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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

파워트레인의 미래 - 1. 규제가 바꾸는 전동화의 배경과 전망

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-04-06 21:15:00

본문

지금까지는 산업적인 측면에서의 자동차산업, 에너지 전환 측면에서의 자동차산업을 살펴 보았다. 이제부터는 미래의 자동차가 어떻게 변할 것인지에 대한 연구의 시작이다. 이 칼럼 1, 2회차에 언급했듯이 이 시대의 화두는 중국시장과 에너지와 전동화, 그리고 자율주행차다. 좀 더 풀어서 얘기하면 최근 자동차회사들이 제시한 C.A.S.E., 즉 커넥티비티와 자율주행, 차량 공유, 전동화다. 중국시장과 에너지에 대해서는 정리를 했고 나머지 전동화와 자율주행차 중 먼저 전동화에 관한 이야기부터 살펴 본다.

 

전동화 전략은 배기가스 규제 클리어를 위한 것

지금 자동차회사들이 전동화전략을 추구하는 것은 배기가스와 연비 규제를 클리어하기 위함이다. ICCT(International Council on Clean Transportation : 국제청정교통위원회)는 2014년 실 주행시의 질소산화물의 평균 배출량은 유럽 배기가스 규제인 유로6 규제치의 7배에 달한다고 발표했었다. ICCT는 15대의 디젤 승용차 15대 대해 유럽과 미국에서 실시된 실 주행 데이터를 해석해 발표했다.

 

지금까지 자동차회사들이 카탈로그상에 기재한 연비와 이산화탄소 배출량 수치는 실험실 내에서 얻은 것이다. 다이나모라고 하는 기기 위해 차를 올려 놓고 일정 시험모드, 예를 들면 LA4, CVS75, JC08 등에 따라 자동차를 구동시켜 배기파이프를 통해 배출된 배출가스를 근거로 산출한 수치이다. 그 수치가 실제 주행시의 수치와의 차이가 난다는 사실은 우리 모두가 체험해 왔었고 전문가들은 수 차례 지적해 왔다.

 

그것을 개선하기 위해 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)라고 하는 국제기준 조화를 목적으로 개발한 배기가스 및 연비의 시험방법 도입이다. 유럽에서는 2017년 9월에 신차에 적용이 시작되는 유로6c부터, 일본에서는 2018년 내에 적용 예정인 차기 배기가스 규제부터 각각 도입한다. WLTP는 다양한 나라와 지역에서의 이용을 상정해 기존의 표준시험 모드보다 폭넓은 주행 패턴을 구성하는 것으로 보다 실제에 가까운 배기가스와 연비 및 이산화탄소 배출의 측정이 가능하다.

 

주행 테스트도 지금까지보다 더 현실적으로 된다. 가속 페이스도 늘리고 시가지 주행, 지방도로, 고속도로 주행 등을 시뮬레이션 할 수 있도록 60km/h 이내, 80km/h 이내, 100km/h 이내, 그리고 130km/h 이상 등 4단계로 측정한다. 또 새로운 사이클에서의 주행거리는 지금까지의 11km에서 23km로 늘린다. 평균속도도 높여 이전에는 33.4km/h에서 47km/h로 했다.

 

여기에 RDE(Real Driving Emission)가 더해져 실제 도로에서 통상 주행시의 배기가스 상태로 측정하게 된다. 그때 거의 모든 상황에서 규제되고 있는 한계치를 넘기지 않는다고 하는 원칙이 적용된다. RDE 도입에 의해 소위 디피트 디바이스(Defeat Device; 무효화 장비)와 엔진과 캐털라이저의 컷 오프 장치는 사실상 사용 불가능하게 된다. 프랑스는 수년 전부터 이미 RDE 수치와 제원표 수치의 차이가 있다는 사실 때문에 2020년부터는 디젤차 금지법을 추진하고 있었다.

 

RDE(Real Driving Emission)의 도입 목적은 실제 운전시의 유해 가스 배출량과 실험실 수치의 갭을 메우기 위한 것이다. 유럽에서는 2017년 9월부터 도입될 것으로 보인다.

