고놈의 LIFE STYLE

  대한민국의 자랑이자 아시아 최초로 영국 프리미어리그 EPL에서 100골 50도움을 기록한 손흥민선수. 모든 축구팬들의 사랑을 받고 있으며, 함께 경기를 뛰는 동료들, 그를 가르치는 감독들, 수많은 레전드 축구선수들도 손흥민 선수의 겸손한 언행과 팀을위한 헌신적인 태도와 열정, 그리고 뛰어난 기량에 대해 입이 마르도록 칭찬과 축하를 보내고 있습니다.

  손흥민 선수 뿐만아니라 마요르카의 이강인 선수, 울버햄튼의 황희찬 선수 등이 현재 전설을 써내려가는 중이라면, 바로 직전의 대한민국을 상징하는 레전드 축구선수는 누가 있었을까요? 저는 지칠줄 모르고 경기장 전체를 종횡무진하며 경기에 활력을 불어넣고 큰경기때마다 골을 넣었던 박지성 선수를 꼽고 싶습니다. 박지성 선수를 잘 나태내는 수식어가 바로 '두개의 심장'입니다. 뜬금없이 손흥민 선수의 100호골 부터 박지성 선수의 두개의 심장까지 얘기가 나왔는데요, 오늘의 주제가 바로 하이브리드 자동차, 그 중 전기 자동차와 관련된 플러그인 하이브리드 자동차이기 때문입니다.

  하이브리드 자동차(hybrid car)는 두 개 이상의 동력원을 가진 자동차로 HV로 표기하기도 합니다. 이미 많은 분들이 하이브리드 차량에 대해서는 들어보셧을테고 알고 있으시리라 생각됩니다. 자동차에 한정하지 않고 2개 이상의 동력원을 가진 차량을 HV(hybrid vehicle)라고 부릅니다. 흔히 일반적으로 하이브리드 차라고 불리는 차량들은 내연기관 엔진과 전동기 모터를 동력으로 하고 있으며, 차량의 엔진으로 주행하는것이 메인이고 엔진을 쉬게 하기위한 이차 전지를 갖추고 전기식 주행을 하는 방법이 대부분입니다.

  플러그인 하이브리드 자동차(plug-in hybrid car)는 기존의 가솔린 엔진을 탑재한 하이브리드 자동차에 콘센트 플러그를 사용하여 배터리 충전이 가능하게 만든 차량으로 PHV(Plug-in hybrid Vehicle) 또는 PHEV(Plug-in hybrid Electric Vehicle)로 표기하기도 합니다.

  플러그인 하이브리드 자동차는 가솔린 엔진과 모터를 모두 탑재하여 달리는 하이브리드 자동차에 더욱 큰 배터리를 탑재하고 가정용 전원으로부터 플러그를 이용해서 충전할 수 있도록 하였으며, 하이브리드 자동차에서는 보조적인 전원정도라 주행거리가 짧았던 점을 큰 배터리를 통해 충전한 전원만으로도 보다더 충분히 달릴수 있도록 만들었습니다. 급유만으로 주행하는 내연기관차나 일반 하이브리드 자동차의 편리성은 남기면서도 보다 전기 자동차(EV)에 가까운 퍼포먼스를 보여줍니다.

  전기 자동차의 메리트는 에너지의 효율이 가솔린 자동차보다 몇배나 높고, 연비가 압도적으로 높으며 주행중에 이산화탄소나 질소산화물 등의 배출이 없는 제로이미션 차량(ZEV)인 장점 등이 있지만 차량 가격이 동일하다고 가정할 경우 내연기관 자동차에 비해 주행거리도 짧고 충전시간도 오래 걸립니다. 반대로 내연기관 기술의 발전으로 일부를 전동화 한 하이브리트 자동차에서는 전지 배터리를 내연기관의 보조 정도로 두기때문에 실질적으로는 일반 가솔린 차량에 가까운 성격을 가지고 있습니다. 때문에 양쪽의 장점을 모두 계승하기위해 기존의 하이브리드 차량에 비해 큰 배터리와 내연기관을 적용하여 에너지 효율과 급유 속도 두마리 토끼를 동시에 잡으려 한것이 플러그인 하이브리드 자동차입니다. 가정용 콘센트 등에서 외부전원을 배터리에 충전할 수있으며 어느정도의 거리는 모터만으로 전기자동차로 주행할 수 있습니다. 배터리의 잔량이 부족할 경우 엔진을 사용하여 주행이 가능하지만 이때 내연기관의 엔진은 배기가스를 발생시키기 때문에 제로 방출 차량에는 포함되지 않습니다.

