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그린카 산업, 지금까지 걸어온 길과 앞으로의 방향

기사승인 2020.03.09  18:09:36

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환경부 국가온실가스통계에 따르면 2017년 우리나라 온실가스 총배출량은 7억9백만톤(CO2환산톤)이며 수송부문이 9천8백만톤으로 13.9%를 차지했다. 같은 해 수송부문의 최종에너지 소비는 4천3백만TOE(석유환산톤)로 전체 에너지 소비의 18.3%를 차지했고, 수송부문에서는 도로부문이 79.7%로 가장 많았다(KEEI, 2018). 하이브리드, 전기차, 수소차를 통합하여 일컫는 ‘친환경 자동차’, 그 중에서도 차량 운행과정에서 온실가스를 배출하지 않는 ‘무공해차’인 전기차와 수소차 산업의 성장 가능성이 주목을 받는 이유다. 그린카 산업을 통해 도로부문 연료전환의 현황과 전망을 살폈다.

1. 친환경자동차란?
1) 전기차와 수소차의 작동원리 전기차와 수소차는 내연기관차의 엔진을 친환경적 동력원으로 대체한 차종으로, 휘발유나 디젤을 연료로 사용하는 내연기관 자동차와 달리 전기와 수소를 연료로 사용한다. 엔진의 연소로 인한 매연이 발생하지 않고, 연료 생산 과정에 화석연료만 사용하는 것이 아니므로 환경오염이 적다.

전기차와 수소차는 전기에너지를 얻는 원동력이 다르지만 수소차 또한 차량 내 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만들어 주행한다는 점에서 두 차 모두 친환경적으로 전기를 생산하고 소비한다.

전기차가 내연기관차보다 친환경적인 주된 이유는 동력을 얻는 방법의 차이가 있다. 화석 연료를 연소시켜 온실가스를 발생시키는 내연기관차와는 달리, 전기차는 전동기인 전기 모터를
사용한다. 화석연료를 이용한 전력발전으로 전기차가 내연기관차보다 온실가스를 더 많이 발생시킨다는 논란이 있지만 전력발전에는 신재생에너지, 연료전지, 태양전지 등 다른 방법들이 있으며, 이들은 내연기관차의 연소과정보다 온실가스 배출량이 적다. 또한 전기차의 연료 소비 과정은 무공해이고 수소차는 정화효과까지 있다.

수소차는 전기차의 한가지 종류라고 볼 수 있다. 전기를 생산하고 저장할 때 배터리 대신 수소 연료전지를 사용하여 수소차라고 부른다. 수소 연료 전지는 수소와 산소가 만나면 전기에너지를 생성하며 그 잔여물로 물을 남기는 화학 반응을 이용한다. 잉여 전기에너지는 다시 물을 분해하여 수소로 만들어 저장하고 저장된 수소를 다시 공기 중의 산소와 반응시켜 전기에너지를 만듦으로 이론적으로 매우 친환경적인 자동차가 된다.

2) 에너지 효율 및 성능
국내 차량의 연료별 평균적인 에너지 효율은 다음과 같다. 개별 연료를 연소시켰을 때 얻는 열량(kcal) 1단위당 움직일 수 있는 거리를 ‘연량당 연비’ 지표로 나타냈을 때 전기차와 수소차는 내연기관차에 비해 높은 효율을 보였다. 화석연료를 이용한 수소 및 전기 생산에서 에너지 손실이 크지 않다면, 화석연료를 곧바로 자동차 연료로 이용하는 것보다 화석연료를 수소나 전기로 변환하여 자동차 연료로 이용하면 효율이 더 높다는 의미이다.

100km 연료비는 전기, 수소가 휘발유, 경유, LPG에 비해 저렴했으며, 특히 전기차의 평균적인
100km 연료비는 50kw 급속충전시 3,180원으로 수소차의 1/2.5배, 화석연료의 1/3~1/4배 수준으로 낮았다. 전기차와 수소차의 연료비 격차의 원인은 현재 전기차 급속충전소의 설치비용(약 4천5백만원)의 약 6.7배에 달하는 수소 충전소의 설치비용(약 30억원)에 주로 기인한 것으로 보인다.

