글로벌 인사이트


모빌리티, 자율주행, 전동화 등 자동차 관련 글로벌 정보를 제공합니다


국내 자동차 LCA 온실가스 배출량 분석

한국자동차공학회
2021-05-20
조회수 1578

근 도로 수송 부문에서는 바이오, 전기, 수소 연료 등 기존의 화석 연료 기반 연료를 대체하는 새로운 연료원들이 도입되고 있고, 이를 활용하는 자동차 파워트레인의 변화도 동시에 일어나고 있다. 이러한 새로운 연료 및 파워트레인을 활용하는 자동차의 경우, 연료의 생산, 공급 방식이나 실제 차량에서 사용되는 에너지 변환 방식이 기존 연료 및 내연기관을 위주로 하는 자동차들과는 큰 차이가 있다 보니, 기존처럼 차량 수준에서만의 에너지 전환 효율(혹은 연비)이나 배출물 특성을 평가하는 것은 적절치 않다는 지적들이 있어 왔다.


이에 따라, 이러한 차이를 총괄적으로 감안하여 비교를 수행하기 위한 Life Cycle Assessment(LCA) 적용을 제시하였으며, 이를 통해 정부, 기업체, 유관기관 등 이해 당사자들이 동의할 수 있는 분석 범위를 지정하고 이에 근거하여 다양한 연료와 파워트레인 기술들에 대한 평가를 수행해 왔다. 현재 가장 주요하게 받아들여지고 광범위하게 사용되는 분석 범위는 Well-to-wheel로 일컬어지는 Fuel cycle과 자동차 제품과 관련된 Vehicle cycle이다.



첫번째로, Fuel cycle의 경우에는 위에 언급된 다양한 연료들의 상이함을 극복하기 위한 분석 범위로 이해할 수 있다. 이는 대상으로 하는 자동차 연료의 생산을 위한 원료의 추출, 수송, 연료 생산 과정과 생산된 연료의 운송, 충전 그리고 최종적으로 자동차에서의 사용까지를 분석 범위로 하고 있다. <그림 1>에는 원유를 기반으로 하는 연료(예: 휘발유)를 사용하는 일반적인 현행 내연기관 자동차의 Fuel cycle과 이와 비교를 위해 전기자동차의 Fuel cycle을 같이 표기하였다. 전자의 경우, 원유 산지에서 원유를 추출(Crude recovery)하고 이를 유조선을 통해 국내로 수입(Crude import)하고, 국내 정유 공장에서 휘발유를 생산(Refining)하고, 저유소 등을 거쳐서 전국 각지의 주유소로 분배 및 차량에 충전하는 과정(Storage & distribution)을 거쳐, 최종적으로 이러한 연료를 내연기관에서 활용하여 차량을 구동(Vehicle operation)하는 과정을 포함한다. 후자의 경우, 전기를 발전하기 위해 필요한 원료에 대해 원유와 비슷한 절차를 거쳐서 국내 발전소까지 공급하는 과정(통칭해서 Upstream 과정)이 있고, 이를 활용하여 전기를 생산(Electricity generation)하고 송배전을 통해 각급 충전소에서 차량에 충전(Transmission & distribution & battery charging)하는 과정, 최종적으로 전기자동차의 구동이 이뤄지는 과정(Vehicle operation)을 포함한다. 이런 방식으로 연료의 생산 및 수급과 직접적으로 관련된 과정들만을 분석 범위로 한정(Fuel cycle)하고 분석을 수행하는 것을 Well-to-Wheel(WTW) 분석이라고 한다.


둘째로, Vehicle cycle의 경우에는 파워트레인 기술 간의 상이함으로 인한 차량 구성의 차이를 감안하여 분석을 수행하기 위한 분석 범위로 이해할 수 있다. 이는 자동차 제품을 만들기 위해 필요한 원료의 추출, 수송, 가공, 부품 생산 및 자동차 조립을 포함하며, 자동차의 운행(Vehicle operation) 단계에서는 타이어, 윤활유 등의 운행과 관련된 부품 등에 대해 고려하고, 마지막 과정인 자동차의 폐기 및 일부 부품 및 재료들의 재활용 과정을 포함한다. 결과적으로, Fuel cycle과 Vehicle cycle을 위와 같은 범위로 설정하여 LCA를 수행함으로써 각각 연료의 상이함과 파워트레인 기술의 상이함을 포괄적으로 고려하여 객관적인 비교를 가능하게 한다.


