농업용 전기차의 핵심기술 ①

최근 세계 자동차 시장 점유율 1~2위를 다투고 있던 폭스바겐은 충격적인 사실을 발표하였다. 소위 폭스바겐 스캔들 또는 디젤 게이트라고도 불리는 이 사건은, 폭스바겐이 2009년부터 판매해 온 소형 디젤 차량 중 약 1,100만대 가량의 디젤 차량에 배출 검사를 속이는 소프트웨어를 설치해 규제보다 더 많은 오염물질을 배출 할 수 있도록 만들었다는 사실을 인정한 것이다.

 

디젤 엔진은 동일한 크기의 가솔린 엔진과 비교해 열 효율이 좋아 동일한 연료로 더 큰 출력을 낼 수 있어 토크가 높고 연비가 좋은 장점이 있으나, 출력이 큰 만큼 상대적으로 배기가스도 더 많이 배출하게 된다. 그 중 산화질소(NOx) 같은 경우는 호흡기 질환의 주범으로 석면, 타르, 카드뮴과 같은 1급 발암물질들인데 이를 완벽하게 제거할 수 없어 환경 문제를 일으키게 된다. 그래서 디젤 엔진에서는 SAI(Secondary Air Injection), EGR(Exhaust Gas Recirculation), SCR(Selective Catalytic Reduction), DPF(Diesel Particulate Filter), LNT(Lean NOx Trap) 등 다양한 방식의 배기가스 정화장치들이 발전되고 장착되어 왔다. 그 과정에서 어쩔 수 없이 효율은 떨어지고 가격은 상승하는 상황들이 발생하였다.

 

폭스바겐은 이 중 LNT라는 산화질소를 모으는 장치와 EGR이라는 배출가스 재순환 장치에 대해서 엔진의 제어 프로그램에 인증시험을 받을 때만 작동시키고 실제 도로주행 시에는 끄도록 조작을 한 것이다. 이 장치들을 사용하면 추가 연료 소모도 약 2~4% 정도 발생하고 엔진 출력이 저하되거나 효율이 떨어지는 단점이 있기 때문이다. 결국 유로6처럼 해마다 점점 강화되고 있는 경유차 배기가스 규제로 인해 아이러니하게도 더욱 많은 배기가스가 배출되고 있었던 것이다. 이는 고출력과 연비의 향상이라는 기능적인 향상과 환경 보호를 위한 배기가스 규제의 기술적 발달 사이의 간극이 점점 더 커지고 있다는 반증이기도 할 것이다. 이는 아래의 그래프를 통해 더욱 명확히 알 수 있을 것이다. 아래 그래프는 실제 도로 환경과 테스트-랩 사이의 이산화탄소 배기가스 배출량의 차이를 나타낸 것이다. 해가 지날수록 요구되는 배기가스 배출량의 감소량에 비해 실제 개발되고 있는 차량의 감소량이 상당히 부족함을 알 수 있다.

 

농업용, 산업용 차량으로 주로 사용하고 있는 트랙터나 UTV들의 경우도 마찬가지이다. 대부분의 차량들이 고출력과 고연비라는 매력적인 장점들로 디젤 엔진을 사용하고 있고, 간혹 가격적인 이유들로 가솔린 엔진 차량이 생산되고 있다. 이미 높은 완성도를 지닌 내연기관이 이와 같은 차이 속에서 과연 사회에서 요구하고 있는 배기가스의 기준을 맞출 수 있을까? 디젤 엔진 정도의 고출력, 고연비를 유지하면서 환경 보호도 함께 이룰 수 있는 방법은 없는 것일까?

 

얼마 전, 모델 X라는 놀라운 크로스오버 SUV를 발표한 테슬라는 100% 배터리 전기차를 만드는 기업이다. 이미 소형 스포츠카인 로드스터와 고성능 세단인 모델 S를 통해 기존 대중들이 가지고 있던 전기차의 고정 관념들을 모두 바꾸고 있는 이 기업은, 모델 X를 통해서는 전기차의 활용 범위를 더욱 넓히고 있다. 전기차는 초반부터 높은 토크와 회전력을 갖는 모터의 특성 상 초반 가속력이 대단히 좋은 장점은 있으나, 배터리의 용량 한계와 고회전에서 토크가 떨어지는 특성상 고출력을 오래 유지하기 어렵기 때문에 SUV와 같은 차량에는 적합하지 않다는 의견이 지배적이었다. 그래서 대부분의 제조사들은 소형 차량의 개발에 집중하기도 하였다. 그러나 모델 X는 그 고정관념 조차 바꾸었다.

