저탄소연료 사용에 따른 배출가스...

발 간 등록 번 호 NIER NO. 2010-66-1241

11-1480523-000728-01

저탄소연료 사용에 따른 배출가스 특성연구

교통환경연구소, 국민대학교*

임윤성, 이종태, 김지영, 임철수, 강대일, 하현주, 문주희,

임재혁, 홍희경, 김상규, 박장민, 김정수, 이성욱*

Characteristics of Vehicle Emissions

by Using Low Carbon Fuel

Yunsung Lim, Jongtae Lee, Jiyoung Kim, Daeil Kang, Hyunjoo Ha,

Juhee Moon, Jaehyuk Lim, Heekyoung Hong, Sangkyu Kim,

Jangmin Park, Jeongsoo Kim, Sungwook Lee

Tranportation Pollution Research Center

National Institute of Environmental Research

Kookmin University*

2010

목 차❚

ⅰ

목 차

목차·····························································································································ⅰ

그림목차·····················································································································ⅲ

Abstract ·······················································································································ⅴ

Ⅰ. 서 론 ····················································································································· 1

Ⅱ. 연구내용 및 방법 ······························································································ 2

1. 이론적 배경 ······································································································· 2

가. 정의 및 특징 ································································································· 2

나. 국외 HCNG 관련 현황 ··············································································· 4

(1) HCNG 배출가스 실험방법 ······································································· 6

(가) 자동차 배출가스 시험방법 ·································································· 6

(나) HCNG 시험용 차량 ············································································· 7

(다) 정적연소기 시험 ···················································································· 8

(라) 시험용 가스 ···························································································· 9

Ⅲ. 연구결과 및 고찰 ···························································································· 10

1. 연구결과 및 고찰 ··························································································· 10

가. 배출가스 결과 ····························································································· 10

(1) 규제물질(CO, NOx, NMHC) ································································· 10

(가) 소형승용자동차 ···················································································· 10

(나) 중형트럭 ································································································ 16

(2) 미규제물질(VOCs, PAHs, PN, N2O, Aldehyde) ······························· 23

(가) 소형승용자동차 ···················································································· 23

1) 휘발성유기화합물 (VOCs) ································································ 23

2) 다고리방향족화합물 (PAHs) ···························································· 25

목 차❚

ⅱ

3) 극미세입자 (PN; Particle Number) ················································ 27

4) N2O ······································································································· 29

5) Aldehyde ······························································································ 30

Ⅳ. 결 론 ···················································································································31

참 고 문 헌 ·············································································································· 32

목 차❚

ⅲ

그 림 목 차

<그림 1> GHG urban bus emission ··············································································2

<그림 2> PM and NOx emission regulation trend ···················································3

<그림 3> Multi CNG gas station in Penn State, USA ·············································4

<그림 4> Multi CNG service station in Montova, Italy ··········································5

<그림 5> Commercial multi service station in Delhi, India ···································5

<그림 6> Overview test vehicle of chassis-dynamometer ········································7

<그림 7> CNG tank and engine modification test vehicle ·····································8

<그림 8> Schematic diagram of experimental apparatus ·········································9

<그림 9> Result of CO, NOx, MNHC by light duty passenger car ··················10

<그림 10> Result of CO2 by light duty passenger car ··········································11

<그림 11> Reduction rate of NOx on 30km/h ························································12

<그림 12> Reduction rate of CO2 on 30km/h ··························································13





<그림 17> Result of CO, NOx, MNHC by middle duty passenger car ···········17

<그림 18> Result of CO2 by middle duty passenger car ······································18







<그림 25> Result of Total VOCs by light duty passenger car on 30km/h ·····23



<그림 28> Result of PAHs by light duty passenger car on 30km/h ················25

목 차❚

ⅳ



<그림 31> Result of PN on 30km/h ···········································································27



<그림 34> Result of N2O on 30km/h ·········································································29



Abstract❚

ⅴ

Abstract

Buses for transportation of citizens offered in the metropolis and the

natural gas as the environment-friendly fuel has been supplied to city buses.

From the running of buses applied natural gas, it was revealed that

atmospheric pollution at the metropolis was improved because the

particulate matter decreased to about 910 ton. However, the explosion of the

natural gas bus in 2010 has awakened people to the dangers of gas fuel but

natural gas as a vehicle fuel is receiving a favorable evaluation due to

positive aspects such as the useful resource, improvement of pollution, fuel

including low carbon.

