자동차 환경과 에너지 기술에 관한 미래의 전망과 대기개선 효과의 예측
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2009-12-30 14:15:28 |
본문
1. 서론
본 고에서는 지구 환경을 고려한 자동차의 연구 분야에서 미래지향적이며 창의적인 이론 전개와 실증을 통하여, 필자를 포함한 많은 연구자에게 커다란 영향과 동감을 자아낸 와세다(早稻田)대학교의 大聖泰弘(다이쇼 야스히로) 교수님1)의 연구결과를 중심으로 종래의 자동차에 관한 연구방향과 미래형 자동차의 모습을 소개하고자 한다. 그리고 현재까지 개발되고 실현된 저공해 차량이 보급되었을 경우, 대기개선 효과에 관하여 일본 자동차 연구소(JARI)의 연구 결과를 소개하면서, 자동차 관련산업에 종사하시는 분들과 자동차에 높은 관심과 많은 경험을 가지고 계시는 분들과 함께 생각해 주시기를 기대하는 마음으로 집필하였다.
글 / 공준덕 (전 리츠메이칸대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호
2. 새로운 동력시스템의 연구동향과 대기환경에 미치는 영향
자동차는 인간생활에 편리성과 풍부함을 제공함과 동시에 그 관련 산업은 끊임없는 최신기술의 개발과 실용화를 거듭하면서 인류에게 큰 희망을 형성하기에 이르렀다. 그 반면, 자동차로 인한 석유의 대량 소비로 인하여 도시의 오염물질성분과 온실효과 가스인 CO2의 중요 배출원으로 인식되고 있다. 이러한 상황에서 선진국에서는 2010년 전후에 승용차에서 중량차까지 최종적인 배출 가스 규제의 강화가 실시될 예정이며 이것에 의해 환경 문제는 극복될 것이라고 예상된다. 이러한 규제강화에 병행하여 종래의 자동차의 대체 차종으로 하이브리드자동차를 포함한 전기자동차가 대두되어, 큰 화제를 모으고 있다. 그 이유는 뛰어난 연비(연료 소비율) 특성의 향상과 배기가스 특성에 있으며, 그로 인해 현재의 자동차연구는 종래의 연구 범위를 크게 벗어나, 모터, 에너지 밀도와 파워 밀도가 뛰어난 배터리, 연료전지, 수소저장 기술에 역점을 둔 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
현재, 실용화에 가장 근접한 하이브리드자동차는, 모터에 의해 엔진의 시동, 정지, 감속 시의 회생 에너지를 제어 하는 마일드방식(패러렐방식)과 모터와 발전기를 겸비한 Full 하이브리드방식(엔진을 발전만에 사용하는 시리즈방식과 패러렐과 시리즈의 양쪽 기능을 가진 방식이 있다)이 있으며, 가솔린 하이브리드자동차의 연비(연료 소비율)은 종래의 가솔린자동차보다 약 2배 가깝게 향상되었다. 그리고 소형전기자동차는 현재의 전원구성을 고려하여도, 에너지 효율과 CO2 배출량의 양면에서 종래의 차종과 비교해서 지극히 양호한걸로 보고되고 있다. 이렇게 새로운 방식의 자동차 출현과 함께 그 방식의 우수성을 판단하는 좌표로서 Well-To-Wheel을 들 수 있다. 그 의미는 일차자원인 에너지 채굴과정으로부터 연료의 생산, 수송, 저장, 자동차의 주행에 이르는 종합적 특성을 나타내며, 이것에 의해 에너지 효율과 CO2 배출량을 비교 한 것이다.
일본의 수소와 연료전지자동차 실증 프로젝트에서 분석한 각 종류의 자동차의 현시점에서의 Well-To- Wheel로 평가한 에너지 효율을 <그림 1>에 소개한다.
