친환경차의 현재와 연료전지차의 가능성
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2009-07-08 06:48:46 |
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친환경차의 현재와 연료전지차의 가능성
미국 오바마 정부의 연비규제 및 이산화탄소 배출규제 강화 방안은 자동차산업은 물론이고 사회 전반에 큰 의미를 가진다. 사실 이 규제는 2004년 캘리포니아 주 의회에서 재정된 것이다. 하지만 각 주의 입장 차이와 자동차회사들의 로비 등이 얽혀 연방 차원에서는 실현되지 못했던 것이 2008년 미국발 금융위기로 인해 자동차산업이 초토화되자 더 이상 버티지 못하고 수용한 것이다. 이렇게 해서 미국 정부 차원에서는 차량으로부터 배출되는 온실가스에 대한 첫 번째 규제가 등장했다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
미국 정부는 원유 수입 의존도를 낮추고 환경을 보호한다는 명분을 네 세웠다. 미국은 아직 이산화탄소 감축협의안의 시안인 교토의정서와 그 후속 조처에 대해 완전한 합의를 하지 않고 있다. 하지만 이번 조처로 미국의 이산화탄소 배출 규제 강화 방안은 앞으로 많은 분야에서의 변화를 예고하고 있다. 특히 2004년 기준 전 세계 이산화탄소 배출량 289억 톤 중 1/5이 넘는 60억톤을 발생하는 미국의 산업 현장에서는 더 많은 기술투자를 해야 하고 그만큼의 비용이 추가되게 된다. 전 분야는 아니지만 전체 이산화탄소의 약 20%를 배출하는 운송수단 중 일부인 자동차 분야만이라도 규제가 강화되는 것은 적지 않은 의미가 있다.
이는 결국은 이산화탄소 규제를 강화해 온 유럽의 흐름을 매연 등 입자상 물질에 더 초점을 맞추어 온 미국이 따른 것이라고 해석할 수 있다. 그렇다면 앞으로 미국시장에서는 디젤과 하이브리드의 본격적인 경쟁이 시작된다고 볼 수 있다. 동시에 완전무공해자동차의 개발에 대한 태도도 달라질 수 있을 것으로 기대된다. 디젤과 하이브리드는 완전 무공해가 아니다. 원유를 사용하기 때문이다.
이산화탄소 기준으로 이번 규제 강화기준이 달성되면 2016년 미국에서 자동차를 판매하는 메이커들은 156g/km를 달성해야 한다. 하지만 유럽은 이미 2012년까지 120g/km를 달성하도록 하는 규제가 강제화 되어 있다. 엔진에서 130g/km, 타이어에서 10g/km를 줄여야 하는 것이다. 130g/km은 가솔린 엔진에서 약 18.1km/리터, 디젤 엔진에서 약 19.9km/리터의 연비에 해당한다. 이에 반해 미국의 기준은 2016년까지 차종별로 평균 연비를 갤런당 35.5마일(ℓ당 15.1㎞)로 향상시켜야 한다.
그런데 미국시장에 비중이 높은 메이커들은 현실적으로 기존 가솔린 엔진의 개량만으로 이 기준을 만족시키는데는 한계가 있다. 기술적인 문제가 우선이고 그에 따른 비용도 큰 과제다. 그래서 동원하는 것이 전기차와 수소연료전지전기차 등 소위 말하는 완전 무공해 자동차다.
원유를 사용하지 않는 완전 무공해 자동차는 풍력과 태양열, 원자력, 수소 등 재생 에너지를 사용해 자동차 안에서 발전을 해 구동을 하는 것과 이미 화력과 수력, 원자력 등에 의해 이미 구축된 발전 시스템으로부터 전기를 충전해 사용하는 순수 전기차로 구분된다. 좀 더 간단하게 정리하면 외부의 전원으로부터 충전을 하는 순수 전기차와 차 안에서 발전을 하며 그 힘을 구동력으로 사용하는 연료전지전기차로 나뉜다. 크게 분류하면 둘 다 전기로 구동하는 자동차다.
