그 많던 하이브리드 버스는 다 어디로 갔을까?

그 많던 하이브리드 버스는 다 어디로 갔을까?

대학생신재생에너지기자단 23기 김태현

 

[하이브리드 자동차의 성장, 버스는?]

하이브리드 자동차가 전기 자동차에 비해 빠르게 성장하고 있다. 2023년 10월 새로 들어온 신규 차 중 하이브리드 자동차의 비율은 3분의 1이었으나, 전기 자동차는 9분의 1에 그쳤다. 지난해 전기차의 판매량은 4.4% 감소했지만, 하이브리드 자동차는 44%나 증가했다. 이처럼, 최근 전기차에 비해 하이브리드 자동차는 성장세를 걷고 있으며, 업계 관계자는 이러한 이유를 전기차의 비싼 가격과 충전 비용, 하이브리드 자동차의 뛰어난 연비로 보고 있다. 친환경 차로 바꾸고 싶은 마음은 있지만 전기차는 비용 부담이 된다는 것이다.

[자료 1. 최근 끊임없이 보급되고 있는 전기버스]

출처 : 데일리안

그러나, 버스는 이와 다른 길을 걷고 있다. 서울 시내를 걷다 보면 전기버스를 쉽게 찾을 수 있다. 심지어, 최근에는 2층 전기버스도 등장하고 있으며, 마을버스도 전기버스로 변화하기 시작했다. 그렇지만, 하이브리드 버스를 찾아보기는 어렵다. 일부 버스 도착 안내문에는 전기버스가 오고 있다는 표시는 있지만, 하이브리드 버스가 오고 있다는 표시는 하지 않고 있다. 서울 시내버스 중 하이브리드 버스가 거의 없기 때문이다. 현재, 인천시에서는 일부 하이브리드 버스를 폐차하고 있다. 이러한 이유로는 떨어지는 수익성, 잦은 부품의 고장 등인데 하이브리드 버스가 전기버스에 비해 많이 보이지 않는 이유를 더 자세히 알아보도록 하자.

 

[CNG 하이브리드 버스란?]

[자료 2. CNG 하이브리드 버스의 등장]

출처 : 포토뉴스

우리가 흔히 말하는 하이브리드 버스는 ‘CNG 하이브리드 버스’를 의미한다. CNG 하이브리드 버스는 2010년 현대자동차에서 최초로 개발했으며, CNG(압축천연가스) 버스를 대체할 친환경 버스로 화두에 오르고 있었다. CNG 하이브리드 버스는 저속이나 정차, 내리막길 등 상대적으로 에너지를 많이 필요로 하지 않는 곳에는 전기를, 고속이나 오르막길 운행 시 CNG를 이용한다. 전기차와 달리 속도가 줄어들거나 내리막길을 운행할 때는 버려지는 운동에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있어 충전이 따로 필요 없다는 장점이 있다. 충전 비용의 부담이 없고 체계적으로 갖추어진 충전 인프라가 필요 없다는 것이다.

전문가들은 CNG 하이브리드 버스가 오염 물질을 경유 버스나 CNG 버스보다 더 적게 배출할 것으로 예측했다. 실제로, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물 등은 경유 버스가 CNG 하이브리드 버스에 비해 각각 1.55, 5.7, 4.8배 더 많이 발생했다. 그러나, 탄화수소는 오히려 CNG 하이브리드 버스가 경유 버스에 비해 무려 24.5배가 더 많이 발생한다. 하지만, 종합적 측면으로 CNG 하이브리드 버스는 경유 버스보다 환경친화적이라는 평가를 받고 있었다.

그러나, CNG 하이브리드 버스는 구입 비용이 비싸다는 단점이 있다. 버스 구입에 드는 비용은 경유 버스가 하이브리드 버스의 약 3분의 2 정도이다. 하지만, 환경친화적 움직임이 유행함에 따라 각 시는 CNG 하이브리드 버스를 구매할 때마다 버스 회사에 보조금을 지급했다. 전기 에너지 역시 자동으로 충전되므로 장비 교체 비용이 들지 않아 구매만 지원해 준다면 경제성이 보장된다고 판단한 것이다.

