친환경 자동차란? [전기차, 하이브리드차, 연료전지(수소전기)차]

안녕하세요 에듀몬입니다. 최근 국내 굴지의 기업이 수소 협의체를 구성하고, 유럽을 비롯한 전 세계 각국에서 탄소중립을 선언하는 등 바야흐로 친환경 모멘텀이 도래했다고 볼 수 있습니다. 친환경 자동차는 친환경 테마의 대표적인 섹터로서 국내를 비롯한 세계 각국에서는 내연기관 차에서 벗어나 전기차와 수소차를 적극적으로 개발 중입니다. 이번 시간에는 친환경 자동차에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

1. 친환경 자동차의 정의

 

  친환경 자동차는 일반 내연기관과 달리 화석연료인 휘발유, 경유 등의 연료를 사용하지 않거나 규정된 연료 기준치 이하에 부합하는 경우 친환경 자동차로 인정받을 수 있습니다. 대표적인 친환경 자동차는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 연료 전지 전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)가 있다. 친환경 자동차는 동력 구조와 에너지 비축 측면에서 전통적인 내연기관 자동차와 본질적으로 다릅니다.

  현재 석유는 세계에서 가장 중요한 에너지입니다. 전통적인 내연기관 자동차는 석유에너지를 주원료로 이용합니다. 구체적으로 살펴보면, 내연기관 자동차는 정제된 석유인 휘발유를 연료 탱크에 주입한 후 내연 방식으로 석유를 태워 동력을 제공받습니다. 이 과정에서 에너지 전환율은 약 40%에 불과하고, 연소과정에서 다량의 온실가스가 발생합니다. 현재 전통적인 자동차의 동력 구조는 특히 도시에서 더 많이 이용되고 있는데요. 친환경 자동차는 순수 전기자동차와 플러그인 하이브리드 자동차가 포함됩니다. 순수 전기자동차는 발전소에서 생산된 전기를 배터리에 저장했다가 회전자를 통해 동력을 공급하는 방식이기 때문에 모든 과정에서 석유가 이용되지 않습니다. 따라서 전기 자동차는 이산화탄소 배출이 적기 때문에 오염을 크게 줄이고, 특히 혼잡한 도시에서 배기가스 오염 방지를 실현할 수 있고, 에너지 이용률은 95%이기 때문에 미래 교통의 새로운 방향이 될 수 있습니다. 그러나 현재 충전 방식은 연료 주입 방식처럼 편리하지 못해 전기자동차 본연의 장점을 제대로 발휘하지 못하고 있고, 배터리 기술 역시 나름의 한계를 지니고 있어 친환경 자동차산업의 발전에 장애가 되고 있습니다. 

 

 

 

 

2. 순수 전기자동차(BEV)

 

  전기자동차(EV: Electric vehicles)는 화석연료(휘발유, 경유, LPG 등)를 직접 사용하지 않고 전기 배터리와 모터만을 사용하여 구동하는 자동차를 말합니다.  순수 전기자동차는 미리 충전된 배터리로 모터에 전기를 공급하는 모터 구동차량을 가리킨다. 그러나 이는 전기자동차가 대기오염이나 탄소 배출을 일으키지 않는다는 것을 의미하지는 않으며, 전기 발생 방식에 따라 각기 다른 수준의 오염과 탄소를 배출합니다. 예를 들면 순수 전기자동차 제조과정, 특히 배터리 제조과정에서 제법 많은 양의 탄소가 배출됩니다. 순수 전기자동차의 가장 두드러지는 장점은 환경오염이 적다는 점입니다. 친환경 자동차는 사용 중에 배기가스가 발생하지 않아 기존 자동차보다 대기오염이 문제가 되지 않습니다. 다시 말해 전기자동차를 사용하는 것은 대부분의 공기 오염을 줄인다는 의미입니다.

  가장 주요한 특징으로는 소음이 매우 작거나 없다는 것입니다. 내연기관 자동차에 비해 전기자동차는 이 방면에서 우위에 있습니다. 특히 소음공해를 줄여야 하는 도시 구간 주행에 적합합니다. 또한 내연기관 자동차보다 에너지 소모량이 적어 효율이 높고 주행 환경의 영향을 받지 않아 사용범위가 매우 넓습니다. 밀폐된 공간이나 혹한의 겨울, 또는 산소가 희박한 고지대와 같은 특수한 지역에서 내연기관 자동차는 작동하지 않거나 효율이 크게 떨어지는 반면에, 전기자동차는 이 요인들에 전혀 영향을 받지 않습니다.

