전기자동차 개발배경 | 그린카의 이해

 

 

 

그린카는 현재의 가솔린 엔진대비 CO₂ 배출량이 적으며 연비가 높은 친환경 차량을 의미하며 통상적으로 하이브리드차, 연료 전지차량, 클린 디젤차, 전기자동차 등으로 구분한다. 자동차의 CO₂ 배출을 줄이려면 연료소비가 적거나 CO₂ 배출 자체가 적은 연료를 사용해야 한다. 또한 유해물질 배출을 줄이기 위해서는 생산, 주행과 폐차 과정에서 폐기물이나 배출가스의 유행성이 적어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 것이 바로 그린카이다.

 

 

태양광 자동차

태양광 자동차의 원리는 태양전지를 통해 얻은 전기로 모터를 구동하여 자동차를 움직이는 방식이다. 태양전지를 이용해 빛에너지를 전기에너지로 바꾸고 모터로 보내 운동에너지로 바꾸어 주는데, 이 에너지를 이용해 자동차가 움직인다. 태양광 자동차의 장점은 영구적이고 친환경적이라는 것이다. 태양에너지는 휘발유 같은 화석에너지에 비해 고강하지 않는다는 장점이 있다. 그리고 매연이 나오지 않기 때문에 친환경적이다. 

 

중국  Zhejiang 001 Group  제작

 

즉, 자동차에 설치한 태양 전지판을 통해 진기 에너지를 발생시켜 모터를 움직이는 자동차이다. 현재 태양 전지판은 전자계산기와 인공위성 등에 널리 사용되지만, 아직 발전 효율이 낮고 가격은 비싸기 때문에 실용성에 문제가 있다. 태양광 자동차는 빛을 받는 면적에 비례해선 전력이 발생하기 때문에 가능한 가볍고 넓은 표면적을 가지고 있어야 한다. 그래서 비행기 날개처럼 납작한 형태의 자동차를 만들고, 태양 전지판을 충전해 두었다가 사용해야 한다.

 

 

반면 태양에너지는 비오는 날이나 해가 뜨지 않을 때에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 물론 자동차 내에 배터리가 내장되어 있어 미리 저장해둘 수 있지만 장마와 같은 기상현상으로 일조량이 감소하면 직접 배터리를 충전하는 방식을 택해야 한다. 아직 충전지의 충전시간은 주유 시간보다 느리기 때문에 이용하는데 많은 불편함이 있다. 태양광 에너지의 문제점은 태양 전지판이 화석연료로 만들어진다는 것이다. 태양전지는 반도체 소자로, 이 태양전지 소자를 만들기 위해 많은 화학물질을 사용한다. 이 과정에서 환경 오염이 되는 건 마찬가지라는 문제점이 있다.

 

1. 태양전지 구조

현재 태양광 자동차에 사용되는 상업용 태양전지는 주로 실리콘을 소재로 만들어져 있다. 태양전지는 기본적으로 p-n접합의 구조로 이루어져 있으며 빛이 태양전지 내부로 흡수가 잘 되도록 하기 위한 반사방지막(AR Layer)과 실리콘 내부에서 만들어진 전기를 외부로 끌어내기 위한 상부전극 및 하부전극으로 구성되어 있다.

 

 

2. 태양전지 원리

태양광 자동차에 사용되는 태양전지의 원리의 첫 번째 단계는 광 흡수 과정이다. 광흡수란 전기를 생산하기 위한 외부의 빛이 실리콘 내부로 흡수되는 과정이다. 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위하여 실리콘 표면에 반사방지막을 증착시키거나 표 면을 거칠게 하여 반사율을 감소시키기도 한다.

 

 

두 번째 단계는 전하 생성 단계이다. 이 단계에서는 흡수된 빛에 의해 실리콘 내부에 전하가 생성된다. 또한 일반적으로 하나의 광자로부터 전자와 정공의 한 쌍이 생성된다.