현대, 기아, 쉐보레, 르노삼성 홈페이지와 환경부 전기차 충전소(www.ev.or.kr)의 자료를 종합한 결과 국산 전기차의 최고속도는 평균 158.51km/h(표준편차 11.21), 1회 완충 시 주행거리는 평균 310.44km (표준편차 77.22)였으며, 수소차 NEXO의 최고속도는 177km/h, 1회 완충시 주행거리는 609km로 전기차보다 뛰어났다.

한편 지난 2017년 한국산업기술시험원의 시험결과 전기차 SM3 ZE 기종이 누적 9만4308km를
주행한 뒤의 배터리 방전 성능이 원래의 86% 수준으로 유지되는 것으로 드러나, 평균적으로 9.4년/188,600km의 보증기간을 제공하는 국산 전기차 6종의 배터리는 보증기간보다 긴 수명을 가지고 있다는 추측이 가능하다. 따라서 배터리 교체를 근거로 전기차가 수소차에 비해 추가적으로 발생시키는 유지비용이 있다고 말하기는 어렵다.


2. 국내 연구 동향
현재 수소차는 수소 연료전지의 기존 촉매의 가격이 고가로 소비자와 개발자 모두에게 부담이 되는 문제점을 가지고 있다. 또한 전기차는 배터리로 움직이는 만큼 배터리의 효율과 용량에 한계가 있어,이를 극복하기 위해 국내에서 여러 연구가 활발하게진행되고 있다.

1) 국내 전기차 연구동향
전기차를 현재의 자동차 시장에서 경쟁시키기 위해서는 상대적으로 큰 약점인 전지 용량을 보완해야 한다. 과거 수도권 정도로만 주행할 수 있었던 1~2세대 전기차보다는 많이 개선되었지만 아직도 충전시간과 주행가능거리가 턱없이 모자라기 때문이다.

이를 위해 국내에서는 배터리의 전압강하 원인을 찾고 있으며, 해외 기업과 공동연구를 통해 많은 연구진이 전기차의 배터리 성능에 대해 적극적으로 연구하고 있다. 현재 널리 쓰이는 전기차 배터리는 흑연을 음극의 소재로 삼는다. 전지 용량이 작아 기존 자동차보다 주행거리가 짧기 때문에 장거리 운전 때에는 충전소를 반드시 들러야 하는 불편이 있다. 그런데 2020년
1월 21일, 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 실리콘을 음극소재로 사용하여 리튬이온 배터리의 성능을 높여 전기차 주행거리를 2배 이상 늘리고, 완전히 방전된 상태에서 5분 만에 배터리 용량의 80%까지 급속 충전할 수 있는 기술을 개발했다.

하지만 실리콘은 충전과 방전을 반복하면 부피는 커지고 용량은 줄어 상용화가 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진은 이 문제를 ‘튀김’ 과정을 응용해 해결했다. 물과 전분, 기름, 실리콘을 섞은 뒤 가열해 ‘탄소-실리콘 복합소재’를 만들었다. 연구진은 이 연구를 통해, 기존 흑연계 음극 소재보다 전지 용량은 4배 늘리고, 500회 이상 충전과 방전을 해도 용량이 유지되는 효과를 얻었다고 밝혔다.

2) 국내 수소차 연구동향
수소 연료전지를 통해 구동하고 있는 수소차는 연료전지가 핵심 부품이다. 이 연료전지의 효율성을 높이기 위해 필요한 것이 바로 촉매로, 이는 화학적으로 변하지 않고 다른 화학 반응의 속도에 영향을 주는 물질이다. 즉 연료전지 안에서 수소와 산소의 화학반응을 촉진하여 전력을 생산하는 물질이 바로 촉매인 것이다.

수소차의 촉매로 주로 활용되는 백금촉매는 연료전지 내부에서 전력을 생산할 때 차츰 용해되기 때문에 연료전지의 수명을 늘리는 데 한계가 있으며, 백금 가격이 1㎏당 1억원 이상으로 굉장히 비싸기 때문에 효율성이 떨어진다. 또한 사용할수록 성능이 저하되어 불안정성 문제도 가지고 있다. 따라서 수소차의 대중성을 위해 각계의 많은 연구원들이 노력하고 있다.

