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에너지소비효율은 1리터의 연료로 몇 km를 주행할 수 있는지를 나타내요. 숫자가 높을수록 연비가 좋죠. 기름값과 직결되다 보니 요즘처럼 경기가 안 좋을 때는 연비에 대한 관심이 더 커지기 마련이죠. 에너지 절약을 위해서 대중교통을 이용하거나 에너지소비효율이 좋은 자동차를 찾는 소비자도 많은데요. 자동차와 에너지 효율에 관해 알아봤습니다.

최근 미세먼지와 탄소 배출 문제가 커지면서 에너지 절약과 환경보호 차원에서 대중교통을 이용하자는 목소리가 커지고 있는데요. 에너지 효율 면에서 시내버스를 이용하는 것이 개인 승용차를 타는 것보다 유리할까요?

시내버스는 정차와 출발 빈도가 잦아서 토크 위주로 설계된 디젤엔진을 많이 사용해 왔어요. 디젤 엔진을 장착한 현대슈퍼에어로의 경우 1만 cc, 출력 약 300마력, 토크 120kg/m의 성능을 가지고 있어요. 최근에는 도심 노선의 경우 압축천연가스(CNG) 버스가 많이 도입됐고, 일부 마을버스와 시외지역 버스는 급유 환경 때문에 아직 디젤유를 사용하는 상황이에요.

서울시 통계에 따르면 시내버스의 평균 연비는 약 2km/L로 제조사의 제시 연비 4km/L의 절반 정도에 불과한 것으로 나타났어요. CNG 버스의 연비를 따져봐도 1.8㎞/㎥로 제조사가 제시하는 공인연비 4.4㎞/㎥와 차이가 났어요.

이처럼 공인연비와 실제 주행 연비가 다른 이유는 공인연비의 경우, 평지 도로 등 이상적인 실험 조건에서 테스트를 진행하고 결과를 산출하기 때문이에요. 실제 운행에서 영향을 미치는 차량의 연식, 경사·굴곡 등 도로 여건, 승객 수에 따른 하중, 주행속도, 차량 정체와 같은 교통상황 등의 편차는 충분히 고려되지 않은 것이죠.

실제 시내버스의 운행조건을 살펴보면 평균 운행거리는 36km, 운행속도는 시속 20~25km에 불과하고, 평균 정류소에서 76회, 교차로·횡단보도·정차구간 등에서 최소 20회~최고 200회까지 정차와 출발이 빈도 높게 반복되는 것으로 조사됐어요.

이런 가운데 지자체와 시내버스 업계는 연료비를 절감하여 재정 부담을 완화하기 위해 다양한 노력을 기울이고 있어요. 정부 차원에서도 미세먼지 감축을 위해 공공부문 경유차를 없애고 경유차에 대한 인센티브도 없애기로 하면서 자동차 업계의 '탈 디젤' 현상이 가속화되는 추세예요.

서울시는 시내버스에 ‘연료절감장치’를 장착해 효과를 톡톡히 누린 바 있는데, 연료절감장치를 부착한 이후 연료 사용량은 9.7% 줄었고, 연비는 10.8% 개선됐답니다.

10여 년에 걸쳐 전면 교체된 서울시 친환경 CNG 버스가 대기 질 향상에 상당한 효과를 거두고 있는 상황에서, 서울시는 미세먼지 절감을 위해 2025년까지 전체 시내버스의 40% 이상인 3,000대를 전기버스로 교체한다는 계획도 가지고 있어요. 나아가 버스는 공간이 넓어 수소 저장탱크를 여러 개 싣고 방열 면적을 확보할 수 있기 때문에 수소차가 경쟁력이 있을 것이라는 분석도 있어요.

이 같은 다방면의 노력으로 시내버스의 에너지 효율이 좋아지고 있는 중인데, 실제 자동차 유형별로 에너지 효율은 어떨까요?

하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)는 현재 우리가 가장 쉽게 알고 접할 수 있는 전동모터를 이용한 자동차 유형이에요. 도요타의 '프리우스'가 대표적이죠. 화석연료 엔진과 전기모터를 함께 사용하는 것은 플러그인 하이브리드(PHEV)와 동일하지만, 배터리를 따로 충전하지 않는다는 차이가 있어요. 정상 주행할 때에는 엔진을 주로 사용하고, 시동을 걸 때나 고속 주행 등 더 큰 출력이 필요할 때에는 전기모터를 보조로 사용하는 방식이에요. 평균 15~20km/L 내외의 복합연비를 보여요.