The standard of NOx emission will be tightened from EURO-6 regulation

in 2014 and engine based CNG fuel was difficult to satisfy the level of new

NOx regulation. From the EURO-6 regulation, the addition the De-NOx

catalyst at the CNG engine leads to the increase of cost. To solve this

problem, the HCNG engine have suggested for satisfaction of EURO-6

regulation.

In this study, HCNG fuel mixed a hydrogen (H2) with a natural gas. The

engines based HCNG have developed for the reduction of NOx emission

and a new business plans to push ahead in accordance with HCNG engines

on the basis of the foundation studies.

Based on this investigation, the environmental evaluation according to the

application of HCNG fuel was carried out. Regulation substances such as

carbon monoxide (CO), hydrocarbon (NMHC), nitrogen oxides (NOx),

particulate matter(PM), number of particulate matter (PN), was analyzed by

the experimental results. Also, the investigations on trace hazardous

compounds (VOCs and PAHs), carbon dioxide (CO2) as a greenhouse gas

and nitrous oxide (N2O) were conducted.

Based on these results, it is being used as the basic information of the

policy on the wide use and adaptation of HCNG engine

Ⅰ. 서 론❚

1

Ⅰ. 서 론

천연가스는 광역도시에서 운행되고 있는 시민들의 운송수단인 버스에 공급

되는 친환경연료이다. 천연가스 버스의 운행으로 경유버스 사용대비 대도심의

공기질은 입자상물질이 2007년 ~ 2009년까지 약 117톤 저감되는 효과를 얻는

것으로 조사되고 있다. 그러나 2010년 천연가스버스의 폭발사건으로 인해 안전

측면에서 다시 한번 가스연료에 대한 경각심을 불러 일으켰으나 대도심의 대기

환경을 개선할 수 있으며 또한 석유자원을 다변화하며 저탄소연료를 사용한다

는 측면에서 높이 평가를 할 수 있는 자동차 연료 이다.

향후 2014년도에 도입 예정인 EURO-6 규제부터는 NOx 배출허용기준이 매우

엄격해져서 현재의 천연가스 엔진의 경우 NOx 규제를 만족시킬 수 없고

De_NOx 촉매를 장착하여야 한다. 이는 차량의 가격이 상승될 뿐만 아니라

De_NOx 촉매를 장착하지 않을 경우 CNG가 가지는 환경적인 측면이 장점에서

단점으로 바뀌게 된다. 이런 EURO-6 규제를 대응하기 위한 방법 중 하나가 바

로 HCNG이다.

이번연구에 사용된 HCNG는 수소(H2, hydrogen)와 천연가스를 혼합한 연료

이다. 미국 및 유럽에서는 HCNG를 NOx의 저감을 위해 사용되는 연료 및 저탄

소연료로 현재 전용엔진을 개발하거나 실증실험을 통해 사업화를 추진 중에 있다.

이번연구를 통해 HCNG적용에 따른 환경성평가를 실시하였으며, 규제물질인

일산화탄소(CO), 탄화수소(NMHC), 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM)과 미규

제물질인 입자상물질의 개수(PN)를 확인하였으며, 미량유해물질인 휘발성유기

화합물(VOCs), 다환방향족화합물(PAHs)과 온실가스인 이산화탄소(CO2), 아산

화질소(N2O)를 확인하였다.

이 자료를 근거로 하여 향후 HCNG의 사용 및 보급에 따른 정책방향 설정 시

기초자료로 활용하고자 한다.

Ⅱ. 연구내용 및 방법❚

2

Ⅱ. 연구내용 및 방법

1. 이론적 배경

가. 정의 및 특징

미국 캘리포니아주 CARB(california air resources board)에서는 2007년 1월

저탄소연료기준(Low Carbon Fuel Standard)을 공포하였다. 저탄소연료기준이

란 탄소함량의 적은 연료를 총칭하며 저탄소연료의 사용으로 연료에 대한 탄

소함량을 줄임으로써 배출가스 중 온실가스(Green House Gas)를 줄이고자 하

는데 목적이 있다.

그런데 우리나라는 이미 미국보다 선도적으로 저탄소연료를 사용하고 있

다. 특히 바이오디젤을 2007년부터 0.5%씩 경유에 의무적으로 혼합하여 보급

을 하고 있으며 2010년에는 2%의 바이오디젤이 경유에 혼합되어 사용이 되

고 있다. 또한 대도심의 대기를 개선하기 위해 대중교통인 버스에 사용되는

CNG는 대기개선은 물론 온실가스를 낮게 배출하는 연료이기도 하다.

