전기차, 정말 친환경적일까?
전기차, 정말 친환경적일까?
대학생신재생에너지기자단 19기 문서영, 19기 서명근
탄소중립으로의 전환에 따라 전기자동차가 주목받으면서 점차 공급량을 늘리려는 움직임을 보이고 있다. 실제 다수의 완성차 업체에서는 2030년을 기점으로 내연기관차의 생산을 중단하고 전기차 생산에 집중할 계획을 밝히기도 했다. 이런 상황에서 과연 전기자동차가 탄소중립에 진정으로 기여할 수 있는지, 내연기관차에 비해 에너지 부분과 자동차 공정 부분에서 실제로 탄소 배출량이 적은 지 여부를 알아보고자 한다.
전 과정 평가(Life Cycle Assessment) 분석 범위에 따른 비교
[그림1. LCA (Life Cycle Assessment, 환경 전 과정 평가) 모식도]
출처: 글로벌 오토뉴스
탄소 배출량의 비교를 위해 전 과정 평가(LCA)를 사용하고자 한다. '전 과정 평가'란 제품 시스템의 전 과정에 걸친 투입물과 산출물에 의해 발생할 수 있는 잠재적인 환경 영향을 정성적, 정량적으로 평가하는 기법이다. 내연기관차와 전기자동차를 기준으로 보면 휘발유와 경유 혹은 전기등 에너지원을 생산하는 동안 발생하는 탄소 배출량과, 자동차와 배터리를 제조할 때 발생하는 탄소 배출량을 측정하고 비교 분석하는 것이다.
이러한 분석을 'Fuel Cycle'과 'Vehicle Cycle'이라고 한다. Fuel Cycle은 자동차 연료 생산에서의 원료 추출, 수송, 연료 생산 등을 포함하는 과정이며, Vehicle Cycle은 자동차 제품 생산에서의 원료 추출, 수송, 가공, 생산 및 조립과 운행 과정의 소모품 및 재활용 과정을 포함한다.
Fuel Cycle
[그림 2. Fuel Cycle 온실가스 배출량]
출처: 한국 자동차공학회 오토 저널
위 자료는 차종별 Fuel Cycle 온실가스 배출량을 나타낸 그래프이다. 왼쪽부터 내연기관차(ICEV), 하이브리드(HEV), 전기자동차(BEV), 수소 전기차(FCEV)이다. 본문에서는 그중에서도 특히 내연기관차와 전기자동차의 비교를 중점적으로 다룬다. 내연기관차의 연료는 휘발유(Gasoline)와 경유(Diesel)이며, 전기자동차는 발전 믹스(Korea Mainland Avg), 석탄(Coal), 천연가스(Natural Gas)이다. 발전 믹스는 화력, 원자력 발전을 포함한 국내 발전원을 모두 포함한 평균치이다.
내연기관차에서 온실가스 배출량의 가장 큰 비율을 차지하는 부분은 단연 운행 과정(Vehicle Operation)이다. 내연기관차는 연료를 태워 동력을 얻는데, 이때 많은 온실가스가 방출되기 때문이다. 이에 반해 연료 생성(Power generation)과 연료 운반(Upstream process)에서는 낮은 수치를 보여준다. 전기자동차의 경우 운행 과정에서 발생하는 배출량은 제로인 반면 연료를 생성하는 과정에서 오염물질이 발생한다. 현재 국내 발전의 대부분이 화력 발전으로 구성되어 있어 전기를 생산하는 과정에서 많은 온실가스가 방출되기 때문이다. 하지만 이는 개선될 여지가 충분하다. 국내 제9차 전력수급계획에 따르면 온실가스를 줄이기 위해 화력 발전을 감축하고, 신재생에너지 투자를 가속화함으로써 2034년 재생에너지의 발전량 비중을 22.2%로 설정했다. 이에 따라 전기 생산 과정에서의 온실가스는 줄어들어 결과적으로 온실가스 배출량을 크게 감축할 수 있는 것이다. 즉, Fuel Cycle에서는 내연기관차보다 전기자동차가 우세하다는 것을 알 수 있다.
