1. 개요

 

현재 교통분야의 연료공급은 특히 도로부문만 한정하더라도 석유자원으로 집중되어 있는 현실이며 이러한 석유자원은 향후 40년 이내에 매장량이 고갈될 것으로 보고 있다. 석유자원으로부터 추출한 연료를 연소하는 것은 이산화탄소의 방출량을 높이고 비록 새로운 자동차들이 등장하여 연료효율이 높아지고 있어서 이러한 방출량이 획기적으로 줄어들고 있기는 하지만, 교통분야에서 방출되는 총 이산화탄소량은 1990년에서부터 2008년 까지 24% 이상 증가하였고, 이는 EU 국가들의 총 온실가스 배출량의 19.5%를 담당하고 있다.

 

EU는 온실가스 배출량 저감 목표를 2050년 까지 이산화탄소 방출량을 1990년 수준과 비교하여 80-95% 까지 저감시키는 것으로 정하고 있다. 교통분야의 비탄소화 및 교통연료의 대체연료 개발은 따라서 동일한 시간적인 목표를 가지고 있다고 할 수 있다. 교통 효율성 개선과 교통량 관리방안은 아직 화석연료가 대세인 시점에서는 이산화탄소 발생량을 줄이는데 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며, 장기적으로 유한한 재생 에너지자원을 활용하여 교통분야 전체의 수요를 충족시킬 수 있는 방법을 강구 하고 있다.

 

< 그림 1. 교통분야의 에너지 수요 분포 >

 

이러한 석유를 대체하여 교통분야의 동력원을 얻기 위한 에너지 자원으로서의 대체 연료로서는 다음과 같은 것들이 있다.

 

‧ 가장 현실성 높은 대안으로서 전기/수소, 및 바이오연료(액체)

 

‧ 화석연료로부터 바이오매스 기반의 연료로 넘어가는 중간단계의 기술로서 생산하는 합성연료

 

‧ 보완적인 연료로서의 메탄(천연가스 또는 바이오메탄)

 

‧ 보조연료로서의 LPG

 

2. 대체연료의 기술현황

 

1) 전기 및 수소연료

 

전기 및 수소연료는 완전한 에너지 전달매체로서 지구상의 모든 에너지원 으로부터 생산이 가능하다. 두 가지 연료 모두 공히 연소 시 이산화탄소 발생이 없도록 할 수 있으며, 만일 발생하더라도 발생 이산화탄소의 밀도는 전기 및 수소를 생산해 내기 위한 에너지 혼합 구성에 달려있다. 추진력은 전기모터를 이용하여 얻게 되며 에너지는 다음과 같은 3가지의 주 경로를 통해 생산할 수 있다.

 

‧ 전기 배터리

전기를 저장하는 전기배터리는 자동차에 내장되어 있는 전극으로부터 전기를 생산하여 저장한다. 전극과 자동차간의 동력 전달을 위해 새로운 설비 및 동력 제어장치가 필요하다. 현재까지의 사용범위는 단거리 도로교통 및 철도 교통으로 국한되어 있다. 비용 효율성이 높은 고에너지 밀도를 갖는 베터리의 개발과 충전 기반시설의 건설이 가장 시급한 문제이다.

 

‧ 수소를 동력으로 하는 연료전지

자동차에 탑재된 연료전지를 통해서 전기동력을 얻는 방식으로서, 수소연료의 생산, 배급 및 저장을 위해 새로운 기반시설이 필요하다. 적용성은 항공교통과 장거리 도로교통용으로는 적당하지 않다. 가격 경쟁력이 높은 연료전지의 개발, 차량탑재 수소 보관장치 및 전략적인 재충전 기반시설의 건설이 가장 시급한 현안 문제이다.

 

‧ 현수선/제3궤조

도시철도용의 현수선 또는 제 3 궤조는 도시철도, 트램, 지하철 및 트롤리 버스에 적용되어 중간의 전기 저장시설이 필요 없이 바로 전극으로부터 직접적으로 전기동력을 공급받는다.