Source : Atmospheric Environment 42 (2008) L.A. Graham

<그림 1> GHG urban bus emission


3

이번연구에 사용된 저탄소연료인 HCNG(Hydrogen+methane)는 CNG가 가지

고 있는 연료의 단점을 수소가 보완하여 배출가스를 저감시키고 자동차의 성능

을 향상시키는 연료로 조사되고 있다. 특히 NOx의 규제기준이 강화되는 Euro-6

및 US-2010에서는 De_NOx의 후처리장치를 장착하도록 권장하고 있다. 그러나

HCNG는 고가의 후처리장치를 장착하지 않고도 강화된 규제를 용이하게 맞출

수 있는 유일한 기술로 조사되고 있다.

<그림 2> PM and NOx emission regulation trend

또한 천연가스와 수소 혼합 연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 궁극

적 연료인 수소를 본격적으로 사용하는데 앞서 HCNG가 가지고 있는 에너지안

보, 친환경적측면과 더불어 수소가 갖는 여러 가지 안전상의 문제를 경험으로

해결함에 따라 수소에너지 인프라의 가교역할을 HCNG가 할 수 있기 때문이다.


4

나. 국외 HCNG 관련 현황

HCNG 인프라를 시범사업을 통해 구축하고 있는 국가는 미국, 캐나다의 북

미지역과 프랑스, 이탈리아, 독일 스웨덴, 노르웨이 등의 유럽지역 그리고 인

도, 중국 등의 아시아지역이 있다. 수소를 생산하는 방식에 있어서는 천연가

스 개질과 물 전기분해 방식이 주류를 이루는데 천연가스 개질을 사용하는

방법은 초기 인프라 구축에 유리하며, 물 전기분해는 태양광, 풍력 등의 신재

생에너지를 활용하는 특징을 가지고 있다.

북미에서 가장 대표적인 충전소는 Penn State Univ.에 위치한 천연가스,

HCNG, 수소 복합충전소로서 천연가스를 개질하여 수소를 생산하며, 한 장소

에서 모든 연료를 충전할 수 있는 시설을 갖추고 있다. 천연가스와 수소는

Mixing 장비를 통해 충전 전에 혼합 및 가압됨으로써 HCNG가 생산된다.

<그림 3> Multi CNG gas station in Penn State, USA

천연가스 자동차의 보급대수가 많은 이탈리아에서도 HCNG 인프라가 시범

사업을 통해 구축되고 있는데, 신재생에너지 뿐만 아니라 원자력, 천연가스

등 모든 수단을 통해 수소를 생산하고 이를 파이프 라인으로 CNG와 연계시

켜 HCNG화 하는 것이 특징이다.


5

<그림 4> Multi CNG service station in Montova, Italy

MultiEnergy Service Station Projects로 구축되는 수소 및 HCNG 인프라사

업은 독일도 함께 참여하고 있어 성공적으로 사업이 이루어질 경우 유럽 전

역으로 확대될 가능성이 예상된다.

인도의 경우 비록 HCNG 기술을 늦게 도입하였지만 가장 빠르게 상용화에

이르렀다. IOC(Indian Oil Corporation)사에서 이미 HCNG 충전소를 상업용으

로 구축하였으며 HCNG 연료를 사용하는 자동차 또한 인도 국내 자동차 제

작사를 통해 판매되고 있다. 중국에서도 HCNG 상용화를 이루었다는 보고가

있었으나 정확한 자료는 아직 공개되지 않고 있다.

<그림 5> Commercial multi service station in Delhi, India


6

HCNG 또는 수소 인프라를 구축하는데 있어서 가장 큰 난관은 생산기술

보다는 충전시설 관련법과 주민들의 인식이다. 미국의 경우 주법으로 다루어

지는 법령을 충전소가 설치될 수 있도록 개정하였고 충전소에 대한 안전성을

적극 홍보함으로써 주거지역에 설치하더라도 주민의 불만이 거의 없는 상황

이다. 하지만 국내는 현재의 충전시설 관련법 상에 수소를 천연가스 충전소

내에서 생산할 수 없을 뿐만 아니라 동일 장소에서 HCNG나 수소를 천연가

스와 함께 충전할 수도 없다. 최근 환경부 무저공해 자동차 사업의 일환으로

HCNG 충전소 설치에 대한 법적 검토를 수행하고 있지만, 세계 각 주요국에

서 HCNG와 수소 인프라를 구축하기 위해 많이 노력하는 점을 감안하였을

때 국내에서도 관련법을 빠른 시일 내에 개정하고 안전기술의 강화 및 안전

기술에 대한 연구가 필요하다.