전 세계의 많은 자동차 엔지니어들은 이 둘 중 어느 것이 실용화되던 궁극적으로는 전기자동차를 사용할 수밖에 없을 것이라는 의견에 더 많이 동의하고 있다. 아직까지는 이렇게 애매한 표현을 쓸 수밖에 없다. 순수 전기자동차에서는 배터리 문제가 해결되지 않았고 연료전지전기차에서는 스택 기술의 발전이 한계에 부딛혀 진전이 없는 상황이다. 그래서 빨라야 20~30년 정도 후에야 가능성을 이야기할 수 있다는 의견이 제기되고 있다.
글로벌 컨설팅 및 시장조사 기관인 프로스트 앤 설리번(www.frost.com)이 최근 발표한 ‘전세계 연료전지차 시장 전략분석 보고서’에 따르면, 2020년에 전세계적으로 약 12만대의 연료전지차가 판매될 것으로 전망했다. 2015년이 되면 연간 신차 판매대수가 1억대를 돌파할 것으로 전망되고 있다. 앞으로 10년 후의 12만대가 어떤 의미가 있는지는 생각해 볼 필요가 있다.
그런데도 미국을 중심으로 많은 나라에서는 전기차의 출시 시기를 구체적으로 밝히는 등 금방이라도 세상이 바뀔 것처럼 떠들고 있다. 아직은 해결하지 못한 과제가 많다는 것을 잘 알면서도 글로벌 메이커들은 전기차의 라인업을 공언하고 있다.
그 내막은 총량 연비 규제에 있다. 미국 내에서 자동차를 판매하는 메이커들은 그들이 판매하는 자동차의 전체 평균 연비를 달성해야 한다는 것이다. 당장에 가솔린 엔진만으로는 이번에 오바마 정부가 강제한 규제를 달성할 수 없다. 그래서 전기차를 몇 천대라로 판매하면 평균연비를 크게 떨어 트릴 수 있다. 이는 연비를 향상시켜 석유 수입을 줄이고 이산화탄소 배출을 줄여 환경을 보호하고자 하는 의도와 맞아 떨어진다. 또한 전기차의 미래가 아직은 멀지만 가능한한 실현을 앞당기라는 압박으로 작용해 새로운 가능성을 타진해 볼 수도 있게 됐다.
또 하나는 2012년부터 시행되는 미국 캘리포니아의 ZEV(Zero Emission Vehicles) 규정이다. 배기가스가 전혀 없는 완전 무공해 자동차를 3% 판매해야 한다. 물론 이 규정은 그동안에도 실시를 예고했다가 수차례 연기된 것이지만 이번에는 강경한 입장이어서 피할 수 없을 것 같다.
아직까지는 세계 최대 시장인 상당수의 미국 소비자들은 환경에 대한 의지가 강해 조금은 불편하더라도 가격만 적정하다면 전기차를 사용하고자 하는 준비가 되어 있다는 점도 자동차회사들에게는 위안이다. 수년 전까지만 해도 수소 에너지를 사용하는 연료전지전기차에 더 비중을 두었었다. 그에 비해 최근에는 순수 전기차, 하이브리드카와 전기차의 중간 단계인 플러그 인 하이브리드에 대해 더 많은 투자를 하는 분위기다.
수소 연료전지 전기자동차
Fuel Cell. 연료전지라는 의미이다. 별도의 에너지를 사용해 해 이 연료전지를 통해 발전을 하고 그렇게 해서 충전된 전기 에너지로 구동하는 전기자동차를 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), 즉 연료전지전기자동차라고 한다. 크게는 전기자동차의 범주에 속하지만 외부에서 충전하는 순수 전기차와는 달리 자체적으로 발전을 해서 전기를 만든다는 점에서 큰 차이가 있다.
연료전지차라는 개념이 처음 등장했을 때는 연료탱크에 메탄올, 청정 가솔린 등의 연료를 싣고 그것을 차 안에서 수소로 전환해 다시 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 만드는 구조였다. 오늘날 연료전지차는 아예 처음부터 수소 탱크를 탑재해 한 단계의 과정이 줄어 들었다.