  플러그인 하이브리드 자동차의 장단점을 정리해보면 다음과 같습니다.

  장점

1. 일정한 수준의 거리는 전기만으로 주행이 가능합니다.

2. 전기 자동차운행을 메인으로 할 경우 경제적이며 환경오염물질의 배기도 줄일 수 있습니다.

3. 재해 재난시 전기배터리는 비상용 전원으로 활용이 가능하고 정전사태의 경우 내연기관으로 주행이 가능합니다.

4. 2022년 기준으로는 순수 전기 자동차보다 처렴하고 일반 하이브리드 자동차보다는 조금 높은 금액으로 구입이 가능한 가격대를 형성하고 있습니다.

  단점

1. 내연기관의 엔진을 탑재하고 있기 때문에, 엔진 특유의 점화 플러그나 엔진 오일 등의 소모품을 주기적으로 교환해 주어야 하며 가솔린의 사용기관도 고려해야 하고 이에 따른 유지비용이 발생합니다.

2. 내연기관 자동차의 엔진이나 트랜스미션 등의 부속품들과 전기자동차의 모터, 배터리 등의 부속품들을 모두 탑재하고 있기 때문에 전체적인 부품의 수가 대폭 증가하고, 수리나 정비의 기술 등이 까다로워 지게 됩니다. 전체적인 중량 증가는 자동차 연비에 악영향을 줄수 있습니다. 또한 실내 공간이나 적재 공간이 상대적으로 줄어들게 됩니다.

3. 순수 전기자동차에 비해 배터리의 용량이 작기 떄문에 배터리로 주행가능한 거리가 상대적으로 많이 짧으며 충전속도도 순수 전기자동차에 적용되는 급속충전 기술에 비해 느린경우가 많습니다. 때문에 전기를 메인으로 주행하고자 할 경우는 주거지 차고나 주차장에 충전설비가 있는경우가 바람직합니다.

4. 가솔린 엔진을 탑재하고 있기때문에 이산화탄소나 질소산화물 등의 대기오염물질이 발생하고 이로인해 제로에미션 차량에는 포함되지 않습니다. 때문에 전기자동차와 같은 각종 혜택을 받을 수 없으며 오히려 가까운 미래에 환경규제가 강화되는 추세에 때라 규제 대상이 될 가능성이 있습니다.

  오늘은 조금 오래된 전기차 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다. 조금 오래된 드라마나 영화, 혹은 1900년대 초중반을 배경으로 하는 작품들에서 쉽게 볼 수 있는 전기 자동차입니다. 주로 오래된 버스의 형태로 차량의 지붕 위쪽으로 더듬이처럼 뻗어있는 두 라인이 전선에 연결되어 있고 정말 가끔은 거기서 불꽃 스파크 튀는 모습도 보여주곤 합니다. 이걸 몰랐을 때에는 그저 '오래된 전철의 한 형태인가?' 정도의 반응이었지만 사실 그건 '트롤리버스'라 불리는 교통수단이었습니다.

  트롤리버스(trolley bus)는 도로의 상공에 붙은 가공 전차선에서 공급받는 전기를 동력으로 하여 달리는 버스를 말합니다. 이러한 방식을 가공 전차선 방식, 전기 철도의 집전방식, 가선집전 방식 등으로 부르기도 하며 차량이 지나가는 도로 상부에 있는 전선을 가선, 전차선, 트롤리선 등으로 부르기도 합니다. '트롤리'란 전기를 얻기 위한 장치를 의미하지만 이것이 창작된 버스를 보면 외관은 일반 버스랑 비슷하게 생겼으며 운전방법도 크게 다르지 않습니다. 

