글: 최성우(프랑스 르노자동차)
자료 협약 및 제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
현재 전 세계에는 약 10억 대의 자동차가 도로 위를 달리고 있다. 자동차 산업은 세계적으로 1천만 명 이상의 노동자를 고용하며 매년 3천조 원 이상의 가치를 생산하는 세계 경제의 가장 큰 원동력이다. 반면 이러한 거대 산업의 영향으로 현재 우리 사회에 다음과 같은 많은 쟁점이 생겨나고 있다.
- 온실가스 배출: 전 세계 온실가스 배출량의 8.7%를 차지하는 자동차 온실가스 배출량을 줄이는 것이 국가적으로 세계적으로 최우선 과제이다.
- 대기오염: 자동차 배기가스, 특히 디젤차량의 배기가스에 들어 있는 입자들이 여러 호흡기 질환의 원인이 되고 있다.
- 석유고갈: 현재 석유 매장량은 앞으로 40~50년 정도 사용할 수 있는 양이라고 하는데 유럽의 석유 사용량의 70%가 자동차가 차지하고 앞으로도 늘어날 예정이다.
- 에너지 안보: 유럽의 해외 석유 의존도의 80% 이상이 정치적으로 불안정한 국가들에 집중되어 있기 때문에 자동차의 화석연료에 대한 의존성을 줄여야 할 필요가 있다.
- 인구 증가: 2011년 10월 31일 기준 전 세계 인구가 70억 정도 되며, 40년 후엔 90억 정도가 될 것으로 예상된다. 이러한 인구 증가는 에너지 안보에 큰 영향을 끼칠 것이다.
이러한 쟁점들로부터 비롯한 정치적 이유로 자동차 산업에서 온실가스 배출량을 줄이려는 노력에 점점 탄력이 붙고 있다. 최근에 많은 완성차 업체들도 하이브리드카, 배터리 전기차, 연료전지차 등을 개발하는 등 저탄소 기술이 다양한 발전을 보이고 있다. 수소연료와 전기가 미래의 지속 가능한 자동차 에너지원으로 주목받기 시작한 것이다.
에너지 저장 장치
자동차 산업에서 요구되는 에너지 저장장치의 주요 충족 요건들은 에너지 밀도, 전력, 부피와 무게, 신뢰성, 안정성, 내구성, 비용 그리고 환경영향 등이 있다.
배터리
배터리는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 전기화학적 전지이다. 전기차에 주로 사용되는 배터리는 도요타 프리우스 같은 하이브리드카에 주로 사용되는 니켈메탈수소(NiMH) 배터리와 닛산 리프와 같은 순수 전기차의 주 에너지원인 리튬이온(Li-ion) 배터리가 있다. 하이브리드카의 95% 이상이 니켈 메탈 수소 전지를 사용하는데 이 전지가 산업체에서 선호되는 이유는 디자인 유연성, 환경 적합성, 적은 유지비, 높은 에너지 밀도 그리고 안정성 등이 있다. 이 전지는 합금을 흡수하는 수소 양극, 수산화니켈 음극 그리고 수산화칼륨 전해질로 구성되어 있다.
리튬이온 배터리는 가볍고 소형화 가능하며 4볼트 정도의 전압으로 작동하며 100~180 Whkg-1의 에너지를 지원한다. 이 전지에선 방전 시엔 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하고 충전 시엔 반응이 반대로 일어난다. 리튬이온 배터리는 니켈메탈수소 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 비용과 리튬의 희귀성, 환경영향 그리고 안정성 등의 이슈가 문제시되고 있다.
리튬이온 배터리는 90년대 초에 시장에 등장 이후 이렇다 할 발전이 없었기 때문에 뛰어난 성능과 내구성을 위한 재료화학 기술발전이 절실히 요구된다. 현재 세계적으로 흑연과 리튬코발트산화물(LiCoO2)를 고용량이면서 저비용인 재료로 대체하고 전해질로 쓰이는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate)와 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate)를 산화 분위기에서도 분해되지 않는 전해질로 대체하는 연구가 집중적으로 진행 중이다.