(1) HCNG 배출가스 실험방법

(가) 자동차 배출가스 시험방법

차대동력계는 자동차가 실제 도로를 주행할 때 정지, 가속, 정속, 감속 등을

반복하는 과정을 대표화한 실측 주행모드를 사용하여 모사 주행할 수 있도록

자동차에 부하를 걸어주는 장치로, 관성중량(Inertia weight), 동력흡수계(Power

absorption unit), 제어기(Controller)로 구성되어 있으며. 측정 장치는 차대동력

계, 보조운전 장치, 시료채취장치, 희석터널, 입자상물질 측정장치 및 배출가스

분석기 등으로 구성되어 있다.

배출가스 측정은 시험자동차가 차대동력계의 롤러위에서 각 모드별로 주행

할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(CVS : Constant

volume sampler)에서 일정량의 공기로 희석한 후, 시료채취백에 채취하여 배출

가스 분석기로 분석하였다. 운전보조 장치(Driver aid)는 운전자가 자동차로 도

로에서 주행하는 상태로 운전 할 수 있도록 화면에 운행상태를 표시해 주는 장

치이다. 또한 시료채취장치(Constant volume sampler)는 자동차 배출가스를 공

기와 희석하여 채취할 수 있는 장치이며 희석터널은 고온에 의한 입자상물질의

변화를 배제시키고 대기 조건으로 제어하기 위해 시료채취온도가 항상 52℃ 이

내로 유지되도록 외부공기와 배기가스를 희석시키는 기능을 한다.


7

<그림 6>은 차대동력계를 이용하여 시험하는 모습을 보여주고 있다.

<그림 6> Overview test vehicle of chassis-dynamometer

(나) HCNG 시험용 차량

이번 연구 사업에서 사용한 시험용 차량은 CNG를 전용으로 사용하는 차량과

휘발유/CNG를 사용할 수 있는 bi-fuel 차량을 이용하여 HCNG함량에 따른 배출

가스를 조사하였다. 이번연구의 목적은 CNG 및 bi-fuel 차량에 대해 새로운 연

료인 HCNG의 적용에 따른 배출가스의 특성을 살펴보는데 의의가 있다. 또한

배기량에 따른 배출특성도 같이 살펴 볼 수 있었다.

중형트럭(3,298cc) 소형승용자동차(1,599cc)

l 기존 노즐 → 스파크 플러그 설치

l 압축비 변경

l 피스톤 교체

l 레귤레이터 전단에 연료 공급라인

을 설치하여 흡기 매니포트로 공급

l 휘발유/CNG를 사용할 수 있는

bi-fuel 차량으로 변경

l CNG를 저장할 수 있는 200 bar

충전압력 탱크 설치

l 가스 인젝터 설치


8

<그림 7> CNG tank and engine modification test vehicle

(다) 정적연소기 시험

정적연소기는 실제 기관과 유사한 조건으로 보어 86.2mm, 폭 39mm로 제작

하였다. 정적연소기 주변 장치로 흡·배기 밸브, 압력센서, 점화를 위한 스파

크 플러그를 중앙에 장착하였다. 또한 연소 가시화를 위하여 정적연소기 앞

면에 직경 120mm, 두께 25mm의 강화유리를 통하여 주변에 설치된 초고속카

메라를 이용해 화염의 확산 형상을 촬영하였다. 연료와 공기의 균일한 혼합

을 위해 스월 모터를 사용하였으며, 연소 후 잔류 가스는 진공펌프와 감압탱

크를 이용하여 제거하였다. 연소실 온도는 일정하게 유지하였으며 사용된 연

료는 CNG 100%, HCNG 10, 20, 30 vol. %이다. 당량비는 연소실 내의 분위기

압에 대한 각각의 연료와 공기의 분압비를 이용하여 조절하였다. 연소된 화

염은 초고속카메라를 이용하여 4000 fps로 촬영하였다. 또한 피에조식 압력센

서를 이용하여 압력변화를 측정한 뒤 열 발생률을 계산하여 연소 특성을 해

석하였다.8)연소압력 데이터는 DAQ(Data Acquisition: DAQ Card-6024E)를 사

용하여 수집하였고 Labview를 사용하여 점화시기, 촬영시기 등의 모든 신호

를 제어하였다. 연소가 종료된 후 연소 생성물 분석을 위해서 HORIBA(

MEXA-554 JKNOX)를 사용하였다.


