에코기술이란

자동차 에코기술 교과서 - 전기차 · 수소연료전지차 · 클린디젤 · 고연비차의 메커니즘 해설 ㅣ 지적생활자를 위한 교과서 시리즈
다카네 히데유키, 김정환, 류민 / 보누스 / 2017년 12월

"자동차 에코기술 교과서"는 네이버 리뷰어스 클럽의 소개로 보누스 출판사에서 제공받아서 읽게 되었다.

올해 처음 읽는 과학 관련 서적이라 감회가 새롭다.

과학 기술이 발전하면서 우리의 삶도 끊임없이 바뀌고 주변 환경이 변화하고 있는데 자동차 기술도 발전하고 있다.

나도 7년차 운전자로서 가솔린 자동차를 몰고 있지만 그 외에도 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 수소 연료 전지 자동차등이 존재하고 친환경 에너지 자동차로서 각광 받고 있다. 

그런데 나는 이런 자동차들에 대해 아는 것이 너무 없는 것 같아서 이 책을 읽어보게 되었다. 

이 책은 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료 전지 자동차, 고연비 가솔린 자동차, 클린 디젤 자동차등 자동차의 연료와 구동 방식에 따라 크게 5가지로 구분하고 각각에 대해서 구동 원리와 장점, 단점등에 대해 서술하고 있다. 

중간 중간에 실제 회사의 자동차 모델의 사진 자료가 풍부하게 제시되어 있어서 지루하지도 않고, 이해하는데도 도움이 된다.

전기 자동차는 그래도 가끔 밖에서 볼수 있고, 전기 충전소도 주변에 근근히 있는터라 좀 익숙한 편이었는데 수소 연료 전지 자동차는 이 책에서 처음 접한터라 신선한 정보였다.

고등학교때 배운 지식으로는 수소가 가연성이 좋고, 저장, 운반이 불편한 특징때문에 자동차의 연료로 사용할 수 있을까?하는 생각이 들었는데 일본 도요타 자동차에서 수소 연료 전지 자동차를 만들어서 판매하고 있고, 계속 연구하고 있다는 것이 신선하게 다가왔다.

수소 연료 전지 자동차가 현재로써는 도요타 자동차에 마진을 안겨주는 품목은 아니지만 그것을 보급하고 발전시키기 위해 공급하는 것을 보면 기업으로써 이익만 추구하는 것이 아니라 사회, 인류 발전에 기여하는 역할을 하는 것 같아서 인상 깊게 느껴졌다. 

- 이 책을 읽으면서 중요하다고 생각하는 부분을 따로 요약해 보았다. 

친환경 자동차가 시대의 흐름이 되고 있는 이유

1) 자동차 배기가스가 지구 온난화를 야기하고, 세계적으로 배기가스를 규제하고 있다.

2) 석유 가격의 변동 때문이다. 휘발유 가격이 오르면 부담이 커진다.

현재 일본에서 압도적인 인기를 끌고 있는 차종은 하이브리드 자동차다. 어떤 상황에서도 연비가 안정적으로 좋다.

전기 자동차는 장거리 주행을 할 기회가 거의 없는 사람에게 매력적인 옵션이다. 단순히 연비만 따졌을때는 하이브리드 자동차보다도 압도적으로 비용을 낮출 수 있다.

하이브리드 자동차는 가솔린 엔진에 모터를 동력으로 차가하여 엔진과 모터의 장점을 동시에 이용해 연비 향상을 실현한다.

현대 사회에서 하이브리드 자동차의 원조는 토요타 자동차의 프리우스이다. 하이브리드 자동차는 모터와 배터리를 추가로 탑제하므로 생산 단가가 상승하게 되고, 따라서 연비를 올리는 것이 중요한데 이를 위해 감속할 때 운동 에너지를 동력으로 회수하는 회생 에너지 충전 기술이 중요한 과제였다.

하이브리드 자동차는 공기 저항을 중시한 디자인을 채택하기 때문에 전부 비슷하게 생김.

하이브리드 자동차를 구매하는 고객층은 연비를 중요시하기 때문에 디자인을 비롯한 다른 것들은 부수적인 요소일뿐이다.

하이브리드 자동차는 전기 자동차와 달리 배터리의 탑재량을 줄여서 비용 절감을 꾀하는 동시에 충전 설비가 없는 장소에도 갈 수 있는 편리성을 갖추었다.

다만, 배터리 용량이 시간이 지남에 따라 저하되므로 5년 이상 경과한 모델은 배터리를 교환해야 하는 상황이 찾아올 수 있다. (하이브리드, 전기 자동차 모두)

하이브리드 자동차도 휘발유가 바닥나면 차량이 서버린다. 또한, 연비가 좋다고는 하지만 그만큼 연료 탱크의 용량도 작으므로 미리미리 주유하는 편이 좋다.

