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유럽 EUCAR 저탄소자동차 기술개발 현황

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2009-03-03 17:33:39

본문

국내 자동차 기술은 국내 자동차 보유대수 1,000만대(1997년) 및 국외 자동차 수출대수 1,000만대(2002년)시대를 거쳐오면서, 선진 자동차 기술수준과의 격차가 현저히 줄어들고 있다. 또한 각 국가별로 환경∙안전∙연비 관련 자동차 규제가 계속 강화되고 있으며, 그 규제가 국제적으로 동질화되고 있는 상황에서 볼 때, 미래지향적인 친환경 자동차 기술 개발은 국내 경제성장의 지속적 원동력이 될 뿐만 아니라 급변하는 국제 자동차 산업에 있어서 주도권을 확보할 수 있기에 반드시 필요한 상황이다. 물론 이러한 선도적인 기술개발은 이미 전 세계적으로 일정한 공감대가 형성된 지구 온난화(이산화탄소 배출규제 측면)와 에너지 소비(원유소비 감축) 관점에서 접근해야 함은 주지의 사실이다.

글 / 이진욱 (한국기계연구원)
제공 / 한국자동차공학회 오토저널 2월호

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먼저 이산화탄소 배출규제 측면에서 살펴보면, 2008년 12월, 유럽의회는 자동차(차량중량에 관계없이 승용 및 경상용 신규 제작자동차 대상) 평균 이산화탄소 배출량(Average CO2 Emissions, <그림 1> 참조)을 향후 6년동안 단계적으로 규제하여 2015년에는 130g/km (2012년 신차의 65%, 2013년 신차의 75%, 2014년 신차의 80%, 2015년 신차의 100%가 이 기준치를 엔진기술로 만족)이하를 배출해야 하는 법안을 통과시켰다(참고: 2009년 이사회 채택절차만 남은 상태). 또한 추가적으로 10g/km 배출량은 대체연료나 타이어 공기압 모니터링 시스템 도입 등을 통한 방법으로 만족하도록 하였다.

아울러 자동차 제작사에서 이 목표치를 만족하지 못할 경우에는 2012년부터 2018년까지 초과된 이산화탄소배출량(g단위) 당 누적으로 무거운 벌금(초과 배출량 1g 시 5유로, 2g 시 추가 15유로(총 20유로), 3g 시 추가 25유로(총 45유로), 4g이상 시 추가 95유로(총 140유로))을 부과하도록 설정하여, 3g미만 초과 배출량인 경우에는 벌금을 완화하고, 2019년 이후에는 초과 g당 95유로로 강화하였다. 이러한 유럽의 자동차 이산화탄소 배출 강제 규제 입법화는 (1) EU집행위원회가 이미 제안한 2012년부터 100% 적용 시행안에 대해, 전 세계적인 금융위기와 자동차 산업의 경기침체를 감안하여 규제완화 필요성과 (2) 기존 자율 규제 목표(2009년까지 140g/km)가 달성되지 못할 것이라는 전망에 따른 것이다. 따라서 현재 유럽은 자동차 CO2 배출량 감축이라는 환경정책을 통한 관련 기술개발을 향후 녹색 경제 성장의 동력원으로 삼고 있다.

아울러, 자동차에 사용되는 연료의 불확실성은 자동차 산업의 장래에 매우 큰 영향을 미치는데, 특히 원유가격의 급상승 및 고유가(배럴당 100달러시대)에 따른 연료 경제성과 화석연료의 지역적 편중 및 고갈 한계에 대비한 적절한 대응을 통해 이의 불확실성을 점진적으로 낮추어야 한다. 즉 현재의 자동차 산업은 에너지효율의 극대화와 대체에너지 사용을 위한 본격적인 변화에 직면해 있는 실정이다.

이러한 배경에서 볼 때, 수송용 청정연료와 차세대 동력원 그리고 이산화탄소 배출량 저감에 초점을 둔 친환경 자동차 관련 기술개발은 향후 세계 자동차 산업의 패러다임을 주도적으로 변화시키고 또한 치열해지는 경쟁속에서 필수적인 생존 조건이 될 것이다.

