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미래 연료 리포트

미래의 자동차는 화석연료가 아니라도, 배터리가 없더라도 달릴 것이다. 다만, 무엇을 먹고 다닐지 알 수 없을 뿐

2019.06.20

 

생각지도 못한 소재로 자동차 연료를 만들기 위한 연구가 세계 곳곳에서 진행되고 있다. 말도 안 된다고? 수소로 움직이는 차를 개발한다고 했을 때도 우리의 반응은 똑같았다. 수소처럼 우리가 앞으로 맞이할 수 있는 자동차 연료를 소개한다.

 

 

에탄올

에탄올은 옥수수, 사탕수수 등 곡물에서 얻은 전분으로 만들어진다. 제조 과정은 술을 빚는 것과 비슷하다. 곡물을 압축시켜 주스를 짜낸 후 효소를 이용해 전분을 당으로 분해, 발효시키면 에탄올로 변한다. 이를 증류하면 휘발유를 대체하는 연료로 쓸 수 있다. 과거엔 제조 비용이 높아 경제성이 없는 것으로 평가받았다. 하지만 바이오에탄올 제조 비용이 낮아지면서 대체에너지로 급부상 중이다. 특히 세계 1, 2위 에탄올 생산국인 미국과 브라질은 공동 협력을 합의하는 등 에탄올 확보에 적극적으로 나서고 있다. EU 역시 바이오에너지 확대 사용에 나서 2020년까지 이동수단 부문에서 바이오연료 사용 비율을 10%까지 올리도록 목표를 세웠다. 물론 문제가 없는 것은 아니다. 에탄올 사업이 친환경 에너지처럼 보일 순 있지만, 거시적으로 보면 대기와 수질 오염에 영향을 주기 때문이다. 브라질은 농지 확보를 위해 아마존 삼림을 파괴하고 초원의 사막화가 빠르게 진행되고 있다. 인도는 에탄올 생산을 위해 사탕수수 재배를 늘리며 물 사용량이 급격히 늘렸다. 그 영향으로 현재 지하수 고갈 문제에 직면했다.

 

 

공기

머지않아 공기로 달리는 자동차가 등장할 것이다. 전혀 근거가 없는 이야기가 아니다. 룩셈부르크의 압축공기 엔진 기술 회사인 MDI(Motor Development International SA)는 에어 자동차 ‘에어팟’을 개발 중이다. 에어팟은 연료탱크에 휘발유 대신 압축공기를 담아 높은 압력으로 엔진 피스톤에 조금씩 분출시켜 자동차를 앞으로 나아가게 한다. 팽창한 풍선의 공기 주입구를 열거나 바늘로 찌르면 분출되는 공기의 압력을 이용한 것이다. 최고속도는 시속 64km에 불과하지만, 시내 주행엔 별 무리가 없다. 압축공기를 충전하는 데 걸리는 시간은 3분이며 완전충전 시 최대 220km를 주행할 수 있다. 충전 비용은 4유로 정도다. 화석연료를 사용하지 않기 때문에 환경오염 물질을 배출하지 않는다. 다만 공기 자동차의 진공 장치가 공기를 흡입할 때 같이 딸려 들어오는 불순물을 처리하는 방법과 빠르게 배출되는 배기가스의 후폭풍에 주변 물체들이 휩쓸릴 우려가 있는 점은 아직도 의문이다.

 

 

바이오디젤

바이오디젤은 콩, 유채씨, 현미 등을 가공해 식물성 기름과 폐식용유를 정제해 만든 것을 합쳐 만들어진다. 식물성 기름을 에스테르화(Ester化)하면 경유와 물리적 특성이 비슷해지는 원리를 이용한 것이다. 바이오디젤은 폐식용유 등의 환경 처리 비용도 줄일 수 있고 황산화물 등 유해 배출가스를 감소시킬 수도 있다. 또 기존의 디젤 엔진을 개조할 필요 없이 이용할 수 있다는 장점이 있다. 바이오디젤은 연료의 분자구조에 산소가 많이 붙어 있는 등 기존 경유와 완전히 동일하지 않고 발열량도 적어 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 그래서 단독으로 사용할 수 없고 오직 경유와 혼합해 사용해야 한다. 보급 초기에는 품질 불안정성과 시동 불량, 필터 막힘 등의 기술적 문제가 지적됐지만, 기술적인 여건이 점차 갖춰지는 상황이다. 현재는 촉매 및 공정의 효율을 높이고 대용량 촉매 제조 기술을 도입해 기존 경유를 완전히 대체할 수 있는 연구가 진행 중이다.

 

 

과학의 발전은 맹물 에너지의 환상을 점차 현실로 바꾸고 있다. 개념은 간단하다. 물에서 수소를 떼어내 화학반응을 시켜 전기를 얻으면 된다. 맹물 에너지의 관건은 얼마나 저렴하게 물에서 수소와 산소를 분리하냐는 것이다. 현재 물 분해 촉매제로 백금을 사용하는데 가격이 아주 높다. 경제성이 뒷받침되지 않으면 실용화는 불가능하다. 그러던 중 물로 가는 자동차를 촉진할 수 있는 획기적인 신기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 울산과학기술원 연구팀은 금속의 일종인 루테늄과 2차원 유기 구조체를 합성해 새로운 물 분해 촉매제를 만들었다. 루테늄을 이용한 물 분해 촉매는 비용, 안정성, 내구성, 낮은 전압에도 구동하는 성질 등 모든 요소를 고려하면 백금보다 우위에 있다. ‘물? 이젠 마시지 마세요. 자동차에 양보하세요.’

