자동차기술의 현재와 미래-1. 2020년 이후의 선행 친환경기술
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2008-08-19 12:22:26 |
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한국자동차 공학회는 지난 4월 22일 창립 30주년을 맞이하였으며, 이를 기념하여“30주년 기념학술대회”를 롯데호텔월드에서 개최했다. 이번 창립 30주년 기념 학술대회에서는 자동차공학회 회원들과 자동차공학인을 위하여 두 명의 해외 석학을 초청하여 특별강연을 실시하였으며 본 자료는 특별강연 내용을 연세대학교 전광민 교수가 정리한 것이다. 전체적인 내용은 한국자동차공학회보 2008년 8월호에 ‘자동차기술의 현재와 미래’라는 제목으로 게재되었으며 한국자동차공학회의 동의를 얻어 글로벌오토뉴스에 그대로 전재한다.
내용은 모두 8개로 나뉘어 있으며 순서는 미래자동차 배기규제와 연비 기준, 엔진 연소와 배기후처리장치 기술, 대체연료와 에너지, 미래자동차와 연료기술에 대한 전망 등의 순이다.(편집자 주)
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일본정부의 가장 중요한 목표중의 하나는 2010년까지 NO2와 SPM (Suspended Particulate Matter)의 기준을 맞추는 일이며, 세계의 많은 대도시들이 자동차로 인한 대기오염 때문에 고통을 받고 있다. 가솔린차량은 냉간 시동시의 배출과 웜업되었을 때의 배출을 대폭 감소하여 거의 Zero-emission을 달성하였으나, 디젤차량은 아직 더 개선의 여지가 있다. 미국과 유럽 및 일본의 Heavy Duty 차량의 배기규제와 승용차의 규제는 매우 엄격해 지고 있어서, Euro 6 규제를 만족시키기 위해서는 DeNOx 촉매가 필요할 것으로 예상되며 PM이 갯수로 규제될 것으로 예상된다.
글/ Yasuhiro Daisyo (Waseda University)
디젤엔진의 배기 저감기술로서는 터보차저와 High and Low Pressure EGR 및Cooler, DOC, DPF, DeNOx 장치들이 예상된다. 연소는 커먼레일시스템의 진화에 따라 개선되고 있는데 분사압력이 200에서 220MPa에 이른다. 연료분사는 NOx, PM, 소음 저감과 연비개선을 고려하여 한 사이클에 여러 번에 걸쳐 분사된다. 연료공기비와 온도의 함수로 엔진에서 생성되는 Soot과 NOx가 생성되는 영역을 보여주고 있는데 이 영역을 피해야 NOx와 PM을 줄일 수 있다. HCCI (Homogeneous or Premixed Charge Compression Ignition) Combustion이라는 새로운 연소방식을 이용해 이러한 목적을 달성할 수 있지만 이 방식은 HC와 CO의 배출이 높고 낮은 부하에서 적용할 수 있고 높은 부하에서는 급작스러운 연소 때문에 어려우며 정교한 제어기술이 요구된다. PCCI 연소를 위해 연료를 일찍 분사하거나 늦게 분사할 수 있는데 각각의 장∙단점이 있으며 낮은 압축비와 가변 밸브타이밍을 이용한다. 와세다대학에서도 AVL의 VVT장치를 이용하여 내부 EGR을 증가시키는 연구를 하였다. 또한 3차원 연료 분사모델, 실린더 내 3차원 유동해석과 화학반응, PCCI 해석 등 다양한 수치해석을 수행하고 있다. 수치모델링은 엔진의 R&D, 설계와 생산에 모두 중요하다.
PM과NOx의 저감과 관련해서 Hino Motors의 정교하게 제어되는 DPF 시스템, Nissan Diesel의 Urea-SCR System, 도요타의 NOx와 PM을 동시에 저감하는 DPNR 시스템을 소개하였다. 혼다의 DeNOx 촉매장치는 촉매가 두 층으로 되어 있어서 아래에 있는 LNT 촉매에서는 연료가 농후하게 분사될 때에 생성되는 암모니아를 위에 있는 암모니아 흡장형 촉매에서 흡장하고 NOx를 환원하는데 사용하며 따로 암모니아를 공급하지 않아도 되는 장점이 있다. 혼다에서는 이 장치를 이용하여 2009년에 미국의 Tier 2 Bin 5를 만족시키는 차량을 미국시장에 내 놓을 예정이다.