따라서 본 고에서는 유럽 주요 자동차 제작사들로 구성된(BMW, DAF, Daimler, Fiat, Ford, Opel,Porsche, PSA Peugeot Citroen, Renault, Scania,Volkswagen, Volvo) 범유럽 자동차 연구조직인 EUCAR(European Council for Automotive R & D,유럽 자동차 부문 연구개발위원회)의 주요 연구개발 과제를 통해 본 유럽 저탄소자동차의 기술개발 현황에 대해 살펴보고자 한다. 특히 바이오연료, 타이어 관련기술 등과 같이 이산화탄소를 줄일 수 있는 다른 조치들을 고려하지 않고, 자동차 엔진기술적 수단을 통해서만 이산화탄소 배출량 130g/km을 만족할 수 있는 주요 엔진기술에 대해서도 기술하고자 한다.


2. EUCAR 저탄소자동차 기술개발 현황

앞서 언급한 바와 같이, 유럽은 자동차 CO2감축을 통한 환경기술 개발에 매우 적극적이면서도 세계 선도적으로 추진 중에 있으며, 유럽 자동차 제작사는 물론 이 지역으로 수출하는 자동차 제작사에게도 이 분야 연구개발을 더욱 증대시킬 것과 또한 보다 넓은 통합적인 접근(자동차제작사, 차량소유자 그리고 국가간 정책공조 등)이 필요함을 강조하고 있다. 특히 이를 위해 구체적으로 설정한 이산화탄소 배출량 130g/km은 가솔린 엔진의 경우, 약 5.6L/100km (17.86km/리터), 디젤 엔진에서는 약 5.0L/100km (20km/리터)의 연비에 해당되는 것으로써, 이는 현재 이산화탄소 배출량 목표인 58g/km보다 약 18%정도 감축해야 하는 수준이다. 따라서 먼저, 유럽 주요 국가별로 최근의 자동차 CO2 배출 현황에 대해 살펴보면 다음과 같다.

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<표 1>은 2007년 기준, 유럽 주요 18개 국가별로 신규 등록된 자동차 대수와 이들의 평균 CO2배출량을 2006년도 평균 CO2배출량과 비교해서 나타낸 것이다. 2006년 유럽내 신차 평균 CO2배출량인 160g/km보다는 약 1.7% 감소되었으며, 유럽내 평균 CO2배출량이 188g/km 수준의 차량을 주로 생산∙판매하는 Volvo와 189g/km 수준인 Saab를 통한 내수판매가 많은 스웨덴의 경우, 2006년과 2007년 모두 가장 많은 이산화탄소 배출량 특성을 보이고 있지만, 2006년 대비, 2007년 이의 감소비율은 약 4%정도로 매우 현저히 감축하고 있음을 알 수 있다. 또한 상대적으로 자동차 판매규모가 큰 독일, 영국, 이탈리아는 2007년 약 2%대로 더 저감한 반면, 프랑스는 0.3%에 거쳐 대조를 이루고 있음을 알 수 있다.

참고로 영국 SMMT자료에 따르면, 2007년 신차 등록기준, 가솔린 자동차 시장 점유율 59.3%, 경유 자동차 시장 점유율 40%, 대체연료 자동차 시장 점유율 0.7%로 경유 자동차와 대체연료 자동차 비율이 꾸준히 증가하고 있다. 주로 Peugeot 207, Golf(Volkswagen), Corsa(Vauxhall), Clio(Renault), Focus, Fiesta(Ford)등이 상위 판매차종에 해당되며, 이들을 포함해서 Prius(Toyota) 등의 하이브리드 차량과 바이오연료 사용차량이 시판되고 있는 중이다. 그리고 독일 연방자동차 등록청(KBA)에 의하면, 하이브리드 자동차 등록수는 1만 7천여대(2008년 1월 기준)이며, 이는 전체 등록 자동차대수의 약 0.04%에 해당하는 매우 적은 수치이지만, 2007년도부터 그 수요가 급증하고 있는 실정이다. 또한 경유 자동차의 등록대수는 이미 전체 등록차량의 약 50% 수준에 도달하고 있다. 특히 2007년 프랑크푸르트 모터쇼를 기하여 양산용 하이브리드차량을 선보인 Mercedes-Benz는 블루텍(Ad-blue 요소액을 사용하는 선택적 촉매환원기술)이라는 고유의 최첨단 디젤엔진과 함께 차세대 저탄소 배출 자동차로 중점 육성중에 있다.

