자동차 연료의 종류

자동차의 연료 종류는 다양합니다. 이러한 다양한 종류의 자동차 연료에 대해 포스팅해보려 합니다.

<목차> 1. 자동차 연료의 다양성 2. 자동차 연료_액체합성연료 3. 자동차 연료_바이오에탄올 4. 자동차 연료_바이오디젤 5. 자동차 연료_수소 6. 자동차 연료_전기에너지

1. 자동차 연료의 다양성

가솔린, 디젤, 바이오연료, LPG, CNG, LNG, 석탄, 전기 등 많은 종류가 있으며, 이는 차량의 사용 용도, 연비, 환경 등에 따라 선택됩니다. 가솔린은 대부분의 차량에서 사용하는 연료로, 경제성이 좋고 충전소도 많아 편리합니다. 하지만 가솔린은 발휘되는 동력이 디젤에 비해 약하며, 대기 오염물질인 CO2를 많이 배출합니다. 유럽에서는 경유 가격이 저렴하여 디젤 차량 수요가 많아지고 있습니다. 디젤은 가솔린에 비해 연비가 좋고, 엔진 출시 이후 기술적인 발전으로 CO2 배출량도 줄어들고 있습니다. 다만 디젤은 발휘되는 동력이 강한 대신, 발생하는 NOx와 PM 등 대기 오염 물질이 많아 환경적인 측면에서 문제가 될 수 있습니다. 바이오연료는 생분해성이 좋아, 환경적으로 친화적입니다. 제조 기술의 발전으로 생산 비용이 줄어드는 추세이지만, 아직 가격이 가솔린과 디젤에 비해 상당히 높습니다. 바이오연료 중 디젤을 대체할 수 있는 연료로는 석탄 합성연료(CTL coal to liquid), 천연가스 합성연료(GTL, gas to liquid), 바이오매스 합성연료(BTL beomain no liquid), 유지작물로 얻는 바이오디젤(HDF), 농작물에서 추출하는 고급 바이오디젤 등이 있습니다. LPG, CNG, LNG 등은 대기 오염물질 배출량이 적어 가솔린, 디젤에 비해 환경적인 측면에서 우수합니다. 다만, 연비가 약간 떨어지며, 충전소 수가 부족한 문제가 있습니다. 전기 차량은 배출물질이 전혀 없으며, 연비가 매우 우수합니다. 다만 충전 시간이 오래 걸리고, 충전소 수가 부족하여 장거리 이동이 어려운 단점이 있습니다. 이처럼 각 에너지의 장단점을 고려하여, 차량 사용 용도와 환경적인 측면을 고려하여 선택하는 것이 중요하기에 다음과 같이 각 자동차 에너지 별 내용을 설명해 봅니다.

2. 자동차 연료_액체합성연료

액체 합성 연료는 수소와 이산화탄소를 혼합하여 가스화하거나, 천연가스와 석탄에서 나오는 합성 가스(syngas)를 이용하여 피셔트롭쉬(Fischer Tropsch) 방법으로 만들 수 있는 액체 연료입니다. FT 방법은 일산화탄소와 수소의 혼합물을 고온이고 압력을 가하면 촉매 작용을 통해 탄화수소로 변환됩니다. 이러한 합성 연료는 천연가스를 화학 처리하여 생산하는 액체인 GTL, 석탄에서 추출한 액체인 CTL, 바이오매스에서 추출한 액체인 BTL 등이 있습니다. 이는 천연가스, 석탄, 바이오매스 등의 기체, 고체 연료를 디젤유나 제트유 같은 액체 연료로 전환된 대체 연료입니다. GTL은 증기 메탄 개질(steam methane reforming)로 만들고 이는 메탄과 증기의 촉매 반응과 흡열 반응, 메탄과 산소의 비촉매 반응과 발열 반응에 의해 합성 가스가 만들어집니다.

CTL은 석탄을 연료로 하고 직접 석탄 액화법으로 만듭니다. 솔벤트에 석탄을 넣고 고온 고압 하에서 촉매와 산소를 넣으면 석탄이 액화됩니다. 고체 연료의 70% 정도가 액체 연료로 변환됩니다. 그러나 이 연료는 자동차에 사용하기 위해서는 추가 공정이 필요하고 석유를 대체할 수 있지만 제조 가격이 비싸 많이 생산할 수 없습니다.

BTL은 바이오매스를 연료로 하고 간접 석탄 액화법으로 만듭니다. 간접식 석탄 액화법은 FT 과정으로 석탄을 증기로 가스화시키면 수소와 CO로 분리됩니다. 비교적 낮은 압력과 온도의 촉매 반응을 거쳐 합성 가스가 만들어집니다. 고온의 FT 합성법은 합성 가솔린을 만들고 저온의 FT 합성법은 디젤을 만듭니다.

이러한 합성 연료는 환경 오염을 일으키는 황과 매연을 발생시키지 않는 친환경 연료로 고급 연료입니다. GTL, CTL, BTL 생산은 2020년 이후 급성장하여 2040년에는 차량 연료의 10%를 차지할 것으로 보입니다.

