 3~5% 정도를 차지하고 있으나 국내의 경우 버스가 80% 이상 차지하고 있으며 승용차가 15~18%, 화물 및 특수차가 2~5% 정도를 차지하고 있다. 특히 승용차의 경우 대부분이 애프터마켓에서 개조된 차량인 것도 특징이라 할 수 있다.

주요국 정책동향

한편 국내 CNG 자동차 보급현황을 살펴보면 지난 2002년을 기점으로 정부의 적극적인 보급정책에 힘입어 수도권과 대도시를 운행하는 시내버스를 중심으로 현재 약 3만9,000여대의 천연가스자동차가 운행중이고, 196곳의 천연가스 충전소가 운영중이다. 특히 CNG 버스 전체 시내버스의 약 79.3%를 차지하고 있다.

현행 국내 NGV 보급현황 및 환경

또한 정부는 내년까지 수도권 경유 버스 307대를 CNG 또는 CNG 하이브리드로 전환하고 서울로 진입하는 경기도 시외버스를 CNG 버스 전환한다는 계획이다. 이어 오는 2022년까지 6대 광역시와 경기도에서 운행중인 경유 버스 4만 5,000대와 시외버스 1만5,000대를 CNG 버스로 전환하는 등 2027년까지 전국 시내버스의 90%(약 30만대), 시외버스의 50%(3만 7천대)를 CNG 버스로 전환할 예정이다.

김아롱

월간 <카테크> 취재부장