Vehicle Cycle
자동차 제조 과정을 비교하면 전기차는 생산, 사용, 폐기 등 전 과정에서 내연기관차 대비 30~70%의 이산화탄소를 배출하는 것으로 알려져 있다. 차량 생산과정을 보면 전기차는 내연기관차 대비 약 1.2배 많은 이산화탄소를 배출한다. 이들은 대부분 배터리에서 기인한다. 일반적으로 전기차용 배터리(70㎾h) 한 대를 생산하는데 약 4.2톤 이산화탄소가 발생한다. 이를 바탕으로 볼 때 국제 에너지 기구에서 예상하는 2030년 세계 배터리 수요만큼의 배터리를 생산하면 약 9600만 톤 이산화탄소가 발생할 것으로 예상된다.
[그림 3. Fuel Cycle + Vehicle Cycle 온실가스 배출량]
출처: 한국 자동차공학회 오토 저널
두 가지의 Cycle을 취합해면, 제조 공정에서 발생하는 오염물질에 비해 연료 사용에서의 친환경성이 더 크기 때문에 결론적으로는 전기차의 온실가스 배출량이 더 낮다고 볼 수 있다. 또한 유럽 교통 전문 NGO인 교통과 환경(T&E)은 유럽연합 내 전기차는 어떤 전력을 사용해도 내연기관차보다 약 3배 적은 이산화탄소를 발생시킨다고 발표하기도 했다. 전기차의 평균 이산화탄소 배출량은 90g이지만 디젤차는 이에 2.6배, 휘발유차는 2.8배를 배출한다는 것이다. 김지석 그린피스 기후에너지 전문위원은 최근 폭스바겐코리아가 진행한 기후변화 및 탄소중립에 대한 프레젠테이션에서 "같은 차를 탄다면 5년 후에 전기차가 더 친환경적"이라며 "전기차의 경우 개선될 여지도 있다"라고 설명했다.
친환경 전기차로의 도약
게다가 전기차의 경우 향후 발전을 통해 친환경성이 더 좋아질 수 있다. 배터리와 차체 제조 공정에서 재생가능 에너지를 사용하게 되면 가공 공정까지의 배출량이 감소할 수 있고, 배터리 재활용 기술이 발전하면 배터리 생산 과정까지의 탄소 발생량도 감소할 수 있다.
이와 관련하여 배터리의 양·음극재를 친환경적으로 생산하려는 연구가 진행 중이다. 양·음극재를 만들 때 발생하는 탄소배출량이 전기차 제조 시 발생하는 온실가스의 절반 가량을 차지하기 때문이다. 양·음극재 제조 과정에서는 니켈, 망간 등 금속원료를 800도 이상 고온에서 가열하는 소성 과정이 핵심인데 이때 전기가 많이 쓰인다. 이에 따라 대부분의 소재 제조사는 공장에 태양광 발전소를 설치해 신재생에너지를 활용한 전기를 사용하고 있다. LG화학도 청주 양극재 공장의 전력사용량의 30%를 신재생에너지로 전환했고 포스코 케미칼은 세종시 음극재 공장에 태양광 발전용 패널을 설치했다. 코스모화학도 전력사용량의 10%를 태양광발전으로 조달하고 있다.
뿐만 아니라 리튬은 채굴 과정에서의 유해물질이 방출되어 이를 대체하는 소재로써 소듐으로의 전환에 대한 연구도 진행 중이다. 리튬을 기존 방식으로 채굴할 때는 상당한 물이 필요한데 이 과정에서 비소 등이 나와 지하수를 오염시킬 수 있다. 또한 리튬을 추출할 때 점토와 황산을 섞는데, 이때도 상당량의 황산 폐기물이 나온다. 대체제로 각광받는 소듐은 우선 리튬보다 매장량이 풍부하고 안정성이 높다.
