친환경 자동차 동향 (1/3)

1. 서론

지금 현재 전 세계에는 약 10억대의 자동차가 도로 위를 달리고 있다. 자동차 산업은 세계적으로 천만 명 이상의 노동자를 고용하며 매년 3천조 원 이상의 가치를 생산하는 세계경제의 가장 큰 원동력이다. 반면 이러한 거대산업의 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 들어있는 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 집중되어있기 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 인구증가는 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.

 

2. 에너지 저장 장치

자동차 산업에서 요구되는 에너지 저장장치의 주요 충족 요건들은 에너지 밀도, 전력, 부피와 무게, 신뢰성, 안정성, 내구성, 비용 그리고 환경영향 등이 있다.

 

2.1 배터리

배터리는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 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 4볼트정도의 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 90년도 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 체제에서도 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 리튬가격의 상승이 리튬전지의 재활용기술 발전으로 이어질 전망이다.

 

2.2 수소와 연료전지

수소는 무게당 에너지가 가장 많고 부피당 에너지가 가장 적어서 저장과 유통에 비용이 많이 든다. 그러나 수소연료전지차의 에너지 효율은 60%로 일반 석유연료 차량의 3배에 달한다. 자동차 내에서 수소의 저장이 연료전지 차량 성공의 핵심 열쇠이며 주요 방법으로는 액화 수소, 고압축 수소, 고체수소, 탄소나노튜브저장 방법 등이 있다.

수소는 현재 가스상태나 액체상태로 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 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로 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.

 

2.3. 전기화학 축전기

전기화학적 축전기는 현재 하이브리드카, 배터리 전기차 그리고 연료전지차에서 에너지레벨 요구를 맞추기 위해서, 전자시스템에서 전압변동을 최소화 하기 위해서 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.