그림과 같이 소형전기자동차와 연료전지자동차의 우위성이 잘 나타나고 있으며, 가솔린과 CNG의 현재상황이 이해 될 것이다. 또한 현시점에서는 디젤하이브리드자동차가 결정적 수단이 되지만, 디젤 승용차의 비용 증가와 실용화가 용이하지 않다고 예측된다. 그리고 전기자동차와 연료전지자동차의 경우도 실용화에는 여러가지 기술적인 과제가 남아있지만, <그림 2>처럼 구성요소기술에 중점을 둔 연구개발이 진전될 것이다. 그 반면 수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차의 경우, 수소 제조를 석유나 천연 가스, 석탄 등의 화석 연료에 의존하는 이상, CO2의 삭감 효과는 크게 기대되지 않은 것이 현실이다. 궁극적인 목표로서는 석유 의존성에서 벗어나서 CO2 배출량이 대폭 삭감되는 자원을 베이스로 수소 공급을 실현하지 않으면 안된다. 물론, 실현에는 수소의 저장과 공급, 차량에의 적재 용이성, 편리성과 함께 연료전지 스택 자체의 성능과 신뢰성, 내구성, 비용 저감 등을 극복해야 하며, 장기적이고 지속적인 국가지원 하에서 연구 개발이 바람 직하며 필요한 상황이다.
3. 종래형 자동차 연구방향과 새로운 연료와 에너지의 이용
가솔린자동차와 디젤자동차는 배기가스 규제의 극복과 더불어 연비(연료 소비율) 향상 기술의 발전과 진화가 계속되고 있으며, 향후 약 20년 간은 중요한 지위를 유지할 것이다. 이러한 종래형 자동차 발전과 진화에는 <표 1>에 나태내는 과제의 극복과 더불어, 이하의 어프로치가 중요과제로 생각된다.
① 가솔린자동차와 디젤자동차에 있어서 더욱 진전된 연비개선 기술의 개발
② 종래형 자동차의 개념과 성능을 뛰어넘는 새로운 동력시스템의 개발과 새로운 연료, 에너지 이용
③ 자동차이용자세의 재검토와 고도화
연비개선 기술에는 차량의 제작기술 개발이 커다란 영향을 보여주고 있다. 차량중량과 주행 시 발생하는 마찰저항, 공기저항을 무차원화하여 10~15모드 시험에 의한 주행 시에 필요한 에너지를 산정한 결과, <그림 3>에서처럼 차량의 경량화가 연비개선에 큰 효과가 기대되며, 동력 시스템의 소형화와 배기 정화 시스템의 부담이 경감되는 효과도 함께 기대할 수 있다. 구체적인 실현 방법으로는 종래에 비하여 강도를 2배에서 3배까지 향상시킨 초 고장력 강철의 사용이 유효적이며, 이로 인해 차량의 안전성을 확보하면서 중량 20~30%의 경량화가 가능하여, 약 20%의 연비향상이 실증되고 있다6). 특히 이 분야는 일본이 앞서 있지만 가공성과 비용, 글로벌화에의 대응이 과제로 남아 있다.
차량기술과 새로운 연료개발에 뒤지지 않게 자동차로부터 배출되는 CO2 삭감에 커다란 가능성을 가진 것이 각종 자동차 이용방법의 재검토와 고도화된 도로교통 시스템(ITS)의 보급이다. 대책 수단으로는 원할한 교통흐름과 적절한 교통량 제어, 화물 수송의 합리화와 적재 효율의 향상, 철도수송 등으로 전환, 저공해차의 도입과 보급 확대 정책(자동차세의 친환경화), 자동차에 의존한 상업적 습관과 생활 양식의 개선, 환경을 배려한 장기적인 도시와 도로계획이다. 이러한 사항들이 종합적으로 추진된다면 <그림 4>처럼 CO2의 삭감 포텐셜이 2030년에는 50%, 2050년에는 70% 정도가 가능하다고 예측 되어진다.
