일반적으로 배기가스는 내연기관이 배출하는 기체, 즉 이산화탄소·일산화탄소·탄화수소·황산화물·황화수소·질소산화물·암모니아·오존·옥시던트 등을 말한다. 내연기관은 밀폐된 실린더 속에 연료와 공기의 혼합기를 가두고, 압축·점화하여 연료 속의 탄소를 급속히 연소시킨다. 연소 후 가스는 외부로 배출하고, 다시 신선한 혼합기를 흡입하는데, 이 외부로 버리는 기체가 배기가스이다. 배기가스가 줄어든다고 해서 완전 없어 지는 것은 아니다. 소량이나마 계속 배출 된다면 증가하는 자동차의 수치에 따라 결국 오염을 줄이고자 하는 노력에도 불구하고 오염원은 계속 발생되는 것이다. 그래서 세계 각국에서는 현재의 자동차 엔진을 대체할 새로운 엔진과 동력원 개발에 열을 올리고 있다. 친환경 자동차의 개발은 기업의 이득 차원을 넘어서 인류의 생존권에 직결된 문제이기 때문이다.
우리나라는 미국, 일본, 독일, 중국, 프랑스 에 이어 세계에서 6번째로 자동차 생산이 많은 나라이다. 그 만큼 세계적으로 자동차 분야에서 입지도 높고 그 에 따른 환경적 책임도 크다. 그렇다면 현재 우리나라의 친환경기술은 어느정도일까? 친환경 자동차를 표방하며 출시된 국내 하이브리카에 대한 현주소를 되집어보고 그에 따른 문제와 해결책을 고민해 보고자 한다.
하이브리드카란?
일반적으로 우리는 친환경이라고 하면 배기가스를 전혀 내뿜지 않는 자동차를 생각한다. 하지만 아직까지 그런 차를 만들기에 기술이 부족한 것이 사실이다. 그런 류의 차를 내일의 친환경 차량이라 한다면 이 하이브리드 자동차는 오늘의 친환경 차량이라고 할 수 있다. 하이브리드 자동차란 내연 엔진과 전기자동차의 배터리 엔진을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 획기적으로 줄여 공기의 저항을 최소화하는 등 기존의 일반 차량에 비해 연비 및 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 자동차를 말한다. 많을 경우 유해가스를 기존의 차량보다 90% 이상 줄일 수 있고, 대도시의 공기와 주변 환경을 개선할 수 있으며, 교통통제·도로계획 등과도 잘 맞기 때문에 환경자동차로도 부른다.
하이브리드 자동차에는 직렬형과 병렬형이 있는데 주로 병렬형 방식이 많이 쓰인다. 우선 시동을 걸면 엔진은 작동하지 않은 채 배터리에 연결된 전기모터가 돌아간다. 약 시속 30km 이하의 저속 주행에서도 여전히 엔진은 가동되지 않고, 배터리에 의존하는 전기모터만으로 차는 움직인다. 폐단을 밟아 속도를 올리면 드디어 엔진의 내연기관이 폭발을 시작하고 주 동력장치로써 역할을 한다. 이 때 전기모터는 보조 동력장치로 전환돼 엔진의 출력을 더하
거나 추가 동력을 전달하는 데 사용된다. 제조사마다 다르지만 고속에서는 엔진과 전기모터의 활용비율이 7대3, 8대2 정도를 보이고 있다. 엑셀레이터에서 발을 떼 가속을 멈추면 달리던 힘에 의해 전기모터가 돌아가고, 여기서 발생한 공짜 배터리에 저장돼 나중에 다시 동력원으로 쓰이게 된다. 차가 신호대기 등으로 정차하게 되면 기존 차들은 계속 엔진이 돌아가 쓸데 없이 연료를 낭비하게 되지만, 하이브리드카는 엔진과 모터 모두 가동을 중단한다. 전혀 에너지를 낭비하지 않게 되는 것입니다. 이어 다시 시동을 걸지 않고도 폐단을 밟으면 차는 같은 방식으로 주행하게 된다. 이런 방식으로 하이브리드카는 연비를 리터당 최대30~40km 수준로 올릴 수 있어 기존 차량보다 3~4배 높은 효율성을 지니게 되고, 배출가스
도 30% 이상 줄일 수 있게 되는 것이다.
