친환경 자동차 동향 (3/3)

4. 기술전망 및 한계

 4.1 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.

 

4.2 내구성

리튬이온 배터리의 수명은 배터리 전력의 20% 손실이 생기기 전에 2000 주기 정도 있다. 배터리는 내연기관 수명인 최소 100,000마일 동안은 지속하여야 하는데 리튬이온 배터리의 내구성은 이에 아직 미치지 못한다. 연료전지의 수명은 10% 전력이 손실되는 시점까지 지속한 시간으로 측정하는데 배터리 기술보다 5배 정도 내구성이 떨어진다는 평가이다.

 

4.3 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.

 

4.4. 효율

효율성의 극대화는 에너지 밀도와 충방전 비율 같은 시스템 크기와 무게 및 비용에 영향을 주는 다른 요소들이 갖추어 졌을 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.

 

4.5. 안정성

배터리 전기차나 수소연료전지차가 고유적으로 안전한 면은 있지만, 대중들과 미디어의 이러한 기술확산에 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 배터리팩은 열폭주 현상은 더는 없을 것이다. 특화된 냉각시스템과 정확한 모니터링시스템 그리고 개별 셀 밸런싱으로 보다 강건한 안전시스템을 제공하고 있다.

 

5. 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, 150000 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 자동차 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.

References

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.