자동차산업에서 리튬이온 배터리 시장은 2020년까지 50억 달러 이상으로 커질 예상이며, 가격도 급격히 내려가 10년 후에는 가장 저렴한 충전용 전지가 될 것이다. 그러나 리튬의 부족이 전기자동차 시대의 도래에 걸림돌이 될 것으로 예상되며, 리튬 가격의 상승이 리튬전지의 재활용기술 발전으로 이어질 전망이다.
수소와 연료전지
수소는 무게당 에너지가 가장 많고 부피당 에너지가 가장 적어서 저장과 유통에 비용이 많이 든다. 그러나 수소연료전지차의 에너지 효율은 60%로 일반 석유 연료 차량의 3배에 달한다. 자동차 내에서 수소의 저장이 연료전지 차량 성공의 핵심 열쇠이며 주요 방법으로는 액화 수소, 고압축 수소, 고체수소, 탄소나노튜브 저장 방법 등이 있다.
수소는 현재 가스 상태나 액체 상태로 탱크에 저장되어 운반된다. 만약 2030년까지 4천만 대의 연료전지차가 도로 위를 달린다면 약 19,000개의 수소 충전소가 필요하다. 이는 이동통신과 초고속 인터넷망 구축에 버금가는 투자이다.
일반적인 연료전지는 최대 섭씨 1,000도까지의 환경에서 작동하는 전기화학적 장치로 수소, 메탄올, 천연가스 같은 연료의 화학적 에너지를 촉매반응을 통해 전기에너지로 전환해주는 역할을 한다. 연료전지는 오염이 없으며 그 어떤 에너지 저장 장치보다 훨씬 효율적이고 높은 에너지 밀도를 제공한다고 여겨지기 때문에 자동차의 에너지원으로 제격일거라 여겨지고 있다.
오늘날에는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC) 등의 다양한 종류의 연료전지가 개발되어 있다.
자동차의 동력원으로 가장 적합한 연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인데 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100°C 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있다.
그러나 PEMFC는 낮은 온도에서 운전되므로 폐열을 활용할 수 없고 고온에서 운전되는 개질기와 연계하기가 어렵다는 문제점이 있다. 또한 전극 촉매로 백금을 사용하기 때문에 반응기체 내의 일산화탄소 허용치가 낮고 제조비용을 줄이기 위해 촉매 함량을 크게 낮추어야 하는 어려움이 있다. 그리고 전해질로 사용하는 고분자막의 값이 매우 비싸고 운전 중에 고분자막의 수분함량 조절이 어렵다는 단점이 있다.
많은 회의론자들은 순수 연료전지차가 높은 생산 및 부품 비용 그리고 부품의 재고 문제로 발전하기 힘들 것으로 내다본다. 백금을 대체하는 저비용 전기화학촉매를 개발하기 위한 많은 노력이 있었고 실험실 단위의 기대되는 결과도 있었지만 새로운 나노 재료는 실제 동작 환경에서 내구성이 떨어지고 불안정함을 보였다.
2050년까지 온실가스 80% 감소를 목표로 하고 에너지 안보 문제를 해결해야 하는 유럽국가들에게 수소와 연료전지 기술은 우선 투자할 부분으로 여겨져 왔다. 수소의 생산과 저장 그리고 사용에 관하여 몇 가지 도전과제들을 해결하기 위해 각 정부는 학교와 산업계 연구원들과 함께 노력하고 있다. 새로운 기술을 적용하여 재생에너지로부터 저비용 고효율의 수소 생산 시스템 개발, 저탄소 수소 생산 기술과 화석연료로부터 수소를 분리하는 기술 그리고 수소 운송 및 분배 기술개발이 가장 시급한 과제들이다.