연료전지차가 관심을 끌게 된 것은 1994년 다이믈러 벤츠가 NECAR(New Electric Car)라고 하는 연료전지차를 처음으로 주행시키면서부터다. 연료전지 그 자체는 1965년에 미국의 우주선 제미니 5호에 처음으로 사용된 이래 오늘날의 우주선에서도 발전에 이용되고 있다. 하지만 자동차와 같이 소형에서 주행에 따른 진동 등 가혹한 사용조건이 주어진 상황에서의 이용은 다이믈러 벤츠가 처음이었다.
수소를 에너지로 사용한다는 점에서는 1978년부터 연구를 시작한 BMW의 수소 엔진자동차가 먼저다. 이쪽은 기존 내연기관을 활용해 에너지만 가솔린에서 수소로 바꾼다는 것으로 현실적인 접근이라는 평가를 받고 있다. 하지만 지금은 BMW와 마쓰다 등 일부를 제외한 대부분의 글로벌 메이커들은 연료전지쪽으로 가고 있다.
연료전지의 당위성을 주장하는 쪽에서는 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지라는 점을 들고 있다. 더불어 갈수록 전기전자장비가 많아지는 자동차의 특성을 고려할 때 발전을 하면서 구동하는 연료전지가 더 현실적이라는 점도 있다.
그렇다면 수소는 어떻게 확보하는가에 대한 궁금증이 있을 수 있다. 공업적으로 천연가스에서 수소를 취출하는 방법이 채용되고 있다. 이것을 250 또는 350기압으로 압축해 탱크에 저장해 운반하는 것이 가장 일반적이다. 이에 대해 다이믈러 벤츠는 1997년의 NECAR3에서 메탄올 개질식을 채용했다. 알콜 연료인 메탄올에서 수소에서 취출하는 방법으로 가솔린과 마찬가지다. 액체연료를 자동차에 탑재할 수 있기 때문에 연료보급과 항속거리의 확보 면에서 유리하다는 점 때문이었다. 또 알콜 연료라면 식물과 바이오 등 장래 개발이 기대되는 자연에너지의 활용 폭이 넓어진다. 지구 전체의 에너지 소비와 CO₂배출 면에서 순환형 사회가 만들어진다는 점도 배경으로 들었었다.
그 후 미국의 석유 메이커와 GM과 토요타에서 만들어 낸 것이 가솔린 개질식이라고 하는 것이었다. 석유자원에서 수소를 취출하는 쪽이 수소의 함유량이 많은 것과 기존의 가솔린 주유소를 유효하게 이용할 수 있기 때문이다. 사회기반시설에 손을 대지 않고 가솔린차와의 혼합교통으로 되는 당면의 보급과정에 있어 별도의 사회자본의 투자를 필요로 하지 않는 이점도 이 안의 배경이다. 그런데 이 방식에서는 근본인 석유자원으로부터 벗어나는 것과는 직접 관계가 없다는 점이 있다.
이미 연료전지차를 리스 형태로 시판하고 있는 혼다는 수소를 직접 탑재하는 방법이 가장 효율적이고 탈 석유의 관점에서도 논리적으로도 옳다고 주장해 독자적으로 태양광 발전에 의해 물을 전기분해해 수소를 얻고 고압가스로 해 탑재하는 방법의 연구를 진행하고 있다.
현대기아차의 경우는 주로 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에서 발생하는 부산물인 부생수소와 개질 수소, 원자력 수소 등을 사용하고 있다. 아직까지는 사용량이 극히 적기 때문에 부산물을 포집해 에너지로 사용하는 것이 가능하다는 얘기이다. 현대자동차는 2001년 6월에 그것을 350바의 기압으로 충전할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했고 이후 현대기아차의 연료전지차의 행보는 빨라졌다.
현재의 분위기는 수소라고 하는 에너지 생산과정에서의 이산화탄소 발생, 수소 공급을 위한 인프라 구축, 수소에 대한 부정적인 인식, 고가의 연료전지 시스템 등등 복합적인 문제가 대두되면서 실용화에 대한 기대가 많이 줄어든 상황이다.