 

 

토륨

원자번호 90번 토륨은 자연계에 존재하는 방사성 원소 중 가장 흔하면서 방사능이 약해 위험성이 낮다. 이런 특징 때문에 현재 우라늄 233으로 전환해 원자력 발전의 연료로 사용하려는 움직임을 볼 수 있다. 미국의 연구센터인 레이저 파워시스템도 그중 하나다. 이들이 개발한 자동차는 토륨 원자가 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 연구진에 따르면 1g의 토륨으로 2만8500ℓ의 기름을 대신하는 전기를 만들어낼 수 있다. 이런 장점에도 불구하고 과학자들은 실현화 단계는 어렵다고 말한다. 먼저 발전기를 차에 얹기 가능한 사이즈로 축소하는 것이 불가능하며, 무엇보다 여전히 폭발 등의 안전 문제는 큰 걸림돌이다.

 

 

쇳가루

황당한 이야기처럼 들리겠지만 캐나다 맥길대학교 제프리 베르그토르 교수팀은 쇳가루의 미세한 금속 입자를 에너지 연료로 사용하려는 연구를 한다. 쇳가루의 금속 입자가 공기와 반응하면 대부분의 산화 반응처럼 열에너지가 발생하는데, 그 열이 휘발유를 태울 때처럼 안정적으로 만들어진다는 것을 확인하고 자동차 연료로서의 가능성을 확인했다. 휘발유가 연소하면 이산화탄소와 수증기가 되면서 대기 중으로 달아나는 것과 달리 쇳가루 연소물은 모두 회수 가능하다. 그래서 온실가스 감축에도 도움이 된다. 상용화에 성공한다면 쇳가루를 비롯한 금속 입자는 온실가스를 배출하지 않는 값싼 에너지원으로 주목받을 것이다. 하지만 해결해야 할 산이 너무 많다. 먼저 쇳가루를 안정적으로 연소할 수 있는 버너를 개발해야 한다. 또 내연기관으로는 적당하지 않으니 자동차용 외연기관도 따로 제작해야 한다.

 

 

암모니아

물리적 특성은 액화석유가스, 즉 LPG의 주성분인 프로판과 유사하다. 덕분에 화석연료로 달리는 차를 암모니아 자동차로 개조하는 일은 그리 어려운 일이 아니다. 구리나 아연이 포함된 배관을 철로 바꾸고, 연료탱크를 25기압을 견딜 수 있도록 보강만 하면 된다. 암모니아의 발열량이 화석연료보다 적고 연소 속도 또한 느리기 때문에 단독으로 쓰기에는 무리가 있다. 그래서 휘발유와 경유를 섞어 사용한다. 이론상으로 액상 암모니아를 연료의 70%까지 혼합할 수 있으며 암모니아가 포함된 비중만큼 이산화탄소를 줄일 수 있다. 물론 암모니아는 매우 위험하고 독성이 강한 물질이지만 현재 상당한 수준의 안정성이 확보된 상태다. 하지만 실용화를 위해서는 암모니아를 값싸게 대량으로 생산하는 기술이 필요하다. 현재 산업적으로 생산된 암모니아의 80%가 농작물 재배에 필요한 비료로 사용된다. 만약 암모니아 자동차가 보급된다면 수요가 폭발적으로 늘어날 것이다. 경제성이 확보되지 않는 한 현실화하기는 어려워 보인다.

 


 

 

희토류 매장량 세계 2위, 북한

희토류는 첨단 산업에 두루 쓰이는 금속이다. 스마트폰, 카메라, 컴퓨터, 삼파장 램프는 물론 전기차의 영구자석, 태양광 발전 등 차세대 산업에 필수적이다. 그래서 흔히 희토류를 21세기 산업의 비타민이라 표현한다. 최근 북한이 정리한 지하자원 관련 자료에 따르면 북한의 희토류 매장량은 4800만 톤으로 8900만 톤의 중국 다음으로 많다. 북한의 희토류는 란탄계 희토류 중 주로 앞부분의 7개 원소를 뜻하는 경희토류가 97%에 이른다. 북한에 가장 많은 희토류 원소는 배터리 촉매제로 주로 사용하는 란탄과 세륨, 그리고 LCD 디스플레이용으로 주로 쓰이는 이트륨, 전기차 영구자석에 많이 들어가는 디스프로슘 등이다. 원광석의 희토류 성분 함량도 매우 우수하다. 원광석 1톤당 희토류 함유량이 중국산은 6g에 불과한데 북한산은 23g으로 4배 가까이 높다. 이러한 이유로 미국과 일본, 중국, 싱가포르 등 메이저 광업 기업들이 북한 진출에 대비해 적극적인 준비를 하고 있다. 현재 북한은 UN의 대북 제재 결의 때문에 모든 북한산 광물에 대한 거래를 금지하고 있다.

 

 

 

 

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CREDIT

EDITOR : 김선관PHOTO : 셔터스톡

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