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[장형성 교수의 자동차 이야기(16)] 친환경자동차(그린카)의 보급

장형성 기자

기사입력 : 2019-11-17 10:01

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◇지구온난화 주범 CO
줄이기

세계 각국의 자동차메이커들은 친환경적인 수CO₂연료전지, 바이오디젤, 태양광, 전기 등 석유 대체에너지를 적용한 차세대 연료 자동차들을 개발, 모터쇼 등을 통해 세계의 이목을 집중시키고 있다. 이미 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 친환경으로 가기위한 과도기적 자동차로 인식되고 있고, 유해배출가스가 전혀 배출되지 않는 친환경자동차 시장이 확산되고 있다.

가솔린 엔진을 사용하는 승용차에서는 그림에서 보듯이 원유의 채굴로부터 가솔린의 정제, 탱크로리에 의한 수송, 자동차 주행까지의 과정에서 가솔린 1ℓ당 약 2.3 kg의 CO₂를 배출한다. 이처럼 석유를 원료로 사용하는 자동차는 아무리 연소가 잘된다 하더라도 CO₂가 배출되는 것은 어쩔 수 없다. 즉, 석유를 사용하지 않아야 지구온난화를 막을 수 있다.

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연비향상은 이산화탄소 저감.

‘미래형자동차 시장동향과 전망’에 따르면 휘발유와 경유를 축으로 하는 내연기관 자동차는 점차 감소하고, 하이브리드 자동차는 물론, 전기자동차가 확산되고 있는 실정이다. 여기에 수소연료전지 자동차가 점차 확산되면서 주목을 받고 있다. 그러나 이와 같은 친환경자동차(그린카)는 사회적 인프라 구축 여건에 따라 달라질 수 있다. 전기충전소의 보급과 배터리의 품질 및 가격 경쟁으로 실용성이 높아지면 전기자동차의 보급이 급격히 확산될 수 있으며, 수소연료전지 자동차의 확산을 위한 수소충전소의 보급 이 늘어나면 수소연료전지 자동차를 비롯한 수소를 연료로 하는 자동차도 급속히 확산될 수 있기 때문이다.

◇전기자동차가 답일까?

전기자동차는 내연기관자동차보다 오랜 역사를 가지고 있었지만, 내연기관자동차의 CO₂ 배출규제와 화석연료에 대한 의존성 축소노력, 그리고 배터리기술의 발전으로 현재의 상황에서 전기자동차는 동급의 휘발유 엔진 차량에 비해 이산화탄소 발생량을 절반 수준으로 절감할 수 있어 친환경차량은 하이브리드카를 넘어 순수 전기자동차(Electric Vehicle)로 옮겨지고 있는 것이다.

전기자동차(EV)는 초기보급이 정책적으로 조성되는 수요와 배터리 관련 기술발전이 양산효과에 직접적인 영향을 끼칠 것으로 예상되며, 미국 등 선진국에서는 벤처형 업체에까지 EV생산자금을 지원하고 있고, 우리나라는 향후 10년 내에 국내 소형차의 10% 이상을 EV로 보급해 세계 전기차 4대 강국에 진입한다는 방침으로 있다.

온실가스 배출량은 근본적으로 연료의 소비량에 비례하는 관계로 자동차 연비와 밀접한 상관관계를 갖는다. 연비는 온실가스를 포함한 배출가스 배출량을 토대로 계산되며, 배출가스 중 온실가스의 배출량이 연비에 절대적인 영향을 미친다. 특히 온실가스는 질소산화물 등 유해 배출가스와 달리 후처리 공정으로 저감하기 곤란하며, 근본적으로 연료소비량을 줄이는 것이 관건이다.

◇전기자동차는 왜 보급이 빨리 확산되지 않을까?

전기자동차(EV)는 많은 장점이 있으면서도 본격적인 보급에는 많은 시간이 소요될 것이다. 어려운 점은 배터리, 전기 에너지의 인프라, 파워 반도체이다. 이러한 문제의 해결에는 재료의 개발이나 대형 설비 투자 등 사회적 합의가 필요하며, 이러한 것들이 해소되려면 많은 시간이 경과되기 때문에 소프트웨어처럼 빠른 속도로 변화가 일어나지 않을 것이다.

최근의 하이테크 배터리는 단위 무게 당 에너지 용량이 납산 배터리보다 크지만, 본격적인 실용화에는 용량이 부족하다. 또 야간의 전력은 저렴하지만, 그것을 충전하는 배터리의 가격은 수십만 원 정도 된다. 소형 경량화하여 큰 폭으로 가격을 낮춘 배터리의 출현이 바람직하지만, 에너지의 용량이 크며 한편으로 안전하고 열화가 적은 배터리의 개발에는 많은 지혜와 시간과 개발비가 필요하다.

다행이도 빠르게 새로운 배터리가 개발되고 있는 추세여서 조만간 필요로 하는 전기자동차 배터리가 탄생할 수 있을 것으로 기대한다.