  트롤리버스는 도로상에 부설된 노면 철도를 주행하는 노면전차와 버스의 장점을  가진 교통수단으로 화석연료로 인한 배기가스를 발생시키지 않으면서도 노면에 철도를 부설할 필요가 없습니다. 하지만 드물기는 하나 가선으로부터 버스를 연결시켜 주는 트롤리 폴이 빠지는 문제가 발생하기도 합니다. 주로 가선이 분기하거나 교차하는 곳에서 이러한 트러블이 발생하기 쉬우며 이러한 곳에서는 감속할 필요가 있기 때문에 뒤 따라오는 차량과 충분한 거리가 있지 않으면 교통정체가 일어나기 쉽습니다. 

  트롤리버스는 다소 오래된 전기 자동차 기술 중 하나로 현재는 자동차의 교통량의 증가와 보다 성능이 좋은 디젤엔진이나 하이브리드 방식의 대형 노선버스의 출현과 함께 점차 그 입지가 줄어들어 없어지는 추세로 세계적으로는 소련의 영향아래 도시계획을 실시한 사회주의 나라나 도시에는 지금도 많이 남아있습니다. 또한 태나다 등 수력발전에 의한 풍부하고 저렴한 전력이 안정적으로 공급되는 지역이나 관광지에서도 트롤리버스를 운영 중인 곳이 많이 남아있습니다.

  최근에는 기존 가선 구간을 확장하는 대신 가선이 없는 구간을 주행하기 위한 소 배기량의 보조 엔진을 추가해서 운영하는 경우도 있으며 디젤 발전기를 탑재한 하이브리드 방식이나 축전지를 탑재한 경우 보다 장거리를 주행할 수 있게 만든 경우도 있습니다.

  트롤리버스의 구조를 살펴보면 도로 상의 가선, 트롤리 와이어(trolley wire)에서 더듬이 모양의 집전장치인 트롤리 폴(trolley pole)을 이용하여 집전하여 전동기를 돌려 동력을 발생시킵니다. 이 트롤리로부터 전기를 받아 달리기 때문에 '트롤리버스'라고 부르고 있습니다. 트롤리 폴의 선단부의 가선과 접촉하는 부분은 매우 초기에는 노면 전차와 같은 도르래모양의 트롤리 휠(trolley wheel)이 사용되었지만 트롤리버스는 도로나 교통 상황 등에 따라서 가선의 바로 아래를 크게 벗어나 달릴 필요가 있기 때문에 도래래에서 가선과의 각도가 커진 경우 접촉이 불충분하여 U자 형태의 단면에서 자유롭게 회전이 가능한 슬라이드 방식이 개발되어 보급되게 됩니다.

  트롤리 폴과 가선의 각각의 강성이나 트롤리 폴의 원심력 등의 문제, 혹은 차량의 급회전과 같이 커브를 돌 때의 각도 변화나 속도 등의 영향으로 종종 트롤리 폴이 가선으로부터 빠지는 일이 발생하기도 하며, 이러한 경우 승무원이 차량을 정지시킨 후 빠진 트롤리 폴을 케이블에 다시 걸어서 운행하여야 합니다. 초기에는 빠진 트롤리 폴이 튀어올라 가선을 다시 건드리거나 절단시키는 등의 위험한 상황이 있었기 때문에 이를 개선하고자 트롤리 폴이 빠질 시 폴의 상승을 방지하는 태엽이나 강제로 하강시키는 장치 등이 설치되어 있습니다. 트롤리 폴이 빠진 경우가 아니더라도 차선을 잘못운행했거나 트롤리 폴의 흔들림, 운행하는 방향과 다른 쪽 방향의 가선에 연결된 경우 등에는 수동으로 트롤리 폴을 가선에서 내려 다시 원하는 가선에 연결할 필요가 있습니다.

  위와 같은 이유 등으로 트롤리 폴이 빠졌을 경우 안전을 위해, 교통의 흐름을 방해하지 않기 위해 차량을 이동할 경우나 부분적으로 가선을 설치할 수 없는 구간을 주행하여야 할 경우, 도로의 공사나 교통사고, 화재나 재해 등으로 본래의 도로 노선의 통행이 불가능할 경우 일시적으로 가선구간 외의 도로를 사용해야 할 경우를 대비하여 보조엔진이나 배터리를 탑재한 버스가 최근에는 주류로 운행되고 있습니다.

