[트랜드리포트]기후·환경 대책의 중심 ‘EV’

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[트랜드리포트]기후·환경 대책의 중심 ‘EV’

2019년 3월 1일 (금) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2019년 3월호 - 전체 보기 )

기후·환경 대책의 중심 ‘EV’

2030년 전 세계 전기차 보급 30% 전망

환경부 자료에 따르면 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)는 도로이동 오염원 배출량이 각각 49%, 63%를 차지할 정도로 높은 배출기여율을 보인다. 이외에도 내연기관 자동차에서는 탄화수소(HC), 황산화물(SO₂) 등 다양한 대기오염물질이 발생한다. 이에 따라, 자동차의 연비를 높이거나 유로스탠다드(EURO standard)를 도입하는 등 배출기준은 점점 더 까다로워지고 있다. 그러나 이것만으로 대기오염을 억제하는 것은 한계가 있다. 이에 전기자동차와 같은 저공해 차량의 보급을 늘리고, 재래식 발전을 이용해 에너지를 생산하는 것보다 재생가능 에너지의 비중을 높이고 있다.

글 강창대 기자

최초의 자동차는 어떤 동력으로 움직였을까? 놀랍게도, 전기공학자 배진용 박사(동신대학교 전기차 제어교수)¹⁾에 따르면 최초의 자동차는 전기를 동력으로 움직였다. 즉, 전기자동차가 내연기관 자동차보다도 먼저 만들어진 것이다. 최초의 전기자동차는 전동기를 연구하던 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭(Anyos Jedlik)이 1824년에 만들었다. 이후, 스코틀랜드의 로버트 앤더슨(Robert Anderson)와 같은 엔지니어가 전기자동차 개발에 뛰어들었고, 로버트 데이비슨(Robert Davidson)은 최초로 배터리를 사용하는 전기철도를 연구하기도 했다. 그러나 전기자동차의 상용화를 이끈 것은 토마스 파커(Thomas Parker, 1884년)와 알베르트 포프(Alvert A. Pope, 1899)라고 한다.

전기와 내연기관 차량이 공존했던 1920년대

전기자동차 연구에 성과를 낸 사람 가운데에는 발명왕으로 알려진 토마스 에디슨(Thoama Alva Edison)도 있다. 전기자동차 및 전기철도와 관련해 에디슨이 등록한 특허가 모두 48건이나 된다. 전기자동차의 에너지 독립에 힘썼던 에디슨은 충·방전이 가능한 2차 전지 관련 기술로도 많은 특허(135건)를 보유하고 있다. 뿐만 아니라, 에디슨이 연구한 전구의 조도(照度) 제어나 발전기의 속도제어 등과 같은 기술은 전기자동차 기술의 큰 바탕이 되었을 것으로 보인다.

이처럼 전기자동차는 내연기관 자동차보다 먼저 발명돼 상당한 수준까지 발전했다. 배 교수에 따르면 1920년만 하더라도 거리에는 전기자동차와 내연기관 자동차를 함께 볼 수 있었고, 둘은 경쟁관계였다고 한다. 하지만 전기자동차는 역사에서 잠시 사라져야 했다. 그 이유는 핸리 포드(Henry Ford)가 이룩한 ‘포드 시스템’과 록펠러(John Davison Rockefeller)의 석유산업 때문이었다. 포드 시스템은 양산대중차 ‘포드 모델T’를 가능하게 했고, 이는 내연기관 자동차의 가격을 크게 낮췄다. 그리고 록펠러의 석유산업은 휘발유와 중유를 저렴하고 보편적인 에너지원으로 만들었다.

이로부터 자동차 산업은 내연기관을 중심으로 엄청나게 성장했고 눈부신 기술 발전을 이루었다. 이제 자동차가 없는 일상은 상상하기조차 힘들어졌다. 그러나 이로 인해 대기는 심각하게 오염됐고, 어느새 석유의 매장량도 한계를 드러내기 시작했다. 잠시 역사 속으로 사라졌던 전기자동차가 다시 세상의 주목을 끌기 시작한 시점은 바로 이 무렵이다.