9

<그림 8> Schematic diagram of experimental apparatus

(라) 시험용 가스

이번연구에 사용된 HCNG는 특수가스를 제조하는 업체를 지정하여 사전혼

합(premix)를 한 이후 43L 가스용기에 담아 시험용 연료로 사용하였다. 일반

천연가스보다 고순도의 메탄과 수소를 사용하였으며 불활성가스인 CO2, N2

등의 가스는 혼합되지 않았다. 또한 황분이 검출되지 않았으며 기타 다른 기

체가 혼합되어 있지 않았다.

일반적으로 대용량의 혼합연료를 사용하기 위해서는 수소와 메탄가스의 탱

크를 따로 설치하여 MFC(mass flow control) 등의 제어기를 사용하여 일정량

의 수소와 메탄이 혼합되어 공급될 수 있게 장치를 설계하여 실험을 실시하

여야 하나 이번 실험에서는 연료와 차량의 안전을 위해 사전혼합연료를 사용

하여 가스를 병렬로 연결하여 차량에 직접 주입 하였다.

Ⅲ. 연구결과 및 고찰❚

10

Ⅲ. 연구결과 및 고찰

1. 연구결과 및 고찰

가. 배출가스 결과

(1) 규제물질(CO, NOx, NMHC)

(가) 소형승용자동차

소형승용자동차의 배출가스 시험결과 차량의 속도에 따라 발생되는 배출가

스의 특성은 NMHC는 감소하였으며, NOx는 증가하는 것을 확인할 수 있었

다. 소형승용자동차의 배출가스 시험결과는 차량의 속도와 혼합비율에 따라

결과를 분석할 수 있었다. 우선 배출되는 오염물질은 발생량에 따라 NOx >

NMHC > CO 순으로 그 발생량의 크기가 나타났다.

차량의 속도에 따른 결과에서는 차량의 속도가 증가함에 따라 NOx의 발생

량은 증가 하였으며 NMHC 및 CO의 발생량은 감소하는 것으로 나타났다. 이

결과는 CNG 및 HCNG에서 모두 동일하게 나타났다. 최고속도인 90km/h에서

NOx의 발생량이 가장 큰 것으로 조사되었다.

<그림 9> Result of CO, NOx, MNHC by light duty passenger car


11

자동차 배출가스 중 NOx의 경우 엔진의 온도 상승에 따라 발생될 수 있는

thermal NOx의 영향으로 발생되는 경향이 높음에 따라 90km/h 및 수소함량

이 높은 비율에서 많이 발생하는 것으로 조사 되었다. 그러나 CNG와의 비교

에서는 HCNG연료가 낮은 것으로 나타났으며 이것은 서론에서도 언급한

HCNG의 연료 특성상 발생 될 수 있는 것으로 판단 된다.

온실가스인 CO2의 경우 차속이 경제속도인 60km/h인 경우에 함량별 배출

농도에서는 가장 낮게 배출되는 경향을 보였으며 HCNG를 사용할 경우 CNG

연료보다 배출농도가 낮았다. HCNG함량비율에 따른 비교에서는 수소함량비

율이 증가됨에 따라 CO2가 소량 감소하는 효과가 있는 것으로 조사 되었다.

따라서 수소가 일정부분 혼합되었을 경우 발생되는 CO2의 결과 값은 저감되

는 것을 알 수 있었다.

<그림 10> Result of CO2 by light duty passenger car

배출시험결과 속도에 따른 경향성을 확인할 수 있었던 NOx와 CO2에 대한

저감량을 평가 할 수 있었다. 이번 조사에서 차속을 30km/h로 주행 시 NOx

의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에 비해 약 24% 저감되었으며,

HCNG20%를 사용하였을 경우 약 49% 저감되었으며, HCNG30%를 사용하였을

경우 약 58% 저감되었다. 온실가스인 CO2의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서


12

CNG에 비해 약 11% 저감되었으며, HCNG20%를 사용하였을 경우 약 14% 저

감되었으며, HCNG30%를 사용하였을 경우 약 16% 저감되었다. 따라서 30km/h

의 주행구간에서 HCNG를 사용하였을 경우 NOx 및 CO2는 수소함량이 증가

됨에 따라 저감되는 경향을 보였으며 이것은 수소의 물리화학적 특성과 메탄

이 주성분이 CNG를 수소가 일정부분 혼합됨에 따라 탄소함량이 낮은 연료의

사용으로 나타난 결과로 사료된다.

