이는 전 세계 자동차 업계가 필연적으로 환경친화적인 자동차를 만들어내지 못하면 시장의 무한 경쟁에서 살아 남기 어렵기 때문이다. 이미 유럽을 중심으로 친환경 자동차의 판매가 급격하게 늘고 있는 시점이며 선진국의 자동차 메이커들은 오래 전부터 앞다투어 친환경 자동차 연구 개발에 박차를 가하여 왔다.
우리나라는 현대자동차가 친환경 자동차를 ’10년부터 대량생산 한다고는 하지만 아직 국내 자동차 업계에서는 친환경차량에 대한 산업계의 인식과 준비가 미비한 것이 현실로, 본지는 친환경자동차의 개념과 세계적 동향, 국내 실정과 우리가 나아가야 할 방향을 모색코자 한다.
친환경 자동차란?
보통 친환경 자동차라고 하면 대다수 사람들이 화석연료를 쓰지 않거나 연비를 개선해 연료를 적게 씀으로 환경오염을 최소화하는 자동차라고 생각하지만, 앞으로 수십 년 안에 고갈될 것으로 예상되는 석유원료가 아닌 신 에너지와 친환경 소재 개발로 환경 친하적인 형태의 모델 개발을 통해 만들어지는 자동차를 친환경 자동차로 불리우게 될 전망이다.
영국의 에너지자원연구소는 얼마 전 1980년부터 ’06년까지 26년간 세계의 에너지 소비량이 약 38%증가했으며 ’20년까지 50% 이상이 증가할 것 이라는 예상을 내 놓았다.
이러한 급격한 에너지 소비 증가는 중국과 인도의 빠른 경제성장에 의한 것으로 특히 자동차대수가 폭발적으로 늘어나고 있는 한 이유를 들어 석유의 소비 증가 속도가 그 어떤 시기보다 빠를 것이라는 분석을 했다.
산업화가 진행된 이후 많은 수의 기계장치들이 환경에 피해를 주지 않는 전기모터 방식으로 진행해 왔지만 자동차가 운행된 지 100여 년이 지난 현재까지 전적으로 화석연료인 석유에 의존하고 있어 지구온난화를 가속시키는 주 원인으로 꼽히고 있다.
세계 경제 블룩인 인디아, 브릭스의 지속되는 산업 가속화와 인구 증가로 인한 화석연료 사용량(석유)증가, 후발 경제 도상국들의 산업화는 물류 수송의 수단으로 자동차의 역할은 빼 놓을수 없는 사항임을 볼 때 자동차의 수요는 폭발적으로 늘 것으로 보이며, 배출가스 증가와 석유 자원의 고갈을 앞당길 것으로 본다. 아울러 앞으로 인류가 40여년간 정도의 쓸 분량 밖에 남아 있지 않아 에너지 위기와 환경오염을 가중시킬 것으로 본다
이에 친환경 자동차 제조회사들은 공해배출량 감소와 대체에너지 개발이라는 큰 목표를 가지고 있다. 공해배출량 감소는 현재 이산화탄소의 배출을 줄이는 것이 핵심이며 대체에너지는 화석연료처럼 한번 사용하면 재생산 되지 않는 자원이 아니라 재생산이 가능한 자원을 개발 하는데 역점을 두어 노력하고 있다.
이러한 이유로 친환경자동차를 만들려는 노력은 벌써 10년이상 계속돼 왔으며, 자동차회사들은 기존 내연기관을 개선해 적은 양의 연료로 장거리를 운행할 수 있는 고효율차량의 개발과 보급을 확대하고 새로운 에너지를 사용하는 친환경 동력시스템을 개발하기 위해 노력하고 있다.
친환경적 하이브리드 방식
자동차 사용 중에 대도시지역의 환경에 가장 큰 영향을 미치는 공해물질은 오존, 질소산화물, 입자상물질 등이다. 질소산화물은 도시 스모그, 입자상물질은 호흡기질환의 원인이 되는데 주로 경유자동차에서 배출된다. 지구환경에 미치는 오염물질은 지구온난화의 원인이 되는 온실가스들이다. 이중에서도 가장 문제가 되는 것은 이산화탄소인데 이는 휘발유자동차가 경유자동차보다 훨씬 더 많이 내뿜는다.
따라서 기존의 연료를 사용한다고 가정하면, 대도시오염물질이 적은 속성을 가진 휘발유자동차의 온실가스 배출을 감소시킨 자동차와 온실가스 배출이 적은 속성을 가진 경유자동차의 대도시오염물질 배출을 감소시킨 자동차가 친환경자동차가 될 수 있을 것이다. 일본은 하이브리드라는 개념으로 휘발유의 온실가스 배출을 줄이는 방법을 택했다.
