친환경차

친환경차는 에너지 소비 효율이 우수하고 무공해 또는 저공해 기준을 충족하는 자동차이다. 친환경자동차라고도 한다. 친환경차의 종류에는 「환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률」에서 정의된 전기자동차, 태양광 자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 천연가스 자동차, 클린 디젤 자동차 등이 있다. 국내외 기후 변화 및 배출허용량 조정을 통한 자동차 배출가스 억제 등 자동차 부분에서의 환경규제 강화에 대응하기 위해 연비가 우수하고 이산화탄소 배출이 적은 환경친화적 자동차 시장이 주요 선진국들을 대상으로 급성장하고 있다. 대한민국에도 2000년 천연가스버스 보급사업을 시작으로 친환경차 보급 정책이 실시되었고, 2004년 「환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률」의 제정을 통해 친환경차 보급을 위한 정책 기반이 마련되었다.

등장배경

자동차 배출가스 성분

자동차 연료인 휘발유나 경유 등 석유계 물질은 완전연소한다면 산소와 결합하여 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)만 생성한다. 그러나 실제로 완전 연소되지는 않는다. 불완전 연소하면 수증기나 이산화탄소가 아닌 유해물질이 형성되어 배기가스에 섞여 나온다. 중간 속도로 가솔린 기관을 운전할 때, 질소(70%), 이산화탄소(18%), 수증기(8.2%), 유해물질(1%) 정도로 배기가스가 이루어진다. 유해물질의 대부분은 일산화탄소, 탄화수소, 질수산화물이고, 디젤기관의 경우에는 매연, 입자상 고형물질 등이 여기에 추가된다.

• 일산화탄소(Carbon-monoxide, CO) : 무색, 무취의 유독가스인 일산화탄소는 공기 부족상태에서 연소될 때 발생된다. 즉 혼합비(연료/공기)가 높을수록 일산화탄소는 증가한다. 그러나 공기 과잉일지라도 공기와 연료가 잘 혼합되지 않으면 일산화탄소가 생성된다. 일산화탄소는 인체 흡입시 혈액 중의 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 혈액의 산소운반 작용을 방해한다. 일산화탄소가 0.3%(체적비) 이상 함유된 공기를 30분 이상 호흡하면 목숨도 잃을 수 있다.
• 탄화수소(Hydrocarbon, HC) : 탄소(C)와 수소(H)로 조성된 화합물을 말한다. 탄화수소는 배기가스뿐만 아니라 블로바이 가스나 증발가스 중에도 포함되어 있다. 블로바이 가스는 엔진 연소과정에서 연소실 내의 연료가스가 피스톤과 실린더 사이의 틈새를 통해 새어나가는 가스를 말하고, 증발가스란 자동차의 연료탱크에서 연료가 증발되어 나가는 가스를 말한다. 불완전 연소로 형성된 배기가스 중 탄화수소는 그 형태가 다양하다. 불완전 연소로 인한 탄화수소는 일산화탄소와 마찬가지로 공기가 부족한 상태이거나 희박한 상태에서 연소가 진행될 때 주로 발생한다. 또 연소실 표면 근처와 같이 충분히 고온인화염이 전달되지 않는 구석진 곳에서도 발생한다. 탄화수소는 호흡기계통과 눈을 심하게 자극하고, 암을 유발하거나 악취의 원인이 되기도 한다.
• 질소산화물(Nitrogen-oxides, NOx) : 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 일산화이질소(N2O) 등 여러 가지 질소산화물을 말하며, 질소산화물로 표기한다. 질소산화물은 연소실의 온도와 압력이 높고, 동시에 공기가 과잉 상태일 때 주로 생성된다. 그 중 90~98%를 차지하는 일산화질소는 무색, 무미, 무취인 물질로서, 대기 중에서 서서히 산화되어 대부분 이산화질소로 변환된다. 이산화질소는 적갈색이며, 독성이 있고 자극적인 냄새가 난다. 특히 호흡을 통해 점막분비물에 흡착되면, 산화성이 강한 질산으로 바뀐다. 이렇게 생성된 질산은 호흡기 질환(기관지염, 폐기종 등)을 유발하고 폐에 수종이나 염증을 유발할 수도 있으며, 눈에 자극을 주는 물질이다. 질소산화물은 이외에도 오존의 생성, 광화학 스모그 발생, 수목의 고사에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
• 입자상 고형물질(Particulate Matters, PM) : 가솔린기관은 디젤기관에 비해 입자상 고형물질(PM)이 무시해도 좋을 만큼 적게 생성된다. 자동차용 디젤 연료는 공기가 부족한 상태에서 연소되면 순식간에 고형의 탄소핵이 생성된다. 이 탄소핵은 수소/탄소의 원자수 비가 약 0.1 정도로서, 직경 0.02~0.03㎛의 입자 수백 개가 뭉쳐진 고형 미립자(평균 입경 0.1~0.3㎛)이다. 이는 머리카락 지름(100㎛)의 1/300~1/1000 크기이다. 탄소핵에 응집된 입자상 고형물질은 폐암 등을 유발하는 발암물질로서 호흡기질환을 일으키는 것으로 알려져 있다. 특히 초미립 입자상 물질이 건강에 악영향을 미치는 것으로 밝혀져, 초미립 입자는 중량 규제에서 수량 규제로 전환되고 있다.

