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News/전기차-연료전지

그린카 산업, 지금까지 걸어온 길과 앞으로의 방향

by R.E.F. 17기 이명현 2020. 2. 24.

그린카 산업, 지금까지 걸어온 길과 앞으로의 방향

대학생신재생에너지기자단 16기 김미림, 15기 나혜인, 16기 문정호, 17기 손예지, 17기 이명현

 

 

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

  국제에너지기구(IEA) 세계 전기차시장 전망(Global EV Outlook 2019)에 따르면 2030년 주요 도로 운송수단의 30%를 전기차로 대체하는 데에 민간 산업계가 적극적으로 참여한다는 “EV30@30” 시나리오를 가정할 경우, 현재 전기차 시장을 주도하는 중국에서는 2030년 주요 도로 운송수단 매출의 28%를 전기차가 차지하게 되며, 유럽은 26%, 일본은 21%가 전망된다고 한다. 따라서 세계적 추세인 도로부문 연료 전환에 있어서 우리나라는 현재 어디쯤 와 있으며, 앞으로 얼마나 멀리 달릴 수 있을지 살펴봤다.



1. 친환경자동차란?

1) 전기차와 수소차의 작동원리

   전기차와 수소차는 모두 기존 차량의 내연기관, 즉 엔진을 온실가스를 배출하지 않는 동력원으로 대체한 차종이다. 기존 화석연료인 휘발유나 디젤을 연료로 사용하는 내연 기관 자동차와 달리 전기를 연료로 사용한다. 연료 생산 과정에 있어 화석연료만 사용하는 것이 아니므로 환경 오염이 적고 기존 디젤 엔진으로 인한 매연이 발생하지 않아 연료 소비 측면에서도 공통적으로 친환경적인 특성이 있다. 전기차와 수소차는 전기에너지를 얻는 원동력이 다르지만 수소차 또한 차량 내 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만들어 이용해 주행한다는 점에서 두 차는 모두 친환경적으로 전기를 생산하고 소비한다.

   전기차가 기존 자동차와 달리 친환경적인 이유에는 동력을 얻는 방법의 차이가 있다. 기존 자동차의 내연 기관은 화석 연료를 연소시켜 동력을 얻기 때문에 그 과정에서 배출 가스와 온실가스가 발생한다. 이것은 환경오염의 주범이 된다. 하지만 전기차는 기존 내연 기관 대신 전동기인 전기 모터를 사용한다. 전기 모터는 화석연료가 아닌 전기를 동력으로 이용한다. 전기 생산 시 화석연료를 이용하면 기존 내연기관 차보다 온실가스를 더 많이 발생시킨다는 논란이 있지만 전기 생산 방법에는 신재생에너지, 연료 전지, 태양 전지 등 다른 방법들이 있다. 이 방법들은 기존 디젤 엔진 자동차 보다 온실가스 배출량이 적다. 또한 연료를 소비하는 과정에서는 무공해이고 수소차는 정화 효과까지 있다.

   수소차는 전기차의 한가지 종류라고 볼 수 있다. 전기를 생산하고 저장할 때 기존 전기차의 주된 방식인 배터리를 사용하지 않고 수소 연료 전지를 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.

 

[수소 연료 전지 도식화]

출처 : 현대자동차

 

  수소 연료 전지는 공기 중에 있는 수소를 바로 이용하지는 못한다. 하지만 에너지원인 수소 자체는 재생에너지와 마찬가지로 고갈될 일이 없으며, 날씨와 환경에 상관없이 언제든지 에너지 생성이 가능하여 재생에너지보다도 자동차 사업에서는 더욱 효율적이라는 의견이 있다. 또한 에너지 생성 후 나오는 잔여물이 물이므로 전기자동차와 마찬가지로 온실가스를 발생시키지 않는다. 기존 배터리 방식인 전기 자동차와 달리 전기 생산 과정에서 화석 연료가 아예 쓰이지 않고 충전 시간이 매우 빠르다는 장점도 있다.

 

2) 에너지 효율 및 성능

  국내 차량의 연료별 평균적인 에너지 효율은 다음과 같다.

