전소 천연가스차량의 시범운영 결과

김기동, 신동현, 최동수

한국가스공사 연구개발원

The Results of Field Test for Dedicated CNG Vehicles in Korea

Ki-Dong Kim, Dong-Hyun Shin, Dong-Soo Choi

KOGAS R & D center

국내 수송에너지의 석유의존도 감소와 자동차에 의해 발생되는 대기오염을 줄이기 위해 정부의 후원아래 당 공사는 자동차 3사, 가스회사 및 버스회사등과 공동으로 천연가스 승용차 및 버스의 시범운행을 실시하였다. 본 과제는 천연가스 자동차가 본격보급에 앞서 저공해성, 안전성 및 우수성을 확인코자 천연가스 승용차와 버스에 대한 시범운행을 실시한 것이다. 이를 위해 압축천연가스 충전소 법규 및 관련 시설을 제정, 설치하였다. 시범운행에 참여한 승용차는 각 사별로 3대로 총 주행거리는 164,000□며, 평균 주행거리는 16,176□를 기록하였다. 천연가스 승용차에 이어 버스에 대한 시범운행도 수행하였다. 4대의 천연가스 버스를 인천, 안산지역에 주기적으로 운행시켰다. 1999년 3월까지 총 주행거리는 139,309□이고, 평균 연비는 2.2□/□이어서 디젤버스와 비교해 보아도 거의 같은 출력을 보여주었다. 또한 정부에서는 2002년 월드컵개최와 더불어 기존 디젤버스를 2007년까지 전부 교체하기로 계획하고 있다.

1. 서 론

한국은 석유 의존도가 매년 증가(□90년 53.8% → □98년 54.52%)하고, 에너지 해외 의존도(□90년 88% → □98년 97%) 또한 지속적 증가와 지역적으로 중동지역에 편재해 있어 문제가 크다. 그래서 가채년수가 석유보다 22년이나 길고 전세계에 고루 분포되어 있는 천연가스를 차량연료로 대체하는 연구가 수행주이다. 한국은 2000년대에는 자동차가 1,400만대로 증가할 것으로 추정되고 있어 자동차로 인한 환경오염 문제가 갈수록 심각해질 전망이다. 자동차에서 배출되는 오염물질은 연료의 성상에 따라서 약간씩 다르나 휘발유나 가스연료를 사용하는 경우에는 CO, HC, NOx 및 미량의 SOx등이 배출되고, 경유를 사용할 경우에는 이외에도 매연이 더 배출된다. 발생원별 대기오염물질 배출량은 총 오염물질 배출량(□97) 4,364,723톤중 수송부문은 2,194,318톤으로 전체의 50.2%를 차지하고 있어 한국의 수송부문에 의한 대기오염은 대단히 심각하다. 자동차별 대기오염을 살펴보면 경유 자동차의 오염비중이 높은 편이며, 특히 대형 버스나 트럭과 같은 대형 경유 자동차에 의한 대기오염이 심각하다. 특히 2002년에는 한국과 일본에서 개최되는 월드컵을 깨끗한 환경에서 월드컵경기를 치루기 위해 개최도시를 중심으로 5,000대의 천연가스 버스를 보급할 계획이다. 그러므로 본격보급에 앞서 천연가스 차량의 저공해성, 안전성 및 우수성을 확인코자 천연가스 승용차량과 버스에 대한 시범운행을 실시하였다.

2. 천연가스 차량 시범운행

2-1. NGV 승용차 시범운행

한국에서 처음으로 실시한 승용 천연가스 자동차의 시범운행은 환경부의 협조를 받아 한국가스공사가 주관이 되어 국내 자동차 3사의 차량 3대씩을 기증받아 □96.10에 시범운행 행사를 개최하였다. 그러나 한국의 경우 CNG(Compresed Natural Gas)충전소의 설치 관련법규가 마련되어 있지 않아 시범운행에 어려움을 겪다가 □96.12에 CNG충전소 설치법규가 제정되어 □97.4에 CNG충전소 사용허가를 받은 후 □98.1부터 □98.12까지 천연가스자동차 시범운행을 실시하였다. 시범운행 차량은 한국의 3대 자동차 제작사인 기아, 대우, 현대의 차량중 기존에 생산 판매되고 있는 기아의 스포티지, 대우의 씨에로, 현대의 엑센트를 각각 3대씩 개조하여 시범운행을 실시하였다.

그림 시범 운행한 천연가스 차량

천연가스는 가솔린과는 달리 연료가 가스 상태로 연소실에 공급되므로 체적효율 저감등에 의한 성능 저하가 발생하게 되어 이에 대한 대책이 필요하며, 가스는 온도와 압력에 의해 연료 공급량이 변화하므로 이에 대한 보상이 필요하다. 이와 같은 천연가스와 가솔린 연료의 물성차이에 의한 천연가스 엔진의 최적화를 위하여 Hardware는 Camshaft, 압축비, Tumble Ratio등을 변경하였고, Software는 점화시기, 공연비, 분사형태를 변경하였다. 또한, 배기가스 저감을 위하여 천연가스 전용촉매를 개발하였다.

