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자동차 동력의 탄소중립 시나리오

한국자동차공학회
2021-12-02
조회수 1012

수송 부문의 탄소 배출 저감

기후변화의 심각성과 위기 대응의 중요성이 나날이 증가하여 정책과 문화의 최우선 주제가 되어가고 있다. 특히, 이산화탄소(CO2)로 대표되는 온실가스(GHGs) 배출이 기후변화의 원인으로 지목되면서 세계적으로 수송 부문에서 배출되는 온실가스의 총량이 전체 배출량의 5분의 1 수준이라는 점이 부각되어 자동차의 이산화탄소 저감을 통한 탄소중립 달성이 시급한 과제로 떠오르고 있다. 탄소 중립이라 함은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)의 배출을 저감하고 나아가 이를 처리하여 모든 에너지 생산과 소비 과정에서 순 배출을 없앤(Net Zero) 상태를 의미한다.


수송 부문에서는 다양한 기술을 적용하여 온실가스 저감에 대한 노력을 기울이고 있으며, 대표적으로 전동화(Electrification)를 통하여 주행 중 탄소를 배출하지 않는 전기차 보급에 집중하고 있다. 수송 부문의 탄소 배출량 저감을 달성하기 위해서는 다양한 방법이 존재하지만, 크게 배터리의 전기에너지를 사용한 모터를 주 동력으로 사용하는 전동화, 그리고 기존의 내연기관을 그대로 사용할 수 있는 탄소중립 연료(Carbon-neutral fuel) 적용으로 분류할 수 있다.



전동화는 전기에너지를 화학적 상태의 에너지로 배터리에 충전하여 모터를 구동하는 동력장치로 구현된다. 배터리를 적용한 배터리 전기차(BEV)와, 수소를 연료로 사용하여 연료전지를 통한 전기에너지를 생성하고 이 전기에너지를 이용하여 차량을 구동하는 수소전기자동차(FCEV)가 대표적이다. 탄소중립 연료를 적용한 내연기관 차량의 경우, 화석연료를 사용하지 않고 청정합성 연료인 탄소중립 연료를 기존 차량에 사용한다. 이와 같은 이상적인 그린 수송 동력 공급 시나리오에 대한 개략도를 <그림 1>에 나타내었다.


국제에너지기구에서 발간하는 “Global EV Outlook”의 전동화 차량 보급 비율의 목표치를 2030년 기준 2.25억대 수준으로 전망하고 있다. 그런가 하면 미국 수송시장의 연료별 에너지 소비량에 대한 예측을 다룬 미국 에너지 관리청(EIA)의 “Annual Energy Outlook 2020”에 따르면 전기를 이용한 수송 시장은 2050년에도 5% 이하일 것으로 예측하여 대조적인 전망을 보였다. 자동차 산업 강국인 독일의 독일 에너지기구(DENA)의 경우, 청정액체 연료와 전기 동력을 근간으로 하는 두 개의 시나리오(PtL, eDrive)로 나누어 미래자동차 산업의 동력원 시나리오를 제시하였다. 독일 에너지기구가 제시한 eDrive 시나리오의 경우, 전동화 차량을 주로 보급하는 시나리오임에도 불구하고 에너지 밀도가 높은 영역에서는 전동화를 통한 동력 전환이 불가능하다고 평가하여 PtL 비율이 매우 높을 것이라는 예측을 하였다.


탄소중립 연료 및 탄소중립화를 위한 이상적인 수송부문 로드맵

탄소배출량 저감을 위해서는 시장의 다양성과 관성을 고려해야 하며 에너지 안보 관점에서 동력원의 다양성을 유지하는 것이 중요함을 알 수 있다. 특히, 수송 기술 로드맵 작성을 위해서는 친환경성, 에너지 안보, 기술성, 경제성을 모두 고려할 필요가 있다. 친환경성을 판단하기 위해서는 전생애주기 분석(혹은 평가)이 필요하다. 동력 기술의 탄소중립 성능은 온실가스 배출량의 전생애주기 평가(Life Cycle Assessment : LCA)를 통하여 판단된다. 전생애주기 평가는 운행 중 발생하는 이산화탄소 배출량 뿐만 아니라 연료의 생산과 배기, 회수를 모두 아우르고 나아가 차량의 생산과정과 폐기까지 분석하여 평가하는 방식이다.



전기차의 경우 전기 발생 과정에서도 탄소 배출을 없애기 위하여 재생 에너지 혹은 원자력 발전을 해야 하며 수소 역시 재생 에너지 기반의 전력을 활용한 수분해로 생산하여야 진정한 탄소중립 동력 기술을 구현한다고 할 수 있으며 전기차 관련 주요 부품(배터리, 모터, 연료전지) 도 재생 에너지 기반 전력으로 생산하여야 한다. 같은 관점에서 탄소중립화를 위한 재생 연료(re-Fuels)의 사용은 온실가스 배출이 거의 없는 성능을 보인다. 재생 연료는 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 재생 에너지를 통한 전기를 활용한 청정합성 연료인 탄소중립 연료(e-Fuel)와 바이오 연료(Biofuel)가 그것이다. 탄소중립 연료에 대한 설명을 위하여 <그림 2>에 간략한 탄소중립 연료의 개념도를 나타내었다.