자동차로 인한 대기오염

자동차 배기가스 1차 오염물질

자동차에서 직접 방출되는 형태인 1차 오염물질 중 대표적인 것은 질소산화물이다. 수도권 지역에서는 자동차 등 이동오염원이 방출하는 이산화질소가 2012년 68%를 차지하여 비중이 크다. 한편, 수도권 지역의 이산화질소 발생원을 국내외분으로 보면 국내분이 73~81%를 차지한다.

자동차 배출가스 2차 오염물질

자동차 배출가스에 들어 있는 1차 오염물질은 대기 중에서 화학반응에 의해 2차 오염물질을 생성하며, 그 대표적인 것은 미세먼지와 오존이다.

• 미세먼지 : 상당량의 미세먼지(PM2.5)는 질소산화물(NOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 암모니아(NH3) 등의 가스상 전구물질이 특정조건에서 화학반응을 일으켜 2차적으로 생성된다. 미세먼지는 대기 중에 부유하는 분진 중 직경이 2.5㎛ 보다 작은 먼지로 머리카락 지름의 1/30 내지 1/200 수준의 매우 미세한 입자를 의미하고, 휘발성유기화합물은 벤젠, 톨루엔 등 탄화수소계 화합물로 자동차 연료, 산업·생활용 용제류 등에서 배출되며, 햇빛에 의한 광화학 반응에 의해 오존이 생성된다. 전구물질은 어떤 물질이 일련의 화학반응을 거쳐 새로운 물질로 변화 생성되는 경우 최초의 출발 물질을 말한다. 자동차 배기가스는 반응성이 강한 물질과 화학 반응으로 2차 유기물 입자가 되기도 한다. 각종 불완전 연소과정에서 발생한 질소산화물(NO, NO2)은 오존과 반응해 NO3가 되고, NO3는 물과 반응하여 HNO3를 생성한다. HNO3는 대기 중에 NH3 등과 반응하여 질산암모늄(NH4NO3) 등 미세먼지를 구성하는 물질이 된다. 자동차 배기가스 이외에 화석연료의 연소 과정에서 발생하는 황산화물(SO2)은 물과 직접 반응하여 아황산(H2SO3)을 생성하고 아황산은 급격히 산화하여 황산(H2SO4)이 된다. 황산(H2SO4)은 암모니아와 복합적인 반응을 거쳐 황산암모늄((NH4)2SO4)과 같은 미세먼지 입자를 생성한다.
• 오존(O3) : 전체 오존의 약 90%는 지상 20~40km 사이의 성층권에 존재하면서 태양광선 중 생명체에 해로운 자외선을 흡수하여 지상의 생물들을 보호하는 좋은 오존이다. 반면, 나머지 10%는 지상 10km 이내의 대류권에 존재하여 지표 오존이라고도 하는데 호흡기나 눈을 자극하는 나쁜 오존이라 할 수 있다. 지표 오존은 가정, 자동차, 사업장 등에서 대기중으로 직접 배출되는 오염물질이 아니라, 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO) 등과 같은 대기오염물질들이 햇빛에 의해 광화학 반응을 일으켜 생성되는 2차 오염물질이다. 특히, 질소산화물(NO, NO2)과 휘발성유기화합물(VOCs)이 오존의 주요한 원인물질이다. 대기 중에 벤젠(C6H6), 톨루엔(C6H5CH3) 등 휘발성유기화합물이 없이 질소산화물만이 존재하는 경우라면 먼저 일산화질소가 이산화질소로 산화되고, 이산화질소가 햇빛에 의해 산소원자(O)와 일산화질소로 광분해된다. 그리고 산소원자는 대기 중의 산소분자(O2)와 반응하여 오존을 만들며, 이 오존은 다시 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는데 소비된다. 따라서 휘발성유기화합물이 없는 대기중에서는 오존의 생성과 소멸이 균형을 이루어 오존농도가 증가없이 일정하게 유지된다.

