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특 집 친환 경 교통 활성 화를 위한 과제
친환경자동차의 기술개발 현황과 과제
김원규｜한국항공대학교 항공교통물류학부 교수
머리말
금세기 들어 기후변화를 비롯한 환경문제는 더욱 중요한 세계적인 이슈가 되고 있다. 비단 교토의정서 등 선진국들을 중심으로 한 세계적인 탄소배출량 규제의 움직임 등을 고려하지 않더라도 향후 국가경쟁력을 위해서 사회 각 분야의 저탄 소시스템 구축이 반드시 필요하다. 이러한 탄소배출량의 규제는 산업경쟁력에 직 결될 수 있다. 우리나라 전체 탄소배출량의 50% 이상은 산업생산과 관련이 있으 며, 어떤 형태의 완화된 규제라도 생산효율성의 저하를 가져올 수 있다. 그러므 로 약 45%를 차지하는 건축(주거)과 교통부문에서의 탄소배출량 절감 노력은 단 지 환경보호와 화석연료 고갈에 대한 대비뿐 아니라 향후 우리나라 경제의 항상 성 유지를 위해서도 매우 중요하다.
이미 구미 각국의 자동차 회사들은 자사 차량의 km당 탄소배출량을 하나의 자동차 성능지표로 제시하기 시작했으며, 화석연료를 사용하지 않는 전기자동차 를 포함한 다양한 친환경차량의 개발을 추진하고 있다. 이 글에서는 국내외의 친
기하이브리드차량(Hybrid Electric Vehicle:
HEV) 개발을 시작하면서 본격화되었다. 미국 은 일본의 기술을 도입해 HEV를 시장에 내놓았 으며, 유럽은 기술특화를 위해 디젤하이브리드 기술개발에 집중하는 한편 클린디젤차량(Clean Diesel Vehicle: CDV)의 시장을 확대해나갔 다. GM은 플러그인하이브리드차량(Plug -in Hybrid Electric Vehicle: PHEV)인 볼트를 출시하여 일본 닛산의 준중형급 순수전기차 (Electric Vehicle: EV) 리프 등과 함께 향후 친 환경차량 시장을 확대시킬 수 있을지 여부에 이 목이 집중되고 있다.
2011년 현재 친환경자동차의 출시 현황과 계
획을 살펴보면 <표 2>와 같이 2011년 총 14종의 친환경자동차가 출시되었고, 2013년까지 출시 차종이 큰 폭으로 증가할 전망이다.
각국 정부의 친환경자동차 기술개발 및 보급
<표 2> 친환경자동차 출시 현황
차종 2010년 2011년
HEV
● BMW X3
● Hyundai Sonata
● Porsche Cayenne S
● VW Touarea 등 4종
● Audi Q5
● BMW 5 series
● Honda Fit
● Lexus CT 200h
● Mercedes E-Classs
● Toyota Sienna 등11종 PHEV ●GM Volt
●Fisker Karma
●Toyota Pirus
●Opel Ampera 출처: 산업은행. 2011.
<그림 1> 미국 GM의 볼트(PHEV)와 일본 닛산의 리프(EV) 하이브리드차
(HEV)
● 엔진과 전기모터를 함께 사용하여 저속주행 시 전기모터로, 고속주행 시 내연기관을 작동
● 전기주행은 5km 내외로 가능하며, 배터리를 충전하지 않기 때문에 충전인프라는 불필요 클린디젤차
(CDV)
●Euro-5 기준주)을 만족하고, CO
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규제에 대응 가능한 초고효율 디젤자동차● 디젤연료로 주유하기 때문에 별도의 충전인프라는 불필요하며, 온실가스 배출량은 HEV와 유사함 플러그인
하이브리드차 (PHEV)
● 단거리에서는 전기로만 운행하다가, 장거리를 운행할 경우 엔진을 구동
●HEV와는 달리 배터리를 충전하기 때문에 충전인프라가 필요함 전기자동차
(EV)
● 모터와 전기로만 구동되는 자동차로, 운행 중에 배출가스가 전혀 발생하지 않는 무공해 자동차
● 충전 후 운행거리의 제약이 있어 충전인프라 구축 및 배터리 성능향상이 과제 연료전지차
(FCEV)
● 수소와 산소 반응으로 전기를 생산하여 모터를 구동하는 자동차로, 친환경자동차 중 가장 고가
● 배터리 충전인프라가 필요하며, 향후 보급을 위해서는 고가인 부품가격 인하가 필요함 주: Euro-5 디젤자동차 배출가스 기준은 NOx 2.0(g/kWh) 이하, PM 0.02(g/kWh) 이하
출처: 녹색성장위원회. 2010.