운전자가 배터리 관리나 충전에 대해 고민할 필요가 없고, 특별히 신경 쓰지 않아도 된다는 큰 장점이 있어요. 배터리 충전이 자체 동력에 의해 이루어지기 때문에 전기 충전소 등의 인프라가 필요치 않아 보급이 활발한 편입니다.

그러나 미국의 ZEV(Zero Emission Vehicle) 규제 계획에 따라 2018년부터 미국은 HEV를 전기자동차 기준에서 제외하고 있어요. ZEV는 '제조사는 연간 판매량 대비 일정 비율만큼 전기자동차를 판매해야 한다'는 규제인데, HEV는 그 대상에서 제외한 것이죠. 이 때문에 시장에서는 친환경 자동차의 대세가 HEV에서 PHEV, EV로 넘어가고 있어요.

플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle)는 HEV처럼 내연기관과 전기모터를 함께 사용하는데, 배터리는 외부전원(Plug)으로 충전할 수 있도록 한 전기자동차 형태예요. 전기 콘센트에 플러그를 꽂아 충전한 전기로 주행하다가 전기가 모두 소모되면 화석연료 엔진으로 움직여요. 평균 30km/L 내외의 연비를 보이는데, 50km/L 연비를 보이거나 한 번 주유로 1,000km를 주행할 수 있는 모델도 출시되고 있답니다.

PHEV는 내연기관을 써야 한다는 점에서 탄소 제로의 대안은 아니지만, 화석연료 자동차에서 EV로 가는 중간 단계로 인식되고 있어요. 아직 EV의 주행거리 한계가 있는 만큼, 그 단점을 보완하면서 연비를 늘릴 수 있다는 장점이 있어요.

순수 전기​자동차(EV, Electric Vehicle)는 화석연료 엔진 없이 배터리를 통한 전기에너지만을 동력원으로 사용하는 전기자동차예요. 충전된 전기에너지만으로 구동돼, 이산화탄소 등 배출가스가 전혀 발생하지 않아요. 또한, 내연기관이 필요 없고 전기모터만 장착하면 되기 때문에 자동차 구조를 단순화할 수 있죠. 자동차 앞쪽의 엔진룸이 없어도 되니 그 공간을 활용해 기존 상식과는 다른 다양한 디자인의 자동차가 등장하고 있어요.

EV는 배터리만으로 자동차를 구동하기 때문에 배터리 성능이 가장 중요한 요소인데, 한 번 충전으로 약 100~300km을 주행할 수 있기 때문에 주행거리가 멀 경우 자주 충전이 필요해요. 문제는 급속 충전을 하더라도 20~30분 내외의 시간이 걸리고, 완충에는 5시간 정도가 걸린다는 점이에요.

대용량 배터리 기술의 발전과 각국 정부의 친환경 자동차 개발에 대한 관심과 정책, 그리고 전기 충전소 인프라 확충에 대한 구체적인 계획이 발표되며, 순수 전기자동차 시장도 크게 성장하고 있어요.

수소전기차(FCEV, Fuel-Cell Electric Vehicle)는 사용하는 전지의 구조에 있어서 전기차와 가장 큰 차이를 보여요. 전기차에는 전기를 공급해 충전하는 이차전지가 쓰이지만, 수소차에는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 연료전지가 쓰여요. 기존의 가솔린 엔진 차가 휘발유를 태울 때 화학에너지가 방출되며 발생하는 열을 이용하는 것과 같은 원리랍니다. 하지만 수소차는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 열이 아니라 전기에너지로 변환해 사용하는데, 그 핵심 장치가 바로 연료전지예요.

연료전지의 성능은 수소 분자를 이온 상태로 분해하고, 분해된 수소이온을 산소와 결합하는 과정을 얼마나 효율적으로 진행하느냐에 달려 있어요. 수소차는 탱크에 수소만 있으면 언제든 연료전지를 작동할 수 있는데, 탱크에 수소를 충전하는 시간도 2, 3분에 불과해요. 또 한 번 충전으로 주행거리가 500~700㎞로 전기차 보다 2배가량 긴 고효율의 연비를 자랑하죠.

자동차는 19세기 말 발명된 이후 100년 동안 이렇다 할 변화가 없었지만, 전기차의 등장으로 100년 시장에 큰 변동이 일어나고 있어요. 100년간 발전해온 내연기관 자동차의 에너지 효율은 21%에 불과한 반면, 전기자동차는 에너지 효율이 99.99%에 달해 휘발유 차에 비해 4∼5배 높아요. 또 수리와 보수·유지할 부품이 90% 정도 적은 편이죠.