NOx Storage Reduction (NSR 또는 LNT)과 Urea-SCR장치의 장∙단점을 비교하면, 효율은 Urea-SCR이 높고 크기와 편리성에서는 NSR이 유리하다. 승용차에는 NSR이 쓰일 확률이 높고 대형차량에는 Urea-SCR이 사용될 것이다. 배기후처리장치에서는 다양한 후처리장치의 조합이 가능하다. 단순한 DOC나 DPF로부터 DOC, DPF, SCR, DOC 또는 DOC, NSR, DPF, DOC 등 다양한 조합이 있을 수 있다. 미래의 엄격한 배기규제를 만족하기 위해서는 엔진제어가 단순한 Map-based Control에서 Modelbased Control로 바뀌어야 한다. 이 방식은 단순한 수학적 모델이나 물리적 모델을 사용하며 다양한 엔진시스템에 적용할 수 있어 개발 시간과 비용을 줄이는데 유리하다.
미래의 후처리장치는 연료의 황함량이 낮아져야만 성능을 유지할 수 있다. 경유와 가솔린 모두 황함량이 10ppm 이하로 낮아질 것이다. 일본에서는 2015년에 Heavy-Duty Vehicle의 연비가 규제될 예정이다. 연료 소비와 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해“Top Runner Policy”를 적용하여 2002년에 비해 12.2%를 감소하는 목표를 갖고 있다. 3.5t 이상의 트럭은 9.7~12.2%, 버스는 11.1~12.8% 개선이 목표이다. 일본 승용차의 연비개선 목표는 2010년에 1995년에 비해 22.8%를 줄이는 것이었는데 이미 달성해서 새로운연비목표가필요하다.“ Top Runner Policy”에의하면2015년에는2004년에비해23.5%의 개선이 가능하다.
이는 엔진 개선과 CVT, 하이브리드자동차의 도입에 의해 달성될 것이다. 2014년의 평균연비는 13.6km/ℓ이며 2015년에는 16.8km/ℓ이다. 연비개선은 엔진 분야에서는 직접분사, 하이브리드화, 밀러사이클, Downsizing 등의 새로운 개념과 제어기술, 펌핑로스 저감, 마찰 저감 등에 의해 이루어지고, 트랜스미션에서는 CVT, Automated MT 등에 의해 개선되며 차량에서는 경량화와 공기저항 감소 등에 의해 이루어 질 것이다. 가솔린엔진에서 직접분사는 10~30%, 가변밸브기구는5%이상, CVT는5~10% 정도의 연비 개선효과가 있다. Downsizing의 예가 2006년의 VW 직접분사식 엔진인 TSI이다. 4기통 1.389L 엔진에서125kW/6,000rpm, 240Nm/1,500~4,750rpm의 출력과 토크를 갖는다. 인터쿨러가 장착된 터보와 수퍼차저를 이용하고 VVT를 사용하며 압축비는 9.7이고 연비는 14km/ℓ이다. 2006년 Mazda의 터보 직접분사식 엔진인 MZR 2.3L DISI도 다운사이징된 엔진이다. 2.3L엔진이며 압축비는 9.5, 연료분사압력은 1.5MPa이고 3L 엔진과 유사한 180KW/5,000rpm과 350NM/2,500rpm의출력과토크를갖는다. 2007년발표된Mercedes-Benz의HCCI“ DiesOtto”엔진은 HCCI 연소방식을 채용하고 VVT, VGT, VCR, GDI, ISA 등의 기술을 사용하여 6L/100km를 달성하였다. 앞으로 30년 정도는 가솔린과 디젤엔진이 주요한 동력원으로 남을 것이며 연소와 연료 및 배기후처리가 연비와 배기를 저감하는 가장 중요한 세 요소가 될 것이다.