1990년 미 캘리포니아 주는 ‘배기가스 제로 법’을 제정했다. 이 법은 주에 판매하는 자동차의 10% 비율은 배기가스가 전혀 나오지 않는 자동차를 판매하도록 정한 것이다. 이를 배경으로 GM사(社)가 전기자동차 EV1을 세상에 내놓았다. 시속 130㎞로 주행이 가능했던 EV1은 2인승 전륜구동 방식이었으며, 전기 콘센트만 있으면 어디에서나 충전이 가능했고, 완전 충전은 4시간이면 됐다. 하지만 내연기관 자동차와 석유산업계의 반발도 만만치 않았다. 이들은 언론에 전기자동차의 배터리와 가격 등의 문제를 제기하며 집중적인 로비에 들어갔고, 2003년에 캘리포니아의 ‘배기가스 제로 법’은 폐기됐다.

급격하게 늘고 있는 전기자동차

그러나 더 이상 전기자동차의 상용화는 뒤로 미룰 수 없다. 화석연료 사용으로 인해 환경문제는 더욱 심각해졌고, 공해를 일으키지 않는 에너지원 사용은 더 이상 선택의 여지가 없다. 더구나 디지털 기술의 발달과 함께 시작된 기술적 진보 역시 전기자동차를 새롭게 호명하는 계기가 됐다.

현재 전 세계에 보급된 전기자동차는 2017년 누적 대수가 약 310만대다. 이는 전년대비 56%가 증가한 결과다. 가장 급격한 증가세를 보이는 곳은 중국으로 조사됐다. 중국은 전기자동차 약 123만 대를 보급했고 이는 전 세계 전기자동차의 40%를 차지하는 수량이다. 중국은 전기버스만 37만 대이고 전기 2륜차는 약 2억5,000대에 달한다. 그 뒤를 잇는 미국은 76만 대를 보급했다. 전기자동차의 증가와 함께 충전소의 보급도 늘었다. 2017년 누적 대수가 약 43만 대이고, 이 가운데 완속 충전이 32만 대, 급속 충전이 11만대다.

전기자동차가 급속히 늘게 된 배경에는 정책적 지원이 크게 자리하고 있다. 전기자동차 보급대수가 가장 많은 중국과 전기자동차 판매비중이 가장 높은 노르웨이의 경우 가장 적극적인 보급정책을 펼치고 있다. 중국을 비롯해 미 캘리포니아는 전기자동차 의무판매제를 시행하고 있다. 그리고 기후협약 등이 강화됨에 따라 여러 나라들이 앞 다투어 온실가스 배출규제를 강화하면서 전기자동차 보급의 필요성도 점점 더 커지고 있는 실정이다. 파리기후협약은 지구온난화를 억제하며 산업화 이전대비 온도상승 2℃ 이하로 유지하는 것을 목표로 하고 있다.

국제에너지기구(IEA)가 발표한 ‘2018년 세계에너지수요 전망’(World Energy Outlook 2018)은 2017년에서 2040년까지 세계 에너지수요는 25% 이상 증가할 것으로 보고 있다. 그러나 이 전망은 어디까지나 에너지 효율이 개선된다는 전제에 따른 것이다. 그렇지 않는다면 같은 기간 세계 에너지 수요는 50%까지 증가할 수도 있다고 한다. 이러한 전망을 중심으로 한 예측에 따르면, 세계 각국이 공식적으로 발표한 목표와 계획을 달성하기 위한 정책적 수단이 효과적으로 이행될 경우 2030년까지 전기차 보급 30%를 달성하게 될 것으로 전망한다. 이같은 전망은 IEA의 ‘2018년 세계 전기자동차 전망’보고서를 통해 발표된 ‘EV30@30 전기차 전망 시나리오’에 담겼다.