이 방법은 사멸되는 에너지를 회수하여 사용함으로써 연비를 높이는 방식인데 연비가 높아지면 배출가스도 줄어들기 때문에 친환경 속성을 갖게 된다.
하이브리드란 ‘합성’ 또는 ‘혼혈’이라는 의미를 지닌 단어로, 좁은 의미의 하이브리드자동차는 가솔린엔진, 디젤엔진 등의 내연기관과 전기모터를 조합해 구성된 동력전달계를 가진 자동차를 의미한다. 하이브리드자동차는 1997년에 도요타가 프리우스 모델로 상용화에 성공하고, 혼다도 독자적인 기술로 가솔린 하이브리드자동차를 실용화한 것을 계기로 가장 먼저 현실적인 경쟁력을 갖춘 친환경자동차 기술로 평가받기도 한다. 도요타는 ’10년 까지 100만대 판매를 목표로 하고 있다.
하이브리드자동차는 처음 출발할 때는 전기모터를 사용하고 가속할 때 휘발유엔진을 사용한다. 정속주행시나 감속시에 남는 에너지는 전지를 충전하는데 사용한다. 또 제동에너지도 회수하여 충전에 사용한다. 이렇게 모아진 전기는 더 많은 동력을 필요로 할 때 보조용 전기모터를 돌리는데 사용한다. 정차시에는 엔진과 모터가 모두 정지된다. 따라서 연비가 크게 개선된다. 주행 정숙성도 크게 좋아진다.
그러나 두 가지 동력원을 사용하기 때문에 차량 가격도 비싸지지만 동시에 자동차 구조가 매우 복잡해져 정비성도 크게 나빠진다. 사고가 났을 때 수리하기도 어렵고 수리비용도 크게 증가할 수밖에 없다. 무엇보다 화석연료를 사용하기 때문에 장기적으로 볼 때 대안이 될 수 없다는 견해가 많다.
한편 도요타와 혼다가 하이브리드자동차의 판매에서 상당한 성과를 거두자 그 동안 도요타의 하이브리드를 라이센스 방식으로 생산하던 닛산과 포드가 최근 독자기술에 의한 하이브리드자동차 개발을 선언하고 나섰다. 닛산과 포드의 독자개발 선언에서 2가지 의미를 찾을 수 있다. 첫째는 도요타 자신도 하이브리드용 부품을 아직 완벽하게 대량생산하지 못하고 있어서 닛산과 포드에 부품을 원활하게 공급해주지 못하고 잇다는 점이다. 둘째는 하이브리드기술이 원래 전기자동차에 대한 연구과정에 얻은 부산물이라고 보면 하이브리드 역시 최종목표가 아니다. 전기자동차나 연료전지자동차라는 최종목표의 중간단계로 하이브리드 기술의 확보가 필수적이어서 독자기술에 의한 하이브리드 개발이 필요하다는 점이다. GM, DCX, 그리고 BMW도 하이브리드 공동개발을 선언했다.
도요타는 모든 자동차가 궁극적인 친환경차로 가는 길목을 하이브리드 기술이 장악하게 하려고 시도하고 있다. 이 말은 결국 도요타도 하이브리드를 결코 최종 대안으로 생각하지 않는다는 것을 의미하며 다양한 임시 대안 중 하나라는 점을 보여준다.
임시 대안이 될 수밖에 없는 이유는 다른 대안들에 비해 여러 측면에서 볼 때 절대 우위를 갖지는 않기 때문이다. 벤츠는 ’05년 초에 미국 동해안에서 서해안까지 도요타 렉서스의 휘발유 하이브리드 모델인 RX400h와 디젤모델인 벤츠 ML320CDI로 장거리 비교테스트를 하게 해 ML이 RX보다 총 평균 연비에서 100km당 1리터의 이점이 있다는 결과를 얻었다. 연비가 좋으면 공해 배출량도 적은데 하이브리드라는 복잡하고 비싼 자동차로도 단순한 디젤자동차보다 연비가 나쁜 것으로 나타나 업계에 충격을 안겨줬다.
수소연요전지방식
수소에너지는 수소를 직접 연료로 사용하는 방법과 연료전지에 사용하는 방법이 있다. 연료전지는 연료에 산화제를 섞고 촉매를 통해 전기화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 장치이다. 이때 연료로 수소를 사용하면 수소연료전지가 되는 것이며, 이 전기로 자동차를 굴리면 수소연료전지자동차(FCV)가 된다. 그러니까 FCV도 전기자동차(EV)의 일종이다.