NOx와CO2는 서로 Trade-off 관계에 있다. DeNOx 촉매를 써서 NOx를 없애려면 연료의 황함량이 낮아야한다. 연비를 개선하기 위해서는 마찰저항을 줄여야하며 고장력강이나 알루미늄 또는 플라스틱을 사용해야 한다. ULSAB-AVC (Ultra Light Steel Auto Body Project-Advanced Vehicle Concept)는 33개의 제강업계가 참여했는데 차체의 무게를 20~30% 줄이는 것이 목표였다. 2007년 10월에 발표된 도요타의 컨셉트카 1/X는 CFRP를 이용하여 프리우스와 유사한 실내공간을 확보하고도 무게는 1/3에 지나지 않아 60km/ℓ를 달성할 수 있었다.
전기자동차는Micro EV, Hybrid Vehicle, Fuel Cell Vehicle로 나눌 수 있다. Mitsubishi의 iMiEV는 전기자동차인데 가솔린차량에 비해 CO2를 72% 줄일 수 있고 밤에 충전하면 비용이 1/9로 준다. 전기자동차의 CO2 배출은 차량의 무게에 비례하고 브레이크 재생여부에 따라 달라진다. 1,000kg 차량의 경우에 재생이 없어도 30g/km 이하이다. 과거의 전기자동차의 경험으로부터 많은 것을 배울 수 있는데 작은 전기자동차는 여러 가능성을 가지고 있어 METI는 5년간 Lithium-ion 전지에 50억엔을 지원할 예정이다. NEDO의 지원을 받아 와세다 대학에서 운행하는 마이크로버스는 배터리용량을 줄이려고 개발한 빠른 Inductive Charging 시스템을 이용한다.
하이브리드 자동차는 병렬(Parallel or Mild), 직렬(Series), 복합(Series/parallel or Dual) 타입으로 나눌 수 있다 복합식이 가장 높은 50~100%의 연비 개선을 가져오지만 가격 증가가 $3,000를 넘는다.Waseda의 미래자동차는 Ultra-light 하이브리드인데 34km/ℓ를 달성했다. MB의 S320 Bluetech Hybrid는 6실린더 3L디젤엔진을 사용하는 마이크로 하이브리드이며 NEDC 사이클에서 연비가 7.7ℓ/100km이다. 도요타의 플러그인 하이브리드는 전기차 모드에서 13km를 주행할 수 있고 최대 속도는 100km/h이다. 2010년에 Lithium-ion 전지를 써서 도로주행테스트를 할 예정이다. Volvo의 Recharge는 2.8L 가솔린엔진을 쓰는 플러그인 타입으로서 3시간 동안 충전하면 62마일을 주행할 수 있다. Opel의 컨셉트 전기차인 E-Flex는 1.3ℓCDTI 디젤엔진을 쓰는 직렬 하이브리드이며 리튬이온전지를 완전 충전할 경우 55km를 갈 수 있고 CO2 배출은 40g/km이다. 가솔린차량과 디젤차량의 연비를 개선하는 방법은 기존의 방법과 다양한 하이브리드 방식을 조합하는 방식이 있으며 하이브리드는 연비를 많이 개선하는 대신 가격이 높아지는 단점이 있다. 가솔린 하이브리드는 $2,000~$2,500의 가격증가를, 디젤하이브리드는$5,000~$5,500의 가격 증가를 가져오며 연비는 시내 주행 시에 각각 30%와 44% 개선된다.
미래의 자동차에 요구되는 연료는 자동차의 성능과 출력은 높게 유지하고 에너지소모와 CO2 및 오염물질 배출은 적게 해야 하며 지속가능해야 한다. 또 기존의 연료와 섞어 쓸 수 있어야 하고 기존의 연료 공급인프라를 이용할 수 있어야 한다. 일본의 연료전지 시범프로젝트인“JHFC”는 2002~2008년 동안 METI에서 지원되었으며 도요타, 혼다, 닛산, 히노, 스즈키, GM과 DC가 참여했다. 11곳의 수소충전소가 있다. 2006년에 발표된 결과를 보면 FCHV의 Well to Wheel CO2 배출은 85g/km이나 미래에 60g/km가 예상된다.
