전기자동차

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 뛰어들었고, 볼보는 기존 자동차 메이커로는 최초로 아예 2019년부터는 전기자동차만 생산하겠다고 선언할 정도다.

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. 다만 배터리 기술이 빠른 속도로 발전하고 있기 때문에 무게 문제도 점차 개선될 것으로 예상된다. 또한 구조가 간단하다기 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 요즈처럼 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.

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. 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. 폐열도 증기기관이나 지역 난방과 같은 곳에 활용할 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. 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.

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.

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 이 정도면 차량을 하룻 동안 쓰는 데에는 큰 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 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...

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 400km에 이르는 자동차도 나오고 있다. 하지만 이것으로도 부족하다고 생각하는 사람들이 여전히 많은 편이다. 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 땅떵이가 훨씬 큰 미국은 하루에도 1000km 정도를 자동차를 몰고 가는 사람들도 적지 않은데, 테슬라의 급속충전 시설인 슈퍼차저는 이런 장거리 여행자들을 위한 성격이 강하다. 어쨌거나 주행거리가 400km 정도 나오고 충전 시설만 확대된다면 이 문제는 크게 걱정할 일은 아니다.

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 떨어져는 문제도 있고, 도로를 파서 충전 창치를 매설하거나 무선 충전의 경우 전자파 문제도 있고 해서 당장은 쉽지 않아 보인다.

너무 조용해서?

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 최근의 전기자동차는 겨울에도 80% 이상의 주행거리가 나오는 추세다.