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특 집 친환 경 교통 활성 화를 위한 과제
지원 현황을 살펴보면 <표 3>과 같다. 일본은 1990년대 말부터 ‘차세대 저공해 자 동차개발’ 등의 프로젝트를 진행하고 있으며, HEV 및 수소연료전지전기차(Fuel Cell Electric Vehicle: FCEV) 기술개발에 총 1,060억 엔(1998~2012년)을 지 원하고 있다. 또한 ‘차세대자동차전략’ 프로그램을 통하여 전기차 배터리 기술개 발에 210억 엔(약 2,900억 원, 2009~2015년)을 투자하고 있다. 일본 정부는 내 년까지 EV 및 PHEV를 3만 2천 대 보급할 계획이며, 충전기는 2020년까지 200 만 대를 구축할 예정이다. 아울러 139만 엔 한도 내에서 일반차 가격의 50%까지 전기차 보조금을 지급할 예정이다.
일본 자동차회사들은 HEV 관련 기술특허를 90% 이상 선점하고 있으며, EV와 HEV의 개발 및 시장 확대에 집중하고 있다. 토요타는 2015년을 목표로 FCEV의 양산타당성을 검증하고 있다. 미쓰비시는 소형 EV인 ‘i-MiEV’를 2009 년 선보였고, 닛산은 2010년 준중형급 EV인 리프를 출시하여 순수 EV 시장에 서도 우위를 보이고 있다.
<표 3> 해외 각국의 친환경자동차 기술개발 및 보급지원
구분 기술개발 사업 보조금 지원 보급 목표
일본
차세대 저공해 자동차 개발 사업
● HEV, FCEV 분야 총 1조 원 투자(1998~2012년)
● EV 보조금 - 최대 139만 엔
● EV, PHEV -3.2만 대(~2013년)
● 충전기
-200만 대(~2020년)
미국
그린뉴딜정책
● 그린카 포함 녹색분야 150조 원 투자(2009~2018년)
●PHEV 세액공제 - 최대 7,500달러
●HEV 세액공제 - 최대 2,500달러
●HEV, 바이오에탄올차 -100만 대(~2015년)
유럽
독일 일렉트로 모빌리티 프로젝트
● 배터리 등 개발 총 7.6억 원 지원(2009~2011년)
● 독일 최대 5천 유로
● 영국 최대 5천 파운드
● EV -300만 대
● FCEV
-50만 대(~2020년)
중국
자동차 발전 정책 추진
● EV, HEV, FCEV 분야 총 17 조 원 지원(2010~2020년)
● 최대 6만 위안 - 자국 내 제조 차에
한함
● EV, HEV, FCEV -500만 대(~2020년) 출처: 녹색성장위원회. 2010.
실증사업 중이다.
유럽에서는 2020년 전기차 300만 대, 연료전 지차 50만 대 이상의 보급을 목표로 하고 있다.
독일은 2020년 전기차 100만 대, 연료전지차 50 만 대 보급을 목표로 1.1억 유로가 소요되는 전 기차 실증사업을 8곳에서 시행하고 있으며, 프 랑스에서는 CO
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60g/km 미만 차량에 최대 5천 유로를 보너스로 지급할 계획이다. 영국에서는 대당 최대 5천 파운드의 EV 보조금을 지급할 계 획을 세우고 있다. 유럽의 자동차 업체들은 클린 디젤차 시장 확대에 주력하고 있으며, EV 개발 도 추진 중이다. BMW는 차세대 기술을 이용한 CDV로 미국시장 진출을 추진 중이며, 르노는 이스라엘에 OEM 방식의 배터리교환형 EV 공 급을 시행했고 자체 준중형모델을 이용한 전기 차개발에 매진하고 있다.중국은 2010년 8월에 발표된 ‘자동차발전정
년간 약 1천억 위안(약 17조 원)을 투자할 예정 이다. 또한 2020년 전력기반차 150만 대 생산 및 누적대수 500만 대 보급을 목표로 친환경자 동차 기술개발을 추진 중이다. 특히 중국 내에 서 제조한 EV에 한해서는 대당 최대 6만 위안 의 보조금을 지급할 계획이다. 중국 업계는 내 수 및 수출시장 확대를 위해 EV와 HEV 생산을 병행하고 있으며, EV 조기 양산 구축에 노력을 기울이고 있다. BYD사는 2010년에 EV인 ‘E6’ 를 출시하였고, 중국 20여 개 도시에 ‘F3DM’ 하 이브리드차를 판매할 계획이다. 상하이자동차 는 2012년 EV 및 PHEV ‘Roewe 550’를 출시 할 계획이다.
