전기자동차

영어로는 Electric Vehicle이라고 하며 줄여서 EV로 많이 쓴다. 우리나라에서도 EV란 말을 전기자동차의 약어로 종종 볼 수 있다.

말 그대로 전기를 에너지로 움직이는 자동차. 휘발유, 디젤유, LPG, LNG와 같이 화석연료를 사용하는 자동차가 내연기관 엔진의 힘으로 굴러간다면 전기자동차는 모터의 힘으로 굴러간다. 역사는 내연기관 자동차와 큰 차이가 없다. 오히려 초창기에는 전기자동차와 석유자동차가 비슷비슷한 시장 점유율이었지만 미국에서 석유가 터지면서 유가가 확 내려가자 전기자동차의 경쟁력이 확 쪼그라들어서 거의 자취를 감추었다. 21세기 들어서 고유가 문제, 그리고 화석연료에서 나오는 온실가스와 미세먼지 때문에 최근 들어 기후변화 문제가 심각해지면서 다시 전기자동차가 각광을 받고 있다. 이미 우리나라를 비롯한 선진국들에서는 전기자동차를 살 때 보조금과 여러 혜택을 주고 있지만 이를 넘어서 유럽을 중심으로 아예 국가 차원에서 화석연료 자동차를 점진적으로 퇴출시키려는 움직임까지 가시화 되고 있다. 테슬라와 같은 전기자동차 전문 회사들이 각광을 받는 한편으로 기존의 자동차 메이커도 속속 전기자동차 경쟁에 뛰어들었다. 특히 디젤 연비 조작으로 엄청난 손해와 이미지 먹칠을 당한 폭스바겐도 미래 사업으로 전기자동차에 올인하겠다고 선언했고 GM 역시도 수소차 쪽에 발을 담그다가 때려치고 전기자동차에 올인하겠다고 선언했다. 현대기아자동차의 경우 수소차 쪽으로 올인할 것처럼 요란하게 떠들었고, 전기자동차는 구색 정도로 생각하는 분위기였지만 모르는 사이에 슬금슬금 전기차 쪽으로 비중을 늘려 나가고 있다. 그도 그럴 것이 시장 자체의 규모가 너무나 차이가 많이 나는 데다가 수소차 충전 인프라 까는 것도 문제라.

장점

단순한 구조

내연기관은 공기를 빨아들이고 연료와 섞은 다음 점화 또는 인화시켜 폭발시킨 다음 폭발 잔해라고 할 수 있는 배기가스를 바깥으로 다시 내보낸다. 반면 전기자동차의 모터는 공기와는 관계가 없는 전자기장의 원리를 사용한다. 모터 자체의 구조도 내연기관보다 훨씬 간단하고 비슷한 출력을 내는 모터는 엔진보다 크기가 훨씬 작다. 승용차 이상의 엔진은 출력과 안정적인 구동을 위해 실린더가 여러 개 필요하지만 모터는 그럴 필요가 없다. 게다가 흡기, 배기도 전혀 필요가 없다. 연료 계통 대신 모터에 전기를 공급하는 라인도 훨씬 간단하다. 모터의 열효율이 훨씬 좋기 때문에 엔진보다 발열이 크게 적어 냉각 관련 기계장치가 아예 필요 없거나 있어도 훨씬 간단하다. 너무너무 구조가 간단하다 보니 전기자동차의 엔진실을 보면 뭔가 휑한 느낌까지 든다. 그만큼 비슷한 크기라면 엔진 자동차보다 활용할 수 있는 공간이 넓다. 남는 공간을 짐칸이나 그밖에 다른 용도로 활용할 수 있고, 차량의 무게가 가벼워지는 장점도 덤으로 있다. 하지만 현실적으로는 배터리 무게가 200~300 kg 이상 나가다 보니 오히려 전기자동차가 더 무거운 게 함정. 또한 배터리도 온도가 높아지면 화재나 폭발 위험이 있기 때문에 냉각 장치가 필요하다. 그래도 여전히 내연기관보다는 냉각 장치가 훨씬 작다. 배터리 기술이 빠른 속도로 발전하고 있기 때문에 무게 문제는 점차 개선될 것으로 예상된다. 또한 구조가 간단하기 때문에 고장이 날 염려도 적고, 수리하기도 더 쉽다는 것 역시도 큰 장점이다.

모터 부분만이 아니라 트랜스미션 쪽도 단순해진다. 모터는 출력을 조절하기가 내연기관보다 훨씬 쉽고 응답도 빠른 데다가 토크가 아주 좋은 데다가 토크 곡선이 일정한 편이다. 내연기관에 기어가 있는 가장 큰 이유는 내연기관은 토크의 곡선이 회전수에 따라서 변화가 많다는 것이다. 따라서 토크가 일정하게 나오는 전기자동차는 아예 트랜스미션 없이 모터의 출력 조정만으로도 차량 주행을 할 수 있고, 트랜스미션이 있어도 내연기관 자동차보다 단수를 적게 해도 된다.