 

유로6c와 동시에 적용개시 될 것으로 보이는 유로6d-TEMP부터 도입이 예정되어 있다. 자동차에 배기가스 계측기(PEMS)를 탑재하고 실제로 노상을 주행하면서 배기가스를 측정한다고 하는 실험 방법으로 기존 시험방법과 달리 실 주행시의 배기가스 측정이 가능해진다. 이 때문에 앞서 언급한 실 주행시의 평균 질소산화물 배출량이 규제치의 약 7배나 되는 디젤차에는 아주 엄격한 규제 강화가 되는 것이다. 자동차회사들이 그때까지 짧은 시간 내에 새로운 기준을 충족시킬 수 있을지에 대해관심이 집중되고 있다.

 

한편 미국에서는 비 표준 모드를 이용한 규제를 강화함으로써 보다 실제에 가까운 배기가스를 측정할 수 있도록 하는 움직임이 있다. 높은 차량 속도와 높은 가속도에서의 주행과 에어컨을 작동시킬 때의 주행 등 표준 모드에서는 커버할 수 없는 주행 패턴을 비 표준 모드로 규정한다. 거기에 근거해 배기가스의 규제치를 엄격히 함으로써 실 주행과의 갭을 줄일 수 있다는 것이다.

 

여기에 더해 배기가스 규제에서는 NMOG(Non-Methane Orgarnic Gases)/NMHC(Non-Methane Hydrocarbons)와 NOx, 그리고 PM의 규제강화가 추진된다. 예를 들어 미국에서는 기업별 평균 NMOG와 NOx의 규제치를 현행 Tier2의 표준 구분(Bin5)에 대해 2017년형 시점에서 약 46%, 2025년형 시점에서 약 81%까지 낮출 것을 요구하고 있다. PM도 2021년형까지 70%, 2028년형까지 90% 저감하지 않으면 안 된다.

 

이런 규제 강화는 질소산화물과 PM의 배출이 많은 디젤차에 더 엄격한 환경을 만들 것으로 보인다. 이를 해소하기 위해 자동차회사들은 보다 높은 수준의 후처리 장치를 개발 채용해야 학 그것은 비용증가로 이어진다. 그렇게 되면 소형차는 디젤 엔진을 탑재하기가 어려워질 수도 있다. 가솔린 차에서는 포트분사보다 미세먼지가 배출되기 쉬운 직분 터보차저 엔진에서 미세먼지의 규제 강화가 예상된다.

 

한편 연비와 이산화탄소의 기준도 더욱 강화된다. 유럽에서는 2025년에 80g/km 미만이 요구될 가능성이 있다. 연비와 이산화탄소 배출량에서 디젤차보다 불리한 가솔린차에서는48V를 포함한 하이브리드화가 추진될 것으로 보인다.

 

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2020년이 되면 48V 시스템의 글로벌 볼륨은 270만대가 될 전망이다. 가장 수요가 높은 지역은 유럽이다. 독일 메이커들은 지난 2011년에 열린 AEK(AutomobilElektronikKongress)에서 48V 시스템의 표준화에 합의한 바 있다. 48V 시스템의 마일드 하이브리드는 현재 사용되는 12V 스톱 스타트보다 효율이 높다. 48V 시스템은 연비 규제 강화를 위한 좋은 해법으로 인식되고 있다.

 

또 연비 이산화탄소 기준은 기업별 평균으로 달성하기 때문에 플러그인 하이브리드 전기차와 배터리 전기차, 연료전지 전기차의 중요성도 높아진다.

 

유럽의 CO2법규는 2012년 1월 1일 이후 등록 물량에 대해 제작사별로 전체 물량으로 Specific CO2 타깃을 설정한다. 그리고 CO2배출량 50g/km 미만인 친환경차에 대해 수퍼 크레딧(Super Credit)을 부여 한다. 해마다 강화되고 있지만 예를 들어 2014년 CO2 배출량 계산시 50g/km 미만인 차량 한 대를 3.5대로 계산해 준다. 2020년 이후에는 이 기준이 다시 상향 조정된다.

 

미국 캘리포니아주의 완전무공해법(ZEV)의 규제 강화도 예상된다. 캘리포니아주는 2050년까지 주행하는 자동차의 80% 이상을 완전 무공해차로 한다는 전략이다. 이 전략이 그대로 시행된다면 자동차회사들은 2040년에는 시판차의 거의 모두를 ZEV로 해야 한다는 얘기가 된다. 이 때문에 캘리포니아주에서는 우선 2018년 이후 ZEV법을 더욱 강화하겠다는 안을 내놓고 있다.