플러그인 하이브리드 자동차는 배터리 용량이 커서 전기 자동차 모드로 주행 가능한 거리가 길다. 배터리의 전력을 전부 사용해도 엔진으로 계속 주행할 수도 있다.

가솔린 엔진은 열효율이 35퍼센트 정도인데 반해 모터는 전력의 90퍼센트를 구동력으로 변환하기 때문에 압도적으로 효율이 높다. 이는 모터 구조가 단순하여 손실이 적기 때문이다.

전기 자동차의 차체는 이미 충분히 효율적인 형상이기 때문에 앞으로 대폭적인 향상을 기대하기 어려울지도 모르나 배터리의 에너지 밀도나 충전 시스템의 개선이 진행된다면 편리성이 크게 향상될 것이다.

전기 자동차는 엔진의 열을 이용하는 가솔린 자동차의 난방 시스템과는 달리 난방에도 전력을 사용해야 한다. 따라서, 겨울철에는 난방을 자제하는 것이 연속 주행 거리를 늘리는 비결이다.

전기 자동차를 충전할 때 급속 충전이라면 90%까지 충전하는데 30분 정도 걸린다. 완전 충전이 되지 않는 이유는 급속 충전을 위한 대전류로 100%까지 충전하면 배터리 셀이 손상될 위험이 있기 때문이다. 일반 충전은 4~12시간이 걸린다.

전기 자동차는 배터리가 완전히 방전되었을때 충전 시설까지 견인을 해야 한다.

전기 자동차는 장기간의 사용으로 절연재가 열화하거나 충돌 사고등으로 자동차에 손상이 발생했을 때 누전의 위험성이 있다.

선진국에서는 자동차의 안전 기준이 엄격해서, 충돌 사고에 대한 안전성도 충돌 실험을 통해 검사하고 확인하도록 규정되어 있다.

전기 자동차의 모터는 밀도가 높고 무겁기 때문에 무게중심을 낮추고자 가급적 낮은 위치에 탑재되고, 주행 안정성이 높아진다.

전기 자동차는 재해가 발생했을 때 배터리에 저장해놓은 전기를 전원으로 이용할 수 있다. 일반 가정이라면, 사흘 동안은 걱정 없이 사용할 수 있는 전력을 비축하고 있다.

전기 자동차의 충전은 휘발유나 경유의 주유와는 달리 단시간에 끝나지 않기 때문에 복수의 전원 공급 설비가 없으면 실용적이지 못하다. 따라서, 인프라를 실용적인 수준으로 정비하기까지는 시간이 필요할 것이다.

전기 자동차의 충전 커넥터의 잠금 장치는 충전이 완료되어 전압이 떨어진 것을 확인해야 비로소 해제되므로 일반 콘센트보다 훨씬 안전하다.

전기 자동차는 아직 충전에 많은 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 애초에 충전 시설 자체가 부족한 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하려면 배터리 탑재량을 더욱 늘리거나 같은 크기에 더 많은 전기를 축적할 수 있는 고성능 배터리를 실용화해야 한다. 그러나 전자의 방법은 자동차 중량이 증가하고, 차량 가격과 배터리 교환 비용의 상승을 유발하기 때문에 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이는 기술을 개발하고 있다.

연료 전지 자동차는 대부분 수소를 연료로 사용한다. 수소는 물을 전기 분해하면 추출할 수 있으므로 거의 무한히 만들어낼 수 있다. 연료인 수소가 다 떨어지면 거리에 있는 수소 충전소에서 휘발유처럼 탱크에 충전하면 된다. 현 시점에서는 화석 연료를 이용해서 발전한 전력으로 연료인 수소를 만들어내고 있기 때문에 진정한 청정에너지라고 단언할 수는 없다.

연로 전지 자동차도 배터리가 필요한데, 그 이유는 1) 운전자가 가속 페달을 밟은 순간 즉시 반응하려면 전기를 저장해둘 필요가 있어서, 2) 회생 제동으로 발전한 전기를 모아두는 장소로서 배터리가 필요하다.

수소는 매우 잘 새어나가며 쉽게 불타는 물질인 까닭에 저장이나 충전을 할 때 신경을 많이 써야하고 그래서 수소 충전소는 설치 규정이 매우 까다롭다.

친환경 자동차 중에서도 연료 전지 자동차는 특히 고가인데 생산량이 적어 규모의 경제를 일으킬 수 없는 것이 가장 큰 이유이다.

현재는 천연가스에서 수소를 추출하는 방법이 주류다. 그러나 천연가스에서 수소를 추출할 때 이산화탄소도 배출된다는 단점이 있다. 현재 일본 후쿠오카현에서는 하수 처리장에서 발생하는 메탄가스에서 수소를 추출하고, 이대 부차적으로 발생하는 이산화탄소도 회수해 채소 공장에 공급하는 실험을 하고 있다.

현재 연료 전지의 발전 효율은 30~40% 정도로 아직 낭비가 많다.