폭스바겐(Golf, Polo)은 최첨단 디젤분사 및 가변식 터보 챠져기술을 바탕으로 새로운 클린 고출력 디젤엔진 시장을 창출하고 있으며, 보다 획기적인 대체 동력시스템이 본격적으로 실용화되기전까지 디젤엔진 연구개발에 중점을 두고 있다. 따라서 현재의 독일 자동차 산업을 보면, 현재 주어진 조건에서 가장 현실적으로 차세대 친환경 자동차 기술개발을 추진 중인데, 향후에도 여전히 기존 자동차 내연기관 중 가장 높은 45% 수준의 열효율을 달성할 수 있는 소형화된 직접분사식 디젤엔진과 이의 활용을 바탕으로 하는 하이브리드시스템 개발에 역점을 두고 있음을 알 수 있다. 이는 하이브리드 차량을 단순 과도기적 틈새시장이라는 관점에서 벗어나, 기존 독일의첨단 청정디젤엔진 기술과 함께 본격적으로 개발함을 의미한다. 그리고 이탈리아의 경우, 천연가스를 비롯한 가스엔진 차량의 시장 점유율이 약 2%대에 진입(유럽지역 내 천연가스차량 보유 1위 국가)하였으며, 전통의 디젤엔진 기술개발과 함께 대부분 Fiat 그룹이 자국 자동차 산업을 주도하고 있다. 즉, <그림 2>와 같이, 기존 휘발유 및 경유자동차와 Bi-fuel자동차 개발에 주력하고 있는 특징이 있으며, 또한 Peugeot, Opel, Renault, Ford, Citroen사의 소형차량이 상대적으로 높은 시장 점유율을 차지하고 있다.

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이를 바탕으로, 이와 직접 연관된 12개 주요 유럽자동차 제작사로 구성된 EUCAR의 저탄소자동차 엔진 연구∙기술개발(R & TD) 현황들에 대해 살펴보고자 한다. 이미 2000년도에 마스터플랜을 작성하였으며, 크게 3가지 분야(에너지 및 환경분야, 도로 안전분야, 이동 및 교통분야)별로 실무그룹을 편성하여 공동추진중에 있다(<그림 3>, <그림 4> 참조). 에너지 및 환경분야에서는 주로 청정디젤엔진(CLEAN/EU-DIESEL) 및 직분식 가솔린엔진(DIGAFA), 하이브리드 파워트레인(SUVA), 연료전지 기술 등에 대한 연구를 수행 중에 있으며, 도로 안전분야에서는 주로 운전자 보조시스템(ADASE), 수동형 안전기술(PSN), 통합 안전기술 등을, 그리고 이동 및 교통분야에서는 주요 유럽 대도시간 인적 및 화물 운송 최적화 및 정보 교류 등에 대한 연구를 수행 중에 있다.

이 가운데 본 원고에서는 에너지안보 및 자동차 CO2저감에 직접적인 영향을 미치는 에너지 및 환경분야와 관련된 연구기술 개발현황에 대해서 기술하고자 한다. 현재 EUCAR는 자동차 연료생성에서 차륜에 이르기까지 소위 Well to Wheel 효율 측면에서 가솔린엔진(약16%) 보다 우수한 디젤엔진(약 20%)과 하이브리드 자동차(약 26%)에 대한 연구에 본격적으로 착수한 상태이다.

먼저, CLEAN 프로젝터를 통해서는 디젤엔진의 유해 배출물을 최대한 저감하기 위해, 엔진 연소 최적화(분무특성, 실린더유동향상, 압축비 및 피스톤 형상 개선 그리고 연료물성치별 최적화(<그림 5> 참조 등)에 집중하여, 보다 더 친환경적이고 제한된 화석연료 소비 최소화 그리고 전통적 디젤자동차 산업기반 활성화를 도모하고 있다. 특히 배기량 2.0L급, In-line T/C 인터쿨러 직접분사방식 디젤엔진의 대상으로 EUI와 커먼레일 연료분사방식, 그리고 가변 스월제어와 배기재순환방식 채택 유∙무에 따른 세부연구를 주로 수행하였다.

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또한 EU-DIESEL 프로젝터에서는 직접분사식 소형디젤엔진의 배기성능이 가솔린엔진 만큼 청정화될 수 있도록 (즉, 주로 질소산화물 및 입자상물질의 대폭적인 저감) 관련 핵심기술개발 위주로 수행되기에 고성능 피에조인젝터와 가변밸브시스템, 예혼합 압축착화 연소연구까지 광범위하게 수행한 특징이 있다. Daimler와 Fiat 그리고 Bosch사의 공동 참여를 통해 클린디젤엔진의 개발 완성도를 더욱 높이는 계기가 되었다.