탄소중립 연료(E-fuel)를 생산하기 위해서는 대기중 이산화탄소 또는 발전, 산업 공정에서 발생하는 고농도 이산화탄소를 포집한다. 탄화수소 연료를 합성하기 위해서는 수소가 필요하다. 합성에 필요한 수소는 재생 에너지로부터 발생되는 친환경 전력을 이용하여 물분해 과정을 거쳐 생산한다. 이러한 과정에서 생성되는 수소는 재생 에너지만을 이용하기 때문에 그린 수소로 분류된다. 앞선 두 물질(이산화탄소, 수소)을 이용하여 탄소중립 연료를 생성하게 된다. 이러한 탄소중립 연료를 적용하여 차량을 운행하게 될 경우, 운행 중 차량에서 이산화탄소를 배출하게 되지만, 배출된 이산화탄소는 탄소중립 연료 생성을 위한 재료로 다시 포집 되고, 포집된 이산화탄소는 수소와 합성하여 다시 탄소중립 연료인 청정전기합성연료(e-fuel)로 변환되게 된다. 결론적으로, 이산화탄소는 순환되며 재활용되기 때문에 전생애주기 분석 관점에서 탄소중립 연료는 탄소중립화의 기술로 분류된다. 바이오 연료 또한 이와 유사한 과정과 개념을 갖고 있다.



이러한 이상적인 수송 동력 시나리오는 재생 에너지를 통한 친환경 전력 공급이 에너지 수요보다 높을 경우에 가능하다. 그러나, 국내의 경우 재생 에너지를 통한 친환경 전력 생산량은 매우 미미한 실정을 보여준다. 따라서, 친환경 전력의 발전량 증대가 더욱 주요한 과제임을 알 수 있다. 그렇다면, 국내의 경우는 어떠한 방식으로 수송 부문의 탄소중립화를 이룰 수 있을까? 상대적으로 탄소배출량에 대한 영향력이 낮은 원자력 발전을 통해서 전기를 생산하고 이러한 낮은 탄소배출량 영향력을 갖는 전력 에너지를 통해 전동화 차량을 구동하며, 탄소중립 연료를 생산하고 적용하는 것이 단기간 내의 탄소중립을 위해 가장 효율적인 해법으로 예상된다. 물론, 수송부문 전 영역에서의 탄소중립화를 도달하기 위해서는 재생 에너지를 통한 친환경 전력 발전량을 높이는 것은 국내 에너지 분야의 제 일 과제이다. 탄소중립 연료의 경우, 탄소를 포집하고 탄소중립 연료를 생산, 활용한다는 관점에서 탄소포집 이용 및 저장 기술(CCUS ; Carbon Capture Utilization and Storage) 기술의 일환이다. <그림 3>에 CCUS의 탄소순환 기술 개념도를 도시하였다.


탄소중립 연료는 특정한 형태의 화학 조성을 갖는 연료로서 국한되는 것이 아니라, 사용되는 영역과 분야에 따라 요구되는 연료 성분으로 합성할 수 있다는 점이 주요 장점으로 여겨질 수 있다. 특히, 탄소중립 연료의 경우 기존 화석 연료와는 달리 이산화탄소 배출량 뿐만 아니라 방향족(PAHs)을 함유하고 있지 않은 연료 합성이 가능하기 때문에 탄소중립화 이외에도 유해 배기가스의 저감, 상대적으로 높은 열효율 취득에 대한 가능성을 갖고 있다. 특히, 탄소중립 연료가 다시금 주목 받게 되는 이유 중 가장 큰 이유는 높은 에너지 밀도/동력 밀도를 요구하는 영역에서는 상대적으로 에너지 밀도가 낮은 배터리를 통한 전동화로는 탄소중립을 이룰 수 없기 때문이다.


수송 부문의 에너지 소모는 상대적으로 높은 에너지 밀도를 요구하는 영역에서 소모되는 에너지가 절반 이상을 차지한다. 이를 고려하였을 때, 수송 부문의 완전한 탄소중립화를 위해서는 높은 에너지 밀도를 요구하는 영역에서의 탄소중립화는 필수불가결함을 예측할 수 있다. 따라서, 이산화탄소와 수소를 합성하여 사용할 수 있는 CCUS의 기술의 일환인 탄소중립 연료의 기술 개발과 보급은 수송 부문의 탄소중립화를 이루기 위하여 필요함을 알 수 있다.