4. 대기개선 효과의 예측
이 연구는 자동차에 기인하는 대기 환경 문제를 예측하기 위하여, 차세대 저공해차가 보급되었을 때의 대기환경개선 효과를 파악하는 목적으로 일본 자동차연구소(JARI)가 실시한 연구결과이다. 연구조건으로서 차세대 저공해차(중량차(JE05모드) NOx : 0.2g/kWh, PM : 0.010/kWh 소형차(JC08모드) NOx : 0.05g/km, PM : 0.005g/km)가 보급되어, 2020년에는 모든 디젤자동차를 차세대 저공해차로 대체하고, 가솔린자동차의 10%를 차세대 저공해차로 대체했을 경우이다. 예측방법은 차세대 저공해차의 도입과 보급 시에 따른 배출량 저감 효과를 조사하는 자동차배출량 저감 예측, 광역대기환경 개선 효과의 예측, 도로주변의 대기환경 개선 효과의 예측이다. 자동차 배출량 추계(推計)는 배출계수(g/km)×1대당 교통량(km)을 기준으로 JCAP 자동차배출량추계(推計)시스템7)에 의해 계산되었다. 광역대기예측은 대상영역을 메쉬 분할하고, 물질의 배출과 이류(移流)확산과 화학반응을 푸는 방법이 채용되었다. 사용된 모델은 CMAQ (Community Multiscale Air Quality), SAPRC99/ aero4, RAMSver 4.4이며. 관동(關東) 지역의 대상 간선도로를 <그림 5>에, 관동(關東)지역의 계산영역을 <그림 6>에 나타낸다. 도로주변의 농도는, 추계(推計)와 관측치에 의한 간이법으로 농도가 추계되었다.
5. 대기개선 효과의 예측결과
각 조건의 계산 결과에서 차세대 저공해차가 보급된 2020년의 관동지역의 대기 개선 효과가 예측되었다. 자동차에 의한 NOx 배출량은 2015년을 기점으로 현저하게 나타나며, 2020년에는 약 55.9%가 저감되는 것이 <그림 7>에서 확인할 수 있다. 또한, 광역 NO2 농도는 <그림 8>에 나타내듯이 하계에 17%저감, 동계에 22%의 저감 효과가 예측되며, 차세대 저공해차의 보급에 따른 대기개선 효과는 역연하다. 그리고 도로주변의 NO2 농도는 각 측청국의 추계(推計) 결과로부터 각종산업시설에서 발생하는 총 발생량에 대하여 6.3~16% 저감, 2010년의 자동차배출량에 대하여 35~60%가 저감되는 것을 <그림 9>에서 확인할 수 있다. 이상의 결과에서 차세대 저공해자동차의 개발과 보급에 의해, 대기환경기준의 관점에서는 그 기여도가 큰 것을 용이하게 확인할 수 있다. 따라서 대기개선의 관점에서 저공해 자동차의 중요성과 필요성, 그 역할이 재차 인식되어야 할 것이다.
6. 결론
자동차의 대중화현상(Motorization)이 급격하게 진전되고 있는 신흥국에서는 대기오염 개선과 온난화에 관한대처가 늦지 않을 수 없으며, 연료 수요확대에 대응하는 석유에의 의존성에서 탈피하는 대처가 무엇보다 중요한과제로 되어가고 있다. 일본을 포함한 선진국에서 개발된 저공해자동차에 관한 선진기술이 이러한 신흥국에 적극적으로 기술 전수되어야 하는 절실한 실정이다. 그 이유는, 일본에서 자동차가 배출하는 CO2는 세계 전체의 약 1%에 불과하며, 이 배출량을 더욱 억제하는 노력은 필요하지만, 저공해자동차에 관한 선진기술이 광범위하게 보급되고 거기에서 초래하는 각 지역의 대기환경개선과 지구규모의 환경과 자원에 관계되는 문제해결에 대한 공헌도는 이루 말할 수 없을 정도로 크기 때문이다. 그리고 자동차를 사용하는 사람들의 의식개혁에 의하여 자동차의 사용 습관과 문화의 개선이 가능하다면, 저공해자동차의 기술개발과 보급효과에 뒤지지 않는 CO2 삭감이 가능하다고 필자는 생각한다. 자동차문화가 자동차 제작과 연구에 관련된 사람들에 의해 주도되는 시대는 이미 과거의 일이다. 자동차제작자와 사용자가 서로를 존중하며 커다란 관심으로 함께 걸어가는 사고에 의해 바른 자동차문화가 성장 가능한 환경이 형성된다면, 자동차는 CO2배출의 주범이 아닌 지구와 인류의 문화를 지키는 존재로서 다시 태어날 것이다.
