자율주행자동차(3) : 알아보기 3

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<화석연료 자동차 퇴출>

인간이 살아가는 기본이 에너지이므로 인간은 이를 위해 부단히 노력해왔다. 제1차 산업혁명이 본 궤도에 올라가기 시작한 이래 에너지를 얻기 위한 기본 동력은 증기에서 전기로 바뀌었다. 전기는 일반적으로는 생성되지 않으므로 인간들은 부단히 이를 가장 효율적으로 얻기 위해 노력했다.

 

이산화탄소배출국가비교(자료 쿠르츠게작트)

 

문제는 전기를 획득하기 위해 많은 에너지원 즉 원료를 필요로 한다는 점이다. 그러나 에너지를 얻을 수 있는 원료가 세계적으로 볼 때 편재되어 있으므로 이에 수많은 전쟁이 일어났고 현재도 분쟁이 끊어지지 않는다.

이산화탄소 배출량이 과도하면 엄청난 벌금을 내도록 국제간의 규제도 에너지 공급에 따른 문제점의 일환이라고 볼 수 있다. 이산화탄소 배출 규제에 앞장서고 있는 유럽의 경우 2021년까지 95g/km, 2025년까지 81g/km로 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다. 만약 이 목표치를 달성하지 못하면 상당액수의 벌금을 내야한다.

세계는 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 상당한 규제를 가하는데 이들 규제는 에너지를 대량생산하는 발전소, 산업체는 물론 운송수단에 직접적인 영향을 미친다. 이 중에서 자동차를 비롯한 운송수단이 관건으로 이는 자동차를 비롯한 운송수단이 화석연료를 대량으로 사용하고 공해를 배출하는 주범이기 때문이다. 이곳에서 교통 분야를 특별히 다루는 이유다.

그러므로 현재의 자동차 기준으로 볼 때 2025년까지 이산화탄소 배출량 기준에 달성하지 못하면 폭스바겐은 63억 유로, 현대기아자동차는 40억 유로, FCA자동차회사에서는 32억 유로, 포드자동차는 27억 유로, 르노자동차는 21억 유로 이상의 벌금이 부가될 수 있다.

더불어 기존의 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차의 경우 현재 사용되는 자동차보다 이산화탄소량을 적어도 30〜40% 절약해야하는데 이 기준을 통과하는 자동차를 개발할 수 있는지도 의문이 제기된다.

그러므로 아예 이산화탄소 배출량이 작은 친환경 자동차로 바꾸자는 것이 현재의 이산화탄소 배출량 규제에 대처하는 방안이기도 하다. 이에 부응하여 유럽은 2025년부터 2040년 사이 내연기관을 사용하는 자동차를 더 이상 팔지 않기로 결정했다.

 

자동차 배기가스(자료 현대로템)

학자들은 기존에 판매된 자동차가 그때도 달리더라도 2030년 경 친환경 자동차 중에서 전기자동차(電氣自動車, all-electric car, battery electric car, electric car, electric automobile, Plug-in Electric Vehicle)와 연료전지자동차가 전체 자동차시장의 30〜40% 이상 점유할 것으로 추정한다. 또한 하이브리드 자동차의 점유율을 1/3으로 추정하므로 현재와 같이 화석연료 내연기관만 탑재한 자동차 시장의 점유율은 20〜30% 미만으로 생각한다. 특히 디젤을 사용하는 자동차는 2030년경이면 거의 퇴출될 것으로 본다.

인간의 삶에서 이동을 위한 교통이 중요하므로 4차산업혁명 시대의 교통 방법은 에너지 소비와 공해를 적극 억제하며 이동 시간을 보다 빠르게 단축하는 것이 살아남을 것이다. 한마디로 인간의 삶을 좌우하는 미래의 교통은 현재와 여러 면에서 다르게 된다는 뜻이다.

에너지 위기와 공해가 지구를 강타하자 자동차로 가장 먼저 대두되고 있는 것은 전기자동차다. 전기자동차는 화석연료와 엔진을 사용하지 않고 전기를 동력원으로 삼아 배터리와 모터로만 운행하는 자동차를 일컫는다.

 

<재등장 전기자동차>

미래의 교통을 좌우할 자율주행차의 기본은 전기자동차다. 19세기 말 프랑스 발명가 구스타프 트루베가 프랑스 파리에서 열린 국제전기박람회에서 삼륜자동차를 선보인 이래 전기자동차는 급속도로 보급되기 시작한다. 전기자동차는 당대에 경쟁하던 가솔린 자동차, 증기 자동차에 비교해 냄새가 적고, 진동이 적고, 소음도 작았다. 그리고 무엇보다 휘발유 자동차는 차량 속도에 따라 적절하게 기어를 바꿔줘야 했으나 전기자동차는 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편해 상류층 및 여성 운전자들로부터 많은 주목을 받았다.

그러나 1920년대에 미국 텍사스에서 원유가 대량으로 발견되며 휘발유의 가격은 떨어지고, 내연기관의 대량생산체제를 구축함에 따라 휘발유자동차가 전기자동차를 제치고 독점체제로 들어가 전기자동차는 자동차 시장에서 대부분 사라진다.

이는 배터리의 중량이 무겁고 충전 시간이 너무 길고 특히 최고속도가 시속 32km에 불과하다는 단점 때문이다. 그래도 구조가 간단하고 내구성이 크며 운전하기가 쉬운 점 등이 있어 주로 여성용으로 미국에서 1920년대 중반까지 소량 생산되었으며 근대의 골프장에서 카트로 운행되며 명목이 유지되고 있었다.