[자료 3. 고장 나서 운행할 수 없는 버스]

출처 : 연합뉴스

그러나, CNG 하이브리드 버스는 이들의 생각대로 흘러가지 않았다. 실제로 버스 내 장비가 제 역할을 하지 못하고 자주 고장이 나 유지 비용이 많이 들었고 이에 따른 승객들의 불편함과 민원도 잦았다. CNG 하이브리드 버스에는 고급 승용차에 탑재된 ISG 시스템이 장착돼 있었다. 이에 따라 엔진은 버스 정차 시에 가동이 멈추게 된다. 이때마다 냉난방 장치 가동이 멈추게 되는데 이에 따라 여름과 겨울마다 승객의 불편을 야기한다. ISG는 하이브리드 차량의 고유 특성인데 정류장마다 정차하는 버스의 성격과 맞지 않는다는 것이다.

CNG 하이브리드 버스의 단점은 이뿐만이 아니다. 경유 버스나 CNG 버스와 비교했을 때 엔진의 고장이 잦다는 단점도 존재한다. 이는 하이브리드 버스의 작은 엔진 크기에서 나온다. 엔진의 작은 크기로 인해 정차 후 출발할 때나 오르막길 등 많은 에너지가 있어야 하는 상황에서 엔진이 쉽게 가열되고, 높은 온도로 인해 쉽게 고장 나는 것이다. CNG 하이브리드 버스의 동력은 CNG와 전기 두 가지가 있는데, 전기 모터를 통해 엔진을 보조하는 방식으로 전기를 이용한다. 그러나, 전기 모터를 통해 엔진의 운동 에너지로 전환되는 전기의 비중이 현격히 작기 때문에 열로 버려지는 많은 양의 에너지가 발생하게 된다. 이는 엔진의 효율을 떨어뜨릴 뿐 아니라 엔진의 과열로 인한 잦은 고장의 원인이 된다. CNG 하이브리드 버스의 부품 수급의 어려움은 하이브리드 버스의 입지에 악영향을 끼친다.

하이브리드 버스의 많은 열에너지 손실은 승객의 또 다른 불편에도 기여한다. 손실되는 에너지의 양이 많아 버스 기사들은 엔진을 강하게 밟아야 하고, 이는 버스 기사의 피로도를 증가시키며 승객들이 위험하게 운전한다고 여길 수 있는 계기가 된다. 이러한 단점으로 인해 CNG 하이브리드 버스는 2020년 단종됐으며, 남아 있는 차들도 폐차 절차를 밟고 있다고 한다.

 

[서울시내버스에 등장한 전기버스]

[자료 4. 처음 등장했을 당시의 전기버스]

출처 : NEWSIS

2018년, 최초로 전기버스인 서울 시내버스가 등장했다. 전기버스란, 버스의 형태를 갖춘 전기자동차로, 배터리로부터 공급받은 전력을 동력원으로 모터를 돌려 사용하는 버스를 의미한다. 서울 시내버스 등장 당시에는 3개 노선으로 시작했지만, 현재는 전체 시내버스 중 약 10%를 차지하고 있다. 전기버스는 전력 공급 방식에 따라 플러그인 방식, 배터리 교환 방식, 무선 충전 방식, 팬터그래프 방식 등으로 나뉜다.

[자료 5. 충전 중인 플러그인 방식 전기차]

출처 : NEWSIS

플러그인 방식은 전기자동차에 쓰이는 것과 동일한 방식으로, 플러그를 차량과 연결하여 충전하는 방식이다. 현재 우리나라에서 가장 많이 쓰이고 있는 방식으로, 차고지에 직접 플러그인 충전소를 설치하며 점차 이를 이용한 전기버스의 수가 늘어났다. 과거에는 차고지에서 전기차 충전소까지 이동하여 충전을 실시했지만, 차고지에 충전소가 들어오며 차고지 내에서 충전할 수 있어 낭비되는 전력량을 줄인 것이다. 이 방식에는 용량이 큰 배터리를 사용할 수 있어 노선이 긴 버스에 제격인 방식이라 할 수 있다.

배터리 교환식은 배터리 탈착형 휴대 전화처럼 차량 윗부분에 탑재된 배터리가 방전되면 갈아 끼우는 방식이다. 배터리 교체 절차가 간단하지만, 휴대 전화 배터리 탈착과는 달리 배터리 교체 시설이 따로 필요하다는 번거로움이 있다. 또한, 대용량의 배터리 사용이 불가능해 주행 거리가 약 80km로 제한된다는 단점이 있다. 배터리는 사용함에 따라 용량이 줄어들게 되는데, 이에 따라 최대 이동 거리가 더 줄어들어 노선이 긴 버스에 사용하지 못한다는 단점이 있다.

