[지앤이타임즈 : 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장]전기자동차와 수소자동차의 보급이 추진되고 있는 가운데, 내연기관의 탄소중립(carbon neutral)을 실현할 수 있는 연료로서 바이오연료(바이오에탄올과 바이오디젤 등)가 오래전부터 보급되고 있다.

하지만 최근에 유럽과 일본에서 자동차, 선박, 비행기 등의 새로운 연료로 탄소중립과 지속가능성을 유지할 수 있는 e-fuel을 활발히 검토하고 있다.

e-fuel의 이해를 돕기 위해 먼저 ‘Power-to-X’라는 개념을 간단히 소개한다,

Power-to-X는 풍력이나 태양광 등 재생에너지로 발전한 전력을 사용해 물을 전기분해해서 수소를 만들고, 여기에 이산화탄소나 질소 등을 투입해서 여러 물질을 합성 제조하는 것을 말한다.

e-fuel이란 Power-to-X 기술을 이용해 제조된 여러 합성연료를 나타내며, 그림에서와 같이 메탄올, 가솔린, 디젤, 메탄(천연가스), 항공등유(케로신), 암모니아 등 종류가 다양해 여러 분야에 사용할 수 있다.

e-fuel 제조에 사용하는 이산화탄소나 질소 역시 대기 등 여러 소스의 것을 사용하므로 e-fuel은 원천적으로 온실가스를 저감하면서 기존의 석유계 연료를 대체할 수 있다.

e-fuel의 어원은 ‘electricity-based’, ‘electro’, ‘Erneuerbarer Strom(재생에너지로 얻어진 전기)’ fuel에 기인한다.

e-fuel의 장점은 탄소중립이면서 기존의 석유계 연료와 유사하면서 그보다 청정한 물성을 가져 현행 자동차, 선박, 항공기의 연료로 쉽게 대체할 수 있음은 물론 기존의 연료 인프라 역시 그대로 사용할 수 있다는 점이다.

또한 전기차나 수소차로의 전환은 자동차 제조기술의 커다란 변혁과 함께 충전 인프라 구축에 막대한 비용이 소비되는데 e-fuel은 내연기관을 그대로 사용해 기존의 자동차 제조 산업과 인력 등을 계속 유지할 수 있다는 장점이 있다.

배터리나 수소에 비해 에너지밀도가 높은 장점도 있다.

한편, 탄소중립을 실현하는 연료의 하나인 바이오연료는 바이오매스 생육과정에 태양에너지를 사용하는데 생장에 시간이 걸리는 단점이 있다.

반면 e-fuel은 공업적으로 대량 생성이 가능해 제조시간이 짧고 식용 바이오매스 자원을 사용하지 않는 이점도 있다.

e-fuel의 최대 과제는 가격이다.

에너지 변환효율이 낮고 제조공정이 복잡하며 특히 재생에너지에서 얻어지는 수소는 아직 가격이 높기 때문이다.

독일의 Agora Verkehrswende가 정리한 2017년의 연구 결과에 의하면, 100km 주행에 필요한 연료를 제조하는데 필요한 전력소비량이 순수 전기차는 15kWh, 수소차는 31kWh이다.

그런데 e-fuel을 연료로 사용하는 디젤차나 가솔린차는 103kWh에 달해 앞으로도 많은 기술 개발이 필요하다.

◇ 수송부문 탄소중립 실현 수단으로 주목

독일의 연방환경·자연보호·원자력안전성(BMU: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit)은 2019년 7월 10일, BMU Power-to-X 액션플랜 (BMU-Aktionsprogramm PtX„ Power-to-X)를 발표했다.

일본 정부는 지난 해 10월에 발표한 2050년 탄소중립(Carbon neutral) 선언의 일환으로 자동차연료의 탄소중립을 실현하기 위해 2050년에 가솔린 가격 이하를 실현하는 e-fuel을 제조할 수 있는 혁신적인 신기술과 공정 개발을 전략의 하나로 포함시켰다.

복수의 에너지 공급사업자와 석유회사, 그리고 Audi로 구성된 얼라이언스는 2017년부터 가솔린차와 디젤차에 사용하기 위한 e-가솔린과 e-디젤 프로젝트를 추진하고 있으며, 시험제조한 연료유로 엔진 시험을 실시하고 있다.

아우디 e-가솔린은 아주 뛰어난 내노크성을 가진 고순도의 합성연료로 엔진 압축비를 높이고 효율을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여주고 있다.

지난 해 9월에는 포르쉐와 지멘스도 e-fuel의 추진방침을 발표했고 전기자동차만으로는 향후의 온실가스 대응에 충분하지 않다는 견해도 나타내었다.

유럽의 경우에 배터리 산업이 뒤져 있기 때문에 전기자동차로 올인하는 경우에 일본, 중국, 한국의 배터리에 크게 의존하는 바가 커서 이에 대한 대응책으로 보이며, 다른 한편으로는 강점인 내연기관 기술과 산업 및 고용을 그대로 유지할 수 있다는 점도 고려하고 있는 것으로 보인다.

그 외, 석유회사인 BP와 전력회사인 Uniper, Fraunhofer 연구소가 Power-to-X 프로젝트를 추진하고 있으며, 독일의 항공사인 Lufthansa AG와 정유회사 Heide GmBH에서도 항공용 합성 등유 실증프로젝트를 추진하고 있는 등 유럽의 여러 업체에서 e-fuel 프로젝트를 진행하고 있다.

지난 해 7월에는 일본의 토요타를 필두로, 닛산, 혼다 자동차에서도 이산화탄소와 수소로 제조되는 합성연료인 E-Fuel의 연구개발을 추진한다고 발표했다.

에너지 생성 단계를 포함해 사용에 이르기까지의 전주기적인 측면에서 내연기관 하이브리드차의 CO2 배출랑이 전기차를 하회하는 수준을 달성하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 2030년 이후 보다 강화되는 온실가스 규제에 대응하는 것이 일본 자동차 기업들의 목표이다.

또한, 향후에 e-fuel이 주류가 될 가능성을 배제할 수 없다는 점에서도 유럽의 기술개발 추진에 대응해 관련 기술을 확보해 향후의 리스크를 줄이고자 하는 것도 하나의 이유로 알려져 있다.

그런 측면에서 e-fuel은 그린 뉴딜과 수소사회를 실현하는데 한 축이 될 수 있고 자동차는 물론이고 선박,항공기에 이르기까지 다양한 수송기관 탄소중립 연료로 사용될 수 있어 우리나라에서도 활발히 검토돼야 할 것으로 판단된다.