본 고에서는 지구 환경을 고려한 자동차의 연구 분야에서 미래지향적이며 창의적인 이론 전개와 실증을 통하여, 필자를 포함한 많은 연구자에게 커다란 영향과 동감을 자아낸 와세다(早稻田)대학교의 大聖泰弘(다이쇼 야스히로) 교수님1)의 연구결과를 중심으로 종래의 자동차에 관한 연구방향과 미래형 자동차의 모습을 소개하고자 한다. 그리고 현재까지 개발되고 실현된 저공해 차량이 보급되었을 경우, 대기개선 효과에 관하여 일본 자동차 연구소(JARI)의 연구 결과를 소개하면서, 자동차 관련산업에 종사하시는 분들과 자동차에 높은 관심과 많은 경험을 가지고 계시는 분들과 함께 생각해 주시기를 기대하는 마음으로 집필하였다.
글 / 공준덕 (전 리츠메이칸대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호
2. 새로운 동력시스템의 연구동향과 대기환경에 미치는 영향
자동차는 인간생활에 편리성과 풍부함을 제공함과 동시에 그 관련 산업은 끊임없는 최신기술의 개발과 실용화를 거듭하면서 인류에게 큰 희망을 형성하기에 이르렀다. 그 반면, 자동차로 인한 석유의 대량 소비로 인하여 도시의 오염물질성분과 온실효과 가스인 CO2의 중요 배출원으로 인식되고 있다. 이러한 상황에서 선진국에서는 2010년 전후에 승용차에서 중량차까지 최종적인 배출 가스 규제의 강화가 실시될 예정이며 이것에 의해 환경 문제는 극복될 것이라고 예상된다. 이러한 규제강화에 병행하여 종래의 자동차의 대체 차종으로 하이브리드자동차를 포함한 전기자동차가 대두되어, 큰 화제를 모으고 있다. 그 이유는 뛰어난 연비(연료 소비율) 특성의 향상과 배기가스 특성에 있으며, 그로 인해 현재의 자동차연구는 종래의 연구 범위를 크게 벗어나, 모터, 에너지 밀도와 파워 밀도가 뛰어난 배터리, 연료전지, 수소저장 기술에 역점을 둔 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
현재, 실용화에 가장 근접한 하이브리드자동차는, 모터에 의해 엔진의 시동, 정지, 감속 시의 회생 에너지를 제어 하는 마일드방식(패러렐방식)과 모터와 발전기를 겸비한 Full 하이브리드방식(엔진을 발전만에 사용하는 시리즈방식과 패러렐과 시리즈의 양쪽 기능을 가진 방식이 있다)이 있으며, 가솔린 하이브리드자동차의 연비(연료 소비율)은 종래의 가솔린자동차보다 약 2배 가깝게 향상되었다. 그리고 소형전기자동차는 현재의 전원구성을 고려하여도, 에너지 효율과 CO2 배출량의 양면에서 종래의 차종과 비교해서 지극히 양호한걸로 보고되고 있다. 이렇게 새로운 방식의 자동차 출현과 함께 그 방식의 우수성을 판단하는 좌표로서 Well-To-Wheel을 들 수 있다. 그 의미는 일차자원인 에너지 채굴과정으로부터 연료의 생산, 수송, 저장, 자동차의 주행에 이르는 종합적 특성을 나타내며, 이것에 의해 에너지 효율과 CO2 배출량을 비교 한 것이다.
일본의 수소와 연료전지자동차 실증 프로젝트에서 분석한 각 종류의 자동차의 현시점에서의 Well-To- Wheel로 평가한 에너지 효율을 <그림 1>에 소개한다.
