하이브리드 차

차량을 2대 보유하고있지만 두대 다 18년 11년된 노후차량이다

어떤 차를 선택할지 고민중  ?

 

전기차보다 하이브리드

 

 

 

전기차는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차다. 당연히 유해가스가 없고, 엔진 마모가 없어 내구성이 좋은데다 운전하기도 편하다. 무엇보다 치솟는 기름값을 걱정하지 않아도 된다. 충전시 전기요금을 내야 하지만 기름값만큼 들쭉날쭉하지 않다. 현대차가 순수 고속전기자동차 블루온을 처음 선보이면서 우리나라도 전기차 시대를 열었다.

 

이렇게 좋아만 보이는 전기자동차를 왜 주위에서 쉽게 찾아볼 수 없는 걸까. 해답은 우선 배터리의 한계에서 찾아야 한다. 최대 시속 30km까지 속도를 낼 수 있는 블루온의 배터리 용량은 16.4kWh다. 1회 충전 후 주행 거리는 최대 140㎞다. 충전에 걸리는 시간은 완속이 6시간, 급속은 25분이다. 완속 충전은 일반 가정용 220V를 이용하고 급속 충전은 별도 충전기를 통해 380V를 이용한다.

 

현대차는 고출력 고용량이 가능한 리튬이온폴리머 배터리를 블루온에 적용했다. 리튬이온폴리머 배터리는 기존 니켈수소 배터리에 비해 무게가 30% 가볍고 부피가 40% 적다. 그럼에도 한 번 충전에 서울에서 대전까지만 갈 수 있다.

더운 여름이나 추운 겨울에는 더 줄어든다. 에어컨이나 히터를 틀기 때문이다. 배터리 가격만 놓고 보면 눈이 다시 휘둥그레진다. 20kWh 용량의 리튬이온폴리머 배터리는 약 1500만 원선. 차 가격의 절반에 가깝다. 한 번 충전에 서울에서 대전까지밖에 못가는 자동차를 비싼 가격을 주고 사기는 쉽지 않다.

 

 

 

무엇보다 배터리의 성능을 높여야 한다. 크기, 부피, 무게를 줄이는 동시에 저장할 수 있는 전류의 용량을 늘려야 한다. 리튬이온전지는 충전, 방전이 반복되는 2차 전지다. 리튬코발트산화물, 인산철리튬 등으로 양극을 만들고 흑연과 같은 탄소화합물로 음극을 만든다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하면서 전기를 발생시킨다.

 

리튬이온폴리머 배터리는 리튬이온 배터리와 유사하지만 액체 전해질 대신 고체 폴리머를 사용한다. 고체 전해질은 방전율을 낮춰 주지만 배터리 용량이 작아지고 가격도 비싼 게 단점이다. 어떤 물질로 음극과 양극, 전해질을 만드느냐에 따라 배터리의 수명, 용량, 안정성이 크게 달라진다. 리튬이온전지가 처음 개발된 1980년대 초반에 비해 성능이 40~50% 개선됐다. 2020년까지 현재보다 두 배 이상 성능이 좋아질것으로 보인다.

 

충전 시간을 줄이는 연구도 활발하다. 지난 8월 8일 울산과기대(UNIST) 친환경에너지공학부의 조재필 교수 연구팀은 전기차 배터리를 1분 만에 충전할 수 있는 기술 개발에 성공해 화학 학술지 ‘앙게반테 케미’에 깜짝 공개했다.

 

연구팀은 20nm(나노미터, 10억분의 1m) 크기의 입자를 설탕 성분의 탄수화물(수크로스)로 코팅한 뒤 600℃에서 10분 동안 가열하자 수크로스가 흑연처럼 바뀌면서 각 입자가 그물처럼 연결되는 현상을 발견했다. 이 물질에 전류를 흘렸더니 표면에 있던 전자가 내부까지 빠르게 전해졌다. 밀도도 기존 소재보다 1.4배나 높아져 용량도 늘어났다. 연구팀은 2년 안에 이번에 개발한 입자 분말을 배터리용 소재로 활용할 수 있을 것으로 내다봤다.

 

이런 노력들이 보태지면 몇 년 안에 우리 집 주위 도로를 지나가는 전기차가 훨씬 많아질 것이다. 그러나 배터리 개발이 성공할지 확실하지 않은데다 충전시설 등 인프라까지 생각하면 전기자동차가 갈 길은 아직 멀다. 그렇다면 하이브리드 자동차가 대세로 자리잡는 것일까.

 

 

 

하이브리드자동차는 내연기관과 배터리를 함께 사용한다. 1997년 1세대 하이브리드 자동차로 명성을 떨친 도요타의 프리우스는 공인 연비가 21.0km(한국 기준)다. 60리터를 주유했을 때 약 1200km를 주행할 수 있다. 서울-부산을 충분히 왕복하고도 남는다. 국내에서 나온 ‘소나타 하이브리드’ ‘K5 하이브리드’ 모델은 공인 연비가 16.8km로 프리우스에 못미치지만 가솔린 자동차보다는 연비가 2배 가량 좋다.

