자동차 산업은 지구온난화와 자원고갈로 기로에 서있습니다. 높아지는 지구온도를 낮추기 위해 전세계적으로 온실가스 배출 억제하고자 노력하고 있으며, 특히나 자동차 분야도 규제를 강화하고 있습니다. 이에 세계 각국은 정부 주도로 친환경 자동차 산업 육성을 전략적으로 추진하고 있습니다. 과도기적 성격의 하이브리드 자동차부터 수소연료전지 자동차까지 그 구동방식과 특징에 대해 정리합니다.
하이브리드 자동차 (Hybrid Electric Vehicle, 이하 HEV)
하이브리드 자동차는 엔진과 모터동력을 조합해 구동하는 방식의 자동차 입니다. 출발과 저속주행시 모터동력만으로 주행하는 방식입니다. 이 때, 배터리의 충전은 '회생제동'으로 이뤄지게 되는데, 감속시 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 전기를 생성하는 충전방식입니다. 상대적으로 내연기관 자동차보다 40% 이상 연비가 좋으며, 배기가스는 덜 발생됩니다. 강점으로 엔진출력에 모터출력이 추가되어 큰 출력이 필요한 오르막길 등의 도로에서 가속성능이 좋습니다.
하이브리드 자동차는 상황에 따라 엔진과 모터를 번갈아가며 사용하게 되는데, 각각의 기관을 사용하는 방식은 아래와 같습니다.
HEV는 출발할 때나 저속에서 모터만 이용하는 전기차모드로 구동됩니다. 점차 속도가 증가하거나 큰 출력이 필요할 경우 엔진과 모터를 동시에 이용하게 됩니다. 고속으로 달릴땐 엔진을 이용해 엔진효율을 극대화 시킵니다. 브레이크를 밟는 감속 상황에서는 회생제동을 통해 배터리를 충전합니다.
플러그인하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 이하 PHEV)
플러그인하이브리드 자동차(PHEV)는 하이브리드와 마찬가지로 엔진과 모터동력을 조합하여 차량을 구동합니다. 다만, 차량 구동에 필요한 에너지를 차량 내부가 아닌 외부 전원으로부터 충전한다는 점이 HEV와 가장 큰 차이입니다. HEV와 비교해 전기차모드로 모터를 좀 더 이용하게 되면서 상대적으로 적은 배출가스를 배출하게 됩니다.
PHEV는 짧은거리(30~40km)를 전기차와 마찬가지로 구동할 수 있어 연비나 배출가스 측면에서 HEV에 비해 우위를 갖습니다. 최초 배터리의 상태에 따라 모터로 주행을 하게되며, 배터리의 충전량이 줄어들면 HEV와 마찬가지로 엔진과 함께 모터를 통해 구동합니다. 브레이크를 밟을 때 HEV와 마찬가지로 회생제동이 가능하며, 전기차 충전소 및 완속 충전기를 이용해 배터리 충전 역시 가능합니다.
전기차 (Electric Vehicle, 이하 BEV 또는 EV)
전기차는 고전압 배터리에서 전기에너지를 통해 모터로만 구동되는 차량으로 화석연료를 전혀 사용하지 않는 자동차입니다. 배출가스를 전혀 배출하지 않기 때문에 온실가스 배출에 대한 규제로부터 자유롭습니다.
전기차는 전기모터를 통해 고출력을 낼 수 있습니다. 아울러 브레이크를 밟을 때 회생제동도 가능해 배터리의 효율성을 높일 수 있고, 일부 급속충전기를 통해 빠르게 배터리를 충전할 수 있습니다.
수소차 (수소연료전지자동차, Fuel Cell Electric Vehicle, 이하 FCEV)
수소차는 수소연료를 이용해 연료탱크내의 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 전기를 생산합니다. 이 때, 수소와 물이 만나 순수한 물만을 배출하기 때문에 배출가스를 전혀 발생시키지 않습니다. 수소연료전지의 원리를 더 살펴보면 아래와 같습니다.
수소에서 발생된 전자가 흘러 전류를 발생시키고, 이온화된 수소가 산소와 반응해 물과 열이 발생하며 전력이 발생하고 물을 배출하게 됩니다. 현재 현대자동차에서 생산된 NEXO의 경우 수소탱크에 최대 700Bar의 압력까지 수소를 저장할 수 있지만, 안전상의 이유로 350Bar 수준으로 충전해 달리는 경우가 많습니다. 수소는 화학공장의 부산물로서 생성되는 양으로 현재 이용이 가능하지만, 향후 수소 생산을 위한 공장이 따로 필요하게 될 가능성이 있습니다.
수소차는 전기차의 가장 큰 단점인 충전시간을 획기적으로 줄일 수 있는 자동차로서, 현재 사용중인 내연기관과 비슷한 수준의 충전 및 주행거리를 갖습니다.
친환경 자동차간의 비교
HEV와 PHEV는 배출가스 문제로 향후에 줄어들 가능성이 있습니다. 하지만 전기차에 비해 더 긴 주행거리를 갖고 있으며, 충전(주유)의 편리함과 겨울철 주행효율 등의 장점을 갖고 있어, 내연기관에서 전기차나 수소차로 바뀌는 트렌드의 과도기에 꼭 필요한 차량이라고 생각합니다. 수소차는 최근 엑시언트 수소차로 볼 수 있듯, 크기에 상관없이 빠른 충전속도와 긴 주행거리를 갖기 때문에 대형 차량은 물론 일반 차량에도 상당히 유리할 것으로 보입니다.
따라서 향후 수소차와 전기차가 이분화되어 판매될 가능성이 있습니다. 소형은 전기차의 우위가 예상되고, 대형이나 장거리 주행에 적합한 차량으로는 수소차를 선호할 수 있죠. 다만 2차전지의 활용방법에 따라 상황은 달라질 수 있다고 생각합니다.