국내 친환경자동차 기술개발 현황
국내의 친환경차량 기술개발은 상대적으로 늦게
<표 4> 친환경자동차 양산현황 및 목표
차종 충전 방식 개발(始) 2011년 2012년 2013년 2014년 2015년 EV
소형 일체 2010년 양산
경CUV 일체 2011년 개발(完) 양산
중형 일체 2011년 개발(始) 개발(完) 양산
중형 교체 2012년 검토 개발(始) 개발(完) 양산
버스 교체 2010년 개발(完) 시범·양산
PHEV 중형 2008년 개발(完) 시범 양산
HEV 준중형 2000년 2009년(完) 양산(2010∼) 중형 2006년 2010년(完) 양산(2011∼)
FCEV 승용 2004년 개발(完) 시범 양산
버스 2006년 개발 진행 시범·양산
CDV
중형차 2010년 개발(完) 양산
대형차 2012년 개발(始) 개발(完) 양산
버스 2013년 개발(始) 개발(完) 양산
출처: 녹색성장위원회. 2010.
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특 집 친환 경 교통 활성 화를 위한 과제
시작되었다. 그간 국가적인 기술개발 추진으로 조립 능력은 선진국과 비슷한 수 준으로 평가되고 있으나 배터리, 모터 등의 핵심기술은 여전히 외국에 의존하고 있다. 2010년 발표된 정부의 ‘친환경자동차 개발 및 보급계획’에 의하면 2020년 까지 친환경자동차 300만 대를 보급하여 대기오염물질 30만 톤, 온실가스 6,700 만 톤 감축을 목표로 하고 있으며, 이에 따라 국내 완성차업계는 다양한 친환경차 량의 개발을 진행하고 있다. 정부는 2015년까지 친환경자동차 보급 120여만 대, 수출 90만 대를 목표로 하고 있으며, 2015년 내수시장 점유율의 21%를 달성하기 위한 계획을 추진하고 있다.
2010년 현대기아자동차는 순수전기차 블루온을 발표하고 최근 레이전기차를 출시하여 공공기관용으로 판매하고 있으며, 다양한 준중형·중형 HEV 모델을 시장에 내놓고 있다. 현재 준중형 이상 EV의 국제경쟁력 확보를 위해 2014년까 지 양산체계를 구축하기 위한 국가기술개발이 추진되고 있다. 르노삼성은 SM3 를 기반으로 한 전기차를 개발, 부산 공장에 전기차 양산라인을 구축하고 있으며, 2015년까지 1만 3천 대를 생산할 계획이다. 한국 GM은 마티즈, 라세티, 올란도 를 기반으로 하는 전기차의 개발과 양산라인 구축에 집중하고 있다.
우리나라는 세계 수준의 FCEV기술을 보유하고 있다고 평가받고 있다. 현재 수입에 의존하고 있는 스택 등의 주요 핵심부품들을 2015년까지 국산화하고 중 형차 양산체계를 갖추며 2018년까지 연료전지 버스를 개발하는 것을 목표로 하 고 있다. 이와 함께 다양한 클린디젤차량이 개발되고 있으며, 2015년까지 Euro 6를 만족하는 클린디젤버스 양산이 계획되고 있다. CDV의 과제는 핵심부품의 해외의존도를 낮추는 것으로, 커먼레일 핵심부품, 후처리시스템용 신소재 필터 등의 국산화를 통해 2013년까지 동력전달, 전·후처리, 동력발생 시스템의 양산 을 계획하고 있다.
