월간전기



[모빌리티와 전기 ①] EV·PHEV의 미래, 2040

2017-03-01

[모빌리티와 전기 ①] EV·PHEV의 미래, 2040 1886년 세계 최초의 가솔린 자동차 벤츠가 세상에 나온 지 어언 130년, ‘자동차의 역사는 곧 벤츠의 역사’라 해도 무방할 정도로 벤츠는 오랜 역사를 자랑하고 있다. 벤츠에 이어 1908년도에 가솔린차로 등장한 양산 대중차 T형 포드는 성능·비용·편리성 면에서 타의 추종을 불허하며 오늘날에까지 이르고 있다. 이어 1997년에 양산 하이브리드카 프리우스(Prius)가 등장하면서 ▲HEV ▲PHEV ▲EV ▲FCEV 등 본격적인 전동차량의 시대가 열리게 되었다. 본고에서는 자동차의 역사와 현황, 앞으로의 전망을 내다보고 25년 후의 모습을 예측하며 미래의 자동차와 에너지에 대해 생각해보는 시간을 갖는다. 정리 편집부 카 일렉트로닉스 40년의 역사 자동차의 일렉트로닉스화는 근 40년 사이에 비약적으로 진화했다. 1970년대 미국 머스키법의 배기가스 규제에 대응하는 방안으로 마이크로컴퓨터를 탑재한 전자연료 분사장치(EFI)가 배기가스 문제를 해결했다. 이 시스템이 그 이후의 일렉트로닉스의 방향을 결정지었다. 1990년대의 안전문제로 에어백 및 ABS(앤티록 브레이크 시스템), 그리고 정보화 시대로 내비게이션 및 주변감시장치 등이 속속 등장했다. 이어 「달린다· 돈다·정지한다·연결한다」라는 자동차의 기본기능 중 복수 시스템의 최적화를 도모하는 차량 통합 시스템화로 진화되었다. 하이브리드 시스템은 「달린다」와 「정지한다」를 통합 시스템화한 대표적인 사례이다. 장안의 화제인 「자동운전」은 「부딪치지 않는 자동차」의 안전통합시스템 중 하나이다. 카 일렉트로닉스를 지지하는 코어기술에는 ▲마이크로컴퓨터 제어 ▲파워 일렉트로닉스 ▲센싱 기술이 있다([그림 1] 참조). 자동차의 환경·에너지 문제에 대한 대응 21세기의 우리는 지구온난화로 대표되는 「환경문제」, 고유가 시대에서 볼 수 있는 「에너지 문제」, 레어메탈(희소금속), 물, 식료 등 세계적인 「자원문제」에 새롭게 두 가지 문제(안전, 시장)가 추가된 「5개의 조류」 가운데 놓여 있다([그림 2] 참조). 지속 가능한 사회에 있어서 자동차의 가장 큰 환경문제는 지구온난화 대책인 CO₂절감(석유 절약)이며, 가장 큰 에너지 문제는 21세기 중반에 고갈이 우려되는 석유로부터의 탈피, 즉, 탈석유 대책이다([그림 3] 참조). 그 가장 현실적인 솔루션은 CO₂발생이 적은 전력발전으로 얻은 2차 에너지를 가정용 전원에서 공급 가능한 EV(전기자동차)와 PHEV(플러그인 하이브리드카)이다. 전기에너지는 모든 1차 에너지원에서 추출이 가능하며 취급도 용이하다. EV·PHEV의 보급은 인프라계의 정비와 고용량 축전지 및 저코스트화에 달려 있다. 최근 지구온난화 현상(해수면 온도 상승에 의한 게릴라성 호우, 토네이도, 폭염 등)을 몸으로 직접 실감하게 되는 날들이 이어지고 있다. IPCC(국제연합의 기후변동에 관한 정부간 패널)의 제5차 보고(2013)에서는 향후 세계 평균기온 상승에 대한 심각한 예측과 경고가 나타나 있다([그림 4] 참조). [그림 5]에 세계의 CO₂배출량을 국가별과 산업계별로 나타냈다. 특히, 중국을 비롯한 신흥국의 배출 증가가 두드러지게 보인다. 