전기화학 축전기
전기화학적 축전기는 현재 하이브리드카, 배터리 전기차 그리고 연료전지차에서 에너지레벨 요구를 맞추기 위해, 전자시스템에서 전압변동을 최소화하기 위해 그리고 500,000회 이상 사이클로 1000W kg-1 이상 펄스전력를 제공하기 위해 사용되고 있다. 궁극적으로 다음 세대 전기화학 축전기는 고유의 높은 전력 밀도는 유지하면서 리튬이온 배터리의 에너지 밀도에 가까워 질 거라 예상된다.
저탄소 자동차 기술 동향
하이브리드 자동차
하이브리드 전기차는 두 개의 동력원을 동시에 활용하여 내연기관차와 전기차 각각의 장점은 살리고 단점은 극복한다.
두 개의 동력원을 합치는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데 몇 가지 소개하자면:
● Series hybrid - 내연기관이 충전기 역할을 하는 구조로 효율이 가장 높은 구간에서 연속적으로 작동할 수 있다. 쉐보레 볼트가 가장 좋은 예이다.
● Parallel hybrid - 내연기관과 전기모터가 동시에 병렬로 바퀴에 동력을 전달하는 구조이다. 전기모터는 제동 시나 내연기관 출력이 필요한 구동력보다 클 때에 발전기 역할을 한다. 직렬 하이브리드에 비해 적은 수의 추진 장치를 요구하고 소형화된 엔진과 전기모터를 사용할 수 있는 장점이 있다. 혼다의 인사이트가 좋은 예이다.
● Complex hybrid systems - 가장 큰 차이점은 직렬구조에선 발전기가 단방향 전력 흐름만 가지는 데 반해 콤플렉스 구조에선 양방향성을 가진다는 것이다. 도요타 프리우스 모델이 콤플렉스 하이브리드차의 좋은 예이며 높은 복잡성과 비용의 단점을 가진다.
배터리 전기차
역사상 전기차는 내연기관차보다 수십 년 먼저 개발되었고 처음으로 시속 100km를 돌파한 것도 전기차가 먼저 였다. 내연기관차와 비교해서 전기차는 편안하고 조용하며 깨끗하다. 그러나 배터리의 에너지 저장용량 한계로 주행거리가 많이 제한된 반면 내연기관의 성능은 놀라울 정도로 개선되었다. 그 결과 1930년대에 전기차는 거의 모습을 감추었으나 1970년대 들어 높은 에너지 효율과 에너지 원천의 다양화 그리고 온실가스 감소의 목표 아래 다시금 무대에 들어서기 시작했다.
배터리 전기차의 구동부는 전기모터, 트랜스미션, 전기 컨버터 등으로 이루어진 추진 시스템, 배터리 충전 및 관리 시스템, 그 밖에 온도조절, 전기 펌프 등의 보조시스템의 세 가지로 구성된다.
가속페달이나 브레이크 페달로부터 입력을 받으면 자동차 제어기가 전기전력컨버터에 알맞은 신호를 주고 제어기가 전기모터와 배터리 사이에 전력 흐름을 조절하여 작동한다. 전기모터는 제동 시 손실되는 에너지를 배터리로 충전하는데 발전기로 사용될 수 있다. 에너지 관리시스템은 제동 에너지 회수를 위해 차량 제어기와 협력한다. 전기모터는 강한 토크를 발생하여 가속력과 힘에서 내연기관 차량을 앞선다.
앞으로 해결해야 할 문제로 배터리팩의 가격을 낮추고 안전성을 개선하며 배터리의 수명을 최소 10년 또는 150,000마일을 지원할 수 있도록 개선해야 한다. 그리고 충전시간을 몇 분 내로 줄이고 더 많은 충전시설을 제공하며, 배터리팩의 크기와 무게도 함께 줄여야 할 것이다.