무선 충전 방식은 전자기 유도 현상을 통해 충전하는 방식이다. 바닥에 충전 장치를 설치해 두고 버스가 지나갈 때 나온 기전력으로 배터리를 충전하는 방식이다. 충전소에 갈 필요가 없어 상대적으로 편리하다는 장점이 있으며, 운행하면서 충전할 수 있어 비상 상황에 대한 위험성이 줄어든다. 다만, 도로에 충전 장치를 깔아야 하므로 초기 인프라에 대한 비용 부담이 크고 전자파에 대한 유해성 논란도 존재한다.

최근에는 다른 방식의 무선 충전도 등장하고 있다. 바로 서울대공원을 순환하는 열차인 코끼리 열차가 이용하는 충전 방식이 전기버스에 도입될 예정이다. 앞서 언급한 무선 충전 방식과는 달리 정차할 때 충전이 진행된다. 도로 바닥에 설치된 무선 충전기에서 주파수를 송신하면 버스 내부에 있는 충전 장치가 이를 수신하여 공명 현상을 일으키며 충전이 진행되는 것이다. 이때 공진 주파수는 85kHz이다. 충전기를 연결하거나 별도의 장치 필요 없이 충전기 위 버스가 정차하면 충전이 진행되기 때문에 충전 방식이 매우 간편하고, 급속 충전도 가능하다는 장점이 있다. 다만, 아직 전기버스가 이 방법을 채택하기까지는 시간이 걸릴 것으로 예상된다.

[자료 6. 충전되고 있는 팬터그래프 방식 전기버스]

출처 : 전자신문

마지막으로 팬터그래프 방식은 일반적으로 전철에 쓰이는 집전장치인 팬터그래프를 이용하는 방식이다. 그러나, 전철과는 달리 전기버스는 팬터그래프가 달린 충전소에서 이 팬터그래프가 내려와 버스 천장과 연결하는 방식으로 충전된다. 이 역시 정차하며 충전할 수 있는 무선 충전 방식과 마찬가지로 급속 충전이 가능하지만, 급속 충전 시 최대 이동 거리가 적다는 단점이 있다. 현재 우리나라에는 운행되고 있지 않지만, 회차지가 잘 조성된 팬터그래프 충전소가 잘 갖춰져 있는 유럽에서는 매우 적합한 방식으로 여겨져 활발한 개발 및 연구 단계를 밟고 있다.

전기버스가 원료로 화석 연료를 사용하지 않아 친환경적이라는 것은 누구나 알고 있는 사실이다. 또한, CNG 버스와 달리 기어 변경을 하지 않아도 되기 때문에 차체가 덜 흔들려 승차감이 편리하다는 장점이 있다. 또한, 차고지에 충전소가 있어 정해진 노선을 다니는 버스에 전기 자동차의 형태는 제격이라고 볼 수 있다. 전기를 충전하는 비용도 기름값보다 저렴해 전기버스의 유지비도 저렴하다는 장점이 있다. 전기 모터를 이용한 단순한 구조는 유지비를 낮추는 데 한몫하고 있다.

전기버스의 또 다른 장점으로 재생 브레이크가 있다. 전기버스의 효율을 높이기 위해 차체 내에는 밟을 때 발생하는 에너지를 회수하는 에너지 브레이크가 있다. 이에 따라 낭비되는 에너지를 줄이고, 정류소마다 정차하는 버스의 특성상 에너지 브레이크는 최적의 장치라 할 수 있다.

그러나, 전기버스는 여러 단점도 존재하는데, 첫 번째는 초기 비용이다. 차체의 가격이 비쌀 뿐 아니라 충전 인프라를 구축하는 데에도 큰 비용이 든다. 이를 위해 정부는 중형 최대 5천만 원, 대형 최대 7천만 원의 보조금을 지원해 주고 있다. 또한, 앞서 언급했듯 전기차 및 버스 충전 시설을 버스 차고지에도 확대하고 있으며 버스에 적합한 충전기를 확충할 계획임을 밝힘으로써 이에 대한 문제를 해결하고 있다.

그러나, 전기버스의 가장 큰 단점은 배터리 문제이다. 현재 전기버스 도입이 얼마 지나지 않아 별문제 없이 사용하고 있는 것처럼 보이지만, 배터리가 노후화되면 버스의 주행 거리가 매우 적어져 버스 운행에 차질이 생기거나 버스가 아예 운행을 멈출 수도 있다. 현재 우리나라 전기버스의 대부분은 플러그인 충전 방식을 채택하고 있으며, 이는 차체와 배터리가 일체형으로 결합해 있어 배터리가 손상되면 버스를 아예 사용하지 못하고 폐차해야 한다.