위 시나리오는 기후변화협약과 지속가능한 발전을 이루기 위해 2030년까지 전기차 1억3,000만대, 하이브리드 9,000만대의 보급을 목표로 제시했다. 그리고 친환경차 보급을 확대하기 위해서는 충전 인프라와 전기차 생산에 필요한 부품과 배터리 등의 안정적인 공급 역시 중요하다고 지적했다. 이외에도 공공부문의 전기자동차 구입을 확대하는 것과 가격 격차 해소, 이산화탄소 배출규제, 배터리 가치의 향상, 기술협력의 강화 등 과 같은 정책이 반드시 고려되어야 한다고 강조했다. 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 기술과 신소재의 등장으로 나날이 향상되고 있다. ‘EV30@30 전기차 전망 시나리오’는 2017년에 20~60㎾h이었던 배터리의 용량이 2030년에는 70~80㎾h까지 늘고, 충전용량은 100㎾에서 400㎾로 향상될 것으로 내다보았다. 또한, 생산비용 역시 내려갈 것으로 전망하며 이에 따라 전기자동차의 보급이 확대된다는 것이다. 전기자동차의 전력수요 또한 2018년에 전년도보다 20% 증가세를 보이는 등 급증세를 보이고 있다고 한다.

전동기와 배터리, 시스템 통합성 구현 기술

친환경차는 동력원에 따라 여러 가지로 분류된다. PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 플러그인 하이브리드 전기자동차)는 가정용 전기를 이용해 배터리를 충전하는 HEV의 일종이다. 완전 충전 시 전기로만 50~60㎞를 주행할 수 있다. HEV(Hybrid Electric Vehicle, 하이브리드 전기자동차)는 두 종류 이상의 동력원을 사용하는 전기자동차이다. 연료전지로부터 전기를 얻어 전기모터의 회전력만으로 주행하는 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle, 연료전지 전기자동차)도 있다. 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치이다. FCEV는 부산물로 물이 만들어지지만 배기가스는 전혀 없다. 전기모터로 구동되며, 필요한 전기를 모두 충전으로 얻는 전기자동차는 BEV(Battery Electric Vehicle, 배터리 전기자동차)이다.

최근, 정부의 수소경제 정책이 공론화되면서 수소의 대량생산 및 수송 방식 등이 온실가스를 만들 수밖에 없어 FCEV의 친환경성이 문제가 되기도 했다. 이점은 전기만을 충전해 사용하는 일반적인 전기자동차에도 문제가 될 수 있다. 전기자동차의 보급이 늘면서 전기 수요가 늘고 있지만, 전기를 생산해 공급하는 발전체계는 여전히 재래식 방식에서 크게 벗어나지 못했기 때문이다. 즉, 재생에너지의 생산 비중이 낮은 상태에서는 전기자동차를 구동하기 위해 온실가스 배출 또한 늘 수밖에 없는 게 현실이다. 더불어, 전기자동차의 에너지 효율을 높이기 위한 기술적 진보가 요구된다. 내연기관 차량의 연료인 휘발유와 전기자동차의 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 비교하면 그 차이가 현격하다[표 1].

에너지 밀도만 놓고 보자면 전기자동차가 내연기관 자동차만큼의 출력을 낸다는 것은 결코 쉽지 않다. 이를 위해 배터리와 전동기의 규모가 커질 수밖에 없다. 하지만 이러한 한계를 극복하고 새롭게 전기자동차의 시대를 연 기업이 있다. 유도전동기의 발명가인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 이름을 딴 테슬라가 바로 그 주인공이다.

테슬라 전기자동차의 가장 큰 특징은 강력한 출력과 자동차를 제어하는 단일 시스템이다. 우선, 출력 부분부터 살펴보면, 테슬라가 내놓은 쿠페(Coupe)는 최고 속도가 시속 250㎞에 달하고 최대출력은 417마력이다. 정지한 상태에서 시속 100㎞에 도달하는 시간인 제로백(zeroback)이 4.4초에 불과하다. 테슬라의 ‘모델S’의 제로백은 2.5초밖에 되지 않는다고도 한다.