본고에서 제시된 연구 결과는 미국 아르곤 국가연구소의 GREET 모델을 기본 툴로써 활용하였으며, 국내 상황을 고려하여 유관 기관과의 협조, 국내 온실가스 DB, 참고 문헌 등을 통해 축적된 국내외 데이터베이스에 근거하여 한국에 특화된 상황에서의 LCA 분석값을 도출하고 있다. 다양한 평가 대상 인자 중에서 현재 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 온실가스 배출량 결과를 제시하였다. 온실가스의 범위는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)로 한정하고, 이들에 대해 Global warming potential(GWP)을 적용(각각 1, 25, 298)하여 이산화탄소 총량으로 환산하여 온실가스 배출량 총합을 표기하였다.


전기자동차의 연료가 되는 전기 생산에 대한 이해를 위해 국내 전기 발전 상황에 대해 분석하였다. <그림 2>의 우상단의 파이 차트에는 2017년 연간 실제 발전량 기준으로 계산된 국내 전기 발전 믹스를 표기하였다. 석탄 화력, 원자력, 천연가스 화력 순으로 발전량이 많았으며, 이 세가지 모드가 전체 발전량의 94% 가량을 차지하고 있다. 2017년 실운전 기준으로, 천연가스 화력 발전의 경우 대부분 복합 화력 발전 기술을 활용하고 있으며 연평균 발전 효율이 45%가 넘는 높은 수준을 달성하고 있다. 총 발전량의 40%를 담당하고 있는 석탄 화력의 경우 주로 스팀 터빈 발전에만 의존을 하기 때문에 발전 효율은 상대적으로 낮은 수준인 36.6% 정도를 달성하고 있으며, 동시에 연료의 발열량당 탄소 함량이 높기 때문에 같은 전력 생산량 당 이산화탄소 배출이 많을 것으로 예상할 수 있다. 신재생(Renewables) 발전의 경우 국내 발전원 분류 체계상 부생 가스(By-product gas)에 의한 화력 발전을 포함하고 있고, 일반적으로 고려되는 신재생 발전인 태양광, 수력, 풍력 발전의 경우는 총 3% 수준이다. 참고로 전기자동차의 Fuel cycle을 계산할 때는 한국전력에서 공시하는 송배전 손실 3.57%를 고려하고 있다.


수소전기자동차의 경우에는 2018년 기준으로 국내에 총 861대가 등록되었으며, 이를 지원하기 위한 전국의 충전소는 총 10개소가 운영중이다. 개별 충전소가 공급받는 수소의 생산 방식도 같이 보고가 되어 있으며, 2018년 기준으로는 대부분(97% 가량)이 석유화학 단지에서 생산되는 부생 수소를 활용해서 추가적으로 순도를 높여 공급하는 형태를 취하고 있다.



<그림 3>에는 Fuel cycle(혹은 Well-to-wheel) 온실가스 배출량 분석 결과를 나타내었다. ICEV(내연기관 자동차), HEV(하이브리드 자동차), BEV(전기자동차), FCEV(수소전기자동차) 각각에 대해서 결과값을 나타내었으며, 세로축은 앞서 언급한 대로 GWP를 통해 메탄과 아산화질소를 이산화탄소로 환산하여 Fuel cycle에서의 총 온실가스 배출량을 이산화탄소 총량(CO2-equivalent)값으로 나타내었다. 분석에 사용된 차량은 2019년 국내에 판매된 전체 승용 차량을 대상으로 하고 있으며 이는 일반 세단 뿐만 아니라 다목적 자동차(SUV)를 같이 포함하고 있다. 이들 전체 승용 차량을 특정 연료-파워트레인 조합으로 분류하여 각 조합별 개별 차량들이 실제 판매된 수량에 근거하여 가중 평균된 형태로 해당 조합의 연비를 도출하여 Vehicle operation(차량 운행)에서의 온실가스 배출량을 계산하였다.


그래프 내에 노란색 점으로 표시된 부분은 2019년에 판매된 준중형급 승용차량 중에 각 연료-파워트레인 조합에서 연비가 가장 좋았던 특정 모델을 대상으로 분석한 결과값이며, 이를 통해 해당 시기에 특정 연료-파워트레인 조합이 취할 수 있는 최소 Fuel cycle 온실가스 배출량이라고 이해할 수 있다.


