KISTI의 과학향기

매연 덜 내뿜고 연료비 적게 드는 자동차 어디 없나?

환경규제는 날로 심해지고 석유값이 급등하면서 자동차 회사들은 가솔린 자동차 대안 찾기에 골몰하고 있다. 전기자동차나 연료전지 자동차가 이상적인 모델로 꼽히지만 현실의 벽은 높다.

전기를 충전해서 달리는 전기자동차의 가장 큰 문제는 배터리를 가볍게 만드는 기술인데, 가볍고 빨리 대용량을 충전하는 배터리를 만드는 게 쉽지 않다. 그리고 무엇보다 현재의 주유소들이 상당수가 전기 충전소로 바뀌어야 하기 때문에 사회적 비용도 만만치 않다. 이런 문제점이 드러나자 전기자동차 개발이 시들해지고 있다.무한 자원인 수소와 산소의 화학반응으로 전기에너지를 얻어 차를 움직이자는 연료전지 자동차 역시, 연료전지의 크기나 효율성이 일반엔진 차량에 비해 크게 미흡하기 때문에 당장 경제성을 확보하기 어려울 것으로 보인다. 이런 틈바구니에 대안으로 떠오른 것이 ‘하이브리드 카(Hybrid car)’다.

한마디로 두 가지 이상의 동력을 사용하는 잡종(하이브리드)형 자동차가 대안이라는 것이다. 하이브리드 차는 한 자동차에 전기모터와 엔진이 동시에 장착되어 있는 것이다. 두 가지를 효율적으로 조합해 연비를 높이고, 배기가스를 줄여 환경문제 해결이라는 일석이조의 효과를 얻겠다는 것이다.



하이브리드의 원리는 사실 새로운 것은 아니다.

자동차마다 연비라는 게 있다. 그렇지만 어디까지나 평균적인 상태일 뿐, 운전자나 도로의 조건에 따라 연비가 크게 다르다. 뿐만 아니라 동일한 주위 조건에서도 운전자에 따라 연비는 크게 달라지게 되는데, 이는 운전자마다 운전방법이 다르기 때문이다. 즉, 주위조건이 동일해도 운전자에 따라 주행속도 및 주행방법, 기어변환방법, 각종 페달류 조작방법, 발진 및 정지방법이 각기 다르기 때문에 연비차이가 나타나는 것이다.



하이브리드 자동차가 다른 점이 있다면, 모터로 구동할 수 있는 장치를 덧붙여 자동차의 연료소비를 최적으로 하도록 하는 것이다. 실제로 도요다 등에서 내놓은 하이브리드 자동차의 경우 일반 자동차에 비해 2~3배 가량의 연비를 보이고 있고, 유해 가스 발생량이 일반 차량의 10%에 불과한 것도 있다.



이러한 하이브리드 자동차를 크게 병렬방식과 시리즈 방식 두 가지로 연구되고 있다. 병렬 방식은 엔진의 힘으로 움직이는 것을 원칙으로 설계된 차량을 말한다. 일반적인 속도에서는 가솔린 엔진 차량처럼 움직이지만, 엔진의 효율이 떨어지는 저속주행 때나 가속 순간에는 모터만으로 움직이거나 모터가 엔진을 도와주도록 되어 있는 것이다. 결국 충분히 예열되고 경제성이 높은 고속도로 등에서는 엔진을 사용하고, 저속주행이 많은 도심에서는 모터를 사용한다. 때문에 연비는 높아지고 공해는 크게 줄어든다는 장점이 있다. 병렬방식은 시리즈 방식에 비해 상대적으로 배터리의 크기를 작게 할 수 있다는 장점이 있다.



반면 시리즈 방식은 모터만으로 움직이는 방식이다. 엔진은 배터리를 충전하는 용도로만 활용되는 것이다. 이렇게 되면 엔진사용을 최소화 할 수 있어 배기 가스량이 대폭 줄어들기 때문에, 배기가스에 의한 환경훼손은 거의 일어나지 않는 다는 장점을 갖고 있다. 하지만 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환해서 모터를 구동시킬 때 에너지의 손실이 발행하기 때문에 엔진으로부터 구동력을 직접 얻는 병렬방식에 비교해 볼 때 효율이 뒤떨어진다. 또 구동력을 모터로부터 얻기 때문에 모터와 배터리가 커지게 되며 따라서 가격도 높아지게 된다.



일본의 도요타 , 닛산, 혼다 등이 독자모델의 하이브리드 자동차를 내놓고 있는데, 대부분 병렬방식에 시리즈 방식을 가미한 형태로 발전하고 있다. 따라서 회사별로 하이브리드 시스템의 무게와 구동방식이 약간씩 다르다. 예를 들어 엔진을 많이 사용하도록 설계된 혼다 모델의 경우 하이브리드 엔진의 무게가 도요타 차량의 3분의 1가량 밖에 되지 않는다.



하이브리드 차량에도 약점이 있다. 무엇보다 가격이 비싸다는 것이다. 일반자동차의 엔진에 모터와 대용량 배터리가 장착되어야 하기 때문이다. 따라서 현재 출시되는 차량은 대부분 매연 등 대기 오염 규제가 까다로운 캘리포니아 주를 중심으로 보급되고 있다. 다행히 전세계적으로 환경규제는 갈수록 까다로워질 전망이어서 미국 정부는 2030년께부터 가솔린 자동차의 생산이 전면 중단되고, 차량의 50% 이상이 하이브리드 차량으로 바뀔 것으로 전망하고 있다.



이런 상황이다 보니 일본 정부는 차량 구입비의 4분의 1가량을 직간접으로 지원하는 등, 자국 자동차 업체들의 하이브리드 자동차 개발을 지원하고 있다. 미국 역시 GM, 포드, 다임러 크라이슬러 등 이른바 ‘빅3’들도 하이브리드 양산체제를 서두르는 등 일본의 독주에 제동을 걸 준비를 하고 있다.



세계 6대 자동차 대국인 우리나라는 어떤가? 일본에 비해 많이 늦었지만 지난달 초 현대자동차가 하이브리드 차량 50대를 환경부에 공급한 것을 시작으로 일본 따라잡기에 나서고 있다. 아직까지 효율로 따지자면 도요타에 비해 많이 떨어지지만 차세대 친환경 차 시장에 이제 막 첫 발을 내디뎠다. 얼마나 빠른 가속을 할 수 있느냐가 미래 자동차시장에서의 생존여부를 결정할 것이다. (글:유상연-과학칼럼리스트)