바이오에탄올의 원료는 사탕수수, 옥수수 등 다양하다. 만드는 방법은 가수분해, 발효, 정제 및 증류이다. 더 개선된 바이오에탄올 생산은 셀룰로스를 이용한 것이며 RITE와 혼다가 실용화하고 있다. 바이오디젤의 원료는 유채, 팜, 해바라기, 대두, 자트로파 등 다양하다. 대표적인 생산방식은 에스테르화이다. Nippon Oil과 도요타는Hydrogenated Palm Oil 생산방식을개발하고있다.“ Biorefinery”라 불리는 Bio-to-Liquid의 대표적 생산방식은 가스화 다음에 Fischer-Tropsch 방법을 쓰는 것이다. 일본의 자동차 연료 중 바이오 연료의 비율은 2030년 총 연료의 10%인 4.0million kL에 달한다. 세계의 연료소비는 계속 증가하고 수송부문에서도 전체의 거의 일정한 비율을 차지하며 계속 증가할 것이기 때문에 이를 재생가능한 연료로 대체하는 것이 중요하다. 일본의 METI는 2030년에 자동차연료의 석유류 의존을 80% 이하로 줄이고 에너지효율을 30% 이상 개선하는 것을 목표로 삼았다. R&D 분야로 전지,수소와 연료전지, 클린 디젤, 바이오연료, 인간친화적 자동차를 선택했다. 2007년부터 2011년까지 매년 400억 달러가 지원될 예정이다.
Lithium-ion 전지의2030년 목표는 에너지밀도 70Wh/kg, 비용은 현재의 1/40이다. 환경친화적인 자동차에 대한 연구는 MLIT와 NTSEL에 의해 2005~2007년까지 DME, FTD(GTL), LNG 트럭 등에 대해 진행되었다. 승용차 CO2 배출 저감은 기존의 가솔린 차량에 비해 디젤 하이브리드는 50% 정도, 작은 전기차는 80% 정도 2020~2030년에 가능할 것으로 보인다. 일본의 장기적인 자동차 CO2 저감은 연비 개선과 석유계가 아닌 연료나 전기, 차량 사용의 개선 등에 의해 2050년에 70%에 달할 것으로 예측한다. 지구의 온난화를 방지하고 고갈되는 에너지원에 대비하기 위해 새로운 자동차기술과 연료에 필요한 연구와 개발을 지원하는 정책, 연료소비를 줄이고 지구온난화를 방지할 수 있는 정책 등의 다양한 정책이 개발되어야 한다.
<전광민 교수 : kmchun@yonsei.ac.kr>
내용은 모두 8개로 나뉘어 있으며 순서는 미래자동차 배기규제와 연비 기준, 엔진 연소와 배기후처리장치 기술, 대체연료와 에너지, 미래자동차와 연료기술에 대한 전망 등의 순이다.(편집자 주)
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일본정부의 가장 중요한 목표중의 하나는 2010년까지 NO2와 SPM (Suspended Particulate Matter)의 기준을 맞추는 일이며, 세계의 많은 대도시들이 자동차로 인한 대기오염 때문에 고통을 받고 있다. 가솔린차량은 냉간 시동시의 배출과 웜업되었을 때의 배출을 대폭 감소하여 거의 Zero-emission을 달성하였으나, 디젤차량은 아직 더 개선의 여지가 있다. 미국과 유럽 및 일본의 Heavy Duty 차량의 배기규제와 승용차의 규제는 매우 엄격해 지고 있어서, Euro 6 규제를 만족시키기 위해서는 DeNOx 촉매가 필요할 것으로 예상되며 PM이 갯수로 규제될 것으로 예상된다.