탄소중립 수송 동력용 에너지 확보 전략

국내의 에너지 자급률은 2017년 통계 기준, 18.1% 수준으로 원자력 발전을 제외하게 될 경우 3.3%대로 OECD 국가 중 최하위 에너지 수급율을 갖고 있다. 따라서, 에너지 수입에 대한 관점 또한 고려되어야 할 사항이다. <그림 4>에 PtL의 대표 연료인 메탄올과, 수소, 그리고 대표적인 리튬이온 배터리의 단위 부피당 에너지 밀도를 함께 표시하였다.


이로 미루어 보아, 상대적으로 에너지 밀도가 높은 PtL 적용 탄소중립 연료를 수입시, 운송 및 저장에 대한 장점이 존재한다. 특히, 탄소중립 연료의 경우, 재생 에너지 자원의 지역적 불균형을 극복하기 위한 교역 가능한 Energy carrier 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 태양광을 이용한 친환경 전력 발전의 경우, 적도 부근에 위치한 국가에서 수급률이 훨씬 높다. 이러한 지역적 불균형을 고려할 때, 상대적으로 재생 에너지 수급이 수월한 지역에서 저렴한 친환경 전력을 생성하고, 이러한 친환경 에너지를 상대적으로 에너지 밀도가 높은 형태로 변환하여 저장 및 운송을 한다면 재생 에너지 지역적 불균형을 효과적으로 해소할 수 있다.


또한, 앞서 언급한 바와 같이 국내의 경우 매우 낮은 재생 에너지 발전량을 나타내고 있고 태양광과 풍력 에너지 자원이 빈약하여 우리나라의 높은 전기 수요를 자체적으로 감당하기 어렵다. 특히 전기 수요가 폭발적으로 증가할 4차 산업혁명 시대의 전망을 고려하면 국내에서 탄소중립 전력 공급을 충당하기는 어려우므로 에너지 수급 안정을 위한 에너지 안보 차원에서 국제적 에너지 교역 체계를 능동적으로 주도하여야 하며 경제적인 해외 재생 에너지 발전에 투자하고, 저렴하고 풍부한 고에너지 밀도 액체 합성 연료(메탄올, 암모니아 등 4–9 kWh/L)를 수입하여 에너지 수요를 만족할 수 있도록 해야 한다.


최근 발표된 유럽 자료에(IASTEC) 따르면 적도 지역에서 kWh당 0.02유로 수준의 발전 단가로 재생 에너지 발전을 할 경우 북반구 선진국에 고에너지 밀도의 액체연료를 수송하게 되면 부족한 신재생 에너지 발전을 충당할 수 있다고 한다. 우리나라 또한 이 범주의 대표적인 국가로서 서둘러 에너지 국제교역 체계를 구축하여야 한다.


에너지 안보 관점에서의 탄소중립 연료

이외에도 다양한 시장성을 포용하는 세계 수송 시나리오와 같이 에너지 공급 다변화 차원에서 탄소중립 연료에 대한 투자는 에너지 안보의 해법으로서 의미가 크다. 따라서, 에너지 안보 관점으로 다양한 수송동력원을 탄소중립화의 해법으로 두고 준비할 필요성이 있다. 최근 텍사스의 정전 사태에서 에너지 안보에 대한 또 하나의 교훈을 얻을 수 있다. 탄소 중립화 기술은 다양한 에너지원 변동 요인과 재난 상황까지 고려하여 다양화할 필요가 있음을 알려준다. 이외에도, 배터리 소재 중 공급과 가격 불안 요소를 갖고 있는 Li, Co, Ni 등의 잠재적 문제에 대응하는 안보의 해법으로 탄소중립 연료를 개발하는 것이 하나의 해결책이 될 수 있다.


모든 동력 기관은 종류에 상관 없이 탄소중립화에 도달할 수 있다. 탄소중립 연료의 적용은 기존 내연기관을 사용하지만 탄소중립화를 가능케한다. 특히 내연기관의 장치와 기술을 그대로 사용한다는 점에서 산업 전환을 용이하게 할 수 있다.


신재생 에너지 발전 확대와 전기자동차의 경제성 확보를 위하여 노력하는 동안 단기간 내에는 시장의 가장 큰 부분을 차지하는 내연기관 차량의 하이브리드화 및 고효율화를 통한 탄소배출량 저감이 요구되며, 장기간 내에는 재생 에너지 발전량이 뒷받침된 전동화 차량 및 탄소중립 연료 적용 엔진차 보급이 적절한 시나리오로 예상된다.


<참고문헌>

1. W. Demmelbauer-Ebner, J. Theobald, J. Worm and P. Scheller, The new 1.5l EA211 TGI evo – Volkswagen steps on the e-gas, in 39. Internationales Wiener Motorensymposium 26-27, pp.93–108, April 2018.

2. S. Hartung, Powertrains of the future, in 41. Internationales Wiener Motorensymposium 22-24, April 2020.

3. IEA, Energy Technology Perspectives 2020 - Special Report on Carbon Capture Utilisation and Storage, 2020.

4. IASTEC, Position paper, 2021.


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2021년 11월호


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