수도권 대기오염도

서울의 경우 미세먼지 농도는 2001년 71㎍/㎥에서 2014년 46㎍/㎥으로 상당히 개선되었으나, 이산화질소의 농도는 2001년 37ppb*에서 2014년 33ppb로 개선이 미흡한 상황이다. 서울의 대기오염도를 세계 주요 도시와 비교하면 여전히 높은 수준이다. 2014년 기준으로 서울의 미세먼지(PM10) 농도는 일본 동경 보다 1.5배 높고, 프랑스 파리와 영국 런던 보다 각각 1.6배, 2.4배 높았다. 이산화질소 농도는 동경 보다 1.3배, 파리 보다 1.4배, 런던 보다 1.2배 높다. 수도권 대기개선 특별대책이 시행된 2005년 이후 수도권 지역의 오존 주의보(120ppb 이상/시간) 발령 횟수는 크게 개선되었으나 2012년 이후 또다시 급증 추세를 보이고 있다. 이는 자동차의 급증에 따른 이산화질소, 오존 등 2차 오염물질의 증가 때문으로 풀이된다.

대기오염에 따른 건강 피해

생활 속에서 접하게 되는 먼지들은 호흡과정에서 코털, 기관지섬모 등에서 걸러지는 크기의 것들이 많다. 그러나 자동차에서 배출된 미세먼지는 입자가 매우 작아서 폐를 거쳐 혈관 또는 혈액까지 침투하기도 한다. 미세먼지는 기도 점막을 자극하고 염증을 유발한다. 정상인에게도 기침·가래 등의 호흡기 증상을 유발하지만, 특히 호흡기질환, 천식 등 알레르기질환이나 심혈관질환의 증상을 악화시키는 것으로 알려져 있다. 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 2012년 6월 12일 디젤 배기가스를 2A등급에서 1등급 발암물질로 바꾸어 지정하였다. IARC는 발암물질을 5개 등급으로 나눠 암 발생에 충분한 증거가 있는 물질을 1등급, 발암 개연성이 있는 물질을 2A등급, 발암 가능성이 있는 물질을 2B등급으로 분류하고 있는데, 1등급에는 석면, 비소, 담배, 알코올, 카드뮴, 수은 등 100여 종이 있으며, 가솔린(휘발유)엔진 배기가스는 2B등급으로 분류되어 있다.