  트롤리버스의 장점으로는 엔진이나 배터리가 필요 없기 때문에 차량 가격이 저렴하고, 배기가스를 발생시키지 않고 소음이 적으며, 가선으로 부터 지속적인 전원 공급으로 인해 연료 보급에 의한 항속거리 제한이 없습니다. 기동시부터 큰 출력 토크를 발생할 수 있기 때문에 가속과 감속이 빈번한 도심부나, 가파른 언덕길의 운용에도 유리하고 고도에 따른 기압에 영향을 받아 출력이 줄어들거나 하는 일이 없습니다.

  단점으로는 변전시설이나 가설의 부설, 유지에 시간이나 비용이 요구되고 노선의 유동성이 거의 없으며 우회운행이 불가능합니다. 또한 가선의 설치 높이에 따른 차량의 최대 높이가 제한적이고 가선으로 인한 주변 경관 훼손 문제도 있습니다. 가선을 함께 사용하기 때문에 차량 추월등이 불가능하고 가선으로부터 벗어날 수 있는 거리에는 제한이 있기도 합니다. 과거에는 버스 차체의 절연이 미흡했기 때문에 종종 누전으로 승객이나 운전사가 감전하는 경우도 있었기 때문에 주의가 필요했으며 이로 인해 절연이나 접지 등의 보완이 필요하기도 했습니다.

  수소 전지 자동차는 내연기관 자동차 세대의 뒤를 잊는 차세대 에너지 자동차의 몇몇 주축 중 하나임이 분명함에도 아직 개선해 나가야 할 부분이 많습니다. 지난 글에서도 단점들을 많이 지적했지만 특히나 개선해 나가야 할 부분에 대해서 조금 더 다루어 보고자 합니다.

  우선 수소전지 자동차의 발전효율입니다. 수소 연료 전지 자동차에서 일반적으로 적용하고 있는 고체고분자형 연료전지의 발전효율은 약 30% 정도로 발전효율이 나쁘다고 할 수 있습니다. 이는 복합 사이클 발전을 사용하지 않는 화력발전소의 효율보다 낮습니다. 발전 효율을 끌어올릴 수 있는 기술의 개발과 보급이 수소자동차의 발전에서 큰 과제로 남아있으며 아직 30%의 효율이라는 점은 발전할 수 있는 효율의 영역이 70%가 남았다는 의미이기도 하기 때문에 그 영역을 정복하게 된다면 수소 전지는 훨씬 큰 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대됩니다.

  다음은 수소의 조달에 관한 부분입니다. 수소는 자연상태 그대로에서 바로 얻을 수 있는 형태는 없으며, 석탄연소의 부산물인 부생수소, 갈탄, 천연가스의 개질, 바이오매스, 물의 전기분해 등에 의해 조달하게 됩니다. 하지만 이때 이산화탄소의 발생이나 조달효율 등의 과제가 남아있으며, 특히나 큰 에너지를 소비하는 물의 전기분해에서는 우리가 필요한 만큼 충분한 수소를 얻기 위해서는 또한 필요조건이 많아 현실성이 떨어집니다. 가장 많이 쓰이고 있으며 효율이 좋은 방법은 천연가스의 개질이지만 이는 화석 연료에서 수소를 생산하기 때문에 이는 우리가 가솔린 자동차를 타면서 환경에 영향을 주는 것과 비슷한 정도의 영향을 주는 것이기 때문에 목적성에서 물음표를 가지게 합니다. 수소를 추출해 내는 과정에서 환경에 영향을 주지 않아야 하며 추출 시 비용과 효율면에서도 기대에 부응할 수 있는 수소 조달방법을 찾아내는 것이 과제입니다.