 

항목/연료

전기차*

수소차**

휘발유

경유

LPG

연비

5.5km/kWh

96.2km/kg

11.44km/L

12.83km/L

8.77km/L

열량당 연비

(m/kcal)

2.40

3.35

1.46

1.42

1.43

100km 연료비(원)***

1,310 (완속)
3,180 (급속)

7,880

12,870

10,450

9,290

 [차량 연료별 연비 비교]

*: 국산 전기차 6종(코나, 아이오닉, 니로, 쏘울, 볼트, SM3)의 평균치이며, 저용량 배터리 옵션이 반영됨. 전기차 항목은 이하 동일.
**: 현대자동차 수소차 NEXO의 기본옵션 (17인치 타이어) 기준. 수소차 항목은 이하 동일.
***: 화석연료는 2019년 평균가격, 친환경차는 2020년 1월 가격을 적용. 1의 자리에서 반올림.

출처: 현대, 기아, 쉐보레, 르노삼성, 환경부 전기차 충전소

한국에너지공단 2019 자동차 에너지소비효율 분석집

에너지기본법시행령 제15조 제1항 별표

에너지경제연구원 수소제조비용추정에 관한 연구

한국석유공사 오피넷 주간 유가동향

전국개인택시운송사업조합연합회 LPG 정보

 

  개별 연료를 연소시켰을 때 얻는 열량(kcal) 1단위당 움직일 수 있는 거리를 ‘연량당 연비’ 지표로 나타냈을 때 전기차와 수소차는 내연기관차에 비해 높은 효율을 보였다. 특히 수소차의 열량당 연비가 3.35m/kcal로 전기차(2.40m/kcal)보다 높았다. 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.

  국내 전기차와 수소차의 평균적인 차량 성능은 다음과 같다.

 

항목/연료

전기차

수소차

최고속도

158.51km/h
(SD=11.21)

177km/h

1회 완충 시 주행거리

310.44km
(SD=77.22)

609km

 [전기차와 수소차의 성능 비교]

출처: 현대, 기아, 쉐보레, 르노삼성, 환경부 전기차 충전소

 

  한편 지난 2017년 한국산업기술시험원의 시험 결과 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 이러한 부분을 극복하기 위해, 국내에서 여러 연구가 활발하게 진행되고 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. 이 문제를 해결하기 위해 국내에서는 배터리의 전압강하 원인을 찾아내기 위해 노력하고 있고, 해외 기업과 공동연구를 통해 많은 연구진이 전기차의 배터리 향상에 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 개발했다고 밝혔다. 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 연료전지 기본 구조 ]

출처: 한국연구재단

 

   수소 연료전지를 통해 구동하고 있는 현재의 수소차는 연료전지가 핵심이 되고 있다. 이 연료전지의 효율성을 증가시키기 위해 필요한 것이 바로 촉매로, 이는 화학적으로 변하지 않고 다른 화학 반응의 속도에 영향을 주는 물질이다. 즉 수소차 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 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 또한 사용할수록 성능이 저하되어 불안정성 문제도 가지고 있다. 그렇기 때문에 수소차의 대중성을 높이기 위해서 많은 연구원들과 기업들이 신촉매 개발에 힘쓰고 있는 것이다. 이러한 수소차의 문제점들을 해결하고자 하는 것이 계기가 되어 키스트와 IBS 등 여러 곳에서 해결방안을 찾기 위해 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 있어 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 밝히면서 연료전지의 효율성에 기반을 둔 촉매연구에 박차를 가하고 있다.

 

[나노연료촉매전지를 확대한 모습]

출처: 기초과학연구원

 

3) 국내 최신 연구동향

  현재 대부분의 수소차와 전기차에 대한 연구가 촉매 개발과 전기차 배터리 용량에 초점을 두어서 진행되고 있다. 그런데 방향성을 바꾸어 다른 관점에서 연구를 하고 있는 국내 연구진들이 있다.

  삼성전자 종합기술원과 서울대 화공생명공학부팀은 배터리 충전시간에 초점을 맞추고 공동연구를 진행하여, 기존보다 5배 빠른 충전이 가능한 기술 개발에 성공했다. 기존 배터리는 완충 충전에 1시간이 걸렸지만, 새로 개발된 소재를 사용한 배터리는 완충시간을 12분으로 단축시키는 성과를 거두게 되었다.

  한편 강원대 조용훈 교수, 단국대 이창현 교수, 서울대 성영은 교수 연구팀은 이온 전도성이 있는 고분자 ‘아이오노머’를 적용해 수소 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다. 수소 연료전지 성능에 영향을 미치는 요인으로는 촉매, 전해질, 아이오노머 3가지가 있는데, 여기서 아이오노머는 수소연료전지에서 수소 이온을 촉매 내부로 전달하는 기능을 한다. 기존에 사용되는 백금 촉매는 생산 효율, 내구성 등에 한계가 있어 그동안의 연구는 연료전지의 성능을 높이기 위한 연구는 촉매를 개선하는 데만 초점을 두고 진행됐다. 하지만 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘아이오노머’에 초점을 맞춰 수소 연료전지를 향상시킨 것이다.