<그림 2> 배터리교환식 전기버스시스템(Smart e - Bus System)
이브리드 등의 개발이 완료되었다. 또한 일부 CNG 모델을 변형한 플러그인 타입의 전기버스 를 개발, 남산 등지에서 시범운영하고 있으나 긴 충전시간과 짧은 운행거리로 보급의 확대는 이 루어지지 못하고 있는 실정이다. 이러한 플러그 인전기버스의 문제를 해결하기 위해 세계 최초 로 배터리 자동교체형 전기버스(Smart e -bus) 시스템의 개발을 위한 국가기술개발사업이 진행 되고 있으며, 2013년 말까지 기술개발을 완료하 여 지자체의 친환경버스 도입계획과 연계될 전 망이다(전기자동차교통안전융합체계연구단 홈 페이지 참조).
향후 기술개발 및 시장 전망
친환경차량군은 크게 화석연료엔진을 전용·병 행 사용하는 CDV, HEV, PHEV 등과 전기모터 에 의해 구동되는 FCEV, EV로 나눌 수 있다.
전자 그룹은 친환경차량의 궁극적인 형태라기 보다는 순수 EV로 넘어가는 과도기적인 특성을 가지고 있다. 대기오염물질이나 탄소배출 문제, 화석연료 고갈 등의 문제로 볼 때 중장기적으로 미래의 친환경차량은 전기모터동력 이용 친환경 차량이 주축을 이뤄야 할 것으로 판단된다.
FCEV의 경우 많은 예산이 들어가는 수소충 전소 구축 문제와 안전성에 대한 우려 등의 문제 점이 제기될 수 있다. 또한 개질방식의 수소생산 은 일부 메탄가스를 이용하기도 하지만 대부분 의 경우 화석연료를 이용하므로 저탄소 친환경 차량으로서의 의미가 적어진다. 또한 수소연료 전지의 핵심부품인 스택의 높은 가격 등이 실제
이에 비해 EV는 전력망의 피크수요를 고려 한 스마트한 전력이용을 전제로 할 때 친환경차 량의 가장 현실적인 대안이 된다. 사실상 국가별 로 차이는 있지만 전기를 생산하는 데 있어 화석 연료의 비중이 가장 높기 때문에 km당 탄소배출 량이 HEV나 CDV보다 크게 낮지는 않다. 그러 나 전기자동차의 충전수요가 논피크 시에 처리 되도록 하는 등 효율적인 전력망 관리와 활용을 통해 교통부문의 전기자동차에 의한 추가 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 또한 전기의 생산 프로파일이 신재생에너지로 개편되어가는 전 세 계적인 추세를 감안하면 추가의 전력생산을 전 제하더라도 전기자동차는 가장 미래지향적이고 친환경적인 대안이라 할 수 있다.
그렇다면 화석연료 자동차의 대체교통수단으 로서 EV를 어떻게 확대해나갈 것인가? 전기자 동차의 보급 확대에 있어 예상되는 문제점은 다 음과 같다. 첫째, 배터리 가격에 의한 높은 차량 가격의 문제다. 둘째, 배터리의 자체 성능저하와 에너지 밀도의 지속적인 개선으로 중고차에 장 착된 배터리의 가치가 떨어짐과 동시에 중고차 의 가격이 급격하게 떨어지게 되는 점이다. 셋 째, 현재 배터리의 에너지 밀도수준이 충분히 높 지 않아서 완충 시 절대운행가능 거리가 화석연 료차량에 비해 매우 낮으며, 여러 가지 운행 여 건에 따라 운행거리의 편차가 매우 크다는 문제 가 있다. 넷째, 운전자들이 연료를 재충전하는 데 기다리는 시간이 최대 5분을 넘지 않아야 함 에도 불구하고 급속 충전의 경우에도 적어도 20 분 이상을 정차하여야 하기 때문에 주 교통수단 으로서의 활용성이 떨어진다.