 

모델 X는 7인승 크로스오버 SUV로 90KWh 배터리를 장착하여 최장 운행거리는 무려 400km가 넘으며 최고속은 250km, 제로백은 3.2초에 달하며 전후 2개의 고성능 모터를 통한 762마력으로 2300kg의 트레일러를 끌 수 있다. 그 외 최첨단 편의 기능들은 기본이다. 게다가 처음부터 전기차의 장점이었던 높은 효율을 바탕으로 내연기관 대비 탁월한 연비를 보여준다. 지금의 전기차는 최신 디젤 엔진에서나 가능해 보였던 고출력과 고연비를 모두 만족하면서도 환경 오염의 주범인 배기가스는 감소의 수준이 아니라 제로가 가능한 것이다.

전기차 전환의 당위성 ③ "배기가스 규제 강화"

배기가스 규제는 배기가스 중 환경오염을 일으키고 인체에 해로운 질소산화물(NO_x)과 미세먼지(PM)을 줄이는데 초점이 맞추어져 있으며 해마다 점점 강화되고 있다. 당연히 도시의 오염을 막기 위해서이기도 하며, 지구 온난화를 막는 목적도 가지고 있다. 질소산화물은 물과 만나면 질산으로 변형된다.

이 공기를 마시면 몸에 좋을 리가 없고 토양이 산성화되면 작물이 살 수 없을 것이다. 질소산화물의 규제는 스모그와 산성비에 의한 토양 산성화와 같은 환경오염을 막기 위해서 반듯이 필요한 일이다.

배기가스 규제는 크게 북미의 티어 레귤레이션과 유럽의 유로 레귤레이션으로 구분이 되며 북미의 배기가스 규제는 기준이 주 별로 천차만별인 관계로 한국에서는 주로 유로 기준을 따라가는 추세이다. 미국의 경우, 캘리포니아 대기 보전국(CARB) 규제가 가장 엄격했기 때문에 여기에 맞춰 차량을 개발해 왔으며 2009년 이후 오바마 행정부가 캘리포니아주의 배기가스를 연방 기준으로 사용하기로 해서 여기에만 맞추면 북미 전 지역에서의 차량 판매가 가능하다. EU는 1992년 7월 시행된 유로1을 기준으로 현재 유로6까지 강화된 배기가스 기준을 사용하고 있으며 각 스테이지 별로 CO, HC, NOx, PM의 배출량 기준을 정해 규제 중이다.

유로6는 유로1 대비 약 80%의 배기가스가 감소된 수준의 규제이며, 특히 가장 해로운 질소산화물과 PM은 약 99%가 줄어든 수준이다.

하지만 이런 극단적인 규제에도 불구하고 실제 가장 큰 문제점은 완성차들의 배기가스 배출량이 실험실과 실제 도로 주행 사이에 차이가 많다는 것이며 더욱 큰 문제점은 그 차이가 점점 증가하고 있다는 것이다. 대부분의 완성차들이 실험실에서의 배출량과 도로 주행 시 배출량에 차이를 보이고 있는데 2002년에는 평균 약 10% 정도였으나 2014년에는 약 35%로 늘어나고 있다고 한다. 아우디 A8은 유럽 법정허용량의 22배가 검출되기도 하였으며 BMW X3와 Opel Tourer은 10배 정도가 더 나왔다고 한다. 전통적인 내연기관의 기술적 발전으로는 더 이상 사회적 요구의 수준을 만족 시킬 수 없다는 이야기다.

배기가스 관련해 이러한 상황을 가장 단적으로 보여주는 예이자 넌센스이기도 한 케이스가 2015년 9월 디젤 자동차 시장을 떠들썩 하게 만들었던 폭스바겐의 디젤게이트이다. 클린디젤을 표방하며 소비자들에게 긍정적인 이미지를 심어주며 전세계 판매량 1위라는 목표를 향해 달리고 있던 폭스바겐의 배기가스 배출량이 실험실용으로 전부 조작된 결과라는 사실은 내연기관 진영에 큰 충격을 주었다. 하지만 더 큰 충격은 그러한 조작에도 불구하고 2016년 전세계 최대 자동차 판매대수를 기록한 기업이 여전히 폭스바겐이라는 사실이다. 여러가지 원인이 있겠지만 배기가스 배출량만을 높고 봤을 때, 다른 제조사들의 배출량이 여전히 폭스바겐의 조작 전 데이터에 비해서도 상당히 높다는 것은 분명 영향을 주었을 것이다. 이제 자동차 시장에도 패러다임의 전환이 필요하다.