• 호흡기 질환 : 장기간 미세먼지에 노출되면 면역력이 급격히 저하되어 감기, 기관지염 등의 호흡기질환을 악화시킨다. 성인의 경우 미세먼지에 노출되면 폐 기능의 감소 속도가 빨라진다. 질병관리본부의 연구에 의하면 초미세먼지(PM2.5) 농도가 10㎍/㎥ 증가할수록 폐암 발생이 9% 증가하고, 미세먼지(PM10) 농도가 10㎍/㎥ 증가할수록 만성폐쇄성폐질환 관련 입원이 2.7%, 만성폐쇄성폐질환 관련 사망은 1.1% 증가되는 것으로 나타났다.
• 심혈관 질환 : 미세먼지에 단기적으로 심하게 노출되면 폐, 혈액, 심혈관계 등 전신 순환계에 미세먼지가 순차적으로 침투하여 심근경색, 심부전 등 심혈관질환의 발생 위험을 높이게 된다. 이외에도 미세먼지는 혈압을 높이거나 교감 신경계를 활성화시켜 심박수 변동성, 부정맥을 증가시킬 수 있다. 이러한 영향은 건강한 정상인 보다 고령인 사람(75세 이상), 기존 심혈관질환을 가지고 있는 환자, 당뇨, 비만 등 감수성이 높은 환자에게서 더 크게 나타난다.
• 천식 : 미세먼지는 천식의 발생이나 악화와 관련하여 여러 단계에 걸쳐 관여하는 것으로 추정된다. 첫째, 미세먼지는 체내에서 활성 산소의 농도를 높여 산화스트레스를 증가시키고, 증가된 산화스트레스는 기도 내 염증성 손상을 일으켜서 천식을 일으킨다. 둘째, 미세먼지의 구성 성분의 독성에 의해 소기도와 폐에 손상을 일으켜서 천식을 일으키기도 한다. 셋째, 미세먼지는 자체적으로 염증반응 매개 물질의 발현을 유도함으로써 체내의 면역 기능을 저하시켜 천식을 일으키기도 한다. 질병관리본부의 연구에 의하면, 미세먼지는 단기적으로 알레르기나 천식 악화와 연관이 있으며 장기간 노출되는 경우 폐기능을 감소시키고 천식 조절에 부정적 영향을 미치며 심한 경우에는 천식 발작을 일으키는 것으로 나타났다.

종류

하이브리드차

하이브리드차(hybrid electric vehicle)는 엔진과 모터동력을 좋바하여 구동하는 자동차이다. 출발과 저속 주행시에는 엔진 가동 없이 모터동력으로만 주행한다. 또한 배터리 충전은 회생제동이라는 방식으로 이루어지는데, 그 원리는 감속시 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 전기를 생성하여 배터리에 충전하는 방식이다. 이 때문에 연비가 기존의 내연기관차보다 40% 이상 높고 배기가스는 저감된다. 또한 엔진 출력에 모터출력이 추가되어 큰 구동력이 필요한 오르막길 등에서도 가속성능이 좋고 정숙한 승차감을 갖는 장점이 있다. 하이브리드차의 작동원리는 연료 소모는 최소화하면서 주행 성능은 극대화하기 위해 출발과 저속주행, 가속주행, 고속주행, 감속주행, 정지 등 5가지 주행 형태별로 모터주행과 엔진주행을 적절히 조합한 주행모드로 주행한다. 엔진에 모터의 동력을 더해 큰 힘으로 구동하고, 차량 감속 시 회생제동으로 충전하였다가 출발, 저속주행시 모터 동력만으로 주행하기 때문에 가솔린차 대비 연비가 40% 이상 좋다.

하이브리드 시스템

주행 방식	상태	설명
모터 주행 (전기차 모드)	출발/저속 모터만 구동	큰 구동력이 필요치 않은 출발이나 서서히 가속 시 전기모터를 사용한다.
엔진+ 모터 주행	가속 엔진 작동 및 모터 보조	속도 증가로 큰 구동력이 필요할 때 엔진 시동하거나 오르막길, 급고속 등으로 매우 큰 구동력이 필요할 때 엔진과 전기모터를 동시에 사용한다.
엔진 주행	중/고속 정속 엔진만 구동	엔진 효율이 가장 좋은 고속 정속 주행 시에는 엔진만 사용한다.
모터 충전	감속 배터리 충전	감속이나 제동 시 발생되는 에너지를 전기 모터를 이용한 전기에너지를 전환시켜 배터리를 충전한다.
엔진 정지	정지	신호대기 등 정차 시 엔진이 정지된다.

