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[오토저널] 차세대 친환경 자동차의 기술 동향 – 일본

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-07-26 22:07:11

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일본에서는 전기자동차 혹은 하이브리드 자동차가 더 이상 특별하지 않을 정도로 일상 생활에 녹아 들었고, 연료전지 자동차 역시 2년 전부터 일반에 판매되기 시작했다. 친환경 자동차의 구입을 고려하는 소비자들은 동급의 가솔린 자동차에 비해 상당히 높은 차량 가격에서 우선 망설이게 된다. 하지만 Toyota에서 2014년에 출시한 연료전지 자동차의 가격이 2008년 시범 리스 판매한 모델 가격의 1/20 수준으로 절감된 것을 보면, 친환경 자동차의 보급에 걸림돌이 되는 제조비를 절감해 나가는 속도는 놀랄 만하다. 본고에서는 주로 일본 내에서 보급되고 있는 각종 친환경자동차의 구조에 대한 간단한 설명과 더불어 그 수요와 경제성에 대해서 소개하고자 한다.

 

일본을 포함한 세계 각국의 친환경차 기술동향은 CO2  배 출 또는 연비 절감 목표와 밀접한 연관을 가지므로 우선 이를 살펴보고자 한다. <그림 1>은 2014년 말 기준 세계 각 국의 승용차 기인 이산화탄소 배출량 추이와 향후 절감 계획을 나타내는 자료이다. 그래프의 세로축이 나타내는 이산화탄소 배출량은 EU의 NEDC 기준으로, 이는 시내 주행과 고속 주행 모두를 고려한 연비 측정 모드이다. 2000년부터 2014년경까지 EU에서 이산화탄소의 배출량이 가장 적고, 또한 미래의 절감 계획에서도 가장 적은 양의 배출을 목표로 하고 있는 것을 알 수 있다. 한국도 2020년에는 EU에 버금가는 배출량을 목표로 하고 있으며, 이는 EU 대비 같은 기간 중 더 많은 절감이 필요함을 의미한다. 또한 EU와 비교해 배출량이 많은 다른 국가들에서도 2020년 이후에는 배출량이 2000년의 절반 수준에 도달하는 것을 목표로 하고 있다.


이와 같은 세계적인 이산화탄소 배출 절감 움직임과 그 배출에 대한 규제가 형성됨과 함께 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지기 시작한다. <그림 2>는 세계 각국 전기자동차 시장의 연도 별 규모를 2005년부터 누적한 값을 나타내고 있다. 2010년부터 2015년까지 시장 규모가 급격한 증가 추세에 있고, 2015년에는 세계적으로 120만대를 넘어서고 있음을 보여준다.


종류별로는, BEV(Battery Electric Vehicle)가 PHEV(Plugin Hybrid Electric Vehicle)보다 많다는 것을 알 수 있다. PHEV는 PHV(Plug-in Hybrid Vehicle)와 구분되기도 하지만 혼용되는 경우가 많다. 일반적인 BEV의 완충 시 주행거리가 가솔린자동차(GV)의 절반에 못 미치는 것이 문제로 거론됨에도 불구하고 계속적인 증가추세에 있다는 것은, 가격과 충전인프라 혹은 자택 충전 등이 일정 수준의 보급에 있어서 걸림돌이 되지 않았다는 것을 의미한다. 국가별로는 2015년까지 미국 시장이 가장 크지만, 중국에서 두드러진 증가 추세에 있어 향후 주요 시장으로 볼 수 있다. 이는 중국에서는 승용차 뿐만이 아니라 전기스쿠터와 전기버스의 보급이 기여한 것으로 해석되고 있다.

 

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한편 일본의 Toyota자동차에서는 2014년 하반기부터 연료전지 자동차(FCV) MIRAI를 판매하기 시작했다. Toyota는 발매 첫 해에 일본 국내에서 400대의 판매를 계획하였는데, 발매 후 1개월만에 1,500대가 예약 판매되었다. 미국에서도 발매 2개월만에 1,900대가 예약되었다고 한다. 이러한 예상보다 많은 수요를 기반으로, 2017년에는 3,000대 수준으로 증산을 목표로 하고 있다. MIRAI는 가솔린 자동차와 하이브리드 자동차에 비해 상당히 고가이지만, 예상보다 순조롭게 첫발을 내딛는 모양새이다.


<그림 3>은 가솔린 자동차와 친환경 자동차의 구조를 나타내고 있다. 일반 가솔린 자동차 대비 Nissan의 LEAF (BEV)는 그 구조가 복잡하지는 않지만, 24kWh 용량의 배터리(리튬이온전지)가 대용량으로 무겁다(300kg, 2015년시점). 장거리 주행을 필요로 하는 소비자들은 배터리의 용량을 늘려 주길 기대하지만, 그 중량 증가는 물론이고, 용량을 24kWh에서 30kWh로 높이면 차량가격이 원화로 약 400만원 비싸지기 때문에 배터리의 용량을 높이는 것은 쉬운 문제가 아니다.