3. 보급현황 및 평가

 

[국내 차량 및 무공해차 등록 추이]

출처: 국토교통부 통계누리

 

  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, 국내 순수 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

 

[수소 모빌리티(2019년 기준)]

출처: 산업통상자원부

 

  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.

 

1일 충전필요차량수 = 차량 1대의 1일 충전횟수 × 차량등록대수
(차량 1대의 1일 충전횟수 = 1일 평균 주행거리 ÷ 1회 완충시 주행거리)

 

1일 충전가능차량수 = 충전소 1곳의 1일 충전가능차량수 × 충전소 개수
(충전소 1곳의 1일 충전가능차량수 = 1일 전기공급량(kW) ÷ 배터리 평균용량(kWh))

 

충전소 평균 이용률(%) = 1일 충전필요차량수 ÷ 1일 충전가능차량수 × 100

 

항목/연료

전기차

수소차

1일 충전필요차량수

10962.35

298.80

1일 충전가능차량수

79332.71*

3432.00**

충전소 평균 이용률***

14%

9%

 [전기차와 수소차 충전인프라의 상대적 보급 규모]

*: 급속충전기 1일 충전가능차량수 × 0.8 + 완속충전기 1일 충전가능차량수
**: 일반적인 300Nm3/h규모의 수소충전소가 시간당 충전할 수 있는 차량은 5~6대라는 박진남(2018)의 연구논문을 참조하여 수소충전소 1곳의 시간당 충전가능차량수를 5.5로, 1일 충전가능차량수를 5.5 × 24 = 132로 대입함.
***: 충전소 운영시간은 반영되지 않음. 모든 충전소의 24시간 운영을 가정함.

출처: 국토교통부, 현대, 기아, 쉐보레, 르노삼성, 한국전력 전력데이터개방포털시스템, 환경부 전기차 충전소, 한국교통안전공단

  수소차는 전기차에 비해 1회 완충시 주행거리는 2배 길고, 충전시간은 5배 이상 짧다. 이로 인해 수소차의 충전필요차량수는 적어지고, 충전가능차량수는 많아진다. 결과적으로 현재 수소차 충전소의 평균 이용률은 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 무공해차 구매지원 규모는 다음과 같다.

 

항목/연도

2019년

2020년

전기차 지원대수

54,652 (90.8%)

84,150 (89.1%)

수소차 지원대수

5,504 (9.1%)

10,280 (10.9%)

지원대수 합계

60,156 (100.0%)

94,430 (100.0%)

전기차 지원예산

5,403억원 (79.2%)

8,002억원 (69.6%)

수소차 지원예산

1,421억원 (20.8%)

3,495억원 (30.4%)

지원예산 합계

6,824억원 (100.0%)

11,497억원 (100.0%)

 [무공해차 구매지원 규모]

출처: 기획재정부 보도자료

 

  전기차와 수소차에 대한 총 지원대수는 작년 6만여대에서 올해 9만4천여대로 약 57% 증가했으며 지원대수의 비중은 전기차 90%, 수소차 10% 정도로 작년과 거의 동일하다. 총 지원예산은 6800억원에서 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 작년 144만원에서 올해 215만원으로 늘어났는데, 이는 전기차 배터리 성능 강화를 위해 차등적인 인센티브를 제공하는 세계적인 추세와 발을 맞추고 있다고 볼 수 있다.

 

항목/연료

전기차

수소차

차량 가격

43,980,000

68,900,000

총보조금(국고+지자체평균)

14,190,000

34,000,000

실질구매가격

29,790,000

34,900,000

 [2020년 전기차와 수소차의 평균 보조금 비교(1,000원 단위에서 반올림)]

출처: 현대, 기아, 쉐보레, 르노삼성, 기획재정부 보도자료

 

  2020년 전기차에 대한 국고보조금은 국산 6종 평균 7,730,000원, 수소차는 22,500,000원이다. 지자체보조금은 평균적으로 전기차는 6,460,000원, 수소차는 11,500,000원이며 지역에 따라 전기차는 약 160만원, 수소차는 약 260만원의 평균적인 편차가 있다. 판매가격은 수소차가 전기차에 비해 약 2천5백만원 비싸지만 국고보조금과 지자체보조금으로 실질구매가격의 차이는 대략 5백만원으로 줄어든다.