하이브리드차 연비향상 원리 및 경제운전 요령

연비향상 원리	경제운전 요령
전기차 모드 운행 구간 늘리기 : 전기차 모드 운행 구간이 늘어날수록 연료를 덜 사용하게 되어 연비가 높아짐	전기차 모드로 운전하기 : 하이브리드 연비 최적화를 위한 운행모드 이용하기 완가속 습관들이기 : 에코 운전 범위로 운전 필요, 급가속시 불필요한 엔진 작동으로 연료 소비가 증가함
회생제동 에너지 활용하기 : 제동시 완제동으로 회생제동 전기에너지 충전 후, 주행시 충전에너지를 재사용하여 연비를 향상시킴	D단에서 브레이크 밟기 : D단에서 제동시, 회생제동으로 전기에너지 충전 가능, N단에서는 동력 미전달로 회생제동(충전) 불가 완제동 습관들이기 : 급제동시 회생제동 에너지 충전시간과 수용용량 부족으로 여분의 에너지가 공기 중으로 방출됨
에어컨 전력소모 최소화하기 : 에어컨은 오토 설정(최적화)으로 연료소비를 최소화시킴	에어컨을 오토로 설정 후, 에어컨 스위치를 누르면 하이브리드 시스템과 에어컨 시스템이 최적화되어 연비가 향상됨

플러그인 하이브리드차

플러그인 하이브리드차(plug-in hybrid electric vehicle)는 엔진과 모터동력을 조합하여 차량을 구동하는 면에서 하이브리드차와 동일하다. 플러그인 하이브리드차는 차량 추진 에너지를 공급하기 위해서 외부 전원으로부터 에너지를 끌어와서 저장하는 하이브리드차이다. 반면 하이브리드차는 자체 엔진과 발전기에서 생산한 전기만을 저장하여 활용한다는 점에서 다르다. 플러그인 하이브리드차 작동원리는 배터리를 가득 충전한 후 출발하면 처음 40km 전후까지 배터리 전원의 힘만으로 가는 전기차 모드로 주행하고, 그 이후는 배터리 충전량을 일정 수준으로 유지하면서 하이브리드 모드로 주행한다. 전기차 모드와 하이브리드차 모드로 주행이 가능하여 전기차의 짧은 주행 거리를 극복하고, 출퇴근거리를 연료 소모없이 전기차 모드로만 주행 가능하며, 전기차 모드의 주행기능 강화로 하이브리드차 대비 배출가스 40~50%를 저감할 수 있다.

플러그인 하이브리드 시스템

주행 모드	주행 방식	상태	설명
CD 모드	모터 주행 (전기차 모드)		배터리를 일정량 사용할 때까지 모터만으로 전 구간을 주행한다.
CS 모드	모터	출발/저속 모터만 구동	큰 구동력이 필요치 않은 출발이나 서서히 가속시 전기모터를 사용한다.
	엔진+모터	가속 엔진 작동 &모터 보조	속도 증가로 큰 구동력이 필요할 때 엔진 시동하거나 오르막길, 급고속 등으로 매우 큰 구동력이 필요할 때 엔진과 전기모터를 동시에 사용한다.
	엔진	중/고속 정속 엔진만 구동	엔진 효율이 가장 좋은 고속/정속 주행 시에는 엔진만 사용한다.
	배터리 충전	감속 배터리 충전	감속이나 제동시 발생되는 에너지를 전기에너지로 전환시켜 배터리를 충전한다.
충전	배터리 충전	외부 충전	배터리를 일정량 사용할 때까지 모터만으로 전 구간을 주행한다.

플러그인 하이브리드차는 완속충전 인렛을 적용하고 있으며, 완속충전기 전용 충전케이블과 비상용 충전케이블을 제공하고 있다. 완속충전 스탠드의 경우 220V, 35A(7.7kW) 용량으로 충전 시간은 약 3시간이고, 가정용 충전케이블의 경우 220V, 10A (2.2kW)의 용량으로 충전시간은 약 8시간이다.

전기차

전기차(electric vehicle)는 고전압 배터리에서 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량으로, 화석연료를 전혀 사용하지 않는 완전 무공해 차량이다. 내연기관차와 달리 엔진이 없이 배터리와 모터만으로 차량을 구동한다. 엔진이 없으므로 배출가스와 온실가스를 전혀 배출하지 않는다. 충전용량이 적을 경우 배터리 주행거리에 제한이 있다.