2019년 11월 26일, 키스트 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 경희대학교 김진수 교수와의 공동연구를 통해 알카라인 연료전지에 사용되는 고가 촉매(백금)을 대체할 저가형 촉매를 개발했다고 밝혔다. 개발된 촉매는 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상되어 상용화에 최적화된 촉매로 평가받았다. 또한 2019년 2월 11일 기초과학연구원(IBS)에서도 현택환 나노입자 연구단장 연구팀이 수소차용 연료전지 촉매의 가격을 10분의 1로 줄이면서도 안정성은 대폭 높일 수 있는 새로운 나노촉매를 개발했다고 밝혔다.

3. 보급현황 및 평가
국토교통부 자동차등록현황보고에 따르면 2011년부터 2019년 사이 우리나라 전체 차량 등록대수는 1,844만대에서 2,368만대로 28% 증가했다. 이중 내연기관차(휘발유, 경유, LPG)의 기여도가 25%이며, 친환경자동차(전기차, 수소차, 하이브리드)의 기여도는 3%에 불과하다. 그마저도 하이브리드의 기여도가 약 2.5%p로 대부분을 차지했다.

2018년 12월부터 2019년 12월 사이 전기차와 수소차는 개별 항목에서 61%, 469%의 높은 증가율을 보였다. 그러나 2019년 전체 등록대수에서 전기차와 수소차가 차지하는 비중은 각각 0.38%(89,918대), 0.02%(5,083대)로 여전히 미미한 수준이며, 휘발유, 경유, LPG가 2,292만대로 약 96.8%를 차지하고 있다.

 

1) 전기차의 국내 보급 현황 및 평가

한국자동차산업협회 KAMA 웹진에 따르면, 국내순수 전기차 보급대수는 2015년 9월 말 4,900대로, 제2차 친환경차 기본계획 기간(2011년~2015년) 순수 전기자동차 보급 목표인 8만 5,700대의 5.7%에 불과했다. 하지만 2018년 5월 현대자동차의 ‘코나EV’는 304대 출고를 시작으로 1년만에 판매량 2만대를 넘기는 신기록을 세웠으며, 2019년 7월 말 국내 승용 전기차 중 처음으로 2만대를 넘긴 2만 215대가 등록되었다. 현대차 ‘아이오닉 일렉트릭’은 1만7천862대가 등록되었고, 기아차의 ‘니로EV’와 ‘쉐보레 BOLT’는 5천대를 넘겼다고 한다. 이렇듯 전기자동차의 보급은 매우 빠른 속도로 늘어나고 있다.

 

2) 수소차의 국내 보급 현황 및 평가
 

지난해에 정부에서 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하면서 수소차 누적 생산량을 2018년 2천대에서 2040년 620만대(내수 290만대, 수출 330만대)로 확대하고, 국내의 수소차 보급을 2017년도 177대에서 2019년 4,000대 이상 신규 보급할 예정이며, 수소충전소 역시 2018년도 14개에서 향후 2040년에는 1,200개로 늘릴 예정이라고 전했다. 또한 정부는 2022년까지 수소차의 핵심부품(막전극접합체, 기체확산층 등)을 국산화율 100%로 달성시킬 생각이다.

승용차 이외에 수소버스, 수소택시, 수소트럭의 경우 경찰버스 등 공공부문 버스를 수소버스로 전환하거나 서울에서 10대의 수소택시 시범사업을 추진하는 등 국내에 수소차 보급을 하기 위한 다양한 시도를 해오고 있다.