 

1990년대 들어서 상황은 급변했다. 가솔린자동차에 의한 환경오염문제가 대두되고 2000년대 들어 고유가와 엄격해진 배기가스 규제 강화로 전기차 개발의 속도가 가속되었다.

이와 같이 전기자동차의 개발이 가속화된 것은 전기자동차의 가장 큰 단점인 속도가 개선되어 일부 전기자동차의 경우 두 개의 전기모터를 통해 220V기준, 15분 충전만으로 300km 주행이 가능하게 되었기 때문이다.

전기자동차의 관건은 배터리다. 배터리의 가격을 낮추고 에너지 축전용량 및 사용가능기간을 연장시키는 것이 필요한데 현재 축전의 경우 리튬 이온전지, 리튬 폴리머 전지, 공기아연 전지 등의 개발이 활발하다. 특히 근래 개발된 볼리튬 폴리머 전지를 사용하는 자동차는, 한번 충전으로 250km를 주행할 수 있고 최고 시속 125km/h를 낼 수 있다고 알려진다.

전기자동차와 내연기관 자동차와의 차이점이 극명하게 나타나는 것은 효율성이다.

자동차 가동에 있어 가장 중요한 것이 에너지 효율성인데 전기자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전과 방전 효율에 따라 정해진다. 보통 한번 충전하였을 경우 충전량의 약 70%에서 85%의 전기에너지가 실제 사용이 가능하며 충전 간에 약 9.5%정도의 에너지 손실이 일어난다.

반면에 휘발유자동차의 대부분의 에너지는 열로 발산되어 없어진다. 즉, 휘발유 자동차 엔진은 열 효율성이 20%밖에 안 되기 때문에 효율성이 낮다. 따라서 전기자동차의 에너지 효율성은 휘발유자동차의 에너지 효율성보다 좋다.

그러나 큰 틀에서 에너지원으로부터 바퀴 구동까지의 에너지 효율을 따져보면 이들 비교는 절대적이지 않다. 전기자동차가 요하는 전기는 기본적으로 발전소에서 만들어지는데, 발전소의 발전효율은 30〜40%를 넘지 않은 것은 물론 송전시 손실되는 에너지도 만만치 않기 때문이다.

전기자동차의 특징은 운전자의 측면에서 볼 때, 안정성이 높다는 점이다.

다소 아이러니한 일이지만 전기자동차 배터리가 매우 무거우므로 전기자동차는 같은 크기의 화석연료 자동차보다 질량이 많이 나간다. 이는 자동차 충돌 사고 시 무거운 차량의 운전자가 입는 피해는 평균적으로 가벼운 차량의 운전자보다 적다는 것을 의미하므로 안정성은 일반 자동차보다 높다고 볼 수 있다.

반면에 보행자인 경우는 다소 다른 문제가 개제된다. 전기자동차는 내부연소엔진을 갖춘 차량에 비해 소음이 적다는 점이 장점이지만 이것은 역으로 보행자가 자동차 운행 소리를 듣지 못하여 예기치 못한 사고가 발생할 가능성이 있다는 점이다.

전기 자동차는 전동 모터를 포함한 구동계의 배치에 따라 분류한다. 통상의 가솔린 자동차에 가장 가까우며, 비교적 간단한 개조에 의해 엔진부분을 바꾸어, 프로펠라 샤프트나 데프 등을 그대로 사용할 수 있다. 또한 구동 타이어 인근에 모터를 배치, 경우에 따라서는 감속 기어를 사용하여 구동바퀴에 접속하기도 한다. 후륜, 전륜의 2륜구동이나 4륜구동도 가능하므로 운행에 관한 기본적인 문제점은 거의 없다.

전기자동차가 화석연료 자동차에 비해 장단점이 많은 것은 물론이다.

 

지동차온실가스배출량비교(환경부)

우선 장점으로는 주행시 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점이다. 일반적으로 소형 전기자동차가 충전 전기 제조시 40g의 이산화탄소를 배출하는데 소형 가솔린자동차의 경우 주행 1km당 170g를 발생한다. 또한 전기차는 전기모터로만 구동할 경우 운행비용이 가장 저렴하고 값싼 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있다는 장점이 있다.

더불어 부품수가 하이브리드카는 물론, 트렌스미션, 라디에이터 등이 불필요하는 등 시스템이 단순하여 고장 리스크가 줄어든다. 엔진소음이 적고, 진동이 적으며, 차량 수명이 상대적으로 길고 사고 시 폭발의 위험성이 적다는 점도 장점이다. 특히 운전 중 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전조작이 간편한 것도 특징이다.

그러므로 자율주행차의 보급을 둘러싸고 크게 부각되는 것은 이들 개발에 막대한 투자금이 필요하나, 그동안 과잉 설비와 인력 구조 조정 등으로 투자금을 조달한다는 계획이다. 이는 내연기관이 없는 전기차는 부품 수가 기존 자동차 대비 3분의 1 수준이므로 조립 생산 인력 수요가 급감하는 것에도 기인한다.

전기자동차 등장이 전세계 산업계에 큰 파장을 갖고 오는 것은 그동안 자동차 업계의 구조 조정이 주로 ‘비용 효율화’ 차원에서 이뤄졌지만 앞으로의 인력 감축은 미래차 시대를 대비하기 위한 자금이기기 때문이다.