 

세 번째 단계는 전하 분리 단계이다. 전하 분리 단계에서는 p형 실리콘과 n형 실리콘의 p-n접합에서 만들어진 전위차에 의해 전자와 정공이 분리되는데 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다.

 

마지막 단계는 전하 수집이다. 이 단계에서는 상부전극 방향 및 하부전극 방향으로 이동한 전자와 정공은 실리콘과 전극의 계면장벽을 넘어 각각의 전극으로 수집된다. 그 결과 하부전극이 양극이 되고 상부전극이 음극이 되어 외부의 부하에 전기를 공급하게 된다.

 

천연가스 자동차

천연 가스 자동차(Natural gas vehicle, NGV)는 천연 가스를 사용하는 저공해자동차의 일종이다. 연료로는 압축천연가스(compressed natural gas ,CNG)를 주로 사용하며, 최근에는 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)를 사용하기도 한다. 미세먼지 발생이 없는 등 많은 이점에도 불구하고, 천연가스 차량은 도입에 많은 어려움을 겪고 있다. 특히 천연가스 충전시설 등 인프라 구축이 선행되어야 하는 점이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다.

 

 

 

1 .천연가스 자동차의 분류

1) 압축천연가스(CNG) 자동차

천연가스를 200 ~ 300bar의 고압으로 압축하여 연료용기에 저장하여 사용하며 현재 대부분의 천연가스자동차가 사용하는 방식이다. 압축천연가스 자동차는 타 연료와의 혼용 여부에 의해 아래와 같이 구분할 수 있다.

① 겸용(Bi-Fuel) : 압축천연가스와 휘발유를 동시에 자동차에 저장하고 그 중 한가지를 선택하여 연료로 사용하는 방식이다. 천연가스 보급초기에 천연가스의 충전 환경이 좋지 않을 때 사용하기 적합한 장점이 있다.

 

② 혼소 (Dual-Fuel) : 압축천연가스와 경유를 동시에 저장하여 두 가지 연료를 동시에 사용하는 방식이다. 디젤은 엔진시동 및 운전중에 파이롯 분사하여 점화원으로 활용하도록 구성되어 있다. 그러나 현실적으로 천연가스의 가격이 디젤가격 대비 가격 경쟁력이 가솔린에 비해 높지않으므로 많이 보급되지 않고 있는 실정이다.

 

③ 전소 (Dedicated) : 압축천연가스만을 저장하여 사용하는 방식으로, 천연가스 엔진으로 최적화 할 수 있으므로, 출력성능 및 배출가스저감 능력이 우수하여 전세계적으로 가장 많이 보급되고 있는 방식이다.

 

2) 액화천연가스(LNG)자동차

액화천연가스 자동차는 -162°C로 냉각 액화한 천연가스(LNG)를 극저온 단열용기에 저장하여 연료로 사용하는 방식으로 LNG를 기화기(Vaporizer)에서 기화하여 Mixer나 흡기매니폴드에 분사하여 연료를 공급하는 방식과 LNG를 액상 그대로 실린더 내로 직접 분사하여 실린더내의 점화플러그에 의해 점화 시키는 방법이 있다.

 

액화천연가스 자동차는 연료저장 효율이 좋으므로 1회 충진당 주행거리를 3배이상 늘일수 있는 장점이 있으나 LNG 단열용기의 가격이 고가인 단점이 있다. 현제, LNG 단열용기 개발, LNG 충전기술이 미진하여 LNG 연료를 직접 사용하는 엔진개발 연구가 활발히 진행되어 실용화 단계에 접어들고 있다.

 

LNG 자동차는 연료를 액체 상태로 저장하기 때문에 CNG 자동차에 비해 주행거리가 길다. 또한 우리나라와 같이 LNG상태로 수입하는 경우는 이를 직접 사용할 수 있어, LNG를 기화하여 배관을 통하여 공급한 후 다시 압축하여 사용하는 CNG에 비해 압축기를 구동하여야 하는 에너지가 절감되며 압축기 설치도 필요 없다.