특히 전기자동차의 경우 크게 세 가지 분류로 나타내었는데, 첫 번째는 앞서 언급되었던 국내 발전 믹스에 근거한 분석 결과(Korea Mainland Avg)이고, 남은 둘은 주요 화력 발전원인 석탄 화력 발전만 고려(Coal)해서 전기자동차의 Fuel cycle 배출량을 계산했을 경우와 천연가스 화력 발전만 고려(Natural Gas)했을 경우를 상정하여 계산한 결과이다. 수소전기자동차의 경우에도 2018년 현재 국내 충전소 수소 공급 현황에 근거한 국내 자동차용 수소 생산 믹스(Korea Prod. Avg)와 두 가지 주요 수소 생산 방식인 석유화학단지 부생 수소(NCC)와 천연가스를 이용한 추출 수소(SMR)를 고려하였을 때의 Fuel cycle 배출량을 별도로 표기하여 비교할 수 있도록 하였다. 이와 같은 비교 결과를 통해 다양한 논의가 가능하겠지만, 각 파워트레인별로 중점적인 사항들 몇 가지만을 아래에 정리하였다.


가장 주요한 판매 비율을 차지하고 있는 내연기관 자동차의 경우에는 휘발유 자동차와 경유 자동차 평균 차량의 배출량이 비슷하게 나타나고 있다. 이는 동급에서는 경유 차량이 일반적으로 연비가 높기 때문에 온실가스 배출량이 적게 나타나야 하지만, 국내 승용 차량의 평균적인 판매 비중을 보면 경유 차량은 상대적으로 다목적 자동차와 같이 무거운 차량이 많이 판매되기 때문에 평균 차량을 이용한 온실가스 배출량이 상대적으로 많이 나오고 있다. 이는 준중형 최고 연비 차량(노란점)을 비교해 보면 확실히 경유 차량이 동급 휘발유 차량에 비해 Fuel cycle 온실가스 배출량이 적음을 알 수 있다. 더불어 하이브리드 자동차의 경우, 내연기관 자동차의 전동화를 통해서 Fuel cycle 온실가스 감축을 매우 크게 달성할 수 있음을 보여주고 있다. 특히 최고 연비 차량을 비교할 경우 전기자동차에 비해서도 Fuel cycle 배출량 측면에서 약 20g-CO2-eq./km 차이 정도로 근접한 것을 볼 수 있다.


전기자동차의 경우에는 동급(노란점 기준) 내연기관 대비 50~60% 수준의 Fuel cycle(혹은 Well-to-wheel) 온실가스 배출량을 달성하고 있다. 이는 다음과 같이 발전 믹스 관점에서 이해할 수 있다.


우선, 실 발전량의 40%를 차지하고 있는 석탄 화력으로 발전된 전기를 활용하는 경우에는 <그림 3>에서 알 수 있듯이 동급 기준 경유 차량과 비슷한 수준의 Fuel cycle 온실 가스가 배출되고 있다. 다만 고효율 발전이 가능한 천연가스 화력 발전에 의한 전기자동차의 구동은 100 g-CO2-eq./km 수준의 낮은 Fuel cycle 배출량을 가능하게 하고 있으며, 이 그래프에는 포함되어 있지 않지만 원자력 발전의 경우 실질적으로 온실가스 배출량이 거의 없는 상황이기 때문에, 이들의 조합을 통해 국내 발전 믹스 평균에 의한 값이 도출된다. 결국, 전기자동차의 Fuel cycle 온실가스 배출량은 발전 믹스에 의해 크게 좌우되며, 앞으로 국내 전력 믹스의 변화에 따라 큰 영향을 받게 될 것이다.


참고로 현재 전력수급 계획에 의거해서 원자력 발전량을 줄이고 신재생 에너지 발전량을 늘리는 정책은, 온실가스 측면에서는 전기자동차의 Fuel cycle 배출량에 있어서 크게 영향을 주지 못하며, 다만 석탄 화력 발전을 줄이고 천연가스 화력 발전을 늘리는 부분은 전기자동차의 LCA 배출량에 있어서 긍정적으로 영향을 미치게 될 것이다.