3. 자동차 연료_바이오에탄올

에탄올은 대기압과 실온 하에서 액체로 존재하는 알코올입니다. 가솔린 대비 에너지 밀도는 65%이지만 깨끗하며, 옥탄가가 높습니다. E10부터 E85까지 다양한 혼합비율로 사용할 수 있으며, NOx 배출량은 적지만 HC가스 배출량은 큽니다.

에탄올의 원료는 모든 식물입니다. 연료인 나무, 풀, 농작물 폐기물은 지속적으로 매년 공급 가능한 무한정의 에너지 자원입니다. 옥수수, 밀, 보리, 감자, 수수, 카사 바, 타피오카 등의 식물은 하이드로시스법이나 발효법으로 만들 수 있으며, 곡물, 식물, 억새, 나무, 숲, 쓰레기, 짚, 폐기물, 유지는 당화방식으로, 사탕수수는 발효와 증류방식으로 만듭니다. 에탄올은 사용되는 연료에 따라 곡식에탄올, 줄기에탄올, 차세대 셀룰로스 에탄올로 분류할 수 있습니다. 셀룰로스는 나무, 식물 등의 섬유소를 의미합니다.

미국에서는 옥수수로, 브라질에서는 사탕수수, 카사바로 만듭니다. 옥수수, 감자, 고구마와 같은 곡물의 전분은 다당류이기 때문에 효모가 발효를 하지 못합니다. 따라서 효소를 이용하여 전분을 단당류로 만든 후 효모로 바이오 에탄올을 만듭니다. 사탕수수는 효모로 발효시키면 효모는 발효 과정 중 포도당의 당분을 알코올로 바꾸어 산소가 없어도 당분을 분해합니다. 원유에 산소 함유 첨가제인 ETBE(ethyl tertiary-butyl ether)를 혼합하여도 바이오 에탄올이 만들어집니다. ETBE는 사탕수수나 옥수수 등의 식물에 포함된 당을 발효시킨 알코올로 석유 가스인 이소부텐(isobutene)으로 제조하고, 연료 중의 산소 함유량을 높이기 위해 사용되는 첨가제입니다. ETBE는 노킹 방지를 위해 휘발유에 첨가되는 첨가제이기도 합니다.

차세대 셀룰로즈 에탄올(advanced ethanal)은 현재 개발 중입니다. 종래는 씨껍질, 줄기 등은 버리고, 탄수화물과 당성분으로 에탄올을 만들었지만 지금은 이러한 셀룰로스로 연료를 만드는 혁신적인 연구를 하고 있습니다. 셀룰로스로부터 에탄올을 제조하는 방법은 폐기식물, 나무 등을 이용할 수 있고, 셀룰로스가 풍부하고 버려지고 태워지고 있는 농작물과 나무는 에탄올의 주된 원료입니다. 그러나 셀룰로스는 그 자체로 에탄올로 바뀌지 않습니다. 따라서 효소를 이용하여 셀룰로스를 당으로 만든 후 발효를 통해 당을 에탄올로 만드는 연구가 진행되고 있으며, 반드시 성공해야 하는 기술 중 하나입니다. 브라질에서는 에탄올 혼합을 85%로 의무화하다가 100% 에탄올 자동차로 변경했고, 미국은 에탄올 혼합을 10%로 하는 노력을 하고 있습니다. 나무와 농작물 폐기물을 이용하여 엔진에서 사용할 수 있는 기체나 바이오액체 연료를 만드는 방법의 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.

4. 자동차 연료_바이오디젤

바이오디젤은 현재 전 세계적으로 친환경 연료로 주목을 받고 있습니다. 이는 환경 문제와 에너지 안보 문제를 동시에 해결할 수 있는 대안적인 연료로서, 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

바이오디젤은 지구상에서 무한정으로 생산할 수 있는 식물성 원료를 사용하여 생산됩니다. 이는 환경 문제를 해결하면서, 에너지 안보 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 바이오디젤은 황과 매연을 발생시키지 않아 대기 오염 문제를 해결하는 데도 큰 역할을 합니다.

바이오디젤의 원료로는 콩, 해바라기씨, 유채씨, 팜, 코코넛, 동물성 지방 등이 사용됩니다. 이러한 원료는 수소첨가법, 에스테르 전환법 등을 통해 바이오디젤로 전환됩니다. 바이오디젤은 디젤 연료의 완전한 대체품으로 사용될 수 있으며, 높은 효율성과 안전성을 보장합니다.

하지만 바이오디젤은 디젤과 혼합하면 낮은 온도에서 겔 상태가 되고, 물과 혼합되지 않아 엔진의 부식을 가속화시키는 단점이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 바이오디젤의 품질을 개선하는 기술 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

바이오디젤은 독일과 이탈리아를 비롯한 유럽 국가에서 많이 생산되고 있으며, 여기서는 대형 버스에 사용하는 연료로 100% 바이오디젤을 사용합니다. 또한, 미국을 비롯한 많은 국가에서도 바이오디젤 생산에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이는 미래를 대비한 친환경 에너지 시스템 구축에 대한 긍정적인 신호이며, 바이오디젤이 전 세계적으로 지속적으로 성장할 것임을 시사합니다.