3) 충전인프라 보급 현황
한국전력의 전력데이터 개방 포털시스템과 환경부 전기차 충전소에 따르면 2020년 1월 전국에 전기차 급속충전기는 2944대, 완속충전기는 5080대, 수소 충전소는 26곳이 설치되어 있다. 한국교통안전공단에 따르면 2018년 우리나라 승용차의 1일 평균 주행거리는 35.8km이다. 2019년 12월의 전기차 등록대수(89,918)와 수소차 등록대수(5,083), 충전소요시간, 충전소 수용규모, 주행거리를 활용하여 전기차와 수소차 충전 인프라의 상대적인 보급 규모를 비교해 보았다. 전기차 충전소의 경우 완속은 7kw, 급속은 50kw를 가정하였다.

수소차는 전기차에 비해 1회 완충시 주행거리는 2배 길고, 충전시간은 5배 이상 짧다. 이로 인해 수소차의 충전필요대수는 적어지고 충전가능대수는 많아진다. 결과적으로 현재 수소차 충전소의 평균이용률은 전기차 충전소보다 낮다. 장기적인 관점에서 충전 인프라의 보급 계획에는 차량 보급대수와 평균 주행거리뿐만 아니라 배터리 용량과 1회 완충시 주행거리 등 기술개발요인까지 복합적으로 고려해야 함을 알 수 있다.


4) 구매 지원 보조금 현황

2020년 1월 20일 발표된 재정기획부의 무공해차구매지원 규모는 다음과 같다. 전기차와 수소차에 대한 총 지원대수는 작년 6만여대에서 올해 9만4천여대로 약 57% 증가했으며 지원대수의 비중은 전기차 90%, 수소차 10% 정도로 작년과 거의 동일하다. 총 지원예산은 6800억원에
서 1조1500억원으로 약 68% 증가하여 차량 한 대당 받을 수 있는 지원금은 늘었지만, 지원예산의 배분에서는 수소차가 20%에서 30%로 작년보다 올해 10%p 더 많은 비중을 차지한다. 연비, 주행거리 등 성능에 따른 전기차 지원금의 최대 차등폭은 작년144만원에서 올해 215만원으로 늘어났는데, 이는 전기차 배터리 성능 강화를 위해 차등적인 인센티브를 제공하는 세계적인 추세와 발을 맞추고 있다고볼 수 있다(IEA, 2019).

4. 친환경차 확대를 위한 향후 과제
국토부 차량등록현황에서 확인했듯 2019년 우리나라 수소차와 전기차는 전체 등록차량의 0.4%에 불과하며, 한편으로는 두 차종 모두 최근 들어 등록대수가 폭발적으로 증가하고 있다. 앞으로 계속해서 무공해차의 보급을 확대하고, 궁극적으로 무공해차로 내연기관차를 대체하기 위해서 우리 사회가 우선적으로 해결해야 할 과제를 전기차를 중심으로 정리해 보았다.

1) 전기차 폐배터리 처리

전기차 폐배터리는 ‘유독물질’으로 분류된다. 국립환경과학원은 ‘유독물질의 지정고시’에서 친환경차 폐배터리를 산화코발트·리튬·망간·니켈 등을 1% 이상 함유한 유독물질로 분류하고 있다. 에너지경제연구원(2018)에 따르면 리튬이온전지 11.090kg(1kWh)의 생산공정은 납축전지의 9배에 달하는 지구온난화 영향(64kg CO2 eq.)을 유발하며 광화학스모그, 오존층, 산성비, 부영양화에서 납축전지의 5~10배의 악영향을 미치는 것으로 확인되었다.

따라서 체계적인 관리, 그리고 더 나아가 가치 창출을 위한 활용계획이 필요하다. 전기차에 사용되었던 폐배터리는 친환경적으로 재사용 및 재활용이 가능하다. ‘재사용’이란 폐배터리를 배터리 팩 그대로 사용하거나, 모듈, 셀 단위로 재조립하여 사용하는 것을 말한다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL, 2015)의 연구에 따르면 수명 10년, 방전깊이(Depth of Discharge, 배터리 용량 대비 1회 충방전량의 비율) 60%인 전기차 폐배터리를 전력계통 저장 시스템에 재사용할 때 평균적으로 배터리 교체비용의 66.7%를 절감할 수 있는 것으로 드러났다.