EV의 개발 과정은 깜짝 놀랄 만큼 흥미로운데, 불과 10년 전만 해도 모두가 지금과 같은 대용량 배터리는 만들지 못할 것이라고 생각했어요. 그런 배터리가 나온다고 해도 하염없이 긴 충전시간이 발목을 잡을 것 같았죠. 그런데 2012년 테슬라 모델 S가 데뷔하며 이런 선입견은 산산조각 났어요. 테슬라가 고전압 충전 인프라를, 일본이 ‘차데모(CHAdeMo, 급속 충전기 규격)’ 표준을 만든 직후였어요.

이제 현대차 코나 EV와 기아차 니로 EV 같은 전기차는 불과 한 시간 미만의 고전압 충전으로도 장거리 여정에 나설 수 있어요. 가격은 같은 차체에 내연기관 엔진을 얹은 모델보다 비싸지만, 연료비를 포함한 운영비로 상쇄할 수 있어요. 보다 고전압을 사용하는 충전기를 도입하고 배터리 냉각 시스템을 보완하면, 1분 충전에 15km를 더 주행할 수 있는 전기를 추가로 채울 수도 있답니다.

게다가 그동안 배터리 가격은 하향세를 그려왔는데, 아울러 더 빠른 충전과 저렴한 원가, 높은 에너지 밀도를 실현할 화학 업계의 희소식도 꾸준히 들려오고 있어요.

한편 FCEV의 에너지 효율은 EV의 3분의 1에 불과해요. 수소 가스를 전기로 바꿔 차를 굴리는 FCEV보다 배터리에 채운 전기를 사용하는 EV가 더 손실이 적은 것이죠. 하지만 수소에너지의 뚜렷한 장점 중 하나는 에너지원인 동시에 에너지 저장매체로도 활용이 가능하다는 점이에요. 발전 전력량이 충분한 경우 전기분해로 수소를 만들어 저장할 수 있답니다. 청정전력이 부족할 때 FCEV는 이 수소를 사용하면 되지만, EV는 이산화탄소를 배출하며 만든 전기를 사용해야 해요.

FCEV는 여기서 한 발 더 나아가 연료전지로 공급할 공기를 거르는 필터를 갖추고 있어요. FCEV를 ‘달리는 공기 청정기’라고 말할 수 있는 이유죠. 즉 FCEV는 대기오염에 시달리는 도시에 조금 더 긍정적인 기여를 하는 이동 수단으로 주목받고 있어요.

화석연료 고갈, 유가상승 등 에너지의 문제는 지속적으로 대두되고 있는 상황에서, 자동차 제조사들은 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 신에너지 개발에 힘쓰고 있어요. 그중 에너지 효율을 극대화할 수 있는 태양광을 활용한 솔라 에너지 시스템이 있어요.

솔라 에너지 시스템은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 자동차 배터리에 저장하고 자동차 주행 등에 사용할 수 있도록 하는 것인데, 자동차에서 발전기 역할을 하는 알터네이터의 부하를 낮출 수 있어요. 친환경 전동차의 경우에는 주행용 배터리에 태양광으로 만들어진 전기로 충전해요. 이를 통해 연비 향상은 물론 CO₂ 크레딧 확보에도 기여할 수 있죠.

태양은 고갈되는 에너지가 아니므로 연료비가 들지 않고 태양 전지는 한번 사면 20년 정도는 지속적으로 사용할 수 있기 때문에 유지비 부담도 적죠. 또한 전지 점화가 필요하지 않아서 가속 페달만 사용해서 시동을 걸 수 있어서 운전이 수월하다는 장점도 있어요.

앞서 각 유형별 자동차의 에너지 효율을 살펴봤는데, 친환경 이슈 등으로 인해 내연기관 대비 전기모터의 비중은 점차 높아질 것으로 전망돼요. 에너지 변화와 기술 발전으로 2030년까지 모든 차가 전기차로 바뀔 것이라는 분석도 있어요. 또 새로운 연비 기준으로 승용차 평균 연비 기준이 2020년 리터당 24.3km에서 2030년 28.1km로 강화될 예정인데요. 치열한 에너지 효율 경쟁에서 어떤 유형의 자동차가 살아남게 될까요?

버스 타고 에너지 절약하자! 근데, 버스는 연비가 얼마지..?

자동차 에너지 효율 이야기

이미지 출처 : Motor1

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