배용진 공학박사는 전기모터로 이러한 퍼포먼스를 구현하는 것은 쉽지 않다고 지적한다. 배 박사는 테슬라가 전기자동차의 출력을 혁신적으로 개선할 수 있었던 비결로 유도전동기(IM: Induction Motor)를 꼽았다. 세계 각지의 전기자동차 메이커들 대부분은 영구자석 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)를 사용한다. 영구자석 동기전동기와 유도전동기는 모두 권선이 감겨 있는 강판인 ‘고정자’를 갖고 있다는 점에서 구조적으로 유사하지만, 회전자에서 차이가 있다. 영구자석 동기전동기의 회전자는 영구자석이기 때문에 제어가 잘 되는 장점이 있다.

반면 유도전동기의 회전자는 알루미늄 다이케스팅(Aluminium Diecasting)의 동체로 돼 있어 회전자의 회전속도가 동기속도보다 늦어 제어가 잘 되지 않는 약점이 있다. 대부분의 메이커가 영구자석 동기전동기를 채택한 이유가 바로 이런 장단점에 있을 것이다. 어떤 전동기를 사용하든 전기모터의 출력은 내연기관에 미치지 못하는 한계가 분명하다. 전동기는 히스테리시스(Hysteresis) 및 와전류(Eddy current) 손실로 인하여 열이 발생하며 효율이 저감될 뿐만 아니라, 심하면 타버린다. 적절한 출력을 내기 위해 전동기의 크기는 걷잡을 수 없을 정도로 커질 수밖에 없다. 그러나 테슬라는 발상의 전환을 통해 유도전동기를 채택하고 회전자 냉각기술을 개발했다. 이로써 전동기의 크기를 적정하게 유지하면서 원하는 출력을 낼 수 있는 전기자동차를 만들 수 있었다.

테슬라 전기자동차가 가진 또 하나의 비술은 배터리에 있다. 대부분의 메이커는 사각형의 리튬이온 배터리를 사용한다. 하지만 테슬라는 AAA건전지처럼 생긴 ‘18650 리튬이온 배터리’를 사용한다. 이 배터리는 노트북이나 휴대용 가전제품에 사용하는 것으로 비교적 저렴하다. 배터리 각각은 전류용량 3,400㎃h와 전압은 3.6V에 불과하다. 배터리의 전류용량과 전압, 그리고 개수를 각각 곱하면 그 값으로 전기자동차 배터리 용량(㎾h)을 구할 수 있다. 이렇게 해서 필요한 배터리의 수를 구하면 약 6,000개에서 8,000개에 이른다. 테슬라는 이를 지그재그 형태로 배치판에 배열하고 사이사이에 물결모양의 냉간채널을 둠으로써 냉각 성능을 높이고 충격을 흡수하도록 설계했다.

또한, 차량의 바닥면에 배터리 함을 배치해 무게중심이 아래에 위치하게 함으로써 고속주행에서의 안정성과 충돌 시의 안전을 확보했다. 배터리와 관련해 테슬라가 보유한 특허만도 67건이나 된다. 내연기관 자동차의 경우 수십여 개의 컴퓨터로 된 복잡한 시스템으로 제어된다. 6, 70개에 이르는 기기는 20개의 회사에서 제작된 소프트웨어를 사용하고, 이를 연결하는 전선만도 130㎏이나 된다. 배용진 박사는 테슬라 자동차의 통합적이고 단일한 시스템을 ‘바퀴달린 컴퓨터’라고 표현한다. 테슬라의 전기자동차는 모든 소프트웨어가 단일 시스템으로 통합돼 전자기기의 수가 적고 간결하며 소프트웨어 통합도가 높다.