이러한 특성을 이용해서 내연기관 자동차에서는 상상도 못할 구조도 만들 수 있는데, 예를 들어 각 바퀴에 모터를 하나씩 달아서 4륜 구동을 만들 수도 있다. 이렇게 하면 심지어 디퍼렌셜도 필요 없다. 코너링을 할 때 각 모터의 속도를 컴퓨터로 조절하면 되기 때문.

효율

사실 내연기관은 에너지 효율이 정말로 형편 없다. 연료를 태워서 실제로 훨까지 가는 에너지는 전체의 20%에 지나지 않는다. 엔진에서 연료를 태워서 나오는 연료 중 30% 정도만이 드라이브트레인으로 나가고 나머지는 다 열로 날아가버린다. 또 드라이브트레인을 통해 휠로 전달되는 과정에서 추가로 10% 정도의 손실이 더 생긴다. 반면 전기자동차는 모터의 에너지 효율이 85%까지 간다. 휠까지 전달되는 과정에서 10% 정도 손실이 생긴다고 해도 75%나 된다. 게다가 아예 휠마다 모터를 달아서 모터가 휠을 직접 구동시키는 방식까지도 있는데, 이러면 기어박스고 디퍼렌셜이고 필요 없기 때문에 효율이 80%를 넘는다. 요즈음 들어서 자동차 회사들이 엔진의 열효율을 높이기 위해서 연구를 거듭하고 있어서 최근에는 40% 효율이 나오는 디젤 엔진을 개발했네 뭐네 하지만 과연 고회전에서도 40%인가는 생각해 볼 일이다. 또한 요즘처럼 효율에 목숨 거는 마당에 화력발전 쪽 기술도 노는 게 아니다.

게다 모터와 발전기는 기본적으로 같은 구조다. 즉 모터가 발전기 구실을 할 수 있어서 감속을 하거나 내리막길을 갈 때에는 모터가 오히려 배터리를 충전시키는 발전기가 된다. 그 때문에 주행 조건에 따라서는 공인 주행거리에 비해서 실제 주행거리가 더 길어지는 일도 생긴다. 하이브리드 자동차도 이런 식으로 배터리를 충전해서 연비를 올리지만 전기자동차는 별도 모터와 배터리가 필요 없으므로 효율이 더욱 좋다.

전기자동차의 높은 효율이 가져오는 또 한 가지 장점은 발열이 적다는 것. 엄청난 열을 뿜어내기 때문에 냉각수로 열심히 엔진을 식혀야 하는 내연기관 자동차와 비교하면 전기자동차는 냉각 계통이 거의 필요 없을 정도로 발열이 적은 편이고, 만약 도시의 자동차 대부분이 전기자동차로 바뀌면 도심의 열섬 현상 완화도 기대할 수 있다. 여름 열섬 현상을 부채질하는 주범이 아무래도 자동차와 에어컨이다 보니... 다만 겨울에는 엔진의 열로 난방을 할 수 있는 내연기관 자동차와는 달리 배터리로 난방을 해야 하므로 배터리 소모가 많다. 게다가 겨울에는 배터리 용량도 떨어지는 게 약점.

오염 물질이 거의 없다

차량이 주행할 때 배기가스를 전혀 뿜어내지 않으므로 환경에 미치는 영향이 훨씬 적다. 특히 최근에 미세먼지 문제에 관심이 커지면서 전기자동차에 대한 관심도 덩달아 커지고 있다. 굳이 시비를 거는 사람들은 전기자동차도 타이어가 닳으면서 미세먼지가 나오기는 마찬가지라고 우기지만 어쨌거나 그거 하나만 내뿜는 것과 배기가스도 열심히 내뿜은 차량이 내는 미세먼지나 각종 유해물질의 양은 얘기하나마나다. 우리나라를 비롯한 각국이 전기자동차에 보조금을 주는 가장 주요한 이유도 교토의정서에 따라 이산화탄소 배출량을 감축해야 하는 목표가 있기 때문이다.

여기에 대한 반론은, "그래봤자 전기도 대부분은 석유나 석탄을 태우는 화력발전, 또는 핵발전으로 만드는데 뭐가 친환경이냐"는 것이다. 현실적으로 일리 있는 이야기지만 그런 걸 감안해도 전기자동차가 더 친환경이다. 화력발전의 경우 에너지 효율이 자동차의 내연기관보다는 더 좋다. 자동차는 고출력을 내기 위해서 빠른 회전수를 내는데 엔진의 회전수가 높아질수록 투입 연료 대비 실제 차량을 굴리는 에너지의 효율은 떨어진다. 과급장치가 등장한 이유가 이렇게 고회전역에서 크게 떨어지는 효율을 어떻게든 높여 보려고 나온 것이지만 그래도 역시 고회전역의 에너지 효율은 저회전역과는 비교가 안 되게 떨어진다. 게다가 좁은 공간에 컴팩트하게 오만 장치를 쑤셔넣어야 하기 때문에 폐열 재활용도 난방수를 데우는 것 정도 말고는 할 여지가 없어서 효율 면에서 더더욱 희생이 생긴다. 앞에서 언급했듯 내연기관 자동차가 연료를 태워서 실제 차를 움직이는 동력으로 활용하는 비율은 20% 정도에 불과하다.