  수소를 저장하는 방법 또한 개선되어야 할 사항입니다. 수소는 그 자체로는 에너지 밀도가 낮기 때문에 수소차량에서는 수소를 350~700 정도 수치의 기압으로 저장하게 되는데 이런 고압으로 저장하게 될 경우 압축에 큰 에너지가 필요하게 됩니다. 수소를 표준 상태의 완전 기체로 간주하고, 압축에 수반하는 열 에너지는 회수할 수 있고 온도 변화는 없다고 가정하더라도 1 기압에서 700 기압으로 압축하는 데에는 1몰 달 약 15KJ이 필요합니다. 압축과 관련해서 이를 대체할 말한 유기 하이드라이드나 암모니아 등을 수소 캐리어의 이용도 검토되고 있긴 하지만, 정제에 필요한 에너지나 순도, 촉매나 분리막의 내구성 등의 다양한 문제점이 있기 때문에 실용화에 이르지는 못하였습니다.

  에너지 효율의 문제 역시 과제로 남아있습니다. 물의 전기 분해에 의한 수소 제조에 투입하는 에너지와 제조된 수소가 저장이나 수송을 거쳐 동력이 되어 최종적으로 자동차의 타이어로 전해지는 구동에너지의 비는 예전 자료에 의하면 압축 수소를 사용하는 경우 22%, 액체 수소의 경우는 17%에 그친다고 보고된 바 있습니다. 전기분해는 가장 에너지투자효율이 나쁜 조달 방법이긴 하지만 위의 수치는 가장 나쁜 경우의 수치이며 조달 방법에 따라 2~3배 정도 개선이 가능합니다.

  이에 반해 기존 가솔린차의 효율은 13%, 가솔린 하이브리드 차의 효율은 22% 정도이지만 현대 가솔린의 에너지 투자 효율은 평균적으로 300% 정도 이기 때문에 가솔린 제조에 투입하는 에너지에 대한 구동 에너지의 대략적인 비율은 가솔린차 40%, 가솔린 하이브리드 차 66% 정도가 됩니다. 

  또한 방대한 에너지를 사용하여 냉각 및 압축 그리고 운반을 실시하기 위해 Well-to-Wheel효율(유전으로부터 바퀴까지의 종합적인 자동차 효율), 즉 1차 에너지의 채굴로부터 차량 주행까지의 효율을 살펴보면 연료전지 자동차는 전기 자동차에 비해 크게 뒤떨어져 있는 것이 사실입니다. 과거 2009년 자료에 따르면 재생 가능에너지에 의한 전력이라면 이를 이용한 전기분해에 의해 수소를 생성 아여 압축 아여 연료전지 자동차에 충전하는 것보다 그대로 전기차로 충전하는 편이 Well-to-Wheel 효율에서 3배 정도 우수하다고 합니다. 우리가 잘 알고 있는 테슬라의 CEO, 일론 머스크는 지난 2015년 "수소 스테이션에서 수소를 옮길 때 사용하는 전기로 테슬라의 전기차는 100km 이상을 달린다."라고 말한 바 있으며 2016년 발언에서는 'Fuel Cell'이 아닌 'Fool Cell'이라고 수소전지 차량에 대해 비판한 바 있습니다. 

  수소는 원래 공급이 불안정한 재생가능 에너지를 리튬 이온보다 가벼운 물질로 저장하기 위한 방법으로 주목되었지만, 수소 탱크의 질량이 100kg을 넘고 있으며, 전기 분해에 80% 전후의 열효율과 FC스택에 의한 발전으로 30% 전후의 열효율을 보이고 있으며, 남은 에너지가 20% 대가 되기 때문에 수소에 의한 주행 특성의 장점은 없습니다. 수소 연료 전지는 출력 요구에 대한 반응성이 떨어지기 때문에, 주행 특성에서도 우위라고 할 수 없으며, 정치형에 비해 발열의 재이용이 한정적이기 때문에, 에너지의 밀도나 충전 시간 등 배터리의 성능이 향상되었을 때에는 수소에 의한 연료전지의 존재가치는 또 한 번 모호해지게 됩니다.

  예전 언젠가 수소차와 전기차를 고민한적이 있던 저로서는 당시 충전 시간, 그리고 흔할것이라고 생각했던 수소에 대한 착각 등으로 수소차에 무게를 실고 차를 고민하던 적이 있었습니다만 여러가지 내용들을 접하고 나니 수소자동차는 현 시점에서는 조금 심각하게 고려를 해야할 사항이 아닌가 싶습니다.