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특 집 친환 경 교통 활성 화를 위한 과제
운행가능 거리의 증대 문제는 향후 수년 이내 배터리의 에너지 밀도가 지속적 으로 높아질 것으로 예상되기 때문에 어느 정도 해결될 가능성이 보인다. 그러나 충전시간을 획기적으로 줄이기 위한 기술개발 전망은 불투명하다. 실험실 수준의 성과는 종종 보고되고 있으나 매우 고가의 재료, 공법을 사용해야 하거나 전력인 프라의 특성상 현실성이 부족한 경우가 대부분이어서 가까운 시일에 원하는 수준 의 충전시간 단축을 달성하기 어렵다. 이러한 이유 때문에 플러그인 충전 방식의 배터리 고정형 EV의 시장 진입 및 확산은 쉽지 않아 보인다.
EV의 충전시간 문제와 고가의 배터리 문제는 배터리를 소유하지 않고 공용으 로 사용하는 배터리교환형 EV와 교환서비스체계를 도입함으로써 해결할 수 있 다고 판단된다. 즉 운전자는 배터리가 아닌 배터리 사용권을 소유하고 연료를 주 입하는 것처럼 완충된 배터리를 일정 요금을 내고 교환하여 운행하는 체계를 도 입하는 것이다. 미국의 Better Place사의 배터리교환형승용차 서비스체계가 대 표적인 예다. 배터리교환형전기차 확산의 문제점은 초기인프라 투자의 어려움이 다. 즉 어느 정도 시장 진입이 이루어지기 전에는 배터리교환인프라를 설치할 만 한 경제성이 확보되지 않고 교환시설이 부족하면 차량판매가 안 되는, ‘닭이 먼저 냐 계란이 먼저냐’와 같은 딜레마를 겪게 된다는 것이다.
이 때문에 대중교통인 버스와 택시를 대상으로 한 공용제 기반 배터리교환형 차량개발과 교환·충전 인프라의 구축을 우선 고려해볼 필요가 있다. 버스나 택 시의 경우 대량의 수요가 일시에 발생할 수 있어서 인프라를 조기에 구축할 수 있 다는 장점이 있으며, 이를 통해 구축된 인프라와 서비스체계를 개인용 전기차로 확산하는 전략으로 시장을 형성할 수 있다.
배터리교환방식의 개인용전기승용차의 상품성에 대해 일부 자동차회사들은 부정적인 의견을 가지고 있는 것으로 여겨진다. 즉 배터리교환방식의 전기자동 차는 특성상 표준화된 배터리를 사용해야 하고 배터리의 성능이 전기차의 성능을 좌우하기 때문에 표준화된 배터리로는 자사 차량의 상대적 상품가치를 높일 수 없다는 의견이 있는 것이다. 그러므로 초기의 배터리교환형 EV는 표준화된 배터
EV가 시장에서 조기에 교통체계로서 자리 잡기 위해서는 전술한 바와 같은 배터리 공용제 기반 전기버스체계와 택시체계의 조기 구축을 포함한 정부와 산업계의 선도적인 기술개발과 사업시행 이 필요할 것으로 생각된다. 현재 우리나라의 전 기자동차를 중심으로 한 친환경자동차기술의 개 발은 주로 전력 공급자의 입장과 차량 개발자의 입장, 환경보호의 관점에서 이루어져왔다. 그러 나 친환경자동차가 주 교통수단으로서 정착하기 위해서는 교통시스템의 관점에서 기술개발과 전 략개발이 이루어져야 한다. 즉 교통체계 구성 시 기존 체계와 비교하여 사회적 편익이 충분한지 를 살펴야 하며, 운전자와 통행자의 입장에서 친 환경자동차가 적절한 가격에 기존 체계에 버금 가는 수준의 서비스를 제공하도록 기술개발과 시스템 구축이 이루어져야 할 것이다.
참고문헌
녹색성장위원회. 2010. 그린카 산업 발전전략 및 과제.
산업은행. 2010. 친환경 자동차용 리튬이온전지산업의 현황 및 전망.
서울: 산업은행.
_____. 2011 친환경자동차용 2차전지산업의 성장과 발전과제. 서울:
산업은행.
전지자동차교통안전융합체계연구단(www.smart-e-bus.com) 한국산업마케팅연구소. 2011. 차세대 전기차, 충전인프라, 이차전지 개발
동향과 발전전략. 서울: 한국산업마케팅연구소.