연료전지차
연료전지차의 가장 큰 장점은 가볍고 작으며 연료가 공급되는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있다는 점이다. 낮은 온도의 연료전지에서 수소를 사용하여 전기를 생산하고 생산된 전기는 바로 구동력으로 쓰이거나 배터리나 축전기 같은 저장장치에 저장된다. 오염물질을 배출하지 않고 내연기관보다 훨씬 적은 열을 발생시키고 부수물로는 물이 생성될 뿐이다. 높은 안정성과 낮은 생산비용이라는 높은 잠재력을 지닌다.
앞서 살펴본 것처럼 PEMFC는 자동차용으로 최선의 선택이지만 두 가지 남아있는 핵심 한계는 비용과 내구성이다. 현재의 연료전지 시스템은 촉매제 등의 비싼 재료 값과 생산 비용으로 내연기관보다 5배 정도 비싸다. 반면 자동차용 구동기로써 연료전지는 기존 내연기관만큼 안전하고 내구성이 강한 것으로 기대된다.
자동차는 실시간 변화하는 도로와 교통상태에 따라 다양한 힘 출력을 요구하는 데 반해 연료전지는 어느 일정한 환경에서 최대 효율을 달성하기 때문에 배터리와의 하이브리드화가 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 여분의 에너지는 배터리로 저장될 수 있기 때문에 연료전지가 더욱 효율적으로 작동하도록 해준다. 이러한 하이브리드시스템은 일반 연료전지차와 비교하여 다음과 같은 장점들이 있다. 작은 연료전지 셀을 사용할 수 있으므로 비용이 적게 들고 연료전지가 최대효율을 내는 구간에서 작동되며, 고로 연료전지 수명이 늘어난다. 연료전지 디자이너는 수명보다 전력에 초점을 두고 개발할 수 있고 손실되는 에너지를 보존할 수 있다. 그러나 이러한 하이브리드화의 단점은 자동차의 복잡성, 중량 증가, 제어기의 복잡성 그리고 추가적인 배터리 비용이다.
연료전지차가 경쟁력을 가지려면 수소를 생산하고 운송하는 비용을 기존 화석연료와 경쟁 할 수 있게 줄여야 한다. 또한, 기존 자동차의 패키징, 비용 그리고 성능 요구에 적합하도록 수소저장장치를 개선해야 한다. 마지막으로 연료전지 셀의 가격도 낮추고 내구성도 경쟁력 있게 개선해야 한다.
기술전망 및 한계
비용
이러한 녹색기술들은 이제 시작점인데도 불구하고 기술적으로 굉장히 빨리 발전 중이고 비용도 놀라운 속도로 떨어지고 있다. 연료전지는 상용화 초기인 2015년에 75,000달러로 책정될 것이고 5년 후엔 50,000달러 그리고 2025년까지 30,000달러까지 떨어질 것으로 예상한다. 배터리 가격은 2020년까지 25kWh 배터리팩이 현재 가격의 50% 정도인 6000~10,000달러 선으로 떨어질 것이다.
내구성
리튬이온 배터리의 수명은 배터리 전력의 20% 손실이 생기는 시점을 기준으로 2,000 주기 정도 이다. 배터리는 내연기관 수명인 최소 100,000마일 동안은 지속해야 하는데 리튬이온 배터리의 내구성은 이에 아직 미치지 못한다. 연료전지의 수명은 10% 전력이 손실되는 시점까지 지속한 시간으로 측정하는데 배터리 기술보다 5배 정도 내구성이 떨어진다는 평가이다.
에너지 및 전력 밀도
현재 내연기관은 연료전지보다 에너지효율이 절반 정도밖에 안되고 배터리에 비하면 1/4수준이다. 현재 화학기술의 최적화가 현실적 한계에 도달함에 따라 리튬이온 배터리가 666Wh kg-1의 에너지를 달성하긴 어려울 것 같다. 축전기 기술에도 근래 및 장래에 이러한 에너지를 낼 기술 개선은 없어 보인다. 새로운 그래핀 전극이 최대 86 Wh/kg의 에너지 성능을 보였는데 이는 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 두 배로 향상할 수 있는 잠재력을 나타낸다.