주제 상황별 제어

• 전기차 고유의 발진 가속 : 전기모터 특유의 우수한 초기 발진 토크로 혼잡한 도싱메서 가속력을 높여준다.
• 회생 제동 : 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 반대로 배터리가 충전되는 기능으로 특히 제동 횟수가 많은 도심에서 주행 효율성을 높여준다.
• 급속충전 : 주행 중 배터리 잔량이 부족할 경우, 공공 충전소를 통해 24~33분 내외의 짧은 시간에 급속 충전이 가능하다.
• 완속충전 상태에서의 예냉/예열 : 충전기 플러그인 상태에서 공조장치를 미리 가동시키면 쾌적환 상태로 운전할 수 있으며, 출발 시 에너지 소비를 줄여 주행 거리를 연장하는데 도움이 된다.

완속 충전의 경우 6.6kW의 용량으로 약 4시간 20분이 걸리고, 급속 충전의 경우 100kW의 용량으로 약 24분, 50kW의 용량으로 약 33분이 소요된다. 100% 충전 시 약 12시간 주행할 수 있다. 가정용 전원으로 충전 시 전기차용 전기요금 미적용으로 인하여 과다한 전기요금이 발생할 수 있다. 유지비의 경우 경부하 시간대에 충전했을 때 유지비가 가솔린차 대비 약 1/5 수준이다.

수소차

수소차(fuel cell eletric vehicle)는 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지를 이용하는 자동차로서 물 이외의 배출가스를 발생시키지 않기 때문에 각종 유해물질이나 온실가스에 의한 환경피해를 해결할 수 있는 환경친화적 자동차이다. 수소가 연료전지에 공급되면 전자와 수소이온으로 분리되고 이 때 발생한 전자들은 외부 회로로 전달되어 연료전지 자동차의 모터를 구성하는 동력원인 전기에너지로 사용된다. 또한 수소에서 분리된 수소이온들은 전해질 막을 통과해 막 반대편의 연료전지에 공급된 공기중의 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이 때 생성된 물은 수소차의 유일한 배출물로서 남은 공기와 함께 대기 중으로 배출된다. 수소차는 내연기관차와 달리 엔진이 없으며, 전기차와 달리 전기공급 없이 내부에서 전기를 생산한다. 수소차의 구성과 기능은 다음과 같다.

• 수소탱크 : 충전소에서 충전한 수소를 고압(700bar)으로 저장
• 연료전지 : 수소와 산소를 화학반응시켜 전기를 생산
• 배터리 : 연료전지에서 생산된 전기를 저장
• 모터 : 배터리에 저장된 전기를 이용하여 자동차 바퀴를 구동

수소차의 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 생성하는 차세대 무공해 에너지이다. 수소는 (-)극에서 산화되고 산소는 (+)극에서 환원된다. 이 반응식에서 볼 수 있듯이, 수산화 이온(OH-)의 농도는 변하지 않고, 단지 수소와 산소로 물이 만들어진다. 이것은 수소가 공기 중에서 연소하여 물이 되는 반응과 동일하다. 수소차의 첫 번째 장점은 수소만 배출하는 친환경성이다. 수소차는 가솔린 사용 없이 수소와 산소만으로 전기를 만들어 구동되기 때문에 원천적으로 배기가스 없이 물만 배출한다. 두 번째는 기존 친환경차 대비 우수하다는 것이다. 수소차는 배기가스를 배출하지 않고 충전시간은 3분에서 10분 사이이다. 반면 전기차의 경우 배기가스 배출은 없지만 충전시간이 짧게는 30분에서 최대 6시간이 걸린다. 하이브리드차의 경우 충전시간은 5분 이내로 짧지만 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물을 배출한다. 짧은 충전시간도 수소차의 장점이지만 수소차의 특장점은 길어진 주행거리이다. 전기차는 완전히 충전되는데 30~460분 정도가 걸리고 140km 주행이 가능하지만, 수소차는 3~10분만에 완전히 충전되며 1회 충전으로 최대 415km를 달릴 수 있다.