산업계별로는 발전부문의 배출량이 많고, 운수부문에서도 전체의 1/4을 차지하는 등 각 업계에서의 적극적인 대처가 필요한 실정이다. 자동차의 전동화와 에너지 매니지먼트 유럽의 CO₂규제와 자동차의 전동화 자동차 업계에서는 각국의 연비규제 가운데 ‘2020년도 유럽의 CO₂(95g/km) 규제’가 가장 엄격하며, 향후 기존 차량의 에너지 효율 향상과 더불어 전동차량(HEV, EV, PHEV 등)의 시장 도입이 불가피하게 되었다. 2013년 9월의 프랑크푸르트 모터쇼에서도 유럽의 자동차 제조업체는 VDA(독일 자동차 공업회)가 주도하는 “E-mobility” 전략의 일환으로 2020년까지 고급차에 PHEV를, 소형차에 EV를 시장에 도입하겠다는 뜻을 명확히 밝혔다. 기술개발(충전인프라, 전지, 각종 요소부품)에 있어서는 세계 각국이 보조를 맞췄다. 자동차 연료의 에너지 밀도 자동차에 탑재 가능한 연료는 크게 ▲액체연료(가솔린 및 디젤) ▲가스연료(수소, 천연가스) ▲전지(Pb, Ni-MH, Li)로 나뉜다. 자동차의 용적은 일반적으로 1.5×2×5m=15㎥ 정도로 사람과 하물과 연료를 실을 수 있는 쾌적공간이 필요하다. 자동차 연료의 에너지 밀도는 중요하다. 전지는 현재 전 세계적으로 개발이 진행 중이지만 아직 충분한 수준에는 미치지 못하고 있다. 액체연료의 높은 에너지 밀도는 좀처럼 버리기 어려운 것이 있다([그림 6] 참조). 한편, 외부전력을 활용한 차세대 전동차량(EV, PHEV, FCEV) 및 와이어리스 급전(정지, 주행중) 기술의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 자동차(EV, PHEV)의 25년 후 전동차량 개발의 국내외 동향 전동차량의 개발 역사를 [그림 7]에 나타냈다. EV는 오래전부터 개발되어 왔지만, Li이온전지를 탑재한 전동차의 본격적인 양산화는 2010년도 닛산의 Leaf로부터 시작되었다. 고령화 사회에서의 소형 퍼스널카도 주목되고 있다([그림 8] 참조). HEV는 1997년의 Prius로 시작해 시장 누계 500만 대 이상이 이미 도입되었다. PHEV는 2010년에 GM Volt, 2012년에 프리우스 PHV, 2013년에 미쓰비시, 혼다가 도입, 2014년부터 2020년까지 많은 해외 메이커(독일 OEM 등)에서 PHEV, EV의 시장도입이 예정되어 있다. 연료전지차는 2015년에 도요타, 혼다가 시장도입을 공표, 수소 스테이션도 일본 국내에 100개소가 계획되어 있다. 자동차 업계에서는 2020년이 유럽 CO₂규제의 “Key Year!”가 된다. 전동차량의 개발·양산화에서는 일본이 세계를 리드하고 있으며, 국제 표준화 문제도 중요해지고 있다. OECD WORKSHOP 출석과 유럽의 동향 2012년 11월말 파리에서 유엔, OECD가 주최한 「자동차 연료의 인프라(수소, 바이오, 충전)」 워크숍이 있어 일본을 대표해 나고야 대학의 데라타니 타쓰오(寺谷達夫)씨가 일본의 EV, PHEV의 개발·양산도입과 충전 인프라의 설치 현황, 세계 최초의 AC 보통충전기 제3자 인증제도(이용자가 사용하는 충전기의 「안심·안전」, 「호환성」의 확보를 목표)의 출범에 대해 보고했다. 