 

그런데 하이브리드라고 똑같은 차가 아니다. 하이브리드 자동차는 구동방식에 따라 직렬형/병렬형/복합형으로 나뉘고 하이브리드 정도에 따라 하드/소프트 방식으로 구분된다. 직렬형은 전기 모터만 이용해 자동차를 구동하고 엔진은 배터리를 충전하는 데 사용한다. 병렬형은 엔진과 모터를 함께 사용해 자동차를 움직인다. 복합형은 둘을 결합해 상황에 따라 모터만 사용하거나 엔진+모터를 사용해 에너지 효율을 높인다. 하드 하이브리드 방식은 전기 주행모드가 있는 반면 소프트 방식은 전기 주행 모드가 없다. 자동차 회사들은 이 중에서 가장 효율적인 방식을 조합해 대표 하이브리드 자동차로 내놓는다. 어떤 시스템을 채택하느냐에 따라 자동차 설계가 근본적으로 바뀐다. 프리우스는 복합형 하드, 소나타 하이브리드는 병렬형 하드 하이브리드 시스템을 채택했다.

 

그렇다면 프리우스의 연비가 가장 나은 이유는 뭘까. 표면적으로는 1997년 일반에 판매된 세계 최초의 복합형 하이브리드 자동차일 정도로 오랜 연구 노하우가 축적됐기 때문이지만 과감하게 직렬과 병렬 하이브리드를 결합시킨 의도가 적중했다. 프리우스는 단순히 내연기관 자동차를 하이브리드로 업그레이드한 것이 아니라 변속기부터 엔진까지 동력전달계 전부가 하이브리드 전기차용으로 개발됐다.

 

엔진의 경우 출력은 낮지만 고효율인 아트킨슨 사이클을 적용했다. 이 사이클은 1882년 아트킨슨이 제안한 내연기관 방식이다. 내연기관은 흡입-압축-폭발-배기 단계로 구동되는데 각 단계의 길이(시간)는 같다. 아트킨슨 사이클은 흡입보다 폭발 시간을 늘려 연소실에서 발생한 폭발압력(에너지)을 최대한 끌어낸다. 프리우스는 가장 연료 효율이 좋은 영역에서만 아트킨슨 사이클로 움직이는 내연기관을 이용하고 다른 영역에서는 전기모터를 이용하도록 설계됐다. 도요타는 두 개의 모터를 사용한 독특한 동력전달계를 개발해 앞으로 전 차종에 도요타만의 하이브리드 시스템(THS)을 확대 적용할 계획이다.

 

 

 

 

 

전기차만 놓고 봤을 때 결론은 ‘어렵다’이다. 배터리 성능을 올리는 동시에 가격을 내리는 게 이 분야 연구자들의 숙제다. 리튬이온 배터리를 대체할 값싼 재료를 찾아야 한다.

 

휴대전화, 노트북PC 등에도 사용되는 희귀 금속인 리튬이 2020년경에는 고갈될 것으로 보이기 때문이다. 김필수 대림대 교수는 “배터리 가격이 지금보다 4분의 1 이상 내려가야 하는데 현재 고가인 리튬으로만 배터리를 만들어야 한다는 게 한계”라며 “리튬을 대량으로 확보하거나 대체 재료를 찾아야 한다”고 말했다. 우리나라는 지난 3월 말 볼리비아와 우유니광산에서 리튬을 공동 채굴해 개발하기로 계약을 맺었다.

전문가들은 배터리의 한계를 내연기관이 보완해주는 하이브리드 자동차가 당분간 친환경 고효율 자동차의 대명사로 자리잡을 것으로 전망하고 있다. 한때 하이브리드 자동차는 내연기관 자동차와 전기 자동차 또는 연료전지자동차를 이어줄 과도기적 단계로 기껏 몇 년정도 인기를 누릴 것으로 생각했던 시절이 있었다.

 

그러나 전기자동차의 한계가 생각보다 커지고, 하이브리드 기술이 발달하면서 의외로 한동안 하이브리드 자동차가 친환경 자동차의 대명사로 자리잡을 가능성이 커졌다. 한편에선 전기차에 필요한 전력도 결국 화석 연료로 만들어진다는 점에서 완전한 친환경 자동차가 아니라는 시각도 있어 논란이 분분하다. 새로운 차량을 구매하고 싶지만 매달 지출할 연료비가 걱정인 당신. 어쩌면 지금, 아니면 5년, 10년 후 내 생의 최고의 첫 차로 무엇을 고를까. 당신이 고민하는 지금도 자동차는 과학기술에 힘입어 진화하고 있다.