 

< 그림 2. 다양한 기술적 시나리오에 따른 교통 에너지 사용 >

 

2) 바이오 연료

 

바이오 연료는 기술적으로 모든 교통수단에 대해 기존의 동력 전달기술과 재충전 기반시설을 사용할 수 있으므로 석유자원의 대체제로서의 역할수행이 가능하다. 이러한 생물자원으로서 합성연료, 메탄 및 LPG 연료 등의 탄소를 제거할 수도 있다. 제 1 세대 바이오연료는 재래식 곡물, 동물지방, 폐식용유 등을 이용하여 제조하였으며, 여기에는 FAME 바이오디젤, 바이오에탄올 및 바이오메탄 등이 포함된다. 제 2 세대의 첨단 바이오연료는 목질섬유소와 폐기물을 공급원으로 하여 제조한다. 여기에는 바이오에탄올, HVO, higher alchols, DME, BTL 및 바이오메탄 등이 포함된다.

 

바이오연료를 식량과 곡물로부터 생산하는 것은 한정된 경작지, 수자원, 에너지 부산물의 문제 및 생애주기적 이산화탄소 배출량과 같은 환경적인 문제로 인하여 상당히 제한적이다. 잔여물 및 페기물로부터 생산해 내는 제 2 세대 바이오 연료 역시 이러한 자원의 한정성으로 인하여 상당히 제약이 많다.

 

본 대체연료의 가장 시급한 문제점은 잠재적 공급원의 개발 및 생산절차의 최적화에 있으며, 미래의 지속가능한 바이오연료의 상용화를 위해서는 EU 수준에서의 지원정책의 제도화와 전 EU 국가들의 공통적인 바이오연료의 기술표준을 수립하는 것이 가장 중요하다.

 

< 그림 4. 교통 및 기타분야에서의 에너지 경로 >

 

3) 합성연료

 

디젤연료와 제트 연료를 대체하기 위해 만들어 지며, 여러 가지 다른 원료를 사용하여 제조가 가능하다. 바이오메스를 원료로 사용(BTL), 석탄을 원료로 사용(CTL), 또는 가스를 원료로 사용(GTL)한 합성연료 들이 있다. 자연상태의 파라핀과 같은 성질을 가지고 있는 수소처리한 채소유(HVO)는 수소처리 플랜트에서 생산된 기름과 동물지방을 사용하여 제조할 수 있다. 이러한 합성연료는 기존의 기반시설을 이용하여 배포, 저장 및 제조가 가능하며, 현재 사용하고 있는 내연기관에서 연소가 가능하다. 이 합성연료는 앞으로 합성연료의 특성에 적합한 엔진을 포함한 동력시스템의 개선을 통하여 현재의 화석연료를 대체할 수 있는 가격경쟁력을 갖출 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 바이오메스로부터 이러한 가격경쟁력을 가질 수 있을 정도의 합성연료를 제조할 수 있는 대규모의 플랜트시설의 개발이 가장 시급한 현안 사항이며 동시에 특히 CTL을 포함한 GTL 연료의 이산화탄소 발생량을 개선하기 위한 노력도 계속 병행하여야만 한다.

 

DME(Di-Methyl-Ether)는 화석연료와 바이오메스 연료를 가스 합성작용을 통해서 생산할 수 있는 또 다른 합성연료중 하나로서 이 연료를 사용하기 위해서는 어느 정도의 엔진에 대한 개조가 필요하다.

 

 

4) 메탄

 

메탄연료는 화석연료인 천연가스 또는 바이오메스/폐기물 등을 원료로 하여 생산할 수 있다. 바이오메탄 연료는 반드시 기존의 일반 가스공급망을 통해 배급하도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 메탄을 동력으로 하는 자동차는 단일 배급망을 통해 연료를 공급받게 된다. 추가적인 연료 충전시설은 광범위한 공급망 확충을 위한 목적에 의해서만 건설되어야 한다. 내연기관에서의 연료의 연소작용은 액화탄화수소 연소와 거의 동일하다. 메탄연료는 고밀도의 에너지가 필요한 분야에서는 압축가스 형태(CNG)는 바람직하지 않다. 이러한 경우에는 액화메탄가스(LNG)형태가 적합할 것이다. 바이오메탄 연료의 기존의 단일 가스관망으로의 주입에 관한 통일된 기준수립 및 EU 회원국 차원에서의 충전시설 확충이 가장 시급한 현안 문제이다.