전기차 R&D 확대와 보급정책

우리나라도 친환경자동차 보급을 확대하기 위한 정책을 펼치고 있다. 뿐만 아니라, 이를 위한 R&D기관도 설립되고 있다. 작년 6월에는 전기자동차 와 자율주행차 등을 연구하는 KAIST 친환경자동차연구센터가 제주국제자유도시개발센터(JDC) 첨단과학기단지에 입주했다. 광주광역시는 2월 21일 국토부에서 주관한 ‘친환경자동차부품인증센터’공모사업에 참여해 광주 ‘빛그린산단’에 유치하는 성과를 내기도 했다. 친환경자동차 부품인증센터는 빛그린산업단지 내 24,750㎡ 부지에 건축면적 3,745㎡, 지상2층 규모로 총 300억 원(국비 150억, 지방비 150억)을 투입해 건립된다. 여기에 각종 인증·평가 장비를 도입해 2021년까지 구축할 예정이라고 한다. 광주시에 따르면, 인증센터에는 배터리 안전성 평가 장비 9종, 충돌 안전성 평가 장비 7종, 충격 안전성 평가 8종 등 24종의 장비를 구축하고, 추후 휠, 타이어, 조명장치 등의 부품 자기인증 분야까지 기능을 확대 할 계획이다.

이외에도, 우리 정부는 올해 친환경자동차 보급 및 충전시설 구축사업을 추진하여 전기자동차 10만 대 시대를 열 계획이라고 한다. 이를 통해 수송부문 미세먼지를 적극 감축하겠다는 의지를 밝히기도 했다.

지난 1월 18일 환경부는 ‘2019년 친환경자동차 보급정책 설명회’에서 올해 친환경자동차 보급 및 충전시설 구축정책 등을 안내했다. 이에 따르면, 환경부는 올해 친환경자동차 구매보조금 예산을 지난해 3만2,000대에서 76% 늘어난 5만7,000대에 지급할 계획이라고 밝혔다. 대당 보조금은 국비와 지방비를 포함하여 전기자동차 최대 1,900만 원, 수소자동차 최대 3,600만 원, 플러그인하이브리드차 500만 원, 전기이륜차 최대 350만 원이다. 전기자동차 보조금 중 국비는 지난해 1천200만 원에서 300만 원이 줄어든 900만 원을 지원한다[표 2].

환경부는 또, 친환경자동차 이용자의 편리한 충전환경을 위해 올해 전기자동차 급속충전기 1,200기, 수소충전소 46개소를 추가로 구축한다고 밝혔다. 전기자동차 완속충전기 국고보조금은 공용충전기에 최대 350만 원, 비공용(개인용) 충전기에 130만 원, 과금형(휴대형) 충전기에 40만 원이 지원된다. 다만, 비공용 완속충전기는 올해를 끝으로 지원이 중단된다.

환경부는 친환경자동차 보급사업과 관련하여 그간 제기되었던 문제점들에 대한 개선책도 제시했다. 우선, 보조금을 지급받고 차량을 구매한 자가 2년 내에 전기자동차를 추가로 구매하거나 연구기관이 연구를 목적으로 차량을 구매하는 경우 보조금을 지원받을 수 없게 된다. 그리고 완속충전기 보조금 신청 후 3개월 이내에 설치를 완료하도록 하여 설치지연으로 인한 이용자 불편을 해소하고, 대규모 공동주택(1,000세대 이상)은 완속충전기 설치 지원을 최대 10기로 제한해 대규모 공동주택에 충전기 설치가 집중되는 현상을 해소할 계획이라고 한다.

지방자치단체들 역시 올 상반기에 보급사업을 속속 공고하고 있어 지역마다 이를 구매에 참고할 수 있다. 친환경자동차를 구매하는 사람은 인근 자동차 판매 대리점에 방문하여 보조금 지원을 위한 구매 지원신청서와 계약서를 작성하면 된다. 자동차 판매 대리점은 해당 지방자치단체에 관련 서류 접수를 대행한다.

구매보조금 신청과 관련된 문의사항은 친환경자동차 통합전화상담실(콜센터, 1661-0907)을 통해 안내받을 수 있으며, 친환경자동차 보조금 신청과 관련된 정보는 누리집(www.ev.or.kr)에서 확인 가능하다.

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1) 이 글에서 전기자동차의 역사와 테슬라 전기자동차의 특허 기술 등은 동신대학교 배진용 교수가 쓴 『테슬라 전기자동차 강력한 파워와 아름다움의비밀』(더하심, 2017.9.28.)을 참고했다.