내연기관 해킹: H2-ICE가 중대형 운용에 진정한 해결책인 이유

Source: Dev.to

에너지 밀도 시뮬레이션: 디젤 vs. 리‑이온 vs. 수소

# Energy Density Simulation: Diesel vs. Li-Ion vs. Hydrogen
# Why Batteries (BEV) fail for Heavy Duty Machinery

def calculate_weight_penalty(target_energy_kwh):
    # Energy Densities (approximate usable)
    energy_density = {
        "Diesel": 12.6,   # kWh/kg
        "Hydrogen": 33.3, # kWh/kg (Upper heating value)
        "Li-Ion": 0.25    # kWh/kg (Pack level)
    }

    print(f"--- Required Mass for {target_energy_kwh} kWh Mission ---")

    for fuel, density in energy_density.items():
        weight = target_energy_kwh / density
        print(f"{fuel}: {round(weight, 2)} kg")

# A typical heavy excavator uses ~1000 kWh in a hard shift
calculate_weight_penalty(1000)

출력

• 디젤: ~79 kg (관리 가능한 탱크)
• 수소: ~30 kg (연료만 해당, 탱크 무게 제외)
• 리‑이온: ~4 000 kg (거대한 4톤 배터리!)

수 톤에 달하는 무게를 기계에 추가하면 효율이 크게 떨어지므로, 기업들이 H2‑ICE로 전환하고 있는 것입니다.

패치: H2‑ICE 작동 원리

토요타 전략: 공급망 유지

• 진입 장벽 낮음 – 기존 엔진 공장을 그대로 활용할 수 있어 신규 공장이 필요 없습니다.
• 신뢰성 – 피스톤 엔진에 대한 1세기 이상의 데이터 보유.
• 소리 – 엔진 특유의 소리를 유지해 애호가들의 만족도를 높입니다.

토요타는 GR Yaris H2와 Corolla Cross H2 Concept에서 H2‑ICE를 시험하면서 실용적인 수소 채택 방식을 보여주고 있습니다.

JCB 전략: 건설 현장의 현실

JCB는 전력망이 없는 원격 현장에서 전기 굴삭기가 비현실적이라는 점을 발견했습니다. 그들의 해결책:

• 디젤과 동일한 토크를 제공하는 4.8 L 수소 연소 엔진을 개발.
• 배출가스로 물증기(스팀)만 배출.

엔지니어링 과제 (“리팩토링”)

취성화

수소는 금속을 취성하게 만들 수 있어 엔진 블록 및 연료 시스템 부품에 새로운 합금이 필요합니다.

선점화

수소는 가솔린보다 약 10배 빠르게 연소되어 노킹 위험이 증가합니다. 점화 시점과 혼합비를 정밀하게 제어해야 합니다.

NOx 배출

수소는 CO₂를 배출하지 않지만, 높은 연소 온도에서 NOx가 생성될 수 있습니다. 완화 전략으로는:

• 공기‑연료비 λ > 2인 저연소 운전으로 온도를 낮춤.
• 연소 후 처리용 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 적용.

열효율 및 JCB의 구체적인 수정 사항에 대한 자세한 분석은 “Hydrogen Combustion Engines (H2‑ICE) Strategy”의 포괄적인 분석을 참고하십시오.

H2‑ICE가 중공업에서 승리하는 이유

• 내구성 – 연소 엔진은 섬세한 전자부품 및 배터리보다 먼지, 진동, 열에 더 잘 견딥니다.
• 비용 – 기존 제조 라인을 활용하는 것이 고가의 백금 촉매를 필요로 하는 연료전지 시스템을 구축하는 것보다 저렴합니다.

결론

H2‑ICE 도입은 과거에 매달리는 것이 아니라, 중장비 운영의 탄소 중립 미래를 향한 가장 효율적인 경로를 선택하는 것입니다.