하지만 화력발전은 그럴 필요가 없다. 작은 공간에 쑤셔 넣고 고출력을 만들어야 하는 자동차 엔진과는 달리 화력발전용 터빈은 크게 만들고 저회전으로 돌리면 되기 때문이다. 화력발전 과정에서 나오는 폐열도 증기기관이나 지역 난방과 같은 곳에 재활용할 수 있기 때문에 화력발전은 에너지 효율이 45~48%, 또는 그 이상까지도 나온다. 송전과 충전 과정의 손실을 감안하더라도 약 37%의 효율이어서 내연기관 자동차보다 거의 두 배에 가까운 효율을 낸다. 최근 들어서는 내연기관의 열효율을 높이는 개발이 진행되고 있어서 40% 선까지 올리고 있다고는 하지만 이 역시 신뢰성이 떨어지는 게, 자동차는 고회전역으로 갈수록 급속하게 효율이 떨어진다. 즉 저회전역에서는 40% 정도가 나올 수도 있겠지만 실제 주행, 특히 고속 주행 때 어느 정도가 나올지는 의문이다. 자동차 회사들이야 자기에게 유리한 것만 내세우기 마련이다.

오염물질 면에서도 전기자동차가 더 낫다. 자동차가 저마다 엔진으로 연료를 태우면서 공해 물질을 내뿜는 것과는 달리 화력발전소와 같은 대형 연쇼 시설에 집중하면 공해 물질을 걸러내고 완화시키는 시설을 설치함으로써 문제를 훨씬 줄일 수 있다. 자동차는 작은 공간에 온갖 것을 욱여 넣어야 하기 때문에 공해 물질을 걸러내는 설비도 제한될 수밖에 없지만 대형 시설은 그런 문제가 훨씬 적으므로 이중 삼중으로 여러 장치를 통해 공해물질을 훨씬 많이 걸러낼 수 있다.

또한 석유 자동차는 대안이라고 봐야 에탄올과 같은 바이오연료 정도밖에는 없지만 전기 쪽으로는 신재생에너지 기술이 계속 발전하고 있다. 선진국을 중심으로 전체 전력생산 중 신재생에너지의 비율이 계속 올라가고 있으며 생산 비용도 빠르게 떨어지고 있다. 기술의 개발 속도는 시장성이 좋아지면 좋아질수록 더 많은 투자가 이루어져서 힘을 받으므로, 정부 차원에서 정책적으로 전기자동차와 신재생에너지를 밀어주면 더 빠르게 환경오염을 줄일 수 있는 것은 명백하다. 하다못해 그 문제 많은 핵발전마저도 기후변화 면에서는 기존의 화석연료 에너지보다 훨씬 나은 게 현실이다. 핵융합발전은 언제 나오나. 이것만 되면 게임 끝인데.

주행 성능

내연기관 자동차는 회전수에 따라 토크 곡선이 상당히 큰 차이를 보이지만 전기 모터는 토크가 고른 분포를 보인다. 초기 기동이 빠르고 오르막을 올라가는 성능도 좋은 편이다. 또한 엔진에 비해서 모터가 반응이 확실히 빠르므로 그야말로 '밟으면 밟는 대로 ' 쭉쭉 나간다는 게 전기자동차를 몰아본 사람들의 평가다. 엔진 자동차에 익숙한 사람들에게는 묵직한 맛이 없이 너무 팍팍 튀어나간다는 반응도 있지만, 날렵한 반응을 보이는 전기자동차에 익숙해지면 엔진자동차가 둔해서 짜증날 정도.

조용함, 그리고 승차감

조용하고 승차감이 좋은 것도 장점이다. 다만 조용함은 단점이 되기도 하는데 그에 대해서는 '단점' 부분을 참조. 내연기관은 연료를 안에서 폭발시키기 때문에 진동이 많다. 그래서 최대한 엔진 진동을 잡는 갖가지 완충장치를 달게 되는데, 전기 모터는 진동이 거의 없으므로 승차감이 좋고 엔진 진동 완충에 필요한 장치도 거의 필요하지 않다.

단점

충전 문제

전기자동차의 시장 확대에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 문제.