<그림 11> Reduction rate of NOx on 30km/h


13

<그림 12> Reduction rate of CO2 on 30km/h

차속을 60km/h로 주행시 NOx의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에

비해 약 98% 저감되었으며, HCNG20%를 사용하였을 경우 약 23% 저감되었

으며, HCNG30%를 사용하였을 경우는 오히려 약 8% 증가하였다. 온실가스인

CO2의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에 비해 약 1.2% 저감되었으며,

HCNG20%를 사용하였을 경우 약 2.6% 저감되었으며, HCNG30%를 사용하였

을 경우도 약 2.6% 저감되었다. 따라서 60km/h의 주행구간에서 HCNG를 사용

하였을 경우 수소 함량에 따른 NOx 발생 경향성은 확인하기 어려웠으나 CO2

는 수소함량이 증가됨에 따라 저감되는 경향을 보였다.


14

-98

-23

8




15


비해 약 48% 저감되었으며, HCNG20%는 약 43%, HCNG30%를 사용하였을 경

우 약 26% 저감되는 것으로 조사 되었다. 온실가스인 CO2의 경우 HCNG10%

사용한 연료에서 CNG에 비해 약 1% 저감되었으며, HCNG20%를 사용하였을

경우 약 12%, HCNG30%를 사용하였을 경우 약 13% 저감되었다. 따라서 90km/h

의 주행구간에서 HCNG를 사용하였을 경우 CO2는 60km/h와 같게 함량이 증

가됨에 따라 저감되는 경향을 보였다.

이번실험에서 사용한 시험모드 중 최고속도인 90km/h에서는 수소함량이 증

가함에 따라 CO2의 저감량은 증가하였으며 NOx는 수소함량이 낮은 10%에서

저가비율이 가장 높게 나타났다. HCNG 연구를 통해 얻은 결과는 HCNG를 사

용할 경우 CO2는 CNG보다 낮은 것으로 조사되었으며 NOx의 경향은 CO2의

경향성 보다 낮았으나, NOx도 저감되는 것으로 조사 되었다.



16


(나) 중형트럭

중형트럭의 배출가스 시험결과 차량의 속도에 따라 발생되는 배출가스의

특성은 NMHC, NOx, CO가 감소하는 것으로 조사 되었다. 특히 이들 오염물

질은 중형트럭의 속도에 따라 감소하다 증가하는 것으로 30km/h → 90km/h

로 속도를 증가시킬 경우 60km/h에서 가장 낮은 오염물질이 발생 되는 것으

로 조사 되었다. 이것은 차량의 크기 및 ECU의 맵핑에 따른 현상으로 해석

할 수 있으며 경제속도인 60km/h에서 오염물질이 최소로 발생될 수 있게 맞

춰진 내용으로 추론 할 수 있었다.


17

<그림 17> Result of CO, NOx, MNHC by middle duty passenger car

온실가스인 CO2의 경우 차속이 60km/h인 경우에 함량별 배출농도에서는 가

장 낮게 배출되는 경향을 보였으며 전체적인 결과 HCNG를 사용할 경우 CNG

연료보다 배출농도가 낮았다. HCNG함량비율에서는 함량비율이 증가됨에 따라

소량의 저감효과가 있는 것으로 조사 되었다. 따라서 수소가 일정부분 혼합되

었을 경우 발생되는 CO2의 결과 값은 저감되는 것으로 나타났다.


18

<그림 18> Result of CO2 by middle duty passenger car

배출시험결과 경향성을 확인할 수 있었던 NOx와 CO2에 대한 저감량을 평

가하였다. 이번 조사에서 차속을 30km/h로 주행 시 NOx의 경우 HCNG10%

사용한 연료에서 CNG에 비해 약 41% 저감되었으며, HCNG20%를 사용하였을

경우 약 62% 저감되었으며, HCNG30%를 사용하였을 경우 약 33% 저감되었

다. 온실가스인 CO2의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에 비해 약 35%

증가되었으며, HCNG20%를 사용하였을 경우 약 19% 증가되었으며, HCNG30%

를 사용하였을 경우 약 35% 증가되었다.

이번실험에서 CO2의 경우 해석이 어려운 부분 중 하나였던 내용이 바로

30km/h에서의 발생 경향성이다. HCNG의 결과 다른 부분에서는 속도 및 함량

이 증가됨에 따라 CNG보다 낮은 발생결과를 얻었으나, 중형트럭부분에서만

증가되는 결과를 나타냈다. 이것은 위에서도 언급한 차량의 속도비율에 따른

ECU의 영향으로 추측해 본다.