외국의 하이브리드 자동차 개발 및 생산 동향
일본 도요타의 프리우스(Prius)와 혼다의 인사이트(Insight)가 대표적인 차종으로, 프리우스는 2000년 말 세계 최초로 양산화에성공했다. 연료 효율이 높고, 가솔린 엔진과 전기 엔진의 장점만을 결합해 운전하면서 도로와 주변 환경에 알맞게 자동으로 가솔린 엔진과 전기 엔진의 변환이 가능하다. 2001년 5월 현재 총 9,000여 대가 판매되었고, 특히 미국의 뉴욕주와 뉴저지주 등이 건설·복지·환경·교통 등과 관련해 공공 기 관들의 공용차량으로 구매하는 등 인기를 끌고 있다.
인사이트는 가솔린 엔진이기는 하지만, 차체를 알루미늄으로 만들어 기존의 차량보다 40% 정도 무게가 가볍고, 세계 최경량인 1리터 린번VTEC1) 엔진을 사용해 공기의 저항을 획기적으로 줄였다. 무급유로 1423.3㎞의 주행기록을 세웠고, 1리터당 32㎞라는 연비 성능을 입증
함으로써 차세대 환경 스포츠카로 자리 잡았다.
국내 LPi 하이브리드카의 생산의 의미와 과제
현대기아차가 7월 8일 아반떼와 포르테의 LPi 하이브리드 출시를 앞 두고 설명회를 가졌다. 현대기아차는 LPi 하이브리드카 개발은 미래의 파워트레인 기술 개발을 위한 사전 포석임을 분명히 했다. 당장에 시장성은 없더라도 친환경차 분야에 독자기술을 확보해 시장 변화에 대응할 필요가 있다는 것이다.
기본 구성은 휘발유 가격의 절반 수준인 LPG 연료를 사용하고 1,600cc 감마 LPi 하이브리드 엔진, 15kW 하이브리드 모터, 무단 변속기(CVT)와 함께 세계 최초로 리튬이온폴리머 배터리를 장착하고 있다. 17.8 km/ℓ의 공인연비를 달성했으며 99g/km이라는 국내 최저 이산
화탄소 배출량으로 전세계 배출가스 규제 중 가장 엄격한 기준으로 꼽히는 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle)을 만족시킨다는게 현대측 주장이다. 이번에 현대기아차가 선 보이는 LPi 하이브리드 자동차는 소위 마일드 하이브리드다. 마일드 하이브리드는 내
연기관 엔진이 주 동력이고 모터는 보조 동력으로 사용되는 시스템을 토요타의 스트롱 또는 풀 하이브리드에 대비되는 표현으로 사용하고 있는 용어다. 이보다도 더 기초적인 것으로는 마이크로 하이브리드가 있다. 이미 BMW를 필두로 채용이 확대되어가고 있는 스톱&고 시스템이 그것이다. 마일드 하이브리드와 스트롱 하이브리드의 가장 큰 차이는 EV모드가 있는가, 즉 전기모터만으로 주행이 가능한가에 있다. 물론 토요타의 스트롱 하이브리드도EV모드
의 주행속도가 30km/h 정도에 지나지 않고 주행거리도 2km 전후에 불과하지만 전기모터가 구동력으로 사용된다는 점에서 그렇게 표현한다. 현재 시판되고 있는 하이브리드카 중 스트롱으로 구분되는 것은 토요타의 THS 시스템밖에 없다. 혼다의 인사이트는 아반떼/포르테 LPi하이브리드와 같은 마일드 하이브리드 시스템이고 GM등은 인휠 모터 방식의 투 모드 시스템을 채용하고 있다. 폭스바겐과 닛산은 병렬형 하이브리드 시스템을 개발해 시판을 앞두고 있다.
BMW나 메르세데스 벤츠, 아우디 등 독일 메이커들이 토요타가 사용하고 있는 하이브리드 시스템 기술이 없어서 개발하지 않는 것은 아니다. 우선은 미래의 파워트레인에 대한 생각이 다르다. 이산화탄소를 저감하는데는 디젤이 월등히 앞선다는 생각 때문이다. 또한 내연기관 기술에 헤게모니를 쥐고 있는 독일 메이커들은 다운사이징, 즉 배기량을 줄이면서도 파워를 늘리고 동시에 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 생각을 갖고 있다.
메르세데스 벤츠는 주로 4리터 이상의 엔진을 탑재해 온 S클래스에 1.8리터 가솔린 엔진을 탑재하려는 연구를 하고 있다. 폭스바겐도 1.4리터 트윈터보로 2리터급 이상의 성능을 추출해 내고 있다. BMW는 직렬 6기통 엔진의 배기량을 3리터로 유지하면서 트윈 터보의 채용으로 성능은 17%, 향상, 이산화탄소 배출은 16%를 저감하는 방식으로 해결해 가고 있다.