글/ Yasuhiro Daisyo (Waseda University)
디젤엔진의 배기 저감기술로서는 터보차저와 High and Low Pressure EGR 및Cooler, DOC, DPF, DeNOx 장치들이 예상된다. 연소는 커먼레일시스템의 진화에 따라 개선되고 있는데 분사압력이 200에서 220MPa에 이른다. 연료분사는 NOx, PM, 소음 저감과 연비개선을 고려하여 한 사이클에 여러 번에 걸쳐 분사된다. 연료공기비와 온도의 함수로 엔진에서 생성되는 Soot과 NOx가 생성되는 영역을 보여주고 있는데 이 영역을 피해야 NOx와 PM을 줄일 수 있다. HCCI (Homogeneous or Premixed Charge Compression Ignition) Combustion이라는 새로운 연소방식을 이용해 이러한 목적을 달성할 수 있지만 이 방식은 HC와 CO의 배출이 높고 낮은 부하에서 적용할 수 있고 높은 부하에서는 급작스러운 연소 때문에 어려우며 정교한 제어기술이 요구된다. PCCI 연소를 위해 연료를 일찍 분사하거나 늦게 분사할 수 있는데 각각의 장∙단점이 있으며 낮은 압축비와 가변 밸브타이밍을 이용한다. 와세다대학에서도 AVL의 VVT장치를 이용하여 내부 EGR을 증가시키는 연구를 하였다. 또한 3차원 연료 분사모델, 실린더 내 3차원 유동해석과 화학반응, PCCI 해석 등 다양한 수치해석을 수행하고 있다. 수치모델링은 엔진의 R&D, 설계와 생산에 모두 중요하다.
PM과NOx의 저감과 관련해서 Hino Motors의 정교하게 제어되는 DPF 시스템, Nissan Diesel의 Urea-SCR System, 도요타의 NOx와 PM을 동시에 저감하는 DPNR 시스템을 소개하였다. 혼다의 DeNOx 촉매장치는 촉매가 두 층으로 되어 있어서 아래에 있는 LNT 촉매에서는 연료가 농후하게 분사될 때에 생성되는 암모니아를 위에 있는 암모니아 흡장형 촉매에서 흡장하고 NOx를 환원하는데 사용하며 따로 암모니아를 공급하지 않아도 되는 장점이 있다. 혼다에서는 이 장치를 이용하여 2009년에 미국의 Tier 2 Bin 5를 만족시키는 차량을 미국시장에 내 놓을 예정이다.
NOx Storage Reduction (NSR 또는 LNT)과 Urea-SCR장치의 장∙단점을 비교하면, 효율은 Urea-SCR이 높고 크기와 편리성에서는 NSR이 유리하다. 승용차에는 NSR이 쓰일 확률이 높고 대형차량에는 Urea-SCR이 사용될 것이다. 배기후처리장치에서는 다양한 후처리장치의 조합이 가능하다. 단순한 DOC나 DPF로부터 DOC, DPF, SCR, DOC 또는 DOC, NSR, DPF, DOC 등 다양한 조합이 있을 수 있다. 미래의 엄격한 배기규제를 만족하기 위해서는 엔진제어가 단순한 Map-based Control에서 Modelbased Control로 바뀌어야 한다. 이 방식은 단순한 수학적 모델이나 물리적 모델을 사용하며 다양한 엔진시스템에 적용할 수 있어 개발 시간과 비용을 줄이는데 유리하다.
미래의 후처리장치는 연료의 황함량이 낮아져야만 성능을 유지할 수 있다. 경유와 가솔린 모두 황함량이 10ppm 이하로 낮아질 것이다. 일본에서는 2015년에 Heavy-Duty Vehicle의 연비가 규제될 예정이다. 연료 소비와 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해“Top Runner Policy”를 적용하여 2002년에 비해 12.2%를 감소하는 목표를 갖고 있다. 3.5t 이상의 트럭은 9.7~12.2%, 버스는 11.1~12.8% 개선이 목표이다. 일본 승용차의 연비개선 목표는 2010년에 1995년에 비해 22.8%를 줄이는 것이었는데 이미 달성해서 새로운연비목표가필요하다.“ Top Runner Policy”에의하면2015년에는2004년에비해23.5%의 개선이 가능하다.