19

평균 45%

저감




20

차속을 60km/h로 주행 시 NOx의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에

비해 약 65% 저감되었으며, HCNG20%는 약 73%, HCNG30%는 약 40% 저감

되었다. 온실가스인 CO2의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에 비해 약

26%, HCNG20%는 약 37%, HCNG30%를 사용하였을 경우 약 21% 저감되었다.

평균 59%

저감



21

평균 28%

저감



비해 약 42%, HCNG20%는 약 43%, HCNG30%는 약 3% 저감되었다. 온실가스

인 CO2의 경우 HCNG10% 사용한 연료에서 CNG에 비해 약 55%, HCNG20%를

사용하였을 경우 59%, HCNG30% 약 53% 저감되었다. 중형트럭에서 발생된

CO2의 저감비율이 가장 높은 속도 때 인 것을 확인 할 수 있었다.

중형트럭의 시험결과 HCNG20% 혼합연료 사용 시 발생량이 가장 낮은 것

을 확인 할 수 있었다. 또한 60km/h의 속도에서 배출가스 발생량이 낮은 것

으로 조사 되었다.


22

평균 29%

저감


평균 55%

저감



23

(2) 미규제물질(VOCs, PAHs, PN, N2O, Aldehyde)

(가) 소형승용자동차

1) 휘발성유기화합물 (VOCs)

미규제물질인 휘발성유기화합물(VOCs)의 배출수준은 HCNG를 사용할 경우

CNG연료를 사용한 경우보다 Total VOCs가 낮게 배출되는 경향을 보였다. 시

험차속별로 배출특성을 비교한 결과 30km/h 주행조건과 60, 90km/h 주행조

건에서 다소 상이한 경향을 나타내었다. 구성물질 별로는 Toluene 〉

Ethylbenzene 〉Xylene 〉Stylene 〉Benzene 순으로 배출되는 특징을 보

였다.

<그림 25> Result of Total VOCs by light duty passenger car on 30km/h

속도별에 따른 VOCs는 일반적으로 발생비율에 있어서 30km/h > 60km/h >

90km/h로 나타났다. 속도에 따른 연소특성에 따라 발생되어진 내용으로 추론

할 수 있으며, HCNG가 CNG보다는 VOCs가 낮게 발생 됨을 확인 할 수 있었다.


24




25

2) 다고리방향족화합물 (PAHs)

미규제물질인 다고리방향족화합물(PAHs)의 경우 VOCs의 배출특성과 유사

한 경향을 나타내었다. 전체적인 배출특성은 HCNG를 사용할 경우 CNG연료

를 사용한 경우보다 PAHs의 배출이 낮게 나타나는 경향을 보였다. 다만

HCNG를 함량별로 시험한 결과 시험조건에 따라 다소 상이한 결과를 보여,

수소혼합비율과 다고리방향족화합물 저감효과의 상관관계는 크게 나타나지

않는 것으로 보인다.

<그림 28> Result of PAHs by light duty passenger car on 30km/h

이번에 사용한 분석기기는 PAHs의 농도를 실시간으로 확인할 수 있는 기

기로서 원리는 PAH가 결합된 입자를 광이온화시키는 원리를 이용한 기술이

다. 220nm의 엑시머(excimer) 램프를 이용해서 에어로졸 흐름이 고강도의 협

대역(narrow band) 자외선 복사지역에 노출되도록 한다. 일반적으로 PAHs를

분석했던 방법보다 매우 편리해 졌으며, 또한 속도에 따른 PAHs의 농도를 파

악할 수 있는 장점도 가지고 있다.


26




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3) 극미세입자 (PN; Particle Number)

HCNG 사용에 따른 극미세입자의 배출농도의 측정 결과는 아래의 그림에서

보듯 HCNG를 사용한 경우 CNG연료를 사용한 경우보다 극미세입자의 배출

이 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이는 차속별 조건에서 시험한 결과 최소

27%에서 최대 63%까지 저감효과가 발생하는 것으로 나타났다. 일정 수준의

수소첨가 후 극미세입자의 배출이 현저히 감소하는 결과로 미루어 HCNG연

료와 극미세입자의 상관성은 높은 것으로 보여 진다.

