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차량 전동화 시대의 동력 시스템 과제

한국자동차공학회
2021-09-22
조회수 170

동화 차량으로의 전환이 날로 가속화되고 있다. IHS Markit은 2030년 지역별, 차량 동력원별 생산 비중을 <그림 1>과 같이 예측하고 있다.1,2 올해 초에 발표한 예측은 2019년에 발표한 예측에 비해 BEV와 FHEV는 늘었고, ICE와 MHEV는 줄었다. 이는 최근 2년 간의 각 국 정책과 시장의 변화를 반영한 결과로 특히 BEV에 대한 전망은 전 지역 약 2배 가까이 늘어났다. 북미는 다른 지역(유럽, 중국, 한국, 일본)보다 내연기관 차량 생산이 여전히 많지만 향후 전망은 갈수록 줄어들고 있다. 현 시점에서 미국 시장의 규제와 기술 환경에 대해 알아보고, 차량 전동화 시대의 동력 시스템에 요구되는 기술 과제를 살펴보고자 한다.


미국의 배출가스 규제와 과제

“America is back.” 그리고 미국의 배출가스 규제도 돌아왔다. <그림 2>와 같이 이전 트럼프 정부는 오바마 정부의 배출가스 규제 계획을 크게 완화했었다. 강화된 배기규제 대응을 위해 차량 가격이 상승하면 상대적으로 덜 안전하고 배출가스가 더 많은 노후 차량이 도로에 늘어날 것이라는 점을 들어 규제를 완화했다. 바이든 정부는 파리 기후 협약에 재가입하고, 비록 2025년에는 목표 달성을 못하지만 2030년에는 오바마 정부의 원 규제 계획을 달성할 수 있도록 규제 속도를 조정하는 등 기존의 배출가스 규제 정책을 회복하고 있다.



캘리포니아 주 정부는 2035년 이후 ZEV(Zero Emission Vehicle)만 판매하는 행정 명령을 검토 중이다<그림 3>.3 이는 2022년 6월 목표로 준비 중인 Advanced Clean Cars-II(ACC-II) 규제의 주요 내용인데, ZEV 의무 판매 비율을 점진적으로 높여 2035년 이후에는 100% ZEV만 판매하게 한다는 계획이다. ZEV에 포함되는 차량의 종류는 BEV, FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), PHEV로 한정된다. PHEV는 전기차로 50마일 주행 가능해야 하고, US06와 같은 고속 운전 모드를 전기차로 운전 가능해야 하며, 전체 ZEV 판매 비중 20% 이내로 제한된다. 캘리포니아 주 정부의 이러한 규제는 다른 주에서도 채택될 것으로 예상되는데, 이들 지역의 판매 물량은 미국 전체 판매 물량의 24% 이상을 차지한다.



ACC-II 규제는 몇 가지 특징적인 내용을 포함하고 있다. 내연기관 차량에 대해서는 세부 규정을 추가하여 배기 규제를 더욱 강화했다. 차량 평균 배출가스를 산출할 때 전기차를 제외하고 내연기관 차량만 평균하여 규제치를 달성해야 한다. 이는 ZEV 보급에 따른 내연기관 차량의 퇴보를 막는다는 취지이다. 배출가스 저감을 견인하기 위해 배기 규제의 단계를 조정하여 고배출 단계를 삭제하고, 저 배출 단계를 추가하고 세분화했다. 기존의 평가 모드 평균치 규제를 개별 모드별 규제로 변경함으로써 규제치는 바꾸지 않고 규제를 강화하는 효과를 얻었다. 또한 실제 차량의 운전 특성과 배출가스 특성을 분석하여 재시동 시간에 무관하게 규제 만족(현재는 Overnight soaking 후 시동), 시동 후 바로 출발 시 규제 추가(현재 시험 모드는 시동 초기 20초간 아이들 운전), 증발가스 규제 강화(현재 인증 차량 87%가 규제치의 1/5 이하에 있으므로 규제치를 1/5로 하향) 등을 검토하고 있다.


ACC-II 규제는 ZEV에 대해서도 세부 규정을 제시했다. 배터리 성능을 15년/15만 마일까지 80% 이상을 보증하고, 연료전지 시스템에 대해 현재보다 더 개선된(장기적으로 95% 향상) 내구 보증을 요구한다. CARB(California Air Resources Board)는 배터리 가격 하락 전망과 더불어 이와 같은 ZEV의 고가 부품들에 대한 내구성 보증 정책을 통해 소비자들에게 ZEV를 구매해도 좋다는 확신을 주고자 한다. 아울러, 편리하고 표준화된 급속 충전 시스템, 사용자가 쉽게 볼 수 있는 배터리 SoH(State of Health) 등을 도입하여 소비자 편의성과 신뢰성을 높이고자 한다. 아직 확정되지 않았지만 ACC-II 규제를 소개하는 이유는 규제의 이면에 있는 기술적 과제를 살펴보기 위함이다.