 

 

3. 하이브리드 자동차(HEV+PHEV) 

 

  하이브리드 자동차는 두 가지 이상의 에너지를 사용하는 차량으로, 현재 대부분의 하이브리드 자동차는 내연기관과 전기모터에 의해 구동되며 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 약칭됩니다. 석유와 전기를 함께 사용하는 하이브리드 자동차는 연료를 적게 소비하고 성능이 우수하며 내연기관 차량보다 환경 친화적입니다. 최근의 일부 차량은 송전 네트워크를 통해 내부 배터리를 충전할 수 있어 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid, 약칭 PHEV)라 불립니다. 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)는 외부 전력에 연결하고, 온 보드 엔진과 발전기를 통해 배터리의 재충전이 가능한 하이브리드 차량입니다. 대부분의 PHEV은 승용차이지만 PHEV 버전의 상용차와 밴(Van), 다용도 트럭, 버스, 기차, 오토바이, 스쿠터, 군용 차량도 있습니다.

  다른 전기자동차와 비슷한 방식으로, 플러그인 하이브리드는 차량 흡입관의 반출을 전기 그리드에 전기를 공급하는 발전기로 대체합니다. 이 발전기들은 재생할 수 있거나 내연 기관보다 방출량이 더 적은 편입니다. 그리드에서 배터리를 충전하면 온 보드 엔진을 사용하는 경우보다 비용이 더 적게 들기 때문에 운용비용을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. PHEV의 특징은 단거리의 경우 전기로만 주행하고, 장거리 주행 시 엔진이 사용됩니다. 만약 발전소가 재생 가능한 에너지나 탄소 배출량이 적은 발전방식을 사용하여 발전한다면, 탄소 배출은 더욱 낮아질 수 있습니다. 전통적 연료 차량과 비교해보면, 하이브리드 자동차는 시동을 걸 때와 멈출 때 전기를 사용하고, 고속 주행 시에는 화석 연료로 동력을 만들면서 내연기관 자동차가 전기로 구동되어 친환경 자동차로 전환되는 것이 주요 방식입니다. 비용면에서 하이브리드 자동차의 배터리 원가는 순수 전기자동차보다 낮고, 충전 단계에서 하이브리드 전력은 연료 휘발유로 보완할 수도 있습니다.

  하이브리드 자동차의 특징은 내연기관과 전기모터를 절묘하게 결합하여 효율을 최적화한 것으로, 전력이 충분히 출력된다면 연료를 효과적으로 절약할 수 있습니다. 충전소가 대규모로 설치되어 있지 못한 현재 상황에서 하이브리드 자동차는 기존 주유소를 이용하여 정상적으로 운행할 수 있습니다. 그러나 하이브리드 자동차에는 배터리 효율을 높여야 하는 기술적 문제가 남아있고 생산비를 낮춰 실사용자를 광범위하게 확보할 필요가 있습니다. EREV는 ‘주행거리 연장 전기자동차'로 불리는데, 한국지엠에서 출시한 ‘볼트(VOLT)'가(볼트-BOLT는 순수 전기자동차) 대표적인 EREV 차량입니다. 순수 전기 자동차와는 달리, 소형 내연기관(엔진)이 장착되었지만, 이 엔진이 직접 구동을 하지 않고, 전기를 생산하여 ‘모터'나 ‘배터리'에 전달하는 역할을 맡게 됩니다. 물론, 순수 전기자동차와 마찬가지로 배터리로만으로도 주행이 가능합니다. 하이브리드(HEV, PHEV)와 전기 자동차(EV)의 가장 큰 차이점인 내연기관 사용 유무로 봤을 때, 플러그인 하이브리드 (PHEV)에 속하지만 전기자동차에 가까운 속성이 있습니다. VOLT 2016을 예로 들자면, 일반 PHEV 차량은 30~50㎞ 내외를 배터리로 주행하는데 반면, VOLT 2016은 순수 전기 배터리로만 80㎞까지 주행할 수 있습니다.

 

 

4. 연료전지 자동차(FCEV)

 

  수소 전기차(Fuel Cell Electric Vehicle)는 수소를 사용하여 발생시킨 전기에너지를 동력원으로 사용하는 자동차로서 연료전지(Fuel Cell)를 배터리 대신 사용하거나 배터리 또는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)와 함께 사용하여 모터에 전력을 공급합니다. FCEV는 오염물질을 전혀 배출하지 않고 물만 발생하기 때문에 친환경적인 시스템이라고 할 수 있습니다. 그러나 수소를 얻는 비용이 많이 들고, 수소의 저장과 관리가 쉽지 않아서 시장진입 장벽이 높지만, 빠른 충전이 가 능하고, 석유보다는 친환경적이라는 장점으로 인하여 향후 시장 확대가 매우 높아질 것으로 전망됩니다.

 

 

※ 참고문헌: 중국 친환경 자동차산업의 마케팅전략에 관한 연구(추개화, 2021)