이는 일반 전기 승용차도 피해 갈 수 없는 문제이며, 최근에는 이러한 이유로 전기 자동차에도 탈부착할 수 있는 배터리를 도입하자는 의견도 나오고 있다. 그러나. 현재 기술로는 전기버스에 탈부착 배터리 도입 시 80km의 짧은 거리만 운행할 수 있어 긴 거리를 운행하는 노선에 적합하지 않다. 이러한 이유로 탈부착 배터리 도입은 배터리 노후화에 대한 좋은 해결책이 될 수 없다고 생각한다. 어쩌면, 장기적으로 전기버스는 막대한 비용을 유도하는 경제적이지 않은 교통수단일지도 모른다.

 

[수소 버스, 과연 상용화가 가능할까?]

[자료 7. 수소 버스의 등장]

출처 : NEWSIS

이러한 전기버스의 한계점에 맞물려 수소 버스가 등장하고 있다. 수소 버스는 수소 전기버스라고도 하며 공기 중 산소를 흡입한 후 차체 내부에 수소를 주입하여 만들어진 전기 에너지를 동력으로 하여 운행하는 버스이다. 부산물이 물뿐이기에 차세대 친환경 버스로 주목받고 있으며, 서울시 역시 2026년까지 서울에 수소 버스를 130대 도입한다는 계획을 밝힌 바가 있다.

수소는 폭발성으로 인해 사람들이 수소 교통수단 사용에 경계하고 있다. 하지만, 이러한 경계에 의식한 수소 교통수단 관련 업체들이 시험 주행, 수소 탱크 낙하 시험, 극한 온도 및 상온 압력 반복 시험, 화염 및 총격 시험 등을 통해 수소의 안전성을 끊임없이 검사했다. 이들도 환경을 생각하기 전에 안전성을 우선으로 봐야 한다고 판단한 것이다.

수소 버스는 1회 충전으로 600km를 넘는 거리를 주행할 수 있어 효율 면에서도 뒤처지지 않는다. 또한, 친환경적이라고 평가받던 전기버스는 전기를 생산하는 과정에서 화석 연료를 이용해 오히려 환경에 악영향을 끼칠 수 있다. 이와 달리 수소 버스는, 공기 중 산소에 수소를 주입하기만 하면 되고 부산물은 물뿐이기 때문에 그린 수소만 사용한다면 환경에 악영향을 끼칠 수 있는 물질을 배출하지 않는다. 수소 버스 1대가 86,000km를 운행한다면 418,218kg의 공기가 정화되는데, 이는 수소 버스 1대가 1년 동안 달리면 85명의 사람이 1년간 마신 공기가 정화된다는 것이다.

수소 버스는 이러한 다방면의 장점에도 아직 상용화되지 못하고 있다. 가장 큰 이유로는 충전소 문제인데, 서울 내 현존하는 수소 충전소 수는 단 9대에 불과하다. 서울 시내버스에 수소 버스가 도입되기에는 턱없이 적은 충전소의 양이라 할 수 있다. 2023년 9월을 기준으로 전국으로 확대해 보아도 전국 수소 충전소 수는 단 181곳에 불과하다.

수소 충전소의 형태에도 문제가 있다. 이는 크게 두 가지가 있는데, 첫 번째로는 충전소의 대부분이 셀프 충전이 불가능하다는 점이다. 우리나라는 안전상의 이유로 고압가스 안전관리법에 따라 금지돼 있었다. 2022년 중반이 돼서야 풀리기 시작했는데, 아직도 셀프 충전이 가능한 수소 충전소는 전국적으로 단 세 곳에 불과하다. 심지어 서울에 있는 9곳의 수소 충전소는 모두 셀프 충전이 불가능해 수소 버스를 서울 시내버스로 도입하는 데 많은 어려움이 있다.

두 번째는 24시간 내내 운영되지 않는 수소 충전소다. 현재 서울에 있는 수소 충전소는 오전 8시부터 운영하고 있고 오후 8시~다음 날 오전 0시에 마감한다. 전국적으로 볼 때도 절반이 넘는 수소 충전소가 24시간 동안 이용할 수 있는 것이 아니다. 버스는 빠르면 23시, 늦으면 다음 날 오전 1시가 넘어야 운행을 마치는데 운행 종료 이후 충전을 진행할 환경이 형성되지 않았다는 것을 의미한다. 이에 따라 서울 시내에 수소 시내버스가 도입되기에는 시간이 걸릴 것으로 본다.