미국 오바마 정부의 연비규제 및 이산화탄소 배출규제 강화 방안은 자동차산업은 물론이고 사회 전반에 큰 의미를 가진다. 사실 이 규제는 2004년 캘리포니아 주 의회에서 재정된 것이다. 하지만 각 주의 입장 차이와 자동차회사들의 로비 등이 얽혀 연방 차원에서는 실현되지 못했던 것이 2008년 미국발 금융위기로 인해 자동차산업이 초토화되자 더 이상 버티지 못하고 수용한 것이다. 이렇게 해서 미국 정부 차원에서는 차량으로부터 배출되는 온실가스에 대한 첫 번째 규제가 등장했다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
미국 정부는 원유 수입 의존도를 낮추고 환경을 보호한다는 명분을 네 세웠다. 미국은 아직 이산화탄소 감축협의안의 시안인 교토의정서와 그 후속 조처에 대해 완전한 합의를 하지 않고 있다. 하지만 이번 조처로 미국의 이산화탄소 배출 규제 강화 방안은 앞으로 많은 분야에서의 변화를 예고하고 있다. 특히 2004년 기준 전 세계 이산화탄소 배출량 289억 톤 중 1/5이 넘는 60억톤을 발생하는 미국의 산업 현장에서는 더 많은 기술투자를 해야 하고 그만큼의 비용이 추가되게 된다. 전 분야는 아니지만 전체 이산화탄소의 약 20%를 배출하는 운송수단 중 일부인 자동차 분야만이라도 규제가 강화되는 것은 적지 않은 의미가 있다.
이는 결국은 이산화탄소 규제를 강화해 온 유럽의 흐름을 매연 등 입자상 물질에 더 초점을 맞추어 온 미국이 따른 것이라고 해석할 수 있다. 그렇다면 앞으로 미국시장에서는 디젤과 하이브리드의 본격적인 경쟁이 시작된다고 볼 수 있다. 동시에 완전무공해자동차의 개발에 대한 태도도 달라질 수 있을 것으로 기대된다. 디젤과 하이브리드는 완전 무공해가 아니다. 원유를 사용하기 때문이다.
이산화탄소 기준으로 이번 규제 강화기준이 달성되면 2016년 미국에서 자동차를 판매하는 메이커들은 156g/km를 달성해야 한다. 하지만 유럽은 이미 2012년까지 120g/km를 달성하도록 하는 규제가 강제화 되어 있다. 엔진에서 130g/km, 타이어에서 10g/km를 줄여야 하는 것이다. 130g/km은 가솔린 엔진에서 약 18.1km/리터, 디젤 엔진에서 약 19.9km/리터의 연비에 해당한다. 이에 반해 미국의 기준은 2016년까지 차종별로 평균 연비를 갤런당 35.5마일(ℓ당 15.1㎞)로 향상시켜야 한다.
그런데 미국시장에 비중이 높은 메이커들은 현실적으로 기존 가솔린 엔진의 개량만으로 이 기준을 만족시키는데는 한계가 있다. 기술적인 문제가 우선이고 그에 따른 비용도 큰 과제다. 그래서 동원하는 것이 전기차와 수소연료전지전기차 등 소위 말하는 완전 무공해 자동차다.
원유를 사용하지 않는 완전 무공해 자동차는 풍력과 태양열, 원자력, 수소 등 재생 에너지를 사용해 자동차 안에서 발전을 해 구동을 하는 것과 이미 화력과 수력, 원자력 등에 의해 이미 구축된 발전 시스템으로부터 전기를 충전해 사용하는 순수 전기차로 구분된다. 좀 더 간단하게 정리하면 외부의 전원으로부터 충전을 하는 순수 전기차와 차 안에서 발전을 하며 그 힘을 구동력으로 사용하는 연료전지전기차로 나뉜다. 크게 분류하면 둘 다 전기로 구동하는 자동차다.