그러나 LNG 단열용기에 전달되는 외부 열원에 의해 용기내의 LNG 성분 중 비점이 낮은 메탄성분이 먼저 증발하여 증발가스(BOG: Boiled off Gas)가 발생되며, 이 증발가스에 의한 용기 내 압력 상승을 방지하기 위하여 증발가스를 엔진에 우선적으로 공급하거나 대기 중으로 방출하여야 한다.

 

따라서 시간이 경과할수록 용기 내에는 메탄성분이 감소하고 고비점의 연료성분이 농축되는 weathering 현상이 발생한다. 이것은 엔진의 정밀한 연료공급을 위하여 어려운 기술적 장애요인으로 작용하고 있다.

 

3) 흡착식 천연가스(ANG)자동차

흡착식 천연가스(ANG) 자동차는 활성탄 등의 흡착제에 천연가스를 30~60kg/㎠ 가압하여 저장하는 방식으로 충전 압축기 등 충전 시설비용 등의 절감이 가능하나 흡착제의 비용이 고가이고 저장효율이 낮아 현재의 기술 수준으로는 실용화에는 많은 문제점이 있다.

 

CNG공급망이 완비된 지역에서는 OEM에 의한 전소(Dedicated) 방식이 배기가스측면이나 경제성면에서 이상적이므로 최근 CNG공급망 확충에 따라 대기오염 개선효과가 큰 전소 방식이 본격적으로 보급되고 있으며, CNG 공급망이 미비 된 지역에서는 천연가스 겸용시스템(Bi-Fuel 혹은 Dual-Fuel)이 사용되고 있다

 

2. 천연가스 자동차 엔진 구조

일반적으로 가솔린차의 경우는 천연가스차의 구조와 연료장치를 제외하고는 거의 동일한 구조로 되어 있다. 디젤엔진의 경우 압축착화기관에서 불꽃점화기관으로의 변경은 물론 연료계통, 연소계통 및 제어계통 등을 변경이 필수적이다.

 

연료계통으로는 기존 디젤 연료계통의 분사펌프, 분사노즐 등을 벗어나 가스 레귤레이터, 믹서, 트로틀밸브, 연료제어밸브 등의 가스 연료계통을 추가해 장착한다. 작동원리는 압축천연가스(CNG)를 적정압력으로 감압해 연료·공기 혼합장치 및 트로틀밸브를 거쳐 엔진으로 공급되도록 되어있다. 연소실로 공급된 혼합기는 점화를 위해 연료분사 노즐 위치에 설치된 점화플러그에서 점화되어 연소 폭발한다. 점화계통은 점화코일, 점화케이블 및 점화플러그로 구성되어 있고, 내구력 향상을 위한 밸브 등의 재질변경도 수행되었다.

 

또한 엔진의 최적운전 제어를 위해 각종 센서를 통해 모니터링한 가스온도 압력, 흡입공기 온도 압력, 냉각수온도, 혼합기 압력, 대기압, 배기가스중의 산소농도 등의 신호를 받아 전자제어장치에서 연료량, 점화시기 등을 전자적으로 제어하도록 구성되어있다.

 

하이브리드차

차량의 성능(연료소비)을 향상시키고 대기오염을 줄이기 위한 방법의 하나로 동작원리가 다른 두 종류 이상의 구동원을 효율적으로 조합해서 동작시키는 시스템으로 연료를 사용 하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동시키는 전기모터로 구성되어있다.

 

통상 휘발유(혹은 디젤) 엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 차를 가리킨다. 연료가 많이 이용되는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터를 작동시킴으로써 연료 사용을 줄이고, 배기가스 배출도 줄인다. 전기 모터 작동에 필요한 전기 에너지는 100% 엔진의 구동력을 통해 얻어진다. 