5. 자동차 연료_수소

수소는 수소자동차 연료전지 자동차의 연료입니다. 에탄올, 수소가 함유된 액체 연료로 수소를 만들고 연료전지에 수소를 넣으면 전기가 생산됩니다. 수소는 다양한 방법으로 화석에너지, 핵에너지, 신재생에너지로부터 만들 수 있습니다. 생산 방법에는 전기분해법, 천연가스 개질법, 석탄과 바이오매스의 가스화법, 생물학적인 방법 등이 있습니다.

2013년 현재 세계에서 190 Mtor의 수소가 생산됩니다. 그중 50%는 천연가스에서, 30%는 원유를 이용하여 생산합니다. 물의 전기분해나 소규모 천연가스 개질법으로 만드는 수소는 양이 작고 중앙집중방식은 대규모 수소를 만드는 방식입니다. 천연가스로부터 대규모 수소를 생산하는 기술은 이미 완성되어 있습니다. 석탄 가스화로부터 수소 생산기술은 잘 되어 있지만 천연가스 방법보다 가격이 비싸며, 해조류로부터 수소를 얻는 연구가 진행되고 있습니다. 핵에너지나 신재생에너지로 생산되는 전기를 이용하여 전기분해로 수소를 얻으면 CO2 배출은 거의 없습니다. 자동차에 사용하기 위해서는 저장 기술과 인프라 구축이 필요합니다. 다음은 수소를 만드는 방법입니다.

 ① 중앙집중 방식으로 천연가스에서 수소 생산

 ② 탄소포집 저장장치를 가진 중앙집중 방식으로 천연가스에서 수소 생산 (H2 from natural gas. centralized production with CCS)

 ③ 전기분해로 수소 생산 (H2 from point of use POU electrolysis)

 ④ 탄소포집 저장장치를 가진 전기분해로 수소 생산

 ⑤ 석탄에서 수소 생산 (H2 from coal)

 ⑥ 탄소포집 저장장치를 가진 석탄으로 수소 생산

 ⑦ 바이오매스 가스화로 수소 생산 (H2 from biomass gasification)

 ⑧ 핵으로부터 수소 생산, 우라늄 1g은 석탄 2000kg의 에너지를 가집니다.

6. 자동차 연료_전기에너지

현재 수송 분야에서는 주로 기차나 지하철 등에서 전기 에너지를 사용합니다. 그러나 전 세계적으로 전기 사용 비율은 5% 미만입니다. 이는 전기 자동차의 에너지원으로 활용되기 위한 배터리의 축전 용량 한계 때문입니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 전기 자동차나 플러그인 전기 자동차가 보급된다면 전기 사용량은 급격하게 증가할 것입니다. 이러한 상황에서 온실 가스를 배출하지 않는 방법으로 전기를 생산하고, 전기 축전 기술이 발전하면 인류가 추구하는 가장 좋은 에너지가 될 것입니다. 따라서, 저탄소 기술의 미래는 핵, 재생 에너지로 전기를 생산하고, 대용량 배터리와 같은 전기 저장 기술의 발전에 달려 있습니다. 이러한 기술이 완성되면 모든 자동차가 연료로 전기를 사용할 수 있게 될 것입니다. 미래 전망은 2050년까지 전기가 자동차 연료로 사용되는 비율이 15~25%로 예상됩니다. 이에 대한 우리나라의 과제는 재생 에너지가 그다지 풍부하지 않으며 핵 발전소도 한계가 있다는 점입니다. 따라서, 우리는 적극적으로 이러한 문제들에 대한 대책을 마련해 나가야 합니다.

표_연료의 종류 ( 출처 : iea)

연료	원재료	공정
액체석유연료(가솔린, 디젤)	원유	정제과정
액체합성연료(CTL, GTL, BTL)	천연가스, 석탄, 바이오매스	가스화방식, FT방식
바이오디젤(BDF)	유지작물, 유체꽃	에스테르화법, 수소첨가법
비이오에탄올	1. 곡물 2. 다년생 식물, 억새, 스위치그래스, 갈풀 3. 나무, 잡목숲, 소나무, 전나무 4. 쓰레기, 삼림, 짚, 폐기물, 유지	당화방식, 증류방식
	당료 작물, 사탕수수	증류방식
	밀, 옥수수, 사탕무, 감자	하이드로시스법, 발효법
바이오메탄	음식물쓰레기	발효법
바이오부탄올	폐목제나 볏짚, 사탕수수, 해조류 등
고급 바이오디젤	농작물, 폐기물	에스테르반응, 가스화방식, FT방식
압축천연가스(CNG)	천연가스	가스화방식, FT방식
수소천연가스(HENG)	천연가스	플라즈마법
전기	석탄, 가스, 오일, 핵, 재생에너지	수력, 화력, 원자력
수소	천연가스	개질(reforming), 압축
	전기	전기분해
	풍력, 태양광, 핵에너지	고온공정