Toyota의 PRIUS는 저속에서 구동용 배터리로 움직이고 고속에서 감속 시 발생하는 에너지를 전기로 회수하는 하이브리드 방식으로 연료 효율의 향상을 도모했다<그림 3(c)>. 이러한 하이브리드 방식을 기반으로 3세대부터 플러그인 하이브리드 방식으로<그림 3(d)> 전환했다. 또한 3세대까지는 제조비가 저렴한 니켈수소전지를 구동용 배터리로 사용했지만, 최근의 4세대에서는 대부분의 클래스에서 리튬이온전지를 탑재하여 EV모드(PHV에서 모터로만 주행하는 모드)의 주행거리를 2배이상 늘렸다. 연비는 4세대 기준 JC08모드에서 리터당 40km를 넘어섰다. JC08모드는 일본의 국토교통성에서 2011년에 도입한 연비 측정방법으로, 유럽의 NEDC모드에 120km/h 고속주행 구간이 있는 것과는 달리, 최대 80km/h정도로만 가속하는 모드이다.

 

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Toyota의 연료전지 자동차(FCV) MIRAI<그림 3(e)>에는 종래의 하이브리드 차량에서 사용한 니켈수소전지를 구동용 배터리로 사용하고 연료로써 수소를 충전한다. 연료 전지내에서는 백금 촉매가 수소와 산소의 반응을 촉진하여 물이 나오기 때문에 배출가스가 0이라고 할 수 있다. 물론, 수소를 제조하는 과정에서 이산화탄소가 발생하기 때문에 배출 가스가 0이 아니라는 지적이 있지만, 다양한 수소 제조 프로세스가 존재하기 때문에 대안이 있다고 볼 수도 있다.


Toyota는 그들이 BEV를 만들고 싶을 때는 HV에서 엔진을 제거하면 되고, 엔진대신에 연료전지를 추가하면 FCV를 만들 수 있다. 또한, HV에서 배터리의 외부 충전을 가능케 하면 PHV가 된다. 그들의 20년을 이어온 하이브리드 기술은 이제 각종 친환경 자동차에 공통적으로 이용할 수 있는 기술로써 자리매김하였다. 이는 향후 친환경자동차의 가격경쟁력 및 수익성 확보를 위한 중요한 요소로 작용할 것으로 예상된다.


지금까지 HV와 PHV는 GV보다 가격이 비싸지만 연비가 좋고 환경 친화적이라고 언급되고 있다. 그러면 더욱 환경 친화적인 FCV의 경세성이 궁금해진다. <표 1>에서 Toyota의 FCV MIRAI와 동급의 GV 및 HV와의 제원을 비교해 나타내고 있다. HV보다 엔진의 출력은 GV가 높고, 모터의 출력은 FCV가 높다는 것을 알 수 있다.

 

FCV의 수소 연료 연비에 관하여 살펴보면, 수소 완충 시 650km를 주행한다고 하는데 이는 표에 언급된 GV에 가솔린을 66리터 충진했을때의 주행 거리와 거의 동일하다. 연료의 가격을 살펴 보면, 가솔린의 가격은 변동이 심해서 직접 비교하는 것이 어렵지만 대략 리터당 130엔라고 했을 때 66리터는 8600엔 수준이다(2017년 2월 시점 100엔=1010원). 수소 연료의 가격도 수소 스테이션에 따라 다르지만 비싼 곳에서 1200엔/kg이기 때문에 수소 완충 시 대략 5500엔이 된다. 최근 산유국의 석유 감산 정책에 따른 유가 상승 기류와, 일본 정부가 수소 가격을 2020년까지 절반으로 내리겠다는 정책을 내세우고 있음을 감안하면, FCV의 경제성(유지비)에 관한 전망은 그리 나쁘지 않다고 볼 수 있다. 최근 Tesla의 등장과 주요 자동차 업체들의 BEV 주행거리 증대 경쟁이 본격화되면서 FCV가 한발 뒤처지는 느낌도 있지만, FCV 특유의 짧은 충전시간이라는 장점을 무기로 차근차근 보급을 추진하는 단계이므로, 조금 더 그 추이를 지켜볼 필요가 있어 보인다.

 

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마지막으로 친환경차가 보급되는 데는 결국 인프라 구축이 관건이라고 할 수 있다. 일본은 한국과 비교하여 상대적으로 근거리 이동의 수요가 높으며, 도시부에서도 차고가 있는 단독주택의 비중이 상당히 높은 편이어서 인프라 구축 면에서 유리하다고 할 수 있다. 이는 일본을 단순히 벤치마킹 할 것이 아니라, 이동 수요에 대한 구체적인 분석과 주거 형태까지 고려한 한국 고유의 보급 전략을 구축해야 함을 의미한다. 또한 연료전지 차량과 같은 전혀 새로운 차량 기술의 개발과 인프라 구축 등을 일개 자동차업체가 감당하기에는 역부족이라고 할 수 있다. 따라서 일본의 지자체와 자동차 업체간의 연료전지 차량 실증사업과 같은 업계와 정부의 유기적인 협력관계에 대해서 보다 체계적인 전략을 수립할 필요가 있다고 생각된다.

 

글 / 정선호 (토호쿠대학교)
출처 / 오토저널 17년 3월호 (http://www.ksae.org) 
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