<그림 31> Result of PN on 30km/h

일반적으로 경유자동차에서 발행하는 극미세입자의 개수는 1013~1014정도가

발생된다. 동일한 모드에서 시험한 내용이 아니라 경유자동차의 극미세입자

개수와는 직접적으로 비교할 수 없으나, CNG보다도 약 50%정도 저감된 결과

로 수소혼합연료의 특성으로 살펴 볼 수 있다.


28




29

4) N2O

온실가스인 N2O는 HCNG 연료를 사용할 경우 CNG연료를 사용할 때보다

낮은 농도로 배출되었다. 이는 HCNG 함량비율별로 시험한 결과 수소함량비

율이 증가됨에 따라 최소 4%에서 최대 65%까지 N2O의 저감효과가 있는 것

으로 조사되었다. 차속별 조건에서 30km/h인 저속시험조건에서 가장 높은 저

감효과가 나타났으며 경제차속조건인 60km/h에서도 평균 31%의 저감효과,

90km/h의 고속시험조건에서도 평균 32%의 저감효과를 보였다.

<그림 34> Result of N2O on 30km/h

온실가스인 N2O역시 CO2와 비교하여 온실가스 발생량은 낮으나 지구온난

화지수인 GWP(green warning potential)에서는 N2O의 GWP를 310으로 규정하

여 N2O 1이 CO2 310에 해당하게 된다. 또한 CH4의 GWP는 21로 규정함에 따

라 CNG차량에서 미연소된 CH4은 곧 온실가스를 증대시키는 영향으로 간 주

할 수 있기 때문에 천연가스 이용차량에서의 CH4의 확인은 온실가스 발생여

부를 확인 할 수 있는 부분이기도 하다.


30



5) Aldehyde

일반적으로 함 산소연료를 사용할 경우 알데히드가 발생될 수 있으며,

CNG의 경우는 연소 과정에서 알데히드로 발생할 수 있는 화학적 특성을 가

지고 있다. 다만 HCNG를 사용할 경우 CNG를 사용할 때 보다 H2가 추가 혼

합되어 알데히드의 발생량이 감소되는 영향을 보일 수 있을 것으로 사료 되

어 진다.

Ⅳ. 결 론❚

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Ⅳ. 결 론

HCNG는 미래의 궁극적 에너지인 수소를 활용함에 있어 중간단계 역할로

사료 되어 진다. 더 많은 연구가 필요하지만 1차적인 환경성평가를 검토한

이번 연구 결과 HCNG는 CNG보다 오염물질이 낮게 배출되는 경향을 보였기

에 환경적으로 CNG를 대처하는 가능성 있는 연료로 생각된다.

문헌조사에 따르면 천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 첫째, H/C 비율이

높은 천연가스를 개질하여 수소를 생산하기가 유리하고, 둘째, 천연가스와 수

소의 혼합이 쉬울 뿐만 아니라 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있

으며, 셋째, 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 천연가스가 가지고 있

는 한계를 훨씬 더 넓혀 후처리장치 없이 EURO-6의 NOx 허용기준치를 만족

시킬 수 있기 때문인 것으로 조사되었으며 이번 연구를 통해 온실가스저감의

시험결과를 얻게 되었다.

온실가스인 CO2의 저감은 소형승용차의 경우 평균 8%, 중형트럭의 경우 평

균 17%의 저감 효과를 보였으며 NOx는 소형승용차의 경우 41% 중형트럭의

경우 44% 수준으로 저감되는 것을 알 수 있었다. 미량유해물질의 결과는 발

생되는 함량자체가 낮아서 경향성을 파악하기는 쉽지 않았으나, CNG만을 사

용하는 연료보다는 HCNG를 사용할 경우 그 발생량은 저감되는 것으로 조사

되었다.

향후 EURO-6 및 US2010 배기규제 및 온실가스규제에 대한 적용기술로 후

처리장치 이외에 HCNG 역시 충분한 가능성 있는 연료로 사료되어 진다. 또

한 국내에서 사용하고 있는 CNG충전소를 활용하여 On-site 또는 Off-site 수

소 공급 기술개발 등 충전인프라 기반을 구축하면 충분히 적용 가능한 기술

로 생각되어 진다.

이번 연구결과는 일반 CNG엔진 및 Bi-fuel엔진에 대한 속도별에 따른

HCNG의 적용성 및 환경성 평가를 실시함에 따라 이 결과를 토대로 향후

HCNG보급을 위한 기초자료로 활용 예정이다.

참 고 문 헌❚

32

참 고 문 헌

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Lgnition Engine" SAE 2004-01-2956

저탄소연료 사용에 따른 배출가스...

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