 

전기자동차에서 가장 큰 결점으로 지적되고 있는 일회 충전시 주행거리가 짧은 점을 보완할 수 있으며, 향후 축전지 기술이 향상되는 데로 엔진크기를 줄여감으로서 궁극적으로는 전기자동차로 이전되어 가게 된다. 현재 시중에 제일 많이 보편화돼있지만 기술적인 결함이 많이 있다

 

연료전지 자동차

전기 자동차와 마찬가지로 100% 전기모터의 힘으로 작동되지만, 전기에너지를 연료전지로부터 얻는다는 점에서 기존 자동차와 구별된다. 연료전지란 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 만들어내는 장치이다. 수소를 차 안에 저장해 놓았다가 필요할 때마다 전기를 만들고 이 에너지로 모터를 돌려 차를 움직이게 된다. 배기가스는 전혀 없고 물만 배출될 뿐이다. 그러나 실용화까지는 상당한 개발기간이 필요할 것으로 보인다. 수소의 대량생산 및 생산된 차량내 수소 저장 방식 등이 장애요인으로 남아있다.

 

 

수소 자동차

수소를 기본연료로 사용하는 차로서, 수소는 외부 공기중의 산소와 반응하여 여기서 생성 된 에너지가 차량을 구동시키게 된다.

 

방응한 수소는 다시 물로 되어 외부로 배출되는 싸이클로 유해한 배출가스는 없어 미래의 에너지로 불리며, 대기 오염 문제를 근본적으로 해결하는 무공해 차량이다. 액체수소 연료를 사용하여 만든 수소차는 BMW 750hL 모델이 세계 최초이며 국내는 1993년 5월 성균1호가 최초의 수소 자동차이다.

 

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클린 디젤차

현재 세계 자동차 메이커는 이산화탄소 규제에 대한 중기적 대안으로서 고도화된 디젤엔진 기술을 개발하고 있다. 이들 기술은 약 20~30% 이산화탄소 배출을 줄이고, 하이브리드나 연료전지에 비해 비용도 저렴한 것으로 알려져있다. 전략적으로 파급효과가 크고 중기적 경쟁력확보에 중요한 기술 요소로 각광받고 있다. 실례로 2008년 파리모터쇼에서 르노-닛산자동차는 신형 하이브리드 자동차를 내 놓았는데 이 차 역시 르노의 고효율 디젤엔진을 주요 무기로 삼은 것으로 알려져 있다.

 

그래서, 기존 내연기관을 그대로 활용해 안정성이 높고 탄소 배출량이 적다는 이유로 현재 친환경자동차 중 시장 점유율이 가장 높고 세계 디젤자동차 시장 중 특히 유럽을 중심으로 지속적인 성장이 예상되는 자동차이다. 기존의 디젤 자동차보다 배출가스를 현저히 줄이면서 동급 가솔린자동차 대비 효율이 높은 초고효율 시스템이 장착되어 있으며, 2016년 세계 클린디젤차 시장의 약 80% 이상을 유럽이 점유할 것으로 전망된다.

 

 

친환경 디젤엔진은 유럽의 자동차 업체가 주도적으로 개발하고 있다. 메르세데스 벤츠는 1997년 디젤엔진 각 실린더 안으로 연료를 직접 분사하는 커먼레일 다이렉트 인젝션엔진을 개발한 후 세대를 거듭하며 지속적으로 발전시키고 있다. CDI엔진은 고압의 분사연료가 완전연소에 가깝게 소모되어, 출력이 증가하여 연비가 좋고 각종 유해 배출가스 억제가 가능하다는 것이 장점이다.

 

 

알콜 자동차

사탕수수에서 알콜(바이오매스)을 추출하여 자동차를 구동시키는 자동차이다. 알콜 자동차가 처음 사용된 나라는 브라질이다. 현재에는 자동차의 배출가스와 부품들의 부식으로 인해 기술적인 연구가 더 필요한 단계라고 한다.

 

고유가·친환경 영향…중고 전기차 시세 상승세

 

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