휘발유나 디젤 자동차는 1~2분이면 연료 탱크를 가득 채울 수 있지만 전기자동차의 충전은 그보다 훨씬 오랜 시간이 걸린다. 최근에는 급속충전 기술이 많은 발전을 이루었지만 급속충전을 해도 80% 정도 충전을 하려면 대략 20분 정도가 걸린다. 물론 이 정도는 휴게소에서 라면 한 그릇 먹고, 커피 한 잔 하고, 화장실 다녀오고 하면 되는 시간이긴 하지만 아직까지 급속충전 시설이 많지도 않고, 표준화도 덜 되어 있는 게 문제. 완속충전으로 배터리를 채우려면 반나절은 걸린다. 이 문제가 전기자동차 구입을 망설이게 하는 가장 큰 원인이라 할 수 있다. 수소연료자동차 역시도 연료 주입 시간이 얼마 안 걸리므로 수소차를 지지하는 사람들이 전기자동차를 공격하기 위해 가장 크게 부각하는 면이기도 하다. 하지만 여기에는 함정이 있는데, 한 대를 충전하는 데 걸리는 시간은 5분 정도지만 한 대를 충전하고 나서 다음 차를 충전할 때까지 시간이 오래 걸린다. 저장해 놓은 수소를 700 기압까지 올리는 데 시간이 필요하기 때문. 한 대의 수소 충전기로 하루에 충전할 수 있는 대수가 현재는 대략 20대에 불과하다. 압력을 낮추면 대기시간을 짧아지지만 그만큼 충전할 수 있는 수소량이 줄어든다. 예를 들어 350 기압으로 충전하면 700 기압으로 충전할 때의 반밖에 못 채운다.

하지만 장거리를 많이 뛰는 사람들이 아니라면 사실 의외로 큰 문제는 아니다. 최근에 나오는 전기자동차들은 한 번 완충해서 200~400 km 정도까지 달릴 수 있다. 주로 시내를 다니는 사람들이라면 수십에서 많아야 100 km 좀 넘는 수준이므로 이 정도면 차량을 하룻 동안 쓰는 데에는 아무런 문제가 없다. 또한 차를 세워놓고 중간중간에 충전을 함으로써 문제를 해결할 수도 있다. 예를 들어 회사 출퇴근 때 전기자동차를 타고 다닌다면 회사에 가서 충전 걸어놓고, 퇴근해서 집에서 충전 걸어놓으면 된다. 쇼핑을 가서 주차장에서 충전할 수도 있다. 폭발 위험이 커서 주유소와 같은 시설이 필요한 내연기관 자동차와는 달리 전기자동차의 충전기는 주차장에도 비교적 손쉽게 설치할 수 있다. 어쨌거나 전기자동차가 대중화되기 위해서는 충전 장소를 얼마나 빨리 늘리느냐가 관건이다.

또다른 방법으로는 주유소에서 기름을 채우는 것과 비슷하게, 배터리를 착탈식으로 만들고 충전소에서 배터리를 갈아끼우는 방법도 있다. 휴대폰 배터리를 갈아끼우는 것과 비슷하다. 몇 분 안에 간단하게 완충된 배터리로 교체할 수 있다는 장점은 있지만 일단 현재 배터리 기술로는 승용차를 굴리기 위한 배터리의 크기나 무게가 상당하다는 게 가장 큰 문제다. 배터리를 교체형으로 만들려면 어느 한쪽에 배터리가 몰려 있어야 하는데 그러면 한쪽만 너무 무거워지는 문제가 생긴다. 대부분 승용차는 무게 배분을 고르게 하기 위해서 배터리를 차량 아래쪽으로 펼치는 식이라 교체식으로 하기는 현실적으로 어렵다. 서로 다른 메이커나 모델 사이의 배터리 호환성 문제, 교체되는 배터리의 실제 용량이 제각각일 수 있다는 문제점도 있다. 또한 충전기는 그냥 포스트 정도만 새우면 시설만 확대되면 집에서도, 회사에서도, 장보면서도 할 수 있지만 배터리 교체를 위한 시설은 아무래도 주유소처럼 어느 정도 공간이 필요하다보니 배터리 교체보다는 충전 시설 확대 쪽으로 가고 있는 추세다. 다만, 버스는 한 회사가 여러 대를 가지고 있거나 공동차고지에서 공동 충전시설을 사용할 수도 있고, 버스의 덩치가 워낙에 크고 높이도 높아서 지붕 위에 배터리팩을 설치하면 교체식으로 만들기가 좀더 쉬울 것으로는 보고 있다. 버스를 달리게 할 정도라면 배터리 용량도 커져야 한다는 게 문제긴 하지만...

최근에는 주행 도중에 조금씩이라도 배터리 충전을 할 수 있도록 하는 기술도 개발되고 있다. 예를 들어 사거리에서 신호 대기 중일 때 도로 아래에 매설된 충전 정치로부터 충전을 하거나, 스마트폰의 무선 충전 기능과 비슷한 방식을 적용한다든가 하는 기술이다. 하지만 아직은 충전 효율이 많이 떨어지는 문제도 있고, 도로를 파서 충전 창치를 매설하거나 무선 충전의 경우 전자파 문제도 있고 해서 당분간은 쉽지 않아 보인다. 앞으로도 충전 시설을 많이 설치해서 중간 중간에 손쉽게 충전해서 쓰는 방식이 대세가 될 것으로 보인다.