주유소가 전국에 설치되어 있는 데 비하면 전기자동차용의 충전소는 태부족하다. 충전 인프라가 먼저인가 전기자동차의 보급이 먼저인가는 닭과 계란의 관계다. 또 자동차에 사용되는 전기요금이 싼 것도 문제가 될 수 있다. 자택이나 사무실에서는 자동차를 주차하는 시간이 길어 급속충전이 필요 없다. 따라서 싼 요금으로 충전이 가능하다. 전기 요금이 싼 것으로부터 전기를 충전하는 업종은 사업성이 떨어질 것이다. 전기자동차(EV)가 증가하면 발전소의 발전량이 많아질 것이고, 발전량 증가를 위해 낡은 화력 발전소의 재가동으로 말미암아 CO₂의 저감 대책에 위배된다.

그러므로 환경 부하가 적은 태양광 발전이나 원자력 발전을 증가시킬 필요가 있다. 이것은 방대한 인프라 투자와 지역 주민과의 합의가 필요하므로 시간이 걸리게 된다. 만일 고성능 배터리가 갑자기 출현 되어도 모든 자동차를 즉시 전기자동차로 할 수 없다. 미래를 예측할 때 인프라 문제를 경시할 수 없으며, 자동차만으로 본 독단적인 판단은 금물이다.

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현대 수소차.

◇수소연료전지 자동차는?


수소와 산소의 화학 반응을 이용하는 연료 전지가 전기 모터를 구동시키는 방식의 자동차이다. 석유연료를 사용하여 연료 중의 수소를 산소와 결합할 때 발생되는 전기를 이용하여 자동차를 구동하기 때문에 전기의 힘으로만 움직이는 전기 자동차와는 다르다.

가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 친환경 자동차를 말한다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재돼 있다

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물의 전기분해와 연료전지의 원리.

◇수소연료전지 자동차는 어떻게 움직일까?


물에 전기를 흘려보내면 수소와 산소는 따로 떨어진다. 이 과정을 반대로 적용한 것이 바로 수소 연료전지차의 원리다. 차내 수소 탱크에서 수소를, 공기 공급기에서 전달받은 산소를 연료전지에 보내어 결합시켜서 전기를 발생시킨다. 양극에 산소를 흘리고 음극에 수소를 흘리면 전기가 발생하며 부산물로 뮬이 나오게 된다. 실제 자동차에서 배출되는 물의 량은 많게 느껴진다.

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수소연료전지 자동차의 작동원리.

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연료전지의 구조.

◇수소 공급방식


수소의 공급 방식에는 두 가지가 있다. 하나는 수소 공급방식으로 수소탱크를 이용하여 공급하는 방식으로 운행 시 발생하는 것은 물뿐이라 완전한 무공해라고 할 수 있다. 하지만 단점으로는 탱크를 탑재해야 하기 때문에 차량의 크기가 커질 수 있고, 수소의 특성상 불안정하다는 점, 수소공급 인프라 구축이 어렵다는 점 등을 꼽을 수 있다.

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수소연료전지 자동차의 작동개요.

또 하나는 메탄올 개선 방식이다. 메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식인데, 메탄올을 분해 때 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물들이 발생하긴 하지만, 기존의 차량에 비해서는 그 발생량이 현저하게 감소된다는 장점이 있다. 이 방식을 사용할 경우 기존의 연료 공급 인프라를 이용할 수 있다는 점 또한 이점으로 꼽히고 있다.

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수소연료전지 자동차의 구성.

◇수소연료전지 자동차의 장점


수소연료전지 자동차의 장점은 무엇일가? 먼저, 주행 시 소리가 조용하고 가속성능이 높다. 전기자동차에 비해 충전시간이 짧다. 또 한 번 충전하면 상대적으로 멀리 갈 수 있다. 더군다나 동력의 주원료가 되는 수소는 수력, 풍력, 태양열 발전을 통해 지속적인 모집이 가능하다고 할 수 있다.

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서울 영등포구 타임스퀘어에 운영 중인 수소충전소의 모습. 사진=뉴시스

◇수소 연료전지 자동차의 단점


첫 번째로 전기자동차보다 상대적으로 높은 가격대를 형성한다. 왜냐하면 전기 생산을 위한 가격이 많이 소요되기 때문이다. 전기자동차의 경우 배터리만 장착하면 되므로 저렴하게 제작할 수 있다.

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두 번째는 수소 충전소가 설치 인프라 구축이 되어있지 않아 보급이 늦어지고 있는 상태라는 점이다. 수소 충전소를 건설하는 비용이 많이 들고, 단순히 수소는 위험하다는 생각을 많이 하는데, 수소연료전지자동차와 수소폭탄의 원료는 전혀 다르다. 안전한 자동차이므로 걱정할 필요가 없다.

그러나 일단 충전소가 보급되기 시작하면 빠르게 확충될 수 있을 거라는 전망도 높다. 자동차의 수요가 많아지면 가격도 많이 낮아질 것이다. 편리성이나 친환경적 측면에서 빠른 보급이 이루어질 수도 있어 기대된다.


장형성 신한대 기계자동차융합공학과 교수