ZEV가 소비자의 선택을 받기 위해서는 가격 경쟁력이 있고, 사용이 편리해야 할 뿐만 아니라 장시간 신뢰할 수 있어야 한다. 배출가스에 대한 규제, 충전 인프라 구축, 규모의 경제 달성에 더해 급속 충전과 내구성 향상이라는 대비되는 특성을 둘 다 충족시킬 수 있는 배터리 기술의 진보가 필요하다. 한편, ZEV 보급과 별개로 내연기관 차량에 대한 기술 개발도 요구되고 있다. ACC-II 규제는 내연기관 차량이 현 수준으로 머물러 있는 것을 허용하지 않는다. 다양한 실 운전 조건에서 더욱 세밀한 배출가스 저감을 이루기 위해서는 지속적인 배기규제 대응 기술 개발이 필요하다.


전기에너지 생산과 저장의 과제

국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)와 세계 통계(www.worldometers.info)의 최신 자료를 분석해 보면,4,5 1990년에서 2018년 사이에 전세계 1인당 전기에너지 소비량은 60.6% 늘었다<그림 4>. 같은 기간 전기에너지를 제외한 다른 전체 에너지의 1인당 소비량이 3.0% 늘어난 것과 비교하면 이는 매우 큰 폭의 증가이다. 2018년 전체 차량이 소비한 에너지 중 전기에너지가 차지하는 비중은 1.2%로(전동 철도/궤도 차량 포함), 아직 본격적인 전기차 시대가 도래하기 이전에도 전기에너지의 소비는 크게 증가했다. 이 기간 동안 늘어난 인구(43.2%)와 1인당 전기에너지 소비에 대응하기 위해 전력 공급량은 130.0% 증가했다. <그림 4>에서 보는 것처럼 전세계 인구와 1인당 전기에너지 소비량은 지속적으로 증가 추세에 있는데, 향후 전기차의 보급에 따라 전기에너지 소비량은 더욱 더 빠르게 증가할 것으로 예상된다.


한편, <그림 5>에서 보는 바와 같이 지난 기간 전력 생산의 약 2/3는 화석 연료에 의존하고 있고, 이 비율은 거의 변하지 않았다. 과거 크게 늘어난 전력 수요의 많은 부분은 화석 연료에 의존했다. 향후에도 이 비율이 개선되지 않으면 내연기관 차량을 전기차로 대체하여 얻고자 하는 이산화탄소 저감이 제한적일 수 밖에 없다. 이 비율과 함께 내연기관 효율과 전력 시스템 효율의 차이에 따라 이산화탄소 저감 효과가 결정되므로, 화석 연료 비율을 낮추고 전력 시스템 효율을 높이는 것이 중요하다. 또한 전기차로의 전환이 더디거나 화석 연료에 대한 의존도가 여전히 높게 유지되는 경우에는 내연기관의 효율을 높이는 것이 전체 이산화탄소 배출을 저감하는 데 여전히 유효한 방안이다.


전기에너지, 열에너지, 천연가스는 유통 과정에서 손실이 가장 많은 에너지 종류이다. 특히 전기에너지는 매년 전체 수력 발전량의 절반 정도의 양이 유통 과정에서 없어진다.4 전기에너지는 저장이 용이하지 않은 점이 그 이유 중 하나이다. 


전기에너지 저장의 또 다른 현안으로 배터리 광물 자원 부족과 이로 인한 가격 상승이 있다. <그림 6>에 배터리에 사용되는 광물의 매장량 특성을 보였다.6 그림에서 코발트는 콩고민주공화국이 전세계 매장량의 51%를 보유하고 있고, 전세계는 2020년 채굴량으로 51년 동안 채굴 가능하다는 것을 의미한다. 전기차 보급 확대에 따라 배터리 수요가 증가하면 채굴 연한이 줄어든다는 주장도 있다. Kimura7에 따르면 추정 리튬 매장량 1,600만 톤으로 배터리를 만들면 2050년 전세계 승용차 보급 대수 14억 2천만 대 중 BEV 5억 대(배터리 용량 40kWh 기준), HEV 9억 2천 대(배터리 용량 8kWh 기준)에 배터리를 공급할 수 있다고 한다. 리튬 매장량을 다 사용해도 모든 승용차를 전기차로 만들 수 없고, 그 이듬해부터는 재활용되는 리튬량 만큼만 배터리를 만들 수 있다는 주장이다. 그러나 미국 지질조사국에 따르면 리튬 매장량은 매년 늘어나고 있고(2018년 1,400만 톤, 2019년 1,700만 톤, 2020년 2,100만 톤),6 최근 증가된 매장량은 연간 판매되는 승용차를 모두 BEV로 생산하고도 남을 만큼 많은 양이다. 그럼에도 불구하고, 향후 에너지 광물 자원의 공급과 경제성이 배터리 생산과 전동화 차량으로의 전환에 영향을 줄 수 있으므로, 이들 유한 자원에 대한 재활용, 재사용 관련 연구도 중요한 과제이다.