주행거리

주행거리 역시도 전기자동차 구입을 망설이게 하는 요소다.

과거에는 한번 완충해서 달릴 수 있는 거리가 100km도 안 되었다. 하지만 기술 발전으로 점점 주행거리가 길어져서 이제는 300km대 후반 또는 400km, 500km에 이르는 자동차도 나오고 있다. 하지만 이것으로도 부족하다고 생각하는 사람들이 여전히 많은 편이다. 업계에서는 대략 1회 완충으로 주행거리 600km까지 찍을 수 있으면 내연기관과 비교해도 불편하지 않을 것으로 보고 있다.

배터리를 더 넣으면 주행거리를 더 길게 할 수는 있지만 그러면 차량이 무거워지므로 효율이 나빠진다. 또한 충전시간도 그만큼 길어지므로 그닥 효용성이 없다. 자동차 회사는 여러 가지를 고려해서 배터리의 용량을 정하게 된다. 사실 우리나라라면 서울에서 부산까지 간다고 해도 중간에 휴게소에 들러 차 한 잔 하면서 한번만 충전하는 것으로 충분하다. 그러자면 휴게소마다 급속충전 시설이 확대되어야 하지만 주유소에 비하면 공간은 훨씬 덜 차지하니까 마음만 먹으면 아주 어려운 건 아니다. 반면 땅덩이가 훨씬 큰 미국은 하루에도 1,000km 정도를 자동차를 몰고 가는 사람들도 적지 않은데, 테슬라의 급속충전 시설인 슈퍼차저는 이런 장거리 여행자들을 위한 성격이 강하다. 어쨌거나 주행거리가 400km 이상 나오고 충전 시설만 확대된다면 이 문제는 크게 걱정할 일은 아니다. 또한 내연기관 자동차는 공인 연비에 비해 실제 주행을 해 보면 그만큼 연비가 안 나오는 일이 많은데 전기자동차는 대체로 공인 주행거리와 비슷하게 나오며, 에너지 회생장치가 제구실을 잘 하는 자동차는 오히려 공인 주행거리보다 더 나오는 신기한 경헝을 할 때도 있다.

주행거리를 늘리기 위해서 가장 주력하고 있는 기술은 배터리의 밀도를 높이는 기술이다. 즉 같은 무게의 배터리에 더 많은 전기를 충전할 수 있으면 주행거리가 늘어나거나, 주행거리가 같으면 배터리 무게가 가벼워진다. 현재 가장 많은 발전이 이루어지는 분야는 양극재에 니켈의 함량을 높이는 하이니켈 기술이다. 지금 가장 많이 쓰이는 리튬 이온 전지 양극재는 리튬과 니켈, 망간, 코발트를 사용하는 NCM 양극재인데, 니켈의 함량을 높이면 에너지 밀도를 높일 수 있다. 문제는 니켈의 불안정성으로 화재나 폭발과 같은 위험이 높아진다는 것으로, 이러한 위험성을 조절하는 기술이 발전하면 그만큼 니켈 함량을 올릴 수 있다. 또한 니켈은 매장량이 풍부해서 망간이나 코발트에 비해 가격이 훨씬 싸므로 원가 절감 효과까지 있다. 현재는 니켈 함량 50~60% 정도가 주류를 이루고 있는데 니켈 함량이 80%까지 올라간 하이니켈 배터리들이 조금씩 시장이 등장하고 있다. 업계에서는 궁극적으로는 90%까지 올리는 것을 목표로 하고 있다. 그밖에 지금은 액체 전해질을 쓰고 있는데 이를 고체로 바꾸는 전고체 배터리 기술도 개발이 한창 이루어지고 있다. 고체는 액체보다 에너지 저장 밀도를 높일 수는 있지만 이온의 이동성이 떨어지기 때문에 충전 및 방전 효율이 낮다는 게 극복해야 할 주요한 과제다. 그밖에는 리튬-메탈 전지, 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지와 같은 것들이 제시되어 있지만 상용화까지는 갈 길이 멀다.

다만 한국에서는 과연 그렇게 주행거리 문제가 중요하냐는 반론도 만만치 않으며, 설득력도 있다. 과연 자동차 소유주 중에 서울-부산 정도 되는 거리를 자주 오갈 일이 있는 운전자의 비율이 얼마나 될까? 사실 대부분 사람들에게는 200km 주행 거리만으로도 자동차를 쓰기에 별 문제가 없다. 사실 서울-부산을 당일치기로 왕복해야 하는 정도로 차를 몰고 다니는 운전자라면 주행거리가 문제가 되겠지만 그렇지 않다면 별 문제가 아닌데도 주행거리에 대해 과도하게 우려한다는 비판도 있다.