 

 

5) LPG (액화 석유가스)

 

LPG는 현재 천연가스와 석유로부터 탄화수소 연료를 생산할 때 발생하는 부산물이며 향후 미래에는 바이오메스 연료제조 시에도 발생할 수 있을 것이다.

현재 LPG 연료는 유럽 전역에서 가장 많이 사용되는 대체 에너지로서 자동차 연료의 3%를 차지하고 있으며 5백만 대의 자동차에 동력을 공급하고 있다. 현재 27,000 개소 이상의 충전소가 이미 건설되어 운영 중에 있다.

 

 

6) 단일 연료사용

 

모든 교통수단에 하나의 단일 연료를 사용하는 방안은 기술적으로는 바이오연료 또는 합성연료를 사용하여 구현할 수 있다. 하지만 에너지원의 사용가능성과 지속가능성 문제로 인하여 이러한 개념의 적용성은 상당히 부정적이다. 결국, 예상되는 미래의 에너지 수요는 단일 연로로서는 충족시키기가 거의 불가능한 것으로 분석되고 있다. 연료의 수요와 온실가스 문제는 다양한 에너지 공급원의 사용을 필요로 하게 할 것이다. 사실, 향후 예상되는 에너지의 수요와 공급의 원칙을 해결하기 위해서는 모든 사용가능한 지속가능성을 보유한 모든 연료를 사용해야만 한다는 공감대가 전 세계적으로 힘을 얻고 있다.

 

 

 

3. 향후 추진방향

 

기존의 화석연료를 대체하는 주 대체연료는 반드시 모든 EU 국가들에서 공통적인 규제기준을 만족하여 사용될 수 있어야 하며, EU 국가들에서 사용되고 있는 모든 자동차 형식에 자유롭게 사용될 수 있어야 한다.

이러한 주 대체연료와 이 연료를 사용하는 자동차에 부여되는 인센티브는 EU 회원국들 차원에서 공조하여 시장의 왜곡을 방지하고 규모의 경제를 실현할 수 있도록 지원하여 이 대체연료가 빠르고 광범위하게 시장에서 자리 잡도록 하여야 한다.

 

< 그림 14. 연료와 자동차 동력 전략 (출처 : ERTRAC)>

 

이러한 주 대체연료는 반드시 저탄소함유 원료를 이용하여 생산되어야 하며, 궁극적으로는 무탄소 원료를 사용하여야만 한다. 교통분야의 화석연료에 대한 대체제로서 사용되는 이러한 주 대체연료는 해당연료의 생산과정이 무탄소화 될 수 있다면 자연적으로 교통분야 전체가 무탄소화 할 수 있을 것이다. 교통분야의 무탄소화와 에너지 획득과정의 무탄소화는 상호 보완적이며 밀접하게 연관 되어있는 두 개의 전략노선으로 접근하여야만 하지만 한편으로는 독립적이며 서로 다른 기술적인 접근방법을 적용하여 지속적으로 개발하여야만 한다.

 

다양한 교통수단의 형태에 따라 서로 다른 대체연료의 특성을 필요로 한다.

 

‧ 도로교통은 단거리 이동에서는 전기에너지, 중거리에서는 수소 및 메탄연료 그리고 장거리 이동수단에서는 바이오연료/합성연료, LNG 또는 LPG 가 적합할 것으로 판단된다.

 

‧ 철도교통은 가능하면 전철화 되어야 하며, 그렇지 못하는 경우에는 바이오연료가 적합하다.

 

‧ 항공교통은 바이오메스를 이용하여 생산된 등유를 사용하는 것이 바람직하다.

 

‧ 수상교통은 바이오연료(전 교통수단), 수소연료(내륙 하상교통 및 소형보트), LPG(단거리 해상교통), LNG 및 원자력 연료(원양교통)를 사용하는 것이 바람직 하다.

 

 

 

4. 참고문헌

 

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[18] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe eV (FNR) 2008

[19] Study on the impacts of LPG cars penetration in EU31 on the exhaust air emissions reduction

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[20] A general description of the JEC Biofuels Programme is available at

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▣ 원문제목 : Future Transport Fuels