[그림 4. 배터리용 전하 운반체로써 리튬과 나트륨의 비교]
출처: AEM
게다가 소듐은 리튬과 매우 유사한 구성을 갖고 있으며 생산에서도 거의 동일한 공정 장비를 이용한다. 따라서 제조업체는 공장 신축 및 추가 비용 없이 기존 생산 라인을 전환해 사용할 수 있어 경제적이다. 뿐만 아니라 소듐은 바닷물에서 일정 공정을 거쳐 취할 수 있기 때문에 공정이 간소화되어 오염물질 방출이 감소하게 된다.
결론
결국 전기차는 제조 공정과 발전과정에서 탄소 배출량이 많다는 문제점이 있었지만, 장기적으로 봤을 때는 내연기관차보다 감소되는 탄소의 양이 많아 친환경적이라고 볼 수 있었다. 게다가 발전과정에서의 석탄 발전은 전력수급계획에 따라서 점진적으로 감소하는 추세이며, 제조 공정에서도 탄소 배출을 줄이기 위한 기술들도 꾸준히 연구되고 있다. 따라서 현재로서는 전기차가 내연기관 자동차를 대체하는, 탄소중립의 주요 산업군으로 가장 적합하다고 예측된다. 앞으로 전기차가 어떻게 더욱 친환경적으로 변화할지 기대해보자.
친환경 전기차에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
1. "'EU 배터리 규제안'이 불러온 폐배터리 리사이클의 새로운 패러다임", 18기 이지수, 19기 이수연, https://renewableenergyfollowers.org/3480
2. "'착한 전기자동차를 팝니다?'... 천만의 말씀", 18기 김민주, 이지수, 19기 김성민, 조윤주, 20기 이주선, https://renewableenergyfollowers.org/3420
참고문헌
1) 김경준, ““친환경 전력만 사용”… 국내 기업들 ‘RE100’ 보폭 넓힌다 “, 한국일보, 2021.02.09, https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2021020909360001350
2) 류혜경, ”[탄소중립車] 전기차, 지구 기온 상승 막는 해답 될까 “, 아주경제, 2021.06.16, https://www.ajunews.com/util/sokbo_view?newsId=20210616051538795
3) 송영훈, "[에너지 전환 팩트체크] ⑦전기차 온실가스 감축에 큰 효과 없다?", NEWSTOF, 21.10.29, http://www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=12229
4) 송한호, "국내 자동차 LCA 온실가스 배출량 분석", 한국 자동차공학회, 오토 저널 43권 5호 17p ~ 22p, 2021.05
5) 원선웅, "164. 파워트레인의 미래 - 52. ICCT/IEA, 데이터로 전기차 전환 당위성 제시", GLOBAL AUTO NEWS, 21.09.27, http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_028&wr_id=171
6) 우중제, ”[사이언스 온고지신] 탄소중립을 위한 전기차와 배터리 전 과정 탄소저감”, 전자신문, 2021.09.05, https://m.etnews.com/20210903000100
7) 윤범진, 전기차, “이젠 소금으로 달려볼까””, Automotive Electronics Magazine, 2017년 11월호, https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=2584
8) 이유진,”전기차 배터리 수요 뛰자… 미국은 지금 '백색 황금’ 채굴 붐”, 매일경제, 2021.05.07, https://www.mk.co.kr/news/world/view/2021/05/442708/
9) 임춘호,”'탄소 배출 제로' 친환경 배터리 공정 개발한다”, 중소기업뉴스, 2021.10.07, http://www.kbiznews.co.kr/news/articleView.html?idxno=87283
10) 최은서, “전기차는 정말 친환경차일까? “, 그린피스, 2020.06.16, https://www.greenpeace.org/korea/update/13651/blog-ce-core-contents-ev/