배터리 화재 및 폭발 문제

가끔 뉴스에 전기자동차 화재 사고가 보도되면서 배터리 화재 및 폭발을 우려하는 목소리들도 있다. 사실 내연기관 자동차의 화재사고에 비하면 새발의 피 수준이지만 유난히 부각되는 경향이 있다. 배터리의 무게와 주행거리에 대한 요구가 커지면서 배터리의 에너지 밀도를 최대한 높이려는 경쟁이 벌어지고 있는데, 그에 따라서 생기는 문제가 바로 안전성 문제다. 배터리 화재 및 폭발 사고는 주로 양극재와 분리막에서 발생하는데, 앞서 NCM에서 언급한 것처럼 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량을 높이면 니켈의 불안정성이 문제가 된다. 또한 양극재와 음극재 사이를 절연시켜 주는 분리막은 얇으면 얇을수록 배터리도 얇게 만들 수 있어서 에너지 밀도가 높아지는 효과가 있지만 그만큼 절연성이 떨어지거나 손상되기 쉽다는 문제점이 발생한다. 충전 및 방전을 하면 온도가 올라가는데 과하게 올라가면 분리막이 손상되는 문제가 일어난다. 따라서 지금 나와 있는 전기자동차의 배터리에는 온도를 일정 수준 이상으로 올라가지 않도로 막는 냉각 장치가 필수다. 내연기관의 냉각 장치에 비하면 간단하긴 하지만 전기자동차 회사로서는 이 무게도 아쉽다.

따라서 이 문제를 해결하기 위해서는 니켈의 위험성을 통제하는 기술이 필요하다. 또는 전해질을 액체에서 겔 또는 고체 형태로 바꾸면 안전성이 향상된다. 겔 형태의 전해질을 사용하는 리튬-폴리머 전지도 사용이 늘고 있고, 아예 고체를 사용하는 전고체 배터리 연구도 한창 속도를 올리고 있다. 전고체 배터리는 고체 자체가 양극과 음극을 분리해 주는 구실을 하므로 분리막을 필요로 하지 않는다는 게 큰 장점. 냉각 문제도 많이 해소되므로 냉각 장치 부담도 덜 수 있다. 문제는 액체에 비해 겔은 이온의 이동성이 떨어지며 고체는 더더욱 떨어지므로 그만큼 충전 및 방전 특성이 나빠진다. 관련 기술 개발도 이러한 문제를 극복하는 데에 초점을 두고 있다.

중국은 주로 인산철배터리(LFP)를 전기자동차에 쓰고 있는데, 화재 위험성이 낮다는 것이 장점이다. 대신 무겁고 에너지 밀도가 떨어지기 때문에 주행거리 면에서는 불리하다. 전기자동차에 대한 가장 큰 불만 중 하나가 주행거리인만큼, 이를 얼마나 끌어올리느냐가 가장 큰 과제다.

너무 조용한 게 탈?

연료를 '폭발'시키는 방식인 내연기관과 달리 전기자동차는 소음이 아주 적다. 부앙~ 하는 시도때도 없는 자동차 소리에 시달리던 사람들은 너무나 조용한 전기자동차의 특징이 장점이겠지만 한편으로는 단점이 되기도 한다. 일단 안전 문제가 있다. 걸어가는 사람 뒤에서 차가 달려올 때, 걷는 사람은 차의 소음을 듣고 뭔가 뒤에서 오고 있다는 것을 눈치챈다. 그런데 전기자동차는 조용하기 때문에 쉽게 알아차리기 어렵다. 이어폰이라도 끼고 있으면 정말 나를 치기 직전까지 모를 수도 있다. 그래서 저속에서 일부러 스피커를 통해 경고음이나 소음을 내도록 하는 자동차도 있고, 이를 의무화하는 나라도 있다.

또한 자동차 마니아들은 내연기관이 만들어내는 그 시끄러운 소음에 짜릿함을 느낀다. 일반 자동차에 비해서 스포츠카의 소음이 높은 편인 이유도 그 부앙~ 하는 엔진의 울부짖음을 좋아하는 사람들이 많기 때문이고 스포츠카를 만드는 회사들은 전문 음향공학을 사용해서 소리를 튜닝하기도 한다. 그런데 전기자동차는 이런 게 없으니... 운전하는 재미가 없다고 투덜대는 사람들이 많다. 일반 운전자들 중에도 차 안이 너무 조용하다 보니까 바람소리라든가 바깥의 소움이 귀에 잘 들어와서 오히려 운전에 집중하는 데 걸리적거린다는 사람들도 있다. 물론 반대로 조용해서 음악을 듣거나 하기에 좋다는 사람들도 있고.

이를 역이용하기도 하는데, 소음 없이 조용하므로 시내 한복판에서 자동차 경주를 해도 소음에 관한 시비가 없다. 포뮬러 E는 모든 경기를 대도시의 스트리트 서킷에서 하는데, 전기자동차의 특징을 부각시키면서 관중들의 접근성 면에서도 유리한 장점이 있다.

겨울에는?