일본의 2020년도 충전 인프라의 설치 목표는 AC 보통충전기 200만 대, 급속충전기(EV용) 5000대로, 다른 나라에 비해 상당히 공격적인 숫자이다. 각국 모두 인프라 보급에 있어서 「어느 부분이 비용부담?」「채산을 포함한 비즈니스 모델의 성립성은 어떠한가?」라는 문제로 고생하고 있다. 회의풍경과 파리 시내의 EV 렌탈 및 충전 인프라의 일례를 [그림 9]에 나타냈다.국제 에너지 기구(IEA)의 ‘2050년까지의 세계 전동차량 보유 점유율 예측 데이터’를 [그림 10]에 나타냈다. 이에 따르면 현재의 자동차 보유대수는 10억 대로, 25년 후에는 16억 대로 늘어나고, 그 내역과 관련해서는 HEV와 PHEV의 증대가 선행, 조금 뒤늦게 EV, FCEV의 확대를 예측하고 있다. EV의 보급에서는 파리(직경 50km)와 같이 충전 인프라를 도시계획과 한 세트로 생각하여 ▲지자체의 지원 ▲전자결제시스템 ▲채산 ▲사용자 눈높이(매력) 등 시사하는 바가 크다. [그림 10]은 보유대수를 나타내며, 신(新) 생산차로는 각 전동차량이 약 10년간 시장에 도입될 예정이다. 와이어리스 급전 시스템의 개발 국내외 급속충전기, AC 보통충전기의 설치 및 표준화의 목표가 수립되어 향후는 와이어리스 급전 시스템의 기술개발 및 국제 표준화 활동이 주목되고 있다. 일본 국내에서는 자동차 기술회, JARI(Japan Automobile Research Institute: 일본자동차연구소), BWF(Broadband Wire-Less Forum)가 중심이 되어 국제표준화를 위한 대책을 추진하고 있다. 현재, 정지중 급전과 주행중 급전의 양자간 개발이 진행되고 있다([그림 11] 참조). V2H의 진전 3.11 동일본 대지진 시 EV(전기자동차) 및 HEV(하이브리드카) 전원으로부터의 전기가 피재지에서 매우 큰 활약을 해 이후 각 자동차 회사는 비상시 외부전력공급을 고려한 전동차량의 개발에 들어갔다. 이를 계기로 일본은 세계에 앞서 V2H(자동차에서 집으로 전력을 송전)의 개발이 급속도로 이루어졌다. 미래에는 「자동차」와 「집」뿐만 아니라, 「스마트미터」나 「전력 네트워크」와도 연계하여 지속 가능한 토탈 에너지 시스템을 구축함으로써 차세대 전동차량이 가진 높은 잠재력과 성능을 이끌어내게 된다. 50년 후의 자동차 자동차의 본질인 「Door to Door Mobility + Fun to Drive」는 50년 후에도 변하지 않을 것으로 보인다. 앞으로는 초소형 퍼스널 EV와 자동운전이 보급되면서 「Point to Point Mobility + Fun to Ride」의 자동차도 등장할 것이다. 향후 파워 일렉트로닉스의 혁신(SiC, GaN의 실용화) 및 재료혁신(탄소섬유)에 의해 소형·경량화가 진전되고 Li전지 및 신규전지의 개발이 순조롭게 진행되면서 자동차의 형태는 세계적 흐름(니즈)에 발맞춰 다음의 4가지 양상을 띨 것으로 보인다. 1) 하이브리드차→플러그인 하이브리드차(Li전지) →레인지 익스텐더차(Range Extender車)(포스트 Li전지) 2) 전기자동차→인프라 협조EV(와이어리스, 커패시터, 주행충전, 초소형 퍼스널EV) 3) 기존차→에너지 절약차(아이들 스톱차, 감속회생차) 4) 연료전지차→대형차·장거리 수송차→소형차로 보급(C에서 H로 전환) < Energy News >