이러한 디젤엔진 연구와 더불어 가솔린 직접분사(GDI, Gasoline Direct Injection)방식에 대한 연구도 동시에 진행하여, 기존 포트분사방식과 달리 가솔린연료를 엔진연소실내 직접 분사함으로써, 최대 15%의 연비향상 효과를 통한 이산화탄소의 배출량 저감 및 엔진성능 향상 등을 추구하였다. 그러나 연료내 유황 함유량, 고압연료시스템(펌프와 인젝터)의 신뢰성 및 높은 단가, 질소산화물 저감시스템 그리고 미연소 연료입자에 의한 미세입자 과다배출 등이 극복해야 할 요인으로 파악되고 있다.

따라서 최근에는 가솔린엔진의 절대 출력성능 향상을 위한 기술보다는, 연료소모 및 배출가스 최소화(CO2, NOx포함)를 목표로 하는 GDI기술개발이 유럽 완성차업체의 주된 연구방향이다. 이러한 디젤엔진과 가솔린엔진의 개발과제에 있어서 공통적으로, 배기량 2.0L급 이하의 엔진 소형화(Downsizing Engine Size)와 관련된 연구를 수행한 특징이 있다.

그리고 하이브리드 자동차의 경우, Daimler와 Volkswagen 그리고 Fiat를 중심으로 수행한 SUVA(Surplus Value Hybrid) 프로젝터를 포함해서, 현재 유럽에서는 상대적으로 제한적인 판매시장과 낮은 기술수준, 그리고 배터리 등 하이브리드자동차를 구성하는 핵심부품의 고비용 등으로 인해 공동 개발 형태로 추진중에 있다. 또한 친환경적 방법으로의 전기 생산 및 자국의 잉여 전기량 등을 감안한 플러그 인 하이브리드용 배터리 개발은 향후 하이브리드 시장의 장래와도 직결되어 있어 이에 대해서도 본격적으로 연구개발 중에 있다.

특히 3기통 1.5L급 디젤엔진과 리튬이온전지로 구성된 Smart Forfour를 비롯한Peugeot 307 등의 디젤 하이브리드 자동차는 기존 일본 자동차 제작업체들이 주도적으로 개발하고 있는 가솔린 하이브리드 자동차와 2010년 이후부터 본격적으로 시장 경쟁에 돌입할 만큼, 부품의 경량화, 배터리 충전방식 개선, 첨단 제동장치 등에 집중해서 양산개발중이다.

따라서 자동차 CO2 배출량 저감을 위한 EUCAR의 이러한 기술개발 방향으로 볼 때, 향후 유럽에서는 자동차 제작사간의 보다 강화된 전략적 공동 협약(Pooling)을 바탕으로 친환경 자동차 생산 및 판매 전략이 보다 새롭고 유연한 방식으로 진행될 예정이다.


3. 결론

이상과 같이, 저탄소배출 친환경자동차인 고성능∙저배기 클린 디젤자동차, 직접분사식 가솔린 자동차 그리고 이들을 기반으로 한 하이브리드 자동차는 현재 유럽 자동차 시장에 도입되어서 이산화탄소 배출량 저감에 상당히 기여하고 있다. 특히 주요 유럽 자동차 제작사들로 구성된 EUCAR의 연구기술개발 방향을 요약해 보면, 상대적으로 이산화탄소 배출측면에서 유리한 디젤자동차는 보다 더 청정한 NOx/PM 배출물 저감 연구분야 그리고 가솔린엔진은 연비향상을 통한 이산화탄소 저감 연구분야에 집중하고 있음을 알 수 있다. 또한 디젤 하이브리드 자동차의 본격적인 시장진입을 위해, 경쟁력있고 신뢰할 수 있는 기술을 상용∙개발하기 위해서는 공동의 노력이 필요하다고 인식하고 있다.

물론 국내에서도 다양한 디젤 후처리시스템 개발 및 가솔린 직접분사식 엔진 개발 연구들이 정부지원하에 산∙학∙연 공동연구개발 형태로 이미 진행중에 있으며, 또한 플러그 인 하이브리드자동차용 배터리를 공동개발 추진중에 있기에, 향후 이들 친환경자동차 기술의 보급 및 활용에 있어서 매우 유리할 것으로 판단이 된다.

따라서 이러한 저탄소배출 친환경자동차의 기술개발 격차가 그다지 크지 않은 현 시점에서 볼 때, 핵심 전략기술 분야를 보다 더 중점적으로 육성한다면, 이는 분명 우리나라 자동차 산업뿐 만 아니라 녹색 경제 성장의 중요한 그린동력원이 될 수 있음을 밝히면서 이 글을 맺고자 한다.
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