 

캘리포니아에서는 승용차의 판매대수 중 지정 비율의 판매대수를 ZEV 등 친환경차로 하지 않으면 안되도록 하고 있다.  그 개정안은 몇 가지가 있는데 그 중 하나가 배터리 전기차보다 연료전지 전기차에 더 많은 인센티브를 준다는 것이다. 더불어 캘리포니아주의 ZEV법을 따르는 다른 주의 ZEV 판매대수를 캘리포니아의 ZEV에 가산해 줄 수 있게 하는 안도 있다. 또한 2018년 이후에는 주행거리 100마일(160km)이하의 배터리 전기차에는 이 조항이 적용되지 않는다고 하는 안도 있다.
 
또 하나 중요한 변경 안은 현재 규제에는 플러그인 하이브리드 전기차는 ZEV로 인정되고 있지만 2018년부터 대상에서 제외된다는 것이다. 이는 PHEV에 공을 들이고 있는 유럽 메이커들에게는 좋지 않은 것이다. ZEV법에 대응하기 위해 PHEV를 적극적으로 개발해 오고 있는 상황에서 이런 안이 실행된다면 타격이 있을 수밖에 없다.

 

그대로 시행될지는 미지수이지만 나비간트 리서치는 2024년이 되면 북미의 전기차 및 플러그-인 하이브리드의 판매가 110만대를 넘을 것으로 전망했다. 이는 2014년 대비 10배 가까이 증가하는 것이다. 2014년 북미의 전기차 및 플러그-인 하이브리드 판매는 13만대를 조금 넘었다.  나비간트는 보수적으로 잡아도 북미의 PHEV 판매가 86만대, 최대치로는 120만대 이상을 예상했다. 이는 올해부터 2024년까지 연 평균 14.7~18.6%씩 상승하는 것이다.
 
지금까지 그래왔듯이 규제 기준이 제시되지만 그것이 언제나 원래대로 시행되지는 않았었다. 특히 트럼프 행정부가 배기가스 규제기준 완화라는 자동차업체의 요구를 받아 들이는 듯한 모양세가 되면서 상황은 또 달라질 기미를 보이고 있다.

 

그럼에도 불구하고 내연기관은 지금 커다란 도전에 직면해 있다. 그것은 자동차 기술을 주도해 온 저먼 엔지니어링에 대한 신뢰도 하락부터 시작됐다. 폭스바겐 디젤 스캔들이 기폭제 역할을 했다. 여전히 화석연료에 의존하고 있는 에너지 상황과는 별도로 전동화가 추진될 수 있을 것인지와는 별도로 자동차회사들은 지금 새로운 해법을 모색하지 않으면 안 되는 상황에 처해 있다.

 

목표는 확실하지만 과정은 쉽게 예상할 수 없다.

전동화란 하이브리드 전기차부터 배터리 전기차, 플러그인 하이브리드 전기차, 연료전지 전기차 등으로의 전이를 말하는 표현이다. 하이브리드 전기차는 내연기관과 전기모터를 병용하고 배터리 전기차는 전기모터만으로 구동하며 연료전지 전기차는 발전을 하면서 구동하는 전기차를 말한다.

 

앞선 칼럼에서 이야기했듯이 에너지의 현황과 다르게 세상의 분위기는 이미 무공해 시대로 가고 있다. 그리고 많은 미래학자들은 2020년부터는 전기차가 대중화될 것이라고 전망하고 있다. 물론 그들이 제시하는 전망의 배경은 다른 전문기관이나 자동차업계의 이야기를 정리한 것이다. 그런데 그런 전문가들의 이야기가 수시로 바뀌고 있다는 점은 간과하고 있다.

 

전동화 차량 시장 전망은 연구단체에 따라 다르다. 우선 IHS오토모티브는 전 세계 전동차 시장이 2016년 343만대 규모에서 2023년에는 2,044대에 달할 것으로 전망하고 있다. 여기에는 48볼트 등 마일드 하이브리드 모델이 1,060만대에 달하는 것을 가정하고 있다. 그 중 HEV가 382만대, BEV 242만대, PHEV 357만대 등으로 보고 있다.

 

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이에 반해 2011년 보고서에서 2025년에 3,210만대로 전망했던 후지경제연구소는 2016년 6월 보고서에서는 2035년에 1,700만대에 달할 것으로 내다 봤다. 여기에는 PHEV가 665만대로 가장 많고 BEV가 567만대, HEV가 468만대 등으로 나와 있다.

