"디젤 잡는 수소엔진" 효율 60% 벽 넘었다… 독일, 아르곤 순환형 혁신

탄소 중립 달성을 위한 글로벌 에너지 전환이 가속하는 가운데, 기존 디젤 엔진의 강력한 힘을 유지하면서도 오염 물질 배출은 완벽히 차단하는 차세대 수소엔진 기술이 공개되어 세계 산업계의 이목을 집중시키고 있다.
미국 정보기술 매체 BGR의 지난 8일(현지시각) 보도에 따르면, 독일 오토 폰 게리케 마그데부르크 대학교(Otto von Guericke University Magdeburg) 연구진은 아르곤 가스를 활용한 '폐쇄 루프 순환' 방식의 수소엔진 기술을 통해 열효율 60%를 돌파하는 성과를 거두었다.

이번 연구는 화석 연료 의존도를 낮추고 대형 운송 및 산업용 장비의 무탄소 전환을 앞당길 획기적인 분기점으로 평가받는다.

아르곤 순환 방식의 마법… 질화물 없애고 효율은 10%p 높여
이번 연구를 이끄는 헤르만 로텐그루버(Hermann Rottengruber) 교수팀과 WTZ 로슬라우(WTZ Roßlau) 연구소의 핵심 기술은 공기 중 질소 대신 '아르곤(Argon)'을 연소 매개체로 사용하는 '아르곤 파워 사이클(APC)'에 있다.

전통적인 디젤 엔진은 공기 중의 질소가 연소 과정에서 산소와 반응하여 미세먼지와 산성비의 원인인 질소산화물(NOx)을 다량 배출한다.

반면 APC 엔진은 질소 대신 비활성 가스인 아르곤을 밀폐된 시스템 안에서 순환시킨다. 수소와 산소를 아르곤이 가득 찬 실린더에 주입해 연소시키면 오염 물질 대신 깨끗한 물(수증기)만 배출된다.

로텐그루버 교수는 이번 실증을 통해 "이론적 열효율이 60%를 상회한다"라고 밝혔다. 이는 현대식 디젤 엔진의 최대 효율인 50%를 훌쩍 뛰어넘는 수치다.
또한 디젤 1갤런(약 3.78리터)을 태울 때마다 발생하는 약 10kg(22파운드)의 이산화탄소를 완벽히 제거할 수 있어 경제성과 친환경성을 동시에 확보했다는 분석이다.

출력 밀도 향상과 이산화탄소 축적 해결이 상용화 관건

하지만 실제 산업 현장에 투입하기까지는 넘어야 할 기술적 고개도 남아 있다. 가장 큰 걸림돌은 출력 밀도와 시스템 내부의 불순물 관리다.

로텐그루버 교수는 "현재 기술 수준으로는 매 주기당 주입할 수 있는 수소의 양에 한계가 있어, 실제 대형 산업 현장에서 요구하는 높은 출력 밀도를 확보하는 연구를 진행 중"이라고 설명했다.
또한 폐쇄 회로 내부에서 극미량의 이산화탄소가 축적되는 현상도 해결해야 할 과제로 꼽혔다.

에너지 업계 한 관계자는 "수소 제조 과정에서 발생하는 탄소 발자국 문제까지 고려할 때, 이번 엔진과 같은 초고효율 연소 시스템의 등장은 수소 경제의 실질적인 탄소 감축 효과를 극대화하는 촉매제가 될 것"이라고 평가했다.


이번 연구는 독일 연방 경제기후보호부(BMWK)의 전폭적인 지원을 받고 있으며, 이미 글로벌 대형 완성차 및 엔진 제조사들이 공동 연구와 기술 이전에 깊은 관심을 보인 것으로 알려졌다.

독일 자동차 업계에서는 이번 아르곤 순환형 엔진이 전기차 배터리만으로는 대응하기 어려운 대형 트럭, 선박, 건설 기계 분야에서 디젤을 대체할 강력한 대안이 될 것으로 내다보고 있다.

로텐그루버 교수팀은 확보된 연구 자원을 바탕으로 시스템 최적화와 대량 생산 공정 연구에 박차를 가할 계획이며, 이는 2050년 넷제로(Net-Zero) 달성을 위한 전 지구적 이동 수단 혁신에 중요한 이정표가 될 전망이다.


진형근 글로벌이코노믹 기자 jinwook@g-enews.com