또 다른 단점은 수소 탱크 문제이다. 전기버스의 배터리도 오래 사용하면 손상되듯이, 수소 버스의 배터리도 오래 사용하면 손상되어 사용하지 못할 수 있다. 이때는 수소 탱크를 교체해 주어야 하는데 수소 탱크를 교체하는 데 2,100만 원의 적지 않은 비용이 든다. 다만, 수소 버스 구매 이후로부터 10년까지 무상 교환이 가능하며 전문가들은 수소 탱크 교환 가격은 시간이 지나면서 떨어질 것이라고 예측한다.

 

[대중교통이 진짜 친환경 교통수단이 될 때까지]

지금까지 각각의 친환경 버스의 장단점을 살펴보았다. 친환경 교통수단을 사용하는 것은 좋으나, 부작용이 많거나 장기적으로 보았을 때 큰 경제적 손실이 나는 등 해당 교통수단에 숨겨진 이면이 존재할 가능성이 있다. 일반 승용차에 적용하던 것을 버스와 같은 상대적으로 규모가 큰 교통수단에 적용하는 데 주의를 기울여야 한다. 또한, 해당 교통수단의 구성 요소가 손상됐을 때 일어날 수 있는 상황을 예측해 보아야 한다.

대중교통 이용은 수십 년 넘게 환경을 보호하는 행동으로 여겨져 왔다. 승용차 요일제, 대중교통 정기권 출시 등 오래전부터 대중교통 이용을 위해 정부 및 지자체는 많은 정책을 시행하고 있다. 현재 이러한 대중교통도 환경 오염 물질에 기여하지 않는 것은 아니지만, 언젠가는 지속적인 연구를 통해 대중교통이 환경 오염과 완전히 멀어지는 날이 오지 않을까?

 

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교통에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "세수 대상, 전기차 너로 정했다", 23기 송태현, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4233

세수 대상, 전기차 너로 정했다

2. "[취재] 지하철만 타면 답답한 이유", 23기 김경훈, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4107

[취재] 지하철만 타면 답답한 이유

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참고문헌

[하이브리드 자동차의 성장, 버스는?]

1) 백소용, 세계일보, "전기차 기고 하이브리드차 날고… 10월 수입차 판매 양극화", 2023.11.03, https://www.segye.com/newsView/20231103509268

2) 빈난세, 한국경제, ""살까 말까 망설였는데"…전기차 주춤하자 대세로 떠오른 車", 2023.11.10,
https://www.hankyung.com/article/2023111084951 

[CNG 하이브리드 버스란?]

1) 강승훈, 아주경제, "CNG 하이브리드버스' 서울시내 달린다… 2018년 2100대 보급 목표". 2014.08.04,https://www.ajunews.com/view/20140804134923902

2) 김종원, "Euro-6 경유버스 대비 CNG하이브리드 버스 환경성 평가 및 적정보조금 산정", 한국에너지기후변화학회, 11권 2호, 140-147(8 pages), 2016.12

3) 김주엽, 이상우, 경인일보, "줄줄이 조기 퇴출 하이브리드 버스 '혈세 잔혹사", 2022.10.22, http://www.kyeongin.com/main/view.php?key=20231012010001970

[서울시내버스에 등장한 전기버스]

기자명, "기사제목", 신문사이름, 게재일, URL

1) 김재민, 모토야, " 차세대 교통수단, ‘전기버스’에 대해 알아보자!", 2019.11.29, https://www.motoya.co.kr/news/articleView.html?idxno=30239

2) 이승연, "전기버스 배터리 품질보증체계, 선제적으로 정비해야", 연합뉴스, 2023.10.30, https://www.yna.co.kr/view/AKR20231029031400003?input=1195m

[수소 버스, 과연 상용화가 가능할까?]

1) 김정수, 한겨레, "수소차도 ‘셀프 충전’…수소 분야 19개 규제 푼다", 2022.08.29, https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1056574.html

2) 정민혁, 안전신문, "서울시, 2025년까지 수소버스 1000대 도입 계획 냈지만 9대에 그쳐", 2022.07.07, 
https://www.safetynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=213734 

3) 환경부, 대한민국 정책 브리핑, "2026년까지 서울에 수소버스 1300대 도입…충전소도 5곳 확충", 2023.06.07, https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148915977