전 세계의 많은 자동차 엔지니어들은 이 둘 중 어느 것이 실용화되던 궁극적으로는 전기자동차를 사용할 수밖에 없을 것이라는 의견에 더 많이 동의하고 있다. 아직까지는 이렇게 애매한 표현을 쓸 수밖에 없다. 순수 전기자동차에서는 배터리 문제가 해결되지 않았고 연료전지전기차에서는 스택 기술의 발전이 한계에 부딛혀 진전이 없는 상황이다. 그래서 빨라야 20~30년 정도 후에야 가능성을 이야기할 수 있다는 의견이 제기되고 있다.
글로벌 컨설팅 및 시장조사 기관인 프로스트 앤 설리번(www.frost.com)이 최근 발표한 ‘전세계 연료전지차 시장 전략분석 보고서’에 따르면, 2020년에 전세계적으로 약 12만대의 연료전지차가 판매될 것으로 전망했다. 2015년이 되면 연간 신차 판매대수가 1억대를 돌파할 것으로 전망되고 있다. 앞으로 10년 후의 12만대가 어떤 의미가 있는지는 생각해 볼 필요가 있다.
그런데도 미국을 중심으로 많은 나라에서는 전기차의 출시 시기를 구체적으로 밝히는 등 금방이라도 세상이 바뀔 것처럼 떠들고 있다. 아직은 해결하지 못한 과제가 많다는 것을 잘 알면서도 글로벌 메이커들은 전기차의 라인업을 공언하고 있다.
그 내막은 총량 연비 규제에 있다. 미국 내에서 자동차를 판매하는 메이커들은 그들이 판매하는 자동차의 전체 평균 연비를 달성해야 한다는 것이다. 당장에 가솔린 엔진만으로는 이번에 오바마 정부가 강제한 규제를 달성할 수 없다. 그래서 전기차를 몇 천대라로 판매하면 평균연비를 크게 떨어 트릴 수 있다. 이는 연비를 향상시켜 석유 수입을 줄이고 이산화탄소 배출을 줄여 환경을 보호하고자 하는 의도와 맞아 떨어진다. 또한 전기차의 미래가 아직은 멀지만 가능한한 실현을 앞당기라는 압박으로 작용해 새로운 가능성을 타진해 볼 수도 있게 됐다.
또 하나는 2012년부터 시행되는 미국 캘리포니아의 ZEV(Zero Emission Vehicles) 규정이다. 배기가스가 전혀 없는 완전 무공해 자동차를 3% 판매해야 한다. 물론 이 규정은 그동안에도 실시를 예고했다가 수차례 연기된 것이지만 이번에는 강경한 입장이어서 피할 수 없을 것 같다.
아직까지는 세계 최대 시장인 상당수의 미국 소비자들은 환경에 대한 의지가 강해 조금은 불편하더라도 가격만 적정하다면 전기차를 사용하고자 하는 준비가 되어 있다는 점도 자동차회사들에게는 위안이다. 수년 전까지만 해도 수소 에너지를 사용하는 연료전지전기차에 더 비중을 두었었다. 그에 비해 최근에는 순수 전기차, 하이브리드카와 전기차의 중간 단계인 플러그 인 하이브리드에 대해 더 많은 투자를 하는 분위기다.
수소 연료전지 전기자동차
Fuel Cell. 연료전지라는 의미이다. 별도의 에너지를 사용해 해 이 연료전지를 통해 발전을 하고 그렇게 해서 충전된 전기 에너지로 구동하는 전기자동차를 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), 즉 연료전지전기자동차라고 한다. 크게는 전기자동차의 범주에 속하지만 외부에서 충전하는 순수 전기차와는 달리 자체적으로 발전을 해서 전기를 만든다는 점에서 큰 차이가 있다.
연료전지차라는 개념이 처음 등장했을 때는 연료탱크에 메탄올, 청정 가솔린 등의 연료를 싣고 그것을 차 안에서 수소로 전환해 다시 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 만드는 구조였다. 오늘날 연료전지차는 아예 처음부터 수소 탱크를 탑재해 한 단계의 과정이 줄어 들었다.