배터리의 특성 때문에 겨울에는 용량이 떨어진다. 배터리란 놈이 일단 화학적인 제품이고, 화학 반응이라는 게 추울 때에는 굼떠질 수밖에 없다. 게다가 엔진의 열로 난방을 할 수있는 내연기관 자동차와는 달리 전기자동차는 그냥 배터리 써서 난방해야 한다. 따라서 겨울에는 배터리 방전이 빠를 수밖에 없다. 이 문제를 해결하기 위해서 배터리에도 열선을 깔아서 전기로 약하게 데워주는 방법도 나오는데, 이 역시 배터리 소모가 어쨌든 추가로 들어간다. 그러다 보니 겨울에는 전기자동차는 꽝이다! 하는 인식이 많이 퍼져 있지만 전기자동차 회사들이 당연히 이쪽 관련 기술 개발을 등한시할 리가 없으며 최근의 전기자동차는 겨울에도 80% 이상의 주행거리가 나오는 추세다. 춥기로 유명한 북유럽 국가들에서 전기자동차 판매가 확대되고 있으며 정부나 국회 차원에서 몇 년 안에 아예 화석연료 자동차를 금지하는 추세로 가고 있는 것 역시도 겨울에 전기자동차를 쓰는데 별 문제가 없다는 것을 입증해 준다.

수소자동차와 비교

우리나라에서는 과할 정도로 수소자동차와 비교되며, 수소자동차가 더 우월한 것처럼 종종 비교된다. 이는 우리나라의 어느 자동차 회사가 수소자동차를 열심히 말고 있어서이긴 한데, 그 정도가 너무 지나칠 정도다. 한국의 언론들은 수소자동차가 긴 주행거리, 배출가스가 없고 물만 배출하는 깨끗함, 거기다가 오히려 미세먼지를 필터로 걸러냄으로써 공기를 깨끗하게 해 주는 자동차라고 열심히 칭찬한다. 결론적으로 말하면 국제적으로 볼 때 수소자동차는 전기자동차에 비해 경제성이 훨씬 떨어진다.

가장 문제는 수소 그 자체다. 우주의 70%가 수소니 뭐니 드립을 치지만 70%가 수소면 뭐하나. 연료로 쓰려면 순수 수소를 모아야 하는데 현실적으로 가장 효율이 나오는 방법은 천연가스를 전기분해하는 것이다. 물을 전기분해해서 수소를 만드는 수전해 이야기도 나오지만 그러면 만들어내는 수소에너지보다 들어가는 전기에너지가 더 많다. 물 분자 하나에는 수소가 두 개 있지만 천연가스의 주성분인 탄화수소는 분자 하나에 수소가 네 개 있으니까 분자 하나를 전기분해했을 때 이쪽이 더 효율이 나오는 것. 그 부산물로 탄소가 나오는 건 말할 것도 없고 굳이 전기분해로 수소를 만들어야 한다면 그 전기로 그냥 전기자동차를 굴리지? 신재생에너지나 핵발전은 발전량 조절이 어려우니 계속 생산되니까 과잉생산되는 전기를 수소로 저장하자는 얘기도 있지만 이쪽은 또 ESS 발전 속도가 빨라서... 석유화학 공정에서 나오는 부생수소를 사용함으로써 값싸게 연료 공급이 가능하다고는 하지만 결국 석유로 뭔가를 해야만 수소 연로도 나온다는 뜻이니 석유산업에 종속되어 있고 별로 친환경적이지 않다. 우리나라에서 유독 수소차 미는 분위기가 많은 것도 우리나라의 어느 자동차 회사 말고도 석유화학업계의 입김도 무시할 수가 없는 것으로 추정된다.

게다가 수소연료를 자동차에 쓰려면 액화수소 상태로 만들어야 하는데 수소의 끓는점은 영하 253도로 끓는점이 가장 낮은 편에 속한다. 게다가 LPG나 LNG, CNG와는 달리 수소는 아무리 압력을 높여도 상온에서는 기체상태다. 밀도도 워낙에 낮다 보니 연료 탱크에 자동차 주행에 필요한 수소를 채우려면 엄청난 압력을 줘서 밀도를 높여야 하는데, 예를 들어 현대자동차의 수소자동차 탱크는 알루미늄에 카본 복합재를 동원해서 700 기압을 견딜 정도로 만든다. 그나마도 밀도를 올리기 위해 이 이상으로 압력을 높이면 이제는 수소가 너무 꽉 들어차서 오히려 들어오려는 수소를 밀어내는 현상이 벌어진다. 압력을 높여서 저장 밀도를 높일 수 있는 한계점은 대략 800 기압. 그나마 소규모나 이렇게 해서 버틸 수 있지 대규모 저장시설은 영하 253도로 액화시키는 수밖에 없다. 그 온도를 유지하는 데 들어가는 에너지는 보나마나다. 탱크 무게가 장난이 아닌 건 배터리도 무거우니까 그렇다고 치고, 액화수소를 수소충전소에 공급하기 위해서도 역시 이 정도 기압을 견디는 탱크로리를 사용해야 한다. 이게 사고라도 나서 터지기라도 한다면 그 폭발력은 유조차는 비교도 안 된다. 수소를 만들고, 운반하고, 저장하기 위해서는 엄청난 자원과 에너지를 소모하게 된다. 석유 주유소에 해당하는 수소충전소 하나 만드는 데에도 30억 원이나 들어간다. 이 돈이면 전기 충전기를 수백 개는 설치할 수 있다.