표 1. 가솔린, 천연가스차량의 제원 비교

항목	가솔린 차량	천연가스 차량
차량	스포티지 가솔린	스포티지 CNG
배기량(cc)	1998	1998
압축비	9.2	10.9
충전압력	-	3,600 psi
공차중량(kg)	1,450	1,520
연료계	MPI	MPI
분사압력(bar)	3	7
후처리 장치	3원 촉매	CNG 전용촉매

시범운행 차량의 연료충전은 가스공사 연구개발원에서 '96.10에 설치한 충전용량 29scfm, 저장용량 400□(water capacity)의 CNG충전기를 이용하여 충전하였다. 그리고 본 시범운행이 천연가스차량의 우수성, 청정성 및 안전성을 입증하며 일반인에게 홍보하기 위한 목적이었으므로 일반인들이 직접 운행하여 천연가스차량의 장·단점을 비교하도록 하였다. 본 시범운행에서 운전자들은 차량을 주로 업무용으로 이용하였으며, 주행거리 및 연료충전량을 기록하였다. 그리고 주행거리와 연료충전량을 통해 주행연비를 측정하였다. 주행거리는 □98.1∼□98.12 동안 총 9대에 대하여 16.4만km 이었고, 대당 평균 18,176km를 운행하였다. 연비는 9대 차량에 대해서 평균 15.88km/kg 이었고, 가솔린 등가로 환산하였을 경우 연비가 10.11km/□가솔린 로 가솔린 차량의 평균연비 11.4km/□와 비교하여 거의 대등함을 알 수 있었다.

표 2. 시범운행 평균연비

km/kg	km/□	km/□휘
15.88	12.76	10.11

2-2. 천연가스 버스 시범운행

본 천연가스버스 시범운행은 환경부가 주관이 되어 가스업계(가스공사, 삼천리 도시가스), 자동차 제작사(대우, 현대), 운수업체(경원여객, 삼환교통)가 공동으로 4대를 가지고 실시하였다. 이번 천연가스버스 시범운행은 인천과 안산에서 각각 시작하였는데 인천에서는 □98.7.27에 시작하여 인천의 월미도에서 부개역까지 왕복 92km 구간을 6회 운행하고 있다. 그리고 안산에서는 □98.9.16에 운행을 시작하였고, 좌석버스인 경원여객의 천연가스버스는 안산 본오동부터 서울 영등포까지 왕복 84km 구간을 5회 운행하고 있다. 그리고 차량에 연료를 충전할 충전소는 천연가스 승용차 시범운행을 위해 설치한 가스공사의 충전소를 안산지역 버스가 이용하며, 인천지역은 이번 시범운행을 위해 삼천리 도시가스가 설치한 충전소를 이용하였다. 표3은 이번 시범운행 천연가스 버스의 제원을 나타내고 있다. 가스공사의 업무용버스는 연료용기를 2개더 추가하여 충전량이 많기 때문에 일충전 주행거리가 450km 정도 된다.

표 3. 시범운행 천연가스버스의 제원비교

차 종			D6AB(현대)	BH116(대우)	BS106(대우)
시범운행업체			삼환교통	한국가스공사	경원여객
형 태			입 석	좌 석	좌 석
승차 정원			67	40	40
엔진	Model		D6AB	GE12TI	GE12TI
	배기량(□)		11,149	11,051	11,051
	최대출력(ps/rpm)		270/2200	280/2200	280/2200
	최대토크(Kg.m/rpm)		100/1400	110/1300	110/1300
	Fuel control system		Full auto elec.	Full auto elec.	Full auto elec.
차량총중량(□)			14,465	14,450	13,005
최대속도(□/h)			130	108	108
등판능력(tan□)			0,390	0.385	0.385
가스		형 태	NGV-Ⅱ	NGV-Ⅱ	NGV-Ⅱ
		최대입력(PSI)	3600	3600	3600

용기	용기 크기	13＆×70＆:4개 13＆×50＆:2개	13＆×60＆:8개	13＆×60＆:6개
	Water Vol(□)/ 충전량(□)	650/165	750/220	562/160

승용차 시범운행에서와 마찬가지로 주행거리 및 연비를 측정하였다. 측정한 결과 천연가스버스 4대에 대해 총 주행거리는 139,309km 이었으며, 평균연비는 2.2km/□, 2.7km/kg 이고, 경유로 환산하였을 경우 1.9km/□경유로 일반 디젤버스와 비교하여 거의 동등한 연비를 나타내고 있다.

2-3. 한국의 향후 천연가스차량 보급계획

한국에서는 인천, 안산의 천연가스버스 시범운행에 이어 서울지역에서 15대의 천연가스 시내버스 시범운행에 들어갔다. 충전소 3개소를 설치하여 본격적인 실차시험을 하고 2000년부터는 오염이 심한 수도권 및 광역시의 시내버스 약 2만대를 순차적으로 대체해 나갈 계획이다. 특히 2002년 깨끗한 월드컵대회 준비를 위하여 월드컵 개최도시 중심으로 약 5천대의 천연가스 버스와 충전소 약 100개소를 우선 보급 설치할 계획이다. 10개 개최도시중 오염이 심한 7대광역시 및 수원시등 8개 도시에 약 1,950억원의 예산이 투자된다.

3. 결 론

한국은 □91년에 □CNG차량 및 적정가스엔진 개발 타당성 연구□와 함께 천연가스차량에 대해 연구를 시작하게 되어 CNG충전기 개발 연구, 천연가스차량용 연료용기 개발연구, 천연가스 엔진 및 차량 개발연구 등으로 천연가스 차량이 한국에 실용화가 가능함을 알 수 있었다. 이러한 연구를 바탕으로 천연가스 승용차 시범운행을 실시하였고, 대도시 오염의 주원인인 시내버스의 대체를 위해 천연가스 버스 시범운행을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 천연가스차량(승용) 과 천연가스버스 시범운영을 통해 성능 면에서 기존 석유연료 차량과 동일하였다.

2) 대기오염 저감 측면에서는 천연가스차량이 타연료 차량에 비해 매우 우수하였다.

3) 천연가스차량의 단점으로는 일충전 주행거리가 짧은 것이었다.

4) 일정노선을 운행하는 노선버스와 공항 등의 셔틀버스로 이용방안 검토하였다.

5) 일충전 주행거리가 CNG차량보다 4배 이상인 LNG차량과 LCNG충전기 개발이 필요하다.