이번 글에서는 전기차와 수소전기차 차이점 및 작동원리에 대해 알아볼텐데 전 세계적으로 환경에 대한 심각성을 인지하고 있는 상황에서 수소차와 전기차는 재생 불가능한 에너지원을 전혀 사용하지 않는 친환경 자동차로 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다.
전기차의 작동원리
전기 자동차에서 충전식 배터리는 연료 공급 장치 역할을 하고 자동차를 움직일 수 있는 에너지를 모터에 제공합니다.
이것은 자동차 가속을 제공하며 차량이 유휴 상태일 때는 전류가 처리되지 않으므로 엔진에서 에너지를 사용하지 않습니다.
거의 완전히 조용하며 즉각적인 토크 감각을 제공하는 전기 자동차는 엔진을 구동하는 데 사용되는 오일이 없기 때문에 오일 교환이 필요하지 않으며 팬벨트, 공기필터, 점화 플러그 또는 휘발유 자동차에서 가끔 교체해야 하는 기타 부품도 마찬가지라고 할 수 있습니다.
EV는 기계적 마찰을 가하는 대신 전기 모터를 역전시켜 자동차 속도를 늦추기 때문에 EV의 브레이크도 휘발유 자동차보다 오래 지속되며 이 회생 제동은 모터를 재충전하는 데 도움이 됩니다.
배터리 에너지의 최대 80%가 가솔린 차량의 에너지 중 14~26%에 불과한 것과 비교하여 자동차에 동력을 공급하기 위해 직접 전송되기 때문에 전기 자동차를 휘발유 자동차에 대한 보다 친환경적인 대안으로 만드는 것은 대규모 전기 공급에서 발전할 수 있는 능력이기도 합니다.
전기차의 내부구조
a. CHARGER: 급속충전기와 일반충전기가 있는데 이 두 가지 모두 외부 전력 공급을 통한 충전이 필요하며 급속충전기는 50kW급으로 완전 방전상태에서 80%충전까지 30분이 소요되고, 일반충전기는 약 6~7kW급으로 완전 방전상태에서 완전충전까지 4~5시간이 소요됩니다.
b. EVSE: 이 기술은 인포테인먼트 기기를 주차 중인 전기자동차에서 스마트기기를 네트워크를 통해 연결하여 전기자동차의 충전 및 각종 상황을 모니터링 할 수 있는 방법을 제공하고 있습니다.
c. PRA: 구동스위치와 배터리를 연결하는 PRA는 전기를 흐르게 하거나 차단시키는 기능을 합니다.
d. EPCU: 구동모터의 속도를 제어하는 장치입니다.
e. BATTERY: 전기에너지 저장 및 공급 장치로 무게는 최대한 가볍게 고용량 배터리를 사용하는 것이 중요하며 내연기관의 엔진 없이 충전된 배터리에서 공급되는 전기에너지만을 이용하는 동력원으로 전기모터를 구동하며 회생제동 기능을 이용하며 특히, 운행 중 배터리 충전으로 제동 횟수가 많은 도심에서 에너지 효율성은 극대화 됩니다.
f. MOTOR: 소음이 없고 조용한 것이 특징이며 배터리에서 발생된 전기를 토크로 변환하는 장치입니다.
전기차의 특징
a. 친환경적: 주행시 화석연료를 사용하지 않아 CO2나 NOx를 배출하지 않으며 엔진 소음이 적고, 진동이 적습니다.
b. 경제적: 전기모터로만 구동할 경우 운행비용이 가장 저렴하고, 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있어 차량 수명이 상대적으로 긴 것이 특징입니다.
c. 안전성: 사고시 폭발의 위험성이 적습니다.
d. 편의성: 심야 전력으로 집에서 충전 가능하고 기어를 바꿔줄 필요가 없어 운전 조작이 간편합니다.
수소전기차의 작동원리
수소전기차는 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지를 이용하는 자동차로서 물 이외의 배출가스를 발생시키지 않기 때문에 각종 유해 물질이나 온실가스에 의한 환경피해를 해결할 수 있는 환경친화적 자동차로써 수소가 연료전지에 공급되면 전자와 수소이온으로 분리되고 이 때 발생한 전자들은 외부 회로로 전달되어 연료전지 자동차의 모터를 구성하는 동력원인 전기에너지로 사용됩니다.
또한 수소에서 분리된 수소이온들은 전해질 막을 통과해 막 반대편의 연료전지에 공급된 공기중의 산소와 반응하여 물을 생성하게 됩니다.
이 때 생성된 물은 수소전기차의 유일한 배출물로서 남은 공기와 함께 대기 중으로 배출됩니다.
a. 수소탱크: 충전소에서 충전한 수소를 고압(700bar)으로 저장합니다.
b. 연료전지: 수소와 산소를 화학반응시켜 전기를 생산합니다.
c. 배터리: 연료전지에서 생산된 전기를 저장합니다.
d. 모터: 배터리에 저장된 전기를 이용하여 자동차 바퀴를 구동합니다.
수소전기차와 전기차의 차이점: 지속 가능한 에너지
수소전기차는 수소와 공기 중 산소를 전기화학반응 통해 생성된 전기를 동력으로 활용하고, 전기차는 전기를 배터리에 저장하고 저장된 전기를 동력으로 활용합니다.