마지막으로 수소전기자동차의 경우, 현재 수소 생산 믹스는 대부분 석유화학 부생 수소에 의존하기 때문에 이 두 결과값은 거의 차이가 없으며, Fuel cycle 온실가스 배출량 측면에서는 다른 연료 및 파워트레인 조합들에 비해 매우 낮은 수준으로 평가된다. 다만 이러한 부생 수소의 공급과 관련해서는 수소전기자동차 보급이 늘어나게 될 경우에 유통 한계가 있는 것으로 파악되고 있으며, 우리나라 수소경제 로드맵에서도 이를 극복하기 위해 최종적으로 그린 수소(신재생 에너지 발전 전기를 이용한 전기 분해에서 생산된 수소)로 가는 중간적인 수소 생산 경로로 천연가스를 활용한 추출 수소가 언급되고 있다. 하지만 이렇게 추출 수소를 이용할 경우에는 <그림 3>의 마지막 그래프에 분석된 것처럼, 현행 하이브리드 자동차보다 Fuel cycle 온실가스 배출량 측면에서 장점이 없는 것으로 평가되었다. 이러한 측면은 앞으로 수소전기자동차가 보급됨에 있어서 유의미한 온실가스 감축을 위해서는 수소 생산 측면에서의 그린화가 동시에 진행이 되어야 한다는 점을 시사하고 있다.



앞서 논의된 Fuel cycle과 Vehicle cycle 결과를 종합하여 <그림 4>와 같이 국내 특정 차종들에 대한 통합적인 LCA 온실가스 배출량 결과를 도출하였다. 비교를 위해 선정된 차량들은 준중형 세단과 중형 SUV로 나눠 볼 수 있으며, 장거리 주행이 가능한 전기자동차도 비교하기 위해 준중형 SUV인 코나BEV를 포함하였다.


첫째로 준중형 차량들을 비교할 경우, 가장 눈에 띄는 부분은 Vehicle cycle을 추가적으로 고려함으로 인해서 Fuel cycle에서 이미 적게 나타났던 하이브리드 자동차와 전기자동차의 LCA 온실가스 배출량이 오차 범위 안에서 거의 차이가 없게 나타난 점이다. 특히 주행 거리가 상대적으로 긴 코나BEV의 경우에는 오히려 동급의 아이오닉 하이브리드 자동차보다 종합적인 온실가스 배출량이 오차 범위 안에서 조금 더 크게 나타나고 있다. 앞으로 국내 발전 믹스가 지속적인 신재생 에너지 발전의 확대 등을 통해 온실가스 감축량을 줄이기 위한 노력을 하겠지만, 실질적으로 이러한 변화가 빠른 시간에 일어나기에는 어려움이 있을 수 밖에 없다는 점을 감안할 때, 내연기관 효율 향상이나 전동화 아키텍처의 기술 개발을 통해 하이브리드 자동차 기술을 지속적으로 발전시켜 나간다면 실질적이고 중단기적인 온실가스 감축과 자동차 관련 산업의 안정적인 변화에 일조할 수 있을 것으로 사료된다.


둘째로 중형 SUV 차량들에 대한 비교 결과를 보면, LCA 온실가스 배출량 측면에서는 전기자동차의 보급이 오히려 역효과를 줄 수 있음을 파악할 수 있다. 물론 이 경우에, 2019년 현재 국내에서 시판되는 중형 SUV 전기자동차 모델이 거의 없기 때문에 현재 비교되고 있는 특정 모델의 결과에만 근거해서 일반화를 시키지는 말아야 한다. 그럼에도 불구하고, 운행 특성상 중형 SUV는 주행 거리에 민감한 차급이고, 이미 차체가 큰 상황에서 충분한 주행 거리 확보를 위해 많은 양의 배터리 무게까지 더해짐으로써 연비가 떨어지고 이 때문에 더욱 큰 배터리 용량을 필요로 하는 악순환이 어느 정도 일어날 수 있다는 건 논리적으로 추론이 가능하다. 다만 앞서 언급했듯이, 조만간 출시될 다양한 중형 SUV 전기자동차의 스펙 등이 공개되었을 때 추가적인 비교를 수행할 필요가 있다.


마지막으로 수소전기자동차의 경우, 앞선 Fuel cycle 결과에서 논의가 되었듯이 현행의 부생 수소를 활용하는 전략은 LCA 온실가스 배출량 측면에서 매우 긍정적인 결과를 도출하고 있지만, 앞으로 보급 확대에 따라 추출 수소의 사용이 많아질 경우 최종적인 결론이 뒤바뀔 수 있음을 인지하고, 그린 수소의 적극적인 도입 등 수소 생산 방법에서의 에너지 사용량 및 온실가스 저감을 위한 노력이 필요할 것으로 생각된다.


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2021년 5월호


주소: (03157) 서울특별시 종로구 종로 19, 9층 914호(종로1가, 르메이에르 종로타운)
이메일: kaja@kaja.org 
Copyright 2019 KAJA(한국자동차기자협회). All rights reserved