토요타는 이산화탄소 배출을 줄이는 것은 독일 메이커들과는 달리 하이브리드가 가장 효율적이라고 주장하고 있다. 특히 최근 3세대 프리우스가 일본에서 폭발적인 수요를 보이면서 그동안 43개국에서 판매하던 것을 80개국으로 늘리면서 세 확장을 시도하고 있다. 현대·기아차가 하이브리드 자동차를 개발할 수밖에 없는 것은 에너지 및 파워 트레인의 다양화와 선진국 시장의 연비 및 이산화탄소 규제 때문이다. 다시 말해 최근 미국 오바마 정부가 발표한 규제 강화안을 달성하기 위해서는, 즉 미국시장에서 자동차를 판매하기 위해서는 연비를
크게 높이고 이산화탄소 배출을 현저히 줄일 수 있는 수단이 필요하다.
그 내막에는 총량연비 규제가 있다. 배기량별 연비를 따지는 것이 아니라 메이커 전체 판매대수의 평균연비를 계산해 규제한다는 것이다. 그래서 하이브리드나 전기자동차를 소량이라도 판매하게 되면 총량연비가 크게 떨어져 원하는 조건을 만족시킬 수 있게 된다. 다임러 그룹의 스마트도 그런 역할을 수행하고 있으며 애스턴 마틴이 토요타의 초소형차 iQ를 OEM으로 납품받고자 하는 것도 같은 의도다. 또 하나는 각 국가별로 다른 에너지 수급 상황 때문이다. 석유를 대신할 수 있는 가능한 모든 에너지를 개발해 사용해야 하는 시대에 각 나라들은 그들이 처한 자연조건과 기술적인 우열에 따라 추구하는 방향이 다르다. 그래서 각 시장에 맞는 파워트레인을 모두 갖추어야만하는 것이 현실이다. 그런 관점에서 LPi하이브리드를 개발한 것은 기술력 축적의 일환이라고 현대·기아측은 주장하고 있다. 다시 말해 가솔린과 디젤, LPG 등 화석연료는 물론이고 수소, 태양열, 원자력, 바이오 등 어떤 에너지를 사용
하더라도 결국은 전기자동차의 형태로 기술이 발전될 것이기 때문에 그 때를 대비해 하이브리드 시스템의 기술은 반드시 독자적으로 확보해야 한다는 것이다.
현대·기아차는 운전 시 구동력을 보조하는 모터, 전기에너지가 저장되는 배터리, 배터리의 고전압을 구동모터로 공급하고 제어하는 인버터, 배터리의 고전압을 차량의 오디오나 헤드램프에 사용할 12V 전원으로 바꿔주는 직류변환장치(컨버터) 등 LPi 하이브리드 4가지 핵심전기동력부품의 독자개발 및 국산화에 성공했다고 밝혔다. 또한 아반떼/포르테 LPi 하이브리드는 기존에 주로 사용되는 알칼리계 니켈수소(Ni-MH) 타입에 비해 가벼울 뿐만 아니라 안전성도 높은 리튬이온폴리머 배터리를 세계 최초로 적용했다. 다양한 파워트레인 기술을 확보해야 한다는 점에서는 충분한 의미가 있다. 다만 왜 LPG 엔진을 베이스로 했는가에 대한 분명한 설명은 해야 할 것 같다.
현대·기아측은 LPG를 청정연료라고 주장하고 있는데 이에 대한 정확한 정의도 필요하다. 현 시점에서 완성차 회사가 LPG 엔진을 탑재한 차량을 생산하고 있는 곳은 우리나라밖에 없다. 다른 나라에서도 LPG차량이 운행되고 있지만 모두 출고 후 개조되어 운행되고 있다. 그만큼 LPG 엔진 기술은 특별할 것이 없다는 얘기다. 동시에 LPG는 태생적으로 열당량이 가솔린의 절반에 불과하고 효율이 낮다. 때문에 이산화탄소 배출량이 동급 가솔린보다 30% 이상 더 배출된다. 때문에 선진 메이커들은 아예 논외로 치고 있는 상황이다. 이번에 현대 기아차가 발표한 이산화탄소 배출량 99g/km의 수치에 대한 검증이 그래서 필요한 것이다.
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