하이브리드차는 엔진과 배터리를 동력으로 활용하는 차량입니다. 수소전기차는 빠른 충전 시간(3~5분)과 장거리 특성, 더 많은 탑재량을 요구하는 차량(트럭, 버스 등)에 가장 적합합니다.
특히, 수소전기차는 유해배출가스가 없으며, 부가적으로 공기 정화 효과까지 있어 친환경에 가장 부합하는 차량입니다.
수소전기차의 장점: 공기정화 기능, 경제성
수소전기차의 공기정화 기능
미래 자동차 산업의 중심에 서게될 친환경차로 뛰어난 친환경성과 미세먼지 저감효과로 그 핵심은 수소전기차가 될 것으로 전망됩니다.
수소차는 수소와 산소를 전기화학반응시켜 얻는 전기를 통해 움직이는 차량입니다. 따라서 연료전지의 내구 성능 확보를 위해 공기 중 먼지와 CO등 화학 물질을 제거한 후 연료전지에 에너지를 공급하게 됩니다.
이러한 3단계 공기 정화 시스템을 통해 공기 중 초미세먼지의 99.9%를 제거합니다.
세계보건기구에 따르면 몸무게 64kg의 성인 1명이 1시간 동안 호흡하는데 필요한 공기량은 0.63kg입니다.
수소전기차 1만대 운행 시 나무 60만 그루와 같은 수준의 탄소 저감효과가 기대되며 성인 약 4만 9천명에게 필요한 공기가 정화되는 효과로 주행 중 도로 위에서 발생되는 상당량의 미세먼지(타이어, 도로표면 마모 등) 또한 직접 정화하는 효과입니다.
전기차 대비 수소전기차의 경제성
실질적인 운행 경제성인 1km 주행 시 소요되는 연료비를 비교해보면, 동급 가솔린 차량 연료비(155원) 대비 디젤 차량의 연료비는 62%, 수소전기차는 54%, 전기차는 36% 수준입니다.
즉, 수소전기차의 운행 경제성은 기존 내연기관 차량보다는 우수하고 전기차보다는 다소 떨어지는 수준입니다.
하지만 현재는 수소 에너지에 대한 초기 시장 형성 단계이고, 추후 공급측면의 규모의 경제 실현, 수소 운송·생산 기술 발전 및 시장 참여자 증가와 함께 수소 가격이 낮아지면서 운행 경제성은 더욱 나아질 것으로 예상됩니다.
결론
수소전기차를 전기차와 단순히 성능, 경제성 등으로만 비교하는 것은 단편적인 접근입니다. 왜 수소전기차인가를 이야기하기 전에 우선 수소 에너지에 대한 이해가 필요합니다.
현재 전 세계의 화석연료(석유, 천연가스, 석유) 에너지 의존도는 85% 로 절대적입니다. 화석연료가 가지는 효율성에도 불구하고 각종 환경 문제 및 자원 고갈 문제로 각국에서는 탈 화석연료를 위한 움직임이 활발히 일어나고 있습니다.
특히 대부분의 국가에서 태양열이나 풍력과 같은 지속 가능한 친환경 재생에너지의 비중을 늘리고자 합니다. 우리나라 역시 정부는 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20% 까지 늘릴 계획을 가지고 있습니다.
하지만 재생에너지는 자연을 이용한 힘이기에 간헐성, 경직성, 지역 편차라는 근본적인 한계를 가집니다. 즉 잉여 전력 혹은 전력 부족이 필연적으로 발생할 수 밖에 없다는 의미입니다.
이 문제를 해소하기 위해서는 발생한 잉여 전력의 저장·운송이 필요한데 이 과정에서 주목받게 된 것이 바로 수소 에너지입니다.
수소 에너지는 대규모 저장·운송이 용이한 2차 에너지로 물을 전기분해하여 얻을 수 있습니다.
이러한 특징을 활용하면 재생에너지의 잉여 전력을 통해 수소를 생산·저장하였다가 소비지로 운송하여 연료전지를 통해 발전시킬 수 있습니다.
이를 통해 재생에너지가 가지는 한계를 극복하고 안정적이고 효율적으로 전력을 활용할 수 있습니다. (P2G, H-ESS) 즉 재생에너지 확대에 수소 에너지의 ‘에너지 캐리어’ 역할이 필수적인 것입니다.
수소 에너지가 제 역할을 하기 위해서는 연료전지, 수소 생산, 저장, 운송에 대한 기술이 뒷받침되어야 합니다.
그리고 수소전기차가 그 기술 발전의 첨병 역할을 수행할 것으로 보입니다.
우선 가정용, 발전용 연료전지에 비해 수송용 연료전지의 기술 요구 수준이 높기 때문에 수소전기차에서 얻은 혁신 기술이 타 부문으로 이전되어 기술 발전이 이뤄질 것입니다.
또한 수소전기차 보급 확대는 수소 생산, 저장 운송 기술의 발전을 이끌어 전체 수소 에너지 산업 육성의 촉매제로서의 역할을 할 것입니다.
현재 심각한 환경오염의 주범인 탄소에너지를 하루라도 빨리 퇴출시키고 친환경적인 자동차로 보급이 시급하다고 생각합니다.