 

두 단체가 다를 뿐 아니라 후지경제연구소는 5년 사이에 크게 다른 전망치를 내놓고 있다. 아직은 모른다는 얘기이다. 그럼에도 불구하고 지금은 전동화는 거역할 수 없는 명제로 자리매김하고 있다. 자동차업계에서는 이런 이유 때문에 전동화보다는 파워트레인의 다양화라는 표현을 더 자주 사용하고 있다.

 

배터리 전기차의 확대에서 중요한 것 중 하나는 전기차의 가격이다. 베터리 가격이 차량 가격의 3분의 1을 차지하는 만큼 가격은 중요하다. 맥킨지의 조사에 따르면 킬로와트당 150달러의 가격이라면 소비자들이 전기차를 구입하는데 부담을 느끼지 않을 것이라는 전망이다. 뿐만 아니라, 순수 전기차뿐만 아니라, 하이브리드와 수소전기차 등의 확대가 소비자들의 인식을 변화시키는 중요한 요소가 될 것이라는 점을 강조하고 있다. 현재 많은 전기차들은 정부의 보조금을 통해 진입 장벽을 낮추고 있지만, 보조금뿐만 아니라 전동화 차량 이용시 전용 차선과 주차 혜택 등의 제도적 지원도 전기차 확대를 가속화 할 수 있는 방안으로 제시되고 있다.

 

우선 배터리 전기차의 경우는 350km 이상의 주행거리와 미국시장 기준 3만 달러 수준의 가격 경쟁력을 확보해야 한다. 하지만 그렇게 되기 위해서는 아직 적지 않은 시간이 필요로 하고 그 전 단계인 하이브리드 시대에 대응하지 않으면 안 된다. 다시 말해 여전히 내연기관이 주류인 시대이지만 전동화로 가기 위한 준비를 해야만 한다는 얘기이다.

 

그것은 갈수록 심화되어가는 연비와 배기가스 규제 기준을 충족시켜야 하기 때문이다. 시장에 따라서는 내연기관만으로는 규제 기준을 클리어 할 수 없기 때문에 강제적으로 전동화 차량의 판매를 유도하고 있다. 우선은 규제가 가장 엄격한 미국시장에서의 판매를 위해서는 반드시 전동화차를 통해 배기가스 평균 배출량을 낮추지 않으면 안 된다.

 

이론적으로는 배터리 전기차가 가장 쉬운 수단이긴 하지만 현실적인 어려움 때문에 판매는 늘지 않고 있다. 유가 하락으로 2016년 전동화차 판매는 중국을 제외하고는 대부분 하락했다. 더불어 배터리 전기차 등이 궁극적인 친환경차인가에 대한 논란도 존재한다. 실제로 도로상에서 자동차가 배출하는 미세먼지보다는 전력을 생산하는 화력발전소에 의한 것이 월등히 높다는 데이터들이 속속 등장하고 있다. 그런 전력을 사용하는 배터리 전기차가 환경을 이롭게 할 수 없다는 것은 당연한 사실이다.

 

특히 저유가 시대를 맞아 오히려 픽업 트럭과 대형 SUV의 판매가 늘고 있는 것도 미국에서 자동차를 판매하고 있는 회사들을 딜레마에 빠트리고 있다.

하지만 그렇다고 해서 국가별로 제시된 규제 기준을 무시할 수는 없다. 그래서 글로벌 자동차회사들은 지금 하이브리드 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차에 우선 집중하고 중장기적으로 배터리 전기차를 위한 요소기술을 개발하는 자세를 취하고 있다.

 

그런 복잡한 상황에서 자동차회사들은 그러면 어떤 자세를 취하고 있을까. 결론부터 말하자면 화석연료를 사용하는 자동차시대의 종말은 아직 먼 미래로 보고 있다. 그럼에도 그들은 배터리 전기차와 하이브리드 전기차, 연료전지전기차의 개발에 힘을 쏟고 있다. 그리고 그 로드맵까지 제시하며 마치 머지 않아 수소의 시대가 도래할 것이라고 주장하고 있다.

 

글로벌 플레이어들의 대표적인 전동화 전략을 보면 토요타는 하이브리드 전기차와 연료전지 전기차, 르노닛산은 배터리 전기차, 독일 메이커들은 플러그인 하이브리드 전기차와 배터리 전기차, GM은 플러그인 하이브리드 전기차와 배터리 전기차에 중심을 두고 있다. 어떤 것을 강조하느냐에 따라 그렇게 분리하지만 들여다 보면 대동 소이하다.