또한 물만 배출하니까 청정에너지라고 하지만 결국 수소자동차도 산소를 태우며 열효율 면에서도 좋지 않다. 구조도 내연기관 자동차와 근본적으로는 비슷한 방식이고 석유보다 수소가 다루기가 훨씬 까다롭기 때문에 구조가 더 복잡하다. 이러다 보니 대다수 자동차 회사들은 수소자동차는 쳐다도 안 보거나 구색 수준으로 개발하는 데 불과하다. 수소전기자동차라는 것도 있는데, 이건 수소를 태워서 전기를 만들어서 이 전기로 모터를 돌려 자동차를 굴리는 방식이다. 큰 배터리가 필요 없는 장점이 있지만 그래봤자 수소자동차가 가진 문제점은 다 가지고 있다. 수소자동차의 문제점은 자동차보다는 수소연료 그 자체에 있기 때문이다.

최근 들어서 수소차 진영은 엔진에서 수소를 바로 태우는 것보다는 구동 부분은 전기자동차처럼 모터로 하되 수소를 연료전지를 층층이 쌓은 '스택'에 넣고 전기를 만들어서 공급하는 수소연료전지차 쪽에 주력하고 있다. 이쪽이 내연기관처럼 수소와 물을 반응시켜 나오는 열에너지로 구동하는 쪽보다는 효율이 낫다. 그러나 수소의 저장이나 운반 같은 문제는 다를 게 없다. 또한 이쪽은 또 수소를 전기에너지로 바꾸는 과정의 발열문제가 난점이다. 수소와 산소를 반응시키면 전기와 함께 열과 물이 나오는데, 내연기관도 냉각수와 방열기가 필요하지만 상당량의 열은 배출가스와 함께 자연스럽게 빠진다. 반면 배기가스가 없고 물만 나오는 게 자랑인 연료전지는 자연적으로 나가 주는 열이 없어서 내연기관보다도 더욱 크고 아름다운 방열계통 장치가 필요 하며, 그때문에 효율이 상당히 떨어진다.

게다가 이 스택의 수명이나 고장도 문제다. 전기자동차를 까는 쪽에서는 배터리 수명이 어쩌고 저쩌고 하면서 마치 몇년만 타면 배터리 가느라 거액을 들여야 한다고 이야기하지만 배터리 수명은 우리나라 차량 교체 주기보다 훨씬 길며 자동차회사에서도 그만큼을 보증해 준다. 오히려 스택이 잦은 고장을 일으켜서 연료전지 회사들의 골칫거리가 되고 있으며, 스택도 수명이 있다. 현재는 대략 5년 정도로 전기자동차 배터리보다 훨씬 짧다. 전기자동차의 경우 차이가 있지만 요즈음은 8년 이상은 보증해 준다. 10년 된 테슬라 초창기 모델도 배터리 교체 없이 잘만 다니는 차들이 많은 걸 보면, 배터리 수명 문제를 가지고 전기자동차를 까는 건 오히려 누워서 침뱉기다. 게다가 스택 고장 문제도 만만치 않다. 이쪽에서 국내 선두주자인 포스코에너지가 2018년에 기록한 적자 6천억 원 중에 상당 부분이 이 스택 결함에 따른 무상 교체 때문에 난 손실이다. 각주의 기사에서도 볼 수 있지만 사업을 접고 싶지만 울며 겨자먹기로 하는 수준이며 심심하면 사업철수나 매각설도 돌고 있었다. 결국 2019년 11월에 자회사인 한국퓨얼셀을 설립해서 연료전지사업 부문을 물적분할했다.

한편 전기자동차가 내연기관 자동차를 대체하는 수준까지 가면 막대한 전기를 댈 수 없어서 석탄이나 핵발전에 의존해야 한다는 디스를 시전하는 사람들도 있는데, 그래놓고 뒤돌아서 수소차를 찬양할 때에는 수소를 어떻게 공급할 거냐는 질문에 수전해, 즉 물 전기분해를 이야기한다... 수전해에 들어가는 전기로 그냥 전기자동차 충전하는 게 훨씬 전기가 적게 먹는데?

최근에는 승용차 쪽은 전기자동차가 대세가 될 것으로 보고, 트럭이나 대형 버스와 같이 에너지가 대량으로 필요한 경우에는 수소차가 아직 승산이 있다고 보는 분위기다. 물론 아직까지는 버스나 트럭도 수소차보다는 전기차가 더 많다. 버스만 해도 당장 서울에는 전기 시내버스가 굴러다니고 있고 점점 늘어나고 있다.