연료전지차가 관심을 끌게 된 것은 1994년 다이믈러 벤츠가 NECAR(New Electric Car)라고 하는 연료전지차를 처음으로 주행시키면서부터다. 연료전지 그 자체는 1965년에 미국의 우주선 제미니 5호에 처음으로 사용된 이래 오늘날의 우주선에서도 발전에 이용되고 있다. 하지만 자동차와 같이 소형에서 주행에 따른 진동 등 가혹한 사용조건이 주어진 상황에서의 이용은 다이믈러 벤츠가 처음이었다.
수소를 에너지로 사용한다는 점에서는 1978년부터 연구를 시작한 BMW의 수소 엔진자동차가 먼저다. 이쪽은 기존 내연기관을 활용해 에너지만 가솔린에서 수소로 바꾼다는 것으로 현실적인 접근이라는 평가를 받고 있다. 하지만 지금은 BMW와 마쓰다 등 일부를 제외한 대부분의 글로벌 메이커들은 연료전지쪽으로 가고 있다.
연료전지의 당위성을 주장하는 쪽에서는 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지라는 점을 들고 있다. 더불어 갈수록 전기전자장비가 많아지는 자동차의 특성을 고려할 때 발전을 하면서 구동하는 연료전지가 더 현실적이라는 점도 있다.
그렇다면 수소는 어떻게 확보하는가에 대한 궁금증이 있을 수 있다. 공업적으로 천연가스에서 수소를 취출하는 방법이 채용되고 있다. 이것을 250 또는 350기압으로 압축해 탱크에 저장해 운반하는 것이 가장 일반적이다. 이에 대해 다이믈러 벤츠는 1997년의 NECAR3에서 메탄올 개질식을 채용했다. 알콜 연료인 메탄올에서 수소에서 취출하는 방법으로 가솔린과 마찬가지다. 액체연료를 자동차에 탑재할 수 있기 때문에 연료보급과 항속거리의 확보 면에서 유리하다는 점 때문이었다. 또 알콜 연료라면 식물과 바이오 등 장래 개발이 기대되는 자연에너지의 활용 폭이 넓어진다. 지구 전체의 에너지 소비와 CO₂배출 면에서 순환형 사회가 만들어진다는 점도 배경으로 들었었다.
그 후 미국의 석유 메이커와 GM과 토요타에서 만들어 낸 것이 가솔린 개질식이라고 하는 것이었다. 석유자원에서 수소를 취출하는 쪽이 수소의 함유량이 많은 것과 기존의 가솔린 주유소를 유효하게 이용할 수 있기 때문이다. 사회기반시설에 손을 대지 않고 가솔린차와의 혼합교통으로 되는 당면의 보급과정에 있어 별도의 사회자본의 투자를 필요로 하지 않는 이점도 이 안의 배경이다. 그런데 이 방식에서는 근본인 석유자원으로부터 벗어나는 것과는 직접 관계가 없다는 점이 있다.
이미 연료전지차를 리스 형태로 시판하고 있는 혼다는 수소를 직접 탑재하는 방법이 가장 효율적이고 탈 석유의 관점에서도 논리적으로도 옳다고 주장해 독자적으로 태양광 발전에 의해 물을 전기분해해 수소를 얻고 고압가스로 해 탑재하는 방법의 연구를 진행하고 있다.
현대기아차의 경우는 주로 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에서 발생하는 부산물인 부생수소와 개질 수소, 원자력 수소 등을 사용하고 있다. 아직까지는 사용량이 극히 적기 때문에 부산물을 포집해 에너지로 사용하는 것이 가능하다는 얘기이다. 현대자동차는 2001년 6월에 그것을 350바의 기압으로 충전할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했고 이후 현대기아차의 연료전지차의 행보는 빨라졌다.
현재의 분위기는 수소라고 하는 에너지 생산과정에서의 이산화탄소 발생, 수소 공급을 위한 인프라 구축, 수소에 대한 부정적인 인식, 고가의 연료전지 시스템 등등 복합적인 문제가 대두되면서 실용화에 대한 기대가 많이 줄어든 상황이다.