이는 엔진 개선과 CVT, 하이브리드자동차의 도입에 의해 달성될 것이다. 2014년의 평균연비는 13.6km/ℓ이며 2015년에는 16.8km/ℓ이다. 연비개선은 엔진 분야에서는 직접분사, 하이브리드화, 밀러사이클, Downsizing 등의 새로운 개념과 제어기술, 펌핑로스 저감, 마찰 저감 등에 의해 이루어지고, 트랜스미션에서는 CVT, Automated MT 등에 의해 개선되며 차량에서는 경량화와 공기저항 감소 등에 의해 이루어 질 것이다. 가솔린엔진에서 직접분사는 10~30%, 가변밸브기구는5%이상, CVT는5~10% 정도의 연비 개선효과가 있다. Downsizing의 예가 2006년의 VW 직접분사식 엔진인 TSI이다. 4기통 1.389L 엔진에서125kW/6,000rpm, 240Nm/1,500~4,750rpm의 출력과 토크를 갖는다. 인터쿨러가 장착된 터보와 수퍼차저를 이용하고 VVT를 사용하며 압축비는 9.7이고 연비는 14km/ℓ이다. 2006년 Mazda의 터보 직접분사식 엔진인 MZR 2.3L DISI도 다운사이징된 엔진이다. 2.3L엔진이며 압축비는 9.5, 연료분사압력은 1.5MPa이고 3L 엔진과 유사한 180KW/5,000rpm과 350NM/2,500rpm의출력과토크를갖는다. 2007년발표된Mercedes-Benz의HCCI“ DiesOtto”엔진은 HCCI 연소방식을 채용하고 VVT, VGT, VCR, GDI, ISA 등의 기술을 사용하여 6L/100km를 달성하였다. 앞으로 30년 정도는 가솔린과 디젤엔진이 주요한 동력원으로 남을 것이며 연소와 연료 및 배기후처리가 연비와 배기를 저감하는 가장 중요한 세 요소가 될 것이다.
NOx와CO2는 서로 Trade-off 관계에 있다. DeNOx 촉매를 써서 NOx를 없애려면 연료의 황함량이 낮아야한다. 연비를 개선하기 위해서는 마찰저항을 줄여야하며 고장력강이나 알루미늄 또는 플라스틱을 사용해야 한다. ULSAB-AVC (Ultra Light Steel Auto Body Project-Advanced Vehicle Concept)는 33개의 제강업계가 참여했는데 차체의 무게를 20~30% 줄이는 것이 목표였다. 2007년 10월에 발표된 도요타의 컨셉트카 1/X는 CFRP를 이용하여 프리우스와 유사한 실내공간을 확보하고도 무게는 1/3에 지나지 않아 60km/ℓ를 달성할 수 있었다.
전기자동차는Micro EV, Hybrid Vehicle, Fuel Cell Vehicle로 나눌 수 있다. Mitsubishi의 iMiEV는 전기자동차인데 가솔린차량에 비해 CO2를 72% 줄일 수 있고 밤에 충전하면 비용이 1/9로 준다. 전기자동차의 CO2 배출은 차량의 무게에 비례하고 브레이크 재생여부에 따라 달라진다. 1,000kg 차량의 경우에 재생이 없어도 30g/km 이하이다. 과거의 전기자동차의 경험으로부터 많은 것을 배울 수 있는데 작은 전기자동차는 여러 가능성을 가지고 있어 METI는 5년간 Lithium-ion 전지에 50억엔을 지원할 예정이다. NEDO의 지원을 받아 와세다 대학에서 운행하는 마이크로버스는 배터리용량을 줄이려고 개발한 빠른 Inductive Charging 시스템을 이용한다.
하이브리드 자동차는 병렬(Parallel or Mild), 직렬(Series), 복합(Series/parallel or Dual) 타입으로 나눌 수 있다 복합식이 가장 높은 50~100%의 연비 개선을 가져오지만 가격 증가가 $3,000를 넘는다.Waseda의 미래자동차는 Ultra-light 하이브리드인데 34km/ℓ를 달성했다. MB의 S320 Bluetech Hybrid는 6실린더 3L디젤엔진을 사용하는 마이크로 하이브리드이며 NEDC 사이클에서 연비가 7.7ℓ/100km이다. 도요타의 플러그인 하이브리드는 전기차 모드에서 13km를 주행할 수 있고 최대 속도는 100km/h이다. 2010년에 Lithium-ion 전지를 써서 도로주행테스트를 할 예정이다. Volvo의 Recharge는 2.8L 가솔린엔진을 쓰는 플러그인 타입으로서 3시간 동안 충전하면 62마일을 주행할 수 있다. Opel의 컨셉트 전기차인 E-Flex는 1.3ℓCDTI 디젤엔진을 쓰는 직렬 하이브리드이며 리튬이온전지를 완전 충전할 경우 55km를 갈 수 있고 CO2 배출은 40g/km이다. 가솔린차량과 디젤차량의 연비를 개선하는 방법은 기존의 방법과 다양한 하이브리드 방식을 조합하는 방식이 있으며 하이브리드는 연비를 많이 개선하는 대신 가격이 높아지는 단점이 있다. 가솔린 하이브리드는 $2,000~$2,500의 가격증가를, 디젤하이브리드는$5,000~$5,500의 가격 증가를 가져오며 연비는 시내 주행 시에 각각 30%와 44% 개선된다.