한편 ‘재활용’이란 폐배터리에 포함된 코발트, 니켈, 망간, 구리 등의 광물을 회수하여 제품화하는 것이다. 이는 양극재 구성 물질인 리튬, 코발트, 니켈 등이 모두 고가이므로 원재료의 가격 변동성에 대비할 수 있어 경제적이다. 또한 미국 환경보호청(US EPA, 2013)의 연구에 따르면 전기차 폐배터리의 금속을 회수함으로써 평균적으로 배터리 생애주기의 지구온난화 영향을 -3.6%, 오존파괴 영향을 -26.3%, 생태계 독성화 영향을 -7.7%, 직업상 종양 발생 가능성과 비종양 발생 가능성을 각각 -31.8%, -73.0% 감소시킬 수 있다.

2018년 환경부가 한국자동차자원순환협회에 의뢰한 ‘전기차 폐배터리 재활용 방법 및 기준 마련 연구’에 따르면 2025년 전기차 누적 보급대수 58만대라는 정부의 보급 목표가 이행될 때 2024년 약 1만개의 폐배터리가 배출되며 2040년 누적 발생량은 약 245만개에 이를 전망이다. 중앙시사매거진(2019)에 따르면 최근까지도 회수된 폐배터리에 대한 안전관리, 분류 및 해체 등의 처리기준이 명확하지 않아 사회적 논의가 시급한 것으로 보인다.


2) 전력 생산과정
차량 연료별 전과정 (Life Cycle: 석유의 경우 시추, 운반, 정제, 주유, 차량운행을 포함하는 에너지 소비의 전과정) 온실가스 배출량에 대한 한국자동차공학회(2017)의 연구결과 전기차는 차량 운행 과정에서 온실가스를 배출하지는 않지만, 우리나라의 전기차 전력 생산 과정은 화석연료 생산 과정보다 더 많은 온실가스를 발생시키는 것으로 나타났다. 그럼에도 내연기관차의 운행과정에서 발생하는 온실가스가 압도적으로 많기 때문에 전과정 분석에서의 평균적인 온실가스 배출량은 내연기관차보다 전기차가 더 적다.

전기차가 내연기관차와 마찬가지로 온실가스 배출량이 많다는 비판의 근거는 전력 발전에서 석탄의 비중이 높다는 것이다. 현재 우리나라의 전기는 대부분 석탄과 원자력으로 생산되기 때문에, 전기차또한 주로 석탄 발전으로 생산된 전기를 사용한다. 따라서 전기차의 친환경성은 논란의 대상이 될수밖에 없다.

따라서 전력 발전원을 친환경적으로 전환할 필요가 있다. 특히 태양광, 풍력의 공급안정성을 강화하여 2018년 부생가스 25%, 바이오 16%, 태양광 24%, 풍력 7%인 신재생에너지 발전원의 포트폴리오를 태양, 풍력 중심으로 바꾸고 전체 발전 비중에서 6%에 불과한 신재생에너지의 비중을 지금보다 높여야 한다.

나가며
산업계, 학계의 연구개발과 정부의 전략적인 보급지원 정책에 힘입어 국내 전기차, 수소차 산업은 성장하는 중이다. 차량 개발 및 보급에 대한 지원과 함께 충전 인프라의 확대와 관련 사업자의 수익 보장을 위한 제도가 필요하다. 또한 ‘친환경차의 친환경성’을 보다 강화하기 위해 에너지 생산과정에서 발생하는 온실가스 감축과 폐배터리 처리를 위한 노력도 요구된다. 차량, 인프라, 폐기물, 에너지 산업 간 긴밀한 협력이 이루어져 앞으로 전기차, 수소차가 지속적으로 확대되기를 기대해 본다.

 

R.E.F 16기 김 미 림
alfla2221@gmail.com

R.E.F 15기 나 혜 인
nahyein991@gmail.com

R.E.F 16기 문 정 호
wjdgh9509@gmail.com

R.E.F 17기 손 예 지
a38876754@gmail.com

R.E.F 17기 이 명 현
swirlingcl@gmail.com

R.E.F 16기 김 미 림 alfla2221@gmail.com

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