탄소 중립 달성을 위한 내연기관의 과제

내연기관 분야에서도 탄소 중립을 달성하기 위해 다양한 기술들이 개발되고 있다. 수소 내연기관은 수소를 태워 동력을 발생시키므로 가솔린이나 디젤 등 화석 연료를 사용하는 일반 내연기관과 달리 이산화탄소를 배출하지 않는다. 다만 엔진 오일이 타면서 이산화탄소가 일부 발생되므로 ZEV로 분류되지는 않는다. 차량이 수 천에서 1만 여 km를 주행하는 동안 소모되는 엔진 오일량이 1L 이하이므로 연료에서 배출되는 이산화탄소량에 비해 매우 적은 양이다. 또한 내연기관은 연소 과정 중 질소와 산소가 반응하여 질소산화물을 만드는데 수소 내연기관은 희박 운전 조건에서는 질소산화물이 거의 발생되지 않는 특징이 있다. 수소 엔진도 고부하 운전 조건에서는 질소산화물이 발생되지만 기존의 디젤 엔진에 적용되는 배기 후처리 기술로 해결 가능하다. 고순도의 수소와 이물질이 잘 걸러진 공기를 요구하는 연료전지 시스템과는 달리 수소 내연기관은 수소 순도와 공기 청정도에 강건한 장점을 갖는다. 연료전지 차량이 가진 연료 저장과 충진 과제에 더해 수소 분사, 이상연소 대책, 흡기 포트로의 화염 역류 방지, 오일 소모 저감 등이 해결 과제이다.


내연기관의 연료로 이산화탄소를 포집하여 만든 합성 연료나 바이오 연료를 사용하는 것도 탄소 중립을 실현하는 한 방편이 될 수 있다. Heid 등8은 BEV, FCEV, 수소 내연기관, 합성/바이오 연료의 장단점 비교를 통해 합성/바이오 연료는 기존의 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있으나 WtW(Well to Wheel) 효율이 낮은 것을 단점으로 지적했다. 또한 질소산화물과 입자상 물질에 대한 대책이 필요한 점은 기존 내연기관과 동일하다. 탄소 중립 연료를 사용하는 것과는 별개로 내연기관의 열효율을 향상하여 WtW 효율을 향상하고, 질소산화물과 입자상 물질을 저감하는 과제를 안고 있다. 


한편, 불꽃 점화(Spark ignition) 엔진은 향후 전 운전 영역을 이론 공연비로 운전해야 하는 추가의 과제를 갖고 있다. 가솔린 엔진은 주로 이론 공연비 운전을 하지만 고부하와 고속 영역에서는 엔진 부품 열해 방지와 엔진 출력 향상을 위해 이론 공연비 보다 농후하게 운전되고 있다. 향후 이와 같은 운전이 금지될 예정이고, 이에 따라 엔진 비출력이 저하될 우려가 있다. 이에 대한 대책으로 밀러 사이클이 주목받고 있다. 적절한 밸브 이벤트를 구현하여 압축비와 팽창비를 조절함으로써 이론 공연비 운전, 배기가스 온도 저감, 엔진 출력/연비 향상이 가능하다. 향후 합성/바이오 연료 생산의 경제성 확보와 내연기관 연비 향상을 통한 경제성 향상이 여전히 과제로 남아 있다.


탄소 중립 실현을 위해 다양한 차량 동력 시스템이 생산, 연구되고 있다. 이들 시스템은 각각 장단점을 지니고 있고, 향후 주류 시스템이 되기 위해서는 해결 과제를 안고 있다. BEV와 FCEV는 내구성 보증 정책 도입 예정에 따라 개선된 내구 보증을 요구 받고 있다. 전기에너지는 생산 과정에서 재생 가능한 에너지원의 사용 비율을 높여야 하고, 인구증가, 1인당 전기 에너지 소비량 증가, BEV 보급량 증가에 따라 전기에너지 공급량을 빠르게 늘여야 한다. 주요 에너지 광물 자원의 발굴, 재활용, 재사용을 늘여서 안정적으로 배터리를 생산할 수 있어야 한다. 내연기관이 수소나 합성 연료, 바이오 연료를 사용하여 탄소 중립을 실현하기 위해서는 연료 생산 시 경제성 확보가 필요하다. 각 국 정부의 정책 방향은 공통적으로 내연기관을 금지하고, 전기차를 장려하고 있으나 향후 에너지 수급, 소비자 수용성 등으로 인해 한 동안 다양한 차량 동력 시스템이 공존할 수 있기 때문에 현재는 다양한 기술을 지속적으로 개발할 필요가 있다.


<참고자료>

1.IHS Markit Global Powertrain Production Forecast, 2021.

2.2019 IHS Markit Automotive Spring Briefing, 2019.

3.https://ww2.arb.ca.gov/sites/default/files/2021-05/acc2_workshop_slides_may062021_ac.pdf

4.https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tables?country=WORLD

5.https://www.worldometers.info/world-population/worldpopulation-by-year/

6.https://www.usgs.gov/centers/nmic/mineral-commoditysummaries

7.S. Kimura, “AICE Technical Scenario for Carbon-Neutral of Internal Combustion Engine,” SAE International High Efficiency IC Engine Symposium, 2021.

8.https://www.mckinsey.com/industries/automotive-andassembly/our-insights/how-hydrogen-combustion-enginescan-contribute-to-zero-emissions


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2021년 9월호


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