현재 수소에너지를 사용하는 자동차로는 BMW가 1979년에 최초로 개발한 액체수소와 휘발유의 연료겸용 방식에 의해 수소를 직접 연료로 사용하는 수소엔진자동차가 있다. 또 벤츠가 1994년 NECAR1(New Electric Car)이라고 하는 이름으로 처음 주행시키면서부터 널리 알려졌고 현재 NECAR5에 이르기까지 개발을 선도하고 있는 FCV가 있다.
FCV는 EV의 배터리가 갖는 문제점을 극복하는 과정에서 나온 것이다. 사실 EV는 배터리문제만 극복되면 세상에서 가장 완벽한 자동차이다.
배터리문제란 가볍고, 부피가 작고, 반영구적이며 값이 싼 배터리를 만들어야 한다는 것이다. 여기에 무엇보다 충전시간이 짧아야 한다. FCV는 EV의 배터리 충전문제를 해결하기 위해 수소만 공급해 주면 계속 전기가 생산되는 연료전지를 사용한다. 말은 간단하지만 이렇게 바꾸기 위해서는 많은 부분이 달라져야 한다. EV에는 필요 없는 연료저장용기, 연료공급 및 제어장치, 연료전지스택 제어 및 조절장치 등이 추가로 필요하다.
결국 EV와 달리 현재의 내연기관자동차처럼 복잡한 장치에 연료전지까지 추가되는 매우 비효율적인 시스템이 되 버린다. 그래서 현재는 버스나 SUV에만 적용하고 있는 것이다.
수소경제라는 용어의 의미는 현재의 문명이 상당부분 석유에 기반을 두고 있는데, 이를 수소로 대체하여 수소기반의 문명을 건설하자는 것이라고 이해할 수 있다. 그러나 천연수소는 천연가스에 조금 포함되어 있을 뿐 자연에는 대체에너지 자원으로 사용할 만큼 존재하지 않는다. 물론 물을 전기분해하면 필요한 양만큼 얻을 수 있지만 그 때 얻은 수소의 에너지는 물을 만드는데 필요한 전력보다 적다. 또 전력을 얻는 과정에 CO₂를 발생시킨다. 따라서 천연가스나 나프타로부터 제조하는 게 현재까지의 현실이다. 그런데 천연가스에서 수소를 제조하면 수소연료 1kcal당 0.39g의 CO₂를 발생시킨다. 천연가스를 직접 태웠을 때의 CO₂발생량 0.23g/kcal 보다 오히려 많다. 물론 수소를 연료전지차에 사용할 경우 전지의 효율이 높아 주행거리당 총 CO₂발생량은 천연가스자동차보다 낮아질 것으로 기대할 수 있지만 CO₂발생이 크게 줄어드는 것은 아니다. 수소를 직접 연료로 사용하면 배기가스에 NOx가 포함되고 효율이 휘발유차와 같아지기 때문에 합리적이지 않다. 따라서 수소가 확실한 대체에너지가 되려면 CO₂의 발생이 적은 바이오매스 가스로부터 추출하거나 CO₂발생이나 다른 문제가 적은 에너지원(자연에너지)을 사용한 물분해로 수소를 제조해야 할 것이다. 물분해 방법은 EV와 다시 효율성문제로 경쟁해야 한다. 그래서 현 단계에서 수소연료전지차나 수소엔진차는 그 자체의 어려움보다 오히려 합리적인 가격으로 대량의 수소를 얻는 기술의 장벽이 더 큰 문제로 보인다.
수소 생산의 경제성이 해결되어도 수소보급을 위한 충전소설치가 또 문제이다. 수소는 지구상에서 가장 가볍고 끊는 점이 영하 260도일 정도로 불안정한 기체이다. 따라서 매우 안전한 수송시스템을 만들어야 하며, 일단 충전소에 공급된 수소를 저장하는데도 높은 비용과 위험을 동반하게 된다. 충전소에서 개별적으로 유휴전력으로 수소를 생산하면 수송의 문제는 생기지 않으나 저장과 자동차 충전을 위해 가압장치가 필요한데 가압비용만으로도 상상할 수 없는 비용이 발생한다.
따라서 수소경제 혹은 FCV는 여전히 가능성을 탐색하는 수준에 머물러 있는 아주 장기적인 과제로 현재 시점에서는 상용화와 거리가 먼 기술이라고 할 수 있다.
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