 

 

4. 친환경차 확대를 위한 향후 과제

  국토부 차량등록현황에서 확인했듯 2019년 우리나라 수소차와 전기차는 도합 95,001대로 전체 등록차량의 0.4%만을 차지하고 있으며, 한편으로는 두 차종 모두 최근들어 등록 대수가 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 전기차의 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. 언론보도에 따르면 최근까지도 회수된 폐배터리에 대한 안전관리, 분류 및 해체 등의 처리기준이 명확하지 않아 사회적 논의가 시급한 것으로 보인다.

 

2) 전력 생산과정

 

[디젤 엔진 차와 전기차 모순]

출처 : Clean Energy

 

  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.

 

[차량 연료별 전과정 온실가스 배출량*]

*: 주황색은 동력원 생산과정, 회색은 차량 운행과정에서 발생하는 온실가스이며, 재생에너지(Renewables)원별 발전비중은 우리나라 본토(Mainland)에서 부생가스 43.6%, 수력 31.8%, 태양광 17.8%, 풍력 6.7%, 제주도에서 부생가스 5.9%, 수력 4.3%, 태양광 18.7%, 풍력 71.1%라는 통계가 반영됨.
ICEV: 내연기관차(Internal Combustion Engine Vehicle)
HEV: 하이브리드(Hybrid Electric Vehicle)
PHEV: 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)
EV: 전기차(Pure Electric Vehicle)

출처: 한국자동차공학회

 

  전기차가 기존 내연기관 자동차와 같이 온실가스 배출량이 많다는 지적이 나오는 이유는 전기 생산에 있어 석탄을 이용한 발전의 비율이 높기 때문이다. 현재 우리나라의 전기는 대부분 석탄과 원자력으로 생산되기 때문에, 전기차 또한 주로 석탄 발전으로 만들어진 전기를 사용하고 있다. 따라서 전기차의 친환경성은 논란의 대상이 될 수밖에 없다. 때문에 전력 발전원을 친환경적으로 전환할 필요가 있다. 특히 현재 신재생에너지 발전원의 23%인 태양에너지와 풍력에너지의 안정성을 강화하여, 폐기물과 바이오가 64%를 차지하는 신재생에너지원의 포트폴리오를 태양, 풍력 중심으로 바꾸고 전체 발전 비중에서 6%에 불과한 신재생에너지의 비중을 지금보다 높여야 한다.

 

[2018년 에너지원 및 신재생에너지원별 발전 비중]

출처: 에너지경제연구원 에너지통계연보

 

  그렇다면 당장 석탄 발전 전기를 쓰고 있는 전기차들은 환경오염의 주범일 수밖에 없는것일까? 그 대답은 다행히 "NO" 이다. 화석연료를 통해 전기를 생산하더라도 보다 친환경적이고 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 발전방식을 소개하고자한다. 바로 석탄가스화복합발전소(IGCC)이다.

 

[석탄가스화복합발전 모식도]

출처 : 한국전력 전력연구원 KEPRI News

 

  IGCC는 석탄을 고온·고압에서 연소(열분해)시켜 얻은 가스를 정제해 연료로 만들어 가스터빈과 증기터빈을 돌리는 방식으로 전기를 생산한다. 이때 정제되는 가스는 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스다. 석탄을 가스화 할 때 나오는 질소산화물과 황산화물은 모두 재활용이 가능하다. 그리고 효율은 기존의 발전소보다 40% 높고 이산화탄소는 최대 25%까지 저감 가능하며 오염물질의 배출도가 거의 없는 친환경적 발전소이다.

 

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.


참고문헌

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[3] 한국에너지공단, “친환경 미래를 위한 선택, 수소차와 전기차”, 한국에너지공단 공식블로그 2020.01.21,
https://blog.naver.com/kea_sese/221779881087

[4] 송석섭, “(공동-보도)성능ㆍ환경성 중심으로 무공해차 보조금 체계 개편”, 환경부, 2020.01.20, http://www.me.go.kr/home/web/board/read.do?menuId=286&boardMasterId=1&boardCategoryId=39&boardId=1200700

[5] 이성규, “[수소차 오해와 진실] 수소 충전소 설치비, 주유소의 10배?", 이코노믹리뷰, 2017.08.18, http://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=320988

[6] 한국교통안전공단, “전기차와 수소차, “사도 될까요?””, 한국교통안전공단 공식블로그, 2019.12.03
https://blog.naver.com/autolog/221725893728
[7] 김준억, "코나EV, 국내 전기차 최초 등록 대수 2만대 돌파", 연합뉴스, 2019.09.14
[8] 박태준, "10만km 주행 전기차 배터리가 원래 성능 86% 유지…보장기간 갑절은 쌩쌩", 전자신문, 2017.04.12.