그림과 같이 소형전기자동차와 연료전지자동차의 우위성이 잘 나타나고 있으며, 가솔린과 CNG의 현재상황이 이해 될 것이다. 또한 현시점에서는 디젤하이브리드자동차가 결정적 수단이 되지만, 디젤 승용차의 비용 증가와 실용화가 용이하지 않다고 예측된다. 그리고 전기자동차와 연료전지자동차의 경우도 실용화에는 여러가지 기술적인 과제가 남아있지만, <그림 2>처럼 구성요소기술에 중점을 둔 연구개발이 진전될 것이다. 그 반면 수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차의 경우, 수소 제조를 석유나 천연 가스, 석탄 등의 화석 연료에 의존하는 이상, CO2의 삭감 효과는 크게 기대되지 않은 것이 현실이다. 궁극적인 목표로서는 석유 의존성에서 벗어나서 CO2 배출량이 대폭 삭감되는 자원을 베이스로 수소 공급을 실현하지 않으면 안된다. 물론, 실현에는 수소의 저장과 공급, 차량에의 적재 용이성, 편리성과 함께 연료전지 스택 자체의 성능과 신뢰성, 내구성, 비용 저감 등을 극복해야 하며, 장기적이고 지속적인 국가지원 하에서 연구 개발이 바람 직하며 필요한 상황이다.
3. 종래형 자동차 연구방향과 새로운 연료와 에너지의 이용
가솔린자동차와 디젤자동차는 배기가스 규제의 극복과 더불어 연비(연료 소비율) 향상 기술의 발전과 진화가 계속되고 있으며, 향후 약 20년 간은 중요한 지위를 유지할 것이다. 이러한 종래형 자동차 발전과 진화에는 <표 1>에 나태내는 과제의 극복과 더불어, 이하의 어프로치가 중요과제로 생각된다.
① 가솔린자동차와 디젤자동차에 있어서 더욱 진전된 연비개선 기술의 개발
② 종래형 자동차의 개념과 성능을 뛰어넘는 새로운 동력시스템의 개발과 새로운 연료, 에너지 이용
③ 자동차이용자세의 재검토와 고도화
연비개선 기술에는 차량의 제작기술 개발이 커다란 영향을 보여주고 있다. 차량중량과 주행 시 발생하는 마찰저항, 공기저항을 무차원화하여 10~15모드 시험에 의한 주행 시에 필요한 에너지를 산정한 결과, <그림 3>에서처럼 차량의 경량화가 연비개선에 큰 효과가 기대되며, 동력 시스템의 소형화와 배기 정화 시스템의 부담이 경감되는 효과도 함께 기대할 수 있다. 구체적인 실현 방법으로는 종래에 비하여 강도를 2배에서 3배까지 향상시킨 초 고장력 강철의 사용이 유효적이며, 이로 인해 차량의 안전성을 확보하면서 중량 20~30%의 경량화가 가능하여, 약 20%의 연비향상이 실증되고 있다6). 특히 이 분야는 일본이 앞서 있지만 가공성과 비용, 글로벌화에의 대응이 과제로 남아 있다.
차량기술과 새로운 연료개발에 뒤지지 않게 자동차로부터 배출되는 CO2 삭감에 커다란 가능성을 가진 것이 각종 자동차 이용방법의 재검토와 고도화된 도로교통 시스템(ITS)의 보급이다. 대책 수단으로는 원할한 교통흐름과 적절한 교통량 제어, 화물 수송의 합리화와 적재 효율의 향상, 철도수송 등으로 전환, 저공해차의 도입과 보급 확대 정책(자동차세의 친환경화), 자동차에 의존한 상업적 습관과 생활 양식의 개선, 환경을 배려한 장기적인 도시와 도로계획이다. 이러한 사항들이 종합적으로 추진된다면 <그림 4>처럼 CO2의 삭감 포텐셜이 2030년에는 50%, 2050년에는 70% 정도가 가능하다고 예측 되어진다.