 

크게 나누면 배터리 전기차와 거기에서 파생된 항속거리 연장형 전기차가 있다. 하이브리드 전기차는 엔진과 전기모터를 동시에 구동용으로 사용하며 플러그인 하이브리드 전기차는 거기에 외부 충전 기능이 있는 것을 말한다. 하이브리드 전기차도 직렬식과 병렬식이 있는데 직렬식은 엔진은 발전만 하고 구동은 전기모터로 하는 것을 말하고 병렬식은 엔진과 전기모터 모두 구동용으로 사용되는 것을 말한다.

 

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PHEV는 외부 충전기능을 추가한 하이브리드 전기차로 시리즈식 HEV에 플러그인 기능을 추가하면 레인지 익스텐더, 즉 항속거리 연장형 기능을 갖춘 BEV와 차이가 있어 그 출발점이 다르다. 연료전지 전기차는 수소와 산소를 화학 반응시켜 전기를 생산하고 그 전기로 모터를 구동하는 방식을 발한다. 전기모터만을 구동한다는 점에서는 BEV의 일종이라고도 할 수 있다.

 

간단하게 표현하면 내연기관과 전기모터를 병행해 사용하는 형태로 가고 있다는 얘기이다. 장기적으로 재생에너지의 비율이 압도적인 상황이 되면 배터리 전기차로의 전이가 가속화되겠지만 에너지 수요 현황의 미래가 그리 녹녹치 않기 때문에 단정할 수는 없는 상황이다. 그러면서도 장기적으로는 전기모터만을 사용하는 시대가 올 것이라는 사고방식으로 요소기술 확보에 열을 올리고 있다.

 

이런 자동차회사들의 움직임의 진실은 크게 두 가지로 분석할 수 있다. 하나는 산유국(정확히는 유통권을 장악하고 있는 미국)에 휘둘리지 않기 위한 대안을 찾는 차원이다. 아우디가 폐자원을 활용해 G가스를 개발하고 있는 것 등이 그 예다. 또 하나는 그 이유가 어떻든 갈수록 강화되어가고 있는 각국의 배기가스와 연비규제 기준을 충족하기 하기 위함이다. 전통적으로 유럽은 이산화탄소규제에, 미국과 일본은 미세먼지규제에 더 비중을 두어왔다. 중국은 이산화탄소보다는 당장에 미세먼지가 급한 나라다. 어떤 나라가 무엇을 규제하든 자동차회사들은 그 모든 조건을 충족시켜야 한다.

 

20세기 말 지구온난화에 대한 이슈화가 성공(?)하면서 2005년을 전후해 이산화탄소가 전 세계적인 이슈로 부상하면서는 크게 이산화탄소 저감 기술과 연비성능 향상 기술 개발에 많은 힘을 들이고 있다.

 

배기가스 문제의 해결을 촉발한 것은 1992년 미국 캘리포니아주의 완전무공해법(Clean AirAct: 전체 판매대수 중 일정 비율을 완전무공해차로 팔아야 한다는 것)이었다. 그 때부터 각국의 배기가스규제기준은 계속 강화되고 있다. 또한 에너지 환경도 나라마다 다르다. 미국에서는 가솔린이 주고 유럽은 디젤이 60%에 육박하고 있으며 브라질에서는 95%가 에탄올 차다. 유럽은 이산화탄소 규제에 더 비중을 두고 있지만 미국과 일본은 미세먼지 규제가 엄격하다.

 

2009년 미국이 시작한 배터리 전기차의 바람은 크게 진전을 보지 못하고 있다. 배터리 기술 발전의 한계를 비롯해 인프라 구축, 전기모터의 열관리 등 해결해야 할 과제가 많다. 항속거리 및 충전 시간에 본질적인 변화도 이루어지지 않고 있다. 지금은 내연기관의 기술발전을 중심으로 배터리 전기차와 하이브리드 전기차 등 전동화 기술의 포괄적인 기술 개발이 진행되고 있는 상황이다. 최근에는 플러그인 하이브리드카에 대한 관심이 높아지고 있다.

 

플러그인 하이브리드 전기차든 하이브리드 전기차든 이 분야에 대한 관심이 증가한다는 얘기는 내연기관이 여전히 주류라는 것을 것을 방증하는 것이다.

 

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