[9] Kama web journal, 산업연구원 선임연구위원, 조철
http://www.kama.or.kr/jsp/webzine/201709/pages/issue_03.jsp

[10] HMG ZOURNAL,수소전기차
https://news.hmgjournal.com/Search-Result/List?newsearchKey=%EC%88%98%EC%86%8C%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%B0%A8&searchMenuId=TG

[11] 이훈, "[이슈리포트] 전기차 폐배터리 ESS로 변신한다", 전기저널, 2019.

http://www.dbpia.co.kr.library.kpu.ac.kr:8010/pdf/pdfView.do?nodeId=NODE0921991

[12] 전황수, "수소연료전지차 정책 및 시사점", ETRI, 2013.
https://ettrends.etri.re.kr/ettrends/141/0905001836/28-3_151-159.pdf

[13] 박진남, "수소충전소 기술 정책 및 현황", 공업화학 전망, 21(3), 10-19, 2018
[14] 이승문·김재경, "네트워크 기반의 전기자동차 충전인프라 구축방안 연구", 정책 이슈페이퍼 17-07, 에너지경제연구원, 2017.4.
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[17] "저렴한 알칼라인 연료전지 개발…수소차 상용화 기대감 더해", 데일리비즈온, 2019.11.26,
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[18] "수소차 딜레마 풀릴까…값비싼 '백금' 대체할 비귀금속 나노 촉매 개발", it 조선, 2019.02.11,

http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2019/02/11/2019021101960.html

[19] "전기차 주행거리 2배 이상 늘리는 배터리 기술 개발", 경향신문, 2020.01.21,
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[20] "국내 연구진, 초임계유체 활용해 수소연료전지 기능 향상", IT TIMES, 2020.02.03,
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[21] "삼성전자, 충전속도 5배 빠른 배터리 원천기술 확보···12분이면 OK!", 증권일보, 2017.11.27

https://blog.naver.com/enewstock/221149474545
[22] 배동주, "[늘어나는 폐배터리 처리는] 버리면 유독물질인데… 정부는 방관", 중앙시사매거진 1501호, 2019.09.16.
http://jmagazine.joins.com/economist/view/327436
[23] 김재경·박찬국, "전기차 사용후 배터리 거래시장 구축을 위한 정책연구", 기본연구보고서 2018-16, 에너지경제연구원, 2018.12.
[24] 이혜라, "에너지업계, 폐배터리 재활용 사업 '관심 UP'", 스포츠서울, 2019.09.27
http://www.sportsseoul.com/news/read/825013#csidx17f3de70997ae988351d1df750d5481
[25] 환경부, "전기차 폐배터리 재활용 방법 및 기준 마련 연구", 2018.10.
[26] NREL, "Identifying and Overcoming Critical Barriers to Widespread Second Use of PEV Batteries", 2015.02.
[27] US EPA, "Application of LCA to Nanoscale Technology: Li-ion Batteries for Electric Vehicles", 2013.04.
[28] Won Jae Choi, Eunji Yoo, Jae Jun Jang, Eunsu Seol, Myoungsoo Kim, Han Ho Song, "Well-to-Wheel Analysis (WTW) on Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels in South Korea",한국자동차공학회 Workshop, 7-21, 2018.8.
[29] 조강희, "석탄가스화복합발전소, 효율·환경 동시에 잡는다", 한국에너지, 2018.04.30,
http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=100064

 

 

댓글3

  • "수소 연료 전지 도식화" 하단 문단의 '공기 중에 항상 있는 수소'를 활용한다는 것은 밀도가 낮은 수소에도 연료전지가 작동한다는 의미인가요?
    답글

    • 공기 중 수소를 바로 이용하는 것은 불가능 한게 맞습니다.
      태양광 발전의 에너지원인 태양광을 고갈되지 않고 항상 이용가능한 자원이라고 표현하듯이 그런 의미로 표현한것입니다.

      그래서 뒤에 재생에너지와 비교 하는 문장을 넣었는데 의미 전달이 제대로 되지 않은것같습니다.

      덕분에 조금 더 나은 문장으로 수정할 수 있었습니다. ^_^

    • 친절한 답변 감사드립니다!