4. 대기개선 효과의 예측
이 연구는 자동차에 기인하는 대기 환경 문제를 예측하기 위하여, 차세대 저공해차가 보급되었을 때의 대기환경개선 효과를 파악하는 목적으로 일본 자동차연구소(JARI)가 실시한 연구결과이다. 연구조건으로서 차세대 저공해차(중량차(JE05모드) NOx : 0.2g/kWh, PM : 0.010/kWh 소형차(JC08모드) NOx : 0.05g/km, PM : 0.005g/km)가 보급되어, 2020년에는 모든 디젤자동차를 차세대 저공해차로 대체하고, 가솔린자동차의 10%를 차세대 저공해차로 대체했을 경우이다. 예측방법은 차세대 저공해차의 도입과 보급 시에 따른 배출량 저감 효과를 조사하는 자동차배출량 저감 예측, 광역대기환경 개선 효과의 예측, 도로주변의 대기환경 개선 효과의 예측이다. 자동차 배출량 추계(推計)는 배출계수(g/km)×1대당 교통량(km)을 기준으로 JCAP 자동차배출량추계(推計)시스템7)에 의해 계산되었다. 광역대기예측은 대상영역을 메쉬 분할하고, 물질의 배출과 이류(移流)확산과 화학반응을 푸는 방법이 채용되었다. 사용된 모델은 CMAQ (Community Multiscale Air Quality), SAPRC99/ aero4, RAMSver 4.4이며. 관동(關東) 지역의 대상 간선도로를 <그림 5>에, 관동(關東)지역의 계산영역을 <그림 6>에 나타낸다. 도로주변의 농도는, 추계(推計)와 관측치에 의한 간이법으로 농도가 추계되었다.
5. 대기개선 효과의 예측결과
각 조건의 계산 결과에서 차세대 저공해차가 보급된 2020년의 관동지역의 대기 개선 효과가 예측되었다. 자동차에 의한 NOx 배출량은 2015년을 기점으로 현저하게 나타나며, 2020년에는 약 55.9%가 저감되는 것이 <그림 7>에서 확인할 수 있다. 또한, 광역 NO2 농도는 <그림 8>에 나타내듯이 하계에 17%저감, 동계에 22%의 저감 효과가 예측되며, 차세대 저공해차의 보급에 따른 대기개선 효과는 역연하다. 그리고 도로주변의 NO2 농도는 각 측청국의 추계(推計) 결과로부터 각종산업시설에서 발생하는 총 발생량에 대하여 6.3~16% 저감, 2010년의 자동차배출량에 대하여 35~60%가 저감되는 것을 <그림 9>에서 확인할 수 있다. 이상의 결과에서 차세대 저공해자동차의 개발과 보급에 의해, 대기환경기준의 관점에서는 그 기여도가 큰 것을 용이하게 확인할 수 있다. 따라서 대기개선의 관점에서 저공해 자동차의 중요성과 필요성, 그 역할이 재차 인식되어야 할 것이다.
6. 결론
자동차의 대중화현상(Motorization)이 급격하게 진전되고 있는 신흥국에서는 대기오염 개선과 온난화에 관한대처가 늦지 않을 수 없으며, 연료 수요확대에 대응하는 석유에의 의존성에서 탈피하는 대처가 무엇보다 중요한과제로 되어가고 있다. 일본을 포함한 선진국에서 개발된 저공해자동차에 관한 선진기술이 이러한 신흥국에 적극적으로 기술 전수되어야 하는 절실한 실정이다. 그 이유는, 일본에서 자동차가 배출하는 CO2는 세계 전체의 약 1%에 불과하며, 이 배출량을 더욱 억제하는 노력은 필요하지만, 저공해자동차에 관한 선진기술이 광범위하게 보급되고 거기에서 초래하는 각 지역의 대기환경개선과 지구규모의 환경과 자원에 관계되는 문제해결에 대한 공헌도는 이루 말할 수 없을 정도로 크기 때문이다. 그리고 자동차를 사용하는 사람들의 의식개혁에 의하여 자동차의 사용 습관과 문화의 개선이 가능하다면, 저공해자동차의 기술개발과 보급효과에 뒤지지 않는 CO2 삭감이 가능하다고 필자는 생각한다. 자동차문화가 자동차 제작과 연구에 관련된 사람들에 의해 주도되는 시대는 이미 과거의 일이다. 자동차제작자와 사용자가 서로를 존중하며 커다란 관심으로 함께 걸어가는 사고에 의해 바른 자동차문화가 성장 가능한 환경이 형성된다면, 자동차는 CO2배출의 주범이 아닌 지구와 인류의 문화를 지키는 존재로서 다시 태어날 것이다.