효율
효율성의 극대화는 에너지 밀도와 충방전 비율 같은 시스템 크기와 무게 및 비용에 영향을 주는 다른 요소들이 갖추어졌을 때 이루어져야 한다. 축전기는 현재 90~98%의 주기효율 장점이 있다. 배터리 효율도 리튬 화학의 발전으로 주기효율이 90~94%나 될 정도로 향상되었다. 배터리 효율은 작동환경의 영향을 크게 받는데 특히 충전 전류와 주변 온도의 영향이 크다. 미국과 일본의 에너지국은 둘 다 2015년까지 수료연료전지차의 효율을 60%로 목표를 잡고 있는데, 캘리포니아에서 이루어진 실험결과들을 보면 이미 최대 57% 효율을 보이고 있다.
안정성
배터리 전기차나 수소연료전지차가 고유적으로 안전한 면은 있지만, 대중들과 미디어의 이러한 기술 확산에 대한 걱정은 계속되고 있다. 수소는 저장탱크 충돌실험에 의하면, 손상된 수소탱크는 손상된 석유 탱크보다 덜 위험한 화재를 발생시킨다고 확인되었다. 배터리에서는 대부분 리튬이온 전해질을 사용하기 때문에 오늘날 자동차의 배터리팩 열폭주 현상은 더는 없을 것이다. 특화된 냉각시스템과 정확한 모니터링시스템 그리고 개별 셀 밸런싱으로 보다 강건한 안전시스템을 제공하고 있다.
결론
지난 10년간 전기화학적 저장기술에 눈부신 발전이 있었고 가까운 미래에도 많은 진전을 기대하고 있다. 비용, 내구성, 에너지 밀도는 기존 내연기관 자동차와 경쟁하기 위해 괄목할만한 개선이 필요한 부분이다.
비용은 매우 빠른 속도로 앞으로 10년 동안 떨어질 예정이다. 예를 들어 연료전지 자동차는 2005년 이후 생산비용이 90%까지 떨어져서 고급세단 가격인 50,000달러를 바라보고 있고 배터리 전기차는 이미 이 가격보다 싸며 10년 안에 20,000달러대 진입을 목표로 하고 있다. 배터리와 축전기의 내구성은 이미 자동차용(10년, 150,000 miles)으로 충분하다고 여겨진다. 연료전지 스택은 여전히 미국의 2009년 목표인 10% 전력 저하 전 2,000시간 운행에 약간 못 미치지만 촉매제 향상과 교차전류로 조만간 해결될 것이라고 믿어진다.
에너지밀도는 여전히 배터리와 축전기기술의 아킬레스건이다. 최신 울트라커패시터 기술조차도 배터리 기술의 에너지밀도를 따라갈 수 없어서 첨두전력제공 이상으로 사용될 것 같진 않다. 배터리는 셀 단위에서 666Wh/kg 을 제공해야 기존 내연기관 자동차와 비슷한 주행거리를 제공할 수 있다. 다음 세대 리튬에 근거한 화학 기술이 이를 해결하여 영원한 주행거리 불안은 곧 극복되길 희망한다. 그리고 고체 수소 저장 기술이 주행거리 면에서 석유를 능가하는 최초 기술이 될 것이다.
참고문헌
1. B. G. Pollet et al., Current status of hybrid, battery and fuel cell electric vehicles: From electrochemistry to market prospects, Electrochimica Acta, December, 2012.
2. C. Shulock, E. Pike, A. Lloyd, R. Rose, Vehicle Electrification Policy Study. Task 1 Report: Technology Status, ICCT: The International Council on Clean Trans- portation, 2011.
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