미래의 자동차에 요구되는 연료는 자동차의 성능과 출력은 높게 유지하고 에너지소모와 CO2 및 오염물질 배출은 적게 해야 하며 지속가능해야 한다. 또 기존의 연료와 섞어 쓸 수 있어야 하고 기존의 연료 공급인프라를 이용할 수 있어야 한다. 일본의 연료전지 시범프로젝트인“JHFC”는 2002~2008년 동안 METI에서 지원되었으며 도요타, 혼다, 닛산, 히노, 스즈키, GM과 DC가 참여했다. 11곳의 수소충전소가 있다. 2006년에 발표된 결과를 보면 FCHV의 Well to Wheel CO2 배출은 85g/km이나 미래에 60g/km가 예상된다.
바이오에탄올의 원료는 사탕수수, 옥수수 등 다양하다. 만드는 방법은 가수분해, 발효, 정제 및 증류이다. 더 개선된 바이오에탄올 생산은 셀룰로스를 이용한 것이며 RITE와 혼다가 실용화하고 있다. 바이오디젤의 원료는 유채, 팜, 해바라기, 대두, 자트로파 등 다양하다. 대표적인 생산방식은 에스테르화이다. Nippon Oil과 도요타는Hydrogenated Palm Oil 생산방식을개발하고있다.“ Biorefinery”라 불리는 Bio-to-Liquid의 대표적 생산방식은 가스화 다음에 Fischer-Tropsch 방법을 쓰는 것이다. 일본의 자동차 연료 중 바이오 연료의 비율은 2030년 총 연료의 10%인 4.0million kL에 달한다. 세계의 연료소비는 계속 증가하고 수송부문에서도 전체의 거의 일정한 비율을 차지하며 계속 증가할 것이기 때문에 이를 재생가능한 연료로 대체하는 것이 중요하다. 일본의 METI는 2030년에 자동차연료의 석유류 의존을 80% 이하로 줄이고 에너지효율을 30% 이상 개선하는 것을 목표로 삼았다. R&D 분야로 전지,수소와 연료전지, 클린 디젤, 바이오연료, 인간친화적 자동차를 선택했다. 2007년부터 2011년까지 매년 400억 달러가 지원될 예정이다.
Lithium-ion 전지의2030년 목표는 에너지밀도 70Wh/kg, 비용은 현재의 1/40이다. 환경친화적인 자동차에 대한 연구는 MLIT와 NTSEL에 의해 2005~2007년까지 DME, FTD(GTL), LNG 트럭 등에 대해 진행되었다. 승용차 CO2 배출 저감은 기존의 가솔린 차량에 비해 디젤 하이브리드는 50% 정도, 작은 전기차는 80% 정도 2020~2030년에 가능할 것으로 보인다. 일본의 장기적인 자동차 CO2 저감은 연비 개선과 석유계가 아닌 연료나 전기, 차량 사용의 개선 등에 의해 2050년에 70%에 달할 것으로 예측한다. 지구의 온난화를 방지하고 고갈되는 에너지원에 대비하기 위해 새로운 자동차기술과 연료에 필요한 연구와 개발을 지원하는 정책, 연료소비를 줄이고 지구온난화를 방지할 수 있는 정책 등의 다양한 정책이 개발되어야 한다.
<전광민 교수 : kmchun@yonsei.ac.kr>