비교

친환경차 특징 및 대기오염물질 배출량 비교

	하이브리드차	플러그인 하이브리드차	전기차	수소차
개념	구동: 엔진+모터 연료: 화석연료+전기 배터리: 0.9~1.8kWh	구동: 엔진+모터 연료: 화석연료+전기 배터리: 4~16kWh	구동: 모터 연료: 전기 배터리: 10~30kWh	구동: 모터 연료: 수소 배터리: 0.9~1.8kWh
특징	주행 중 대용량 배터리 충전/방전	외부 전원에서의 전력 공급	순수 전기 에너지로 구동(엔진 없음) 장점: 무공해, 저렴한 충전비용 단점: 짧은 주행거리(200km) 이내긴 충전시간(급속 20~30분, 완속 4시간 이상), 충전 인프라 부족	연료전지 내 수소/산소 전기화학 반응으로 전기 생산/구동 장점: 무공해, 긴 주행거리(500km 이상), 짧은 충전시간(5분 이내) 단점: 충전 인프라 부족
충전 시간 /1회 충전 주행거리	1,062km	168분 전기차 모드: 44km 하이브리드 모드: 946km	급속: 25분, 완속: 240분 148km	5분 420km
최고속도 /연비	206km/h 17.7km/kWh	192km/h 전기차 모드: 4.6km/kWh 하이브리드 모드: 17.2km/kWh	145km/h 5.0km/kWh	160km/h 20.7km/kWh
이산화탄소 배출량	주행 전: 19.4g/km 주행: 121.6g/km 1대 보급 = 연간 0.7톤 감축	주행 전: 99g/km 주행: 19g/km 1대 보급 = 연간 1.3톤 감축	발전: 94.1g/km 주행: 0g/km 1대 보급 = 연간 2톤 감축	발전: 143.1g/km 주행: 0g/km 1대 보급 = 연간 2톤 감축
작동원리

핵심부품

배터리

배터리는 하이브리드차, 플러그인 하이브리드차, 전기차에 공통으로 적용되는 부품으로 자동차의 내·외부로부터 공급되는 전기에너지를 저장하고 공급하는 역할을 한다. 자동차의 주행거리, 성능, 효율, 가격에 가장 큰 영향을 미치며, 충전을 통해 재사용이 가능한 2차 전지가 사용된다. 배터리는 배터리 셸, 배터리 모듈, 배터리관리시스템(BMS), 냉각장치 등의 모듈로 구성되며, 각 배터리 모듈의 조합을 통해 하나의 배터리팩을 구성한다. 플러그인 하이브리드차부터는 배터리와 모터가 주동력원으로 사용되기 때문에 하이브리드차보다 대용량 배터리팩이 요구된다. 배터리관리시스템은 배터리팩 상태를 지속적으로 모니터링하여 최적의 조건에서 사용할 수 있도록 관리하는 시스템으로, 배터리팩의 전압, 전류, 온도 등의 제어, 배터리의 충전상태, 배터리 간 밸런싱 모니터링, 이상상태 감지 및 전달 등의 역할을 한다. 리튬이온배터리는 단위질량당 에너지를 많이 축적할 수 있어 전기자동차에 보편적으로 적용된다. 화학적 반응으로 충방전이 반복됨에 따라 배터리 내부 온도가 상승해 과전류를 발생시킨다. 과전류로 인한 배터리팩의 수명 저하, 과열, 폭발위험 등을 최소화하기 위해 냉각시스템이 필요하다.

충전장치

충전장치는 교류전기를 배터리에 저장하기 위한 장치로 홈충전기, 완속충전기, 급속충전기, 차내충전기(OBC) 등으로 구분한다. 차데모(CHAdeMO), DC콤보, AC 3상 등 3가지 방식이 있으며, 차데모와 DC콤보 방식이 주로 사용되고 있다. 미국자동차공학회가 DC콤보 방식을 표준으로 채택하고, 유럽도 2019년부터 DC콤보를 단일 표준으로 적용하는 법안을 추진했다. 차데모는 충전(charge)와 움직임(move)의 합성어로, 완속과 급속 소켓이 구분되어 있으며, 전파 간섭의 우려가 적다. DC콤보는 완속 및 급속이 위아래로 위치하여 충전구가 하나로 효율적이다. 15분이 소요되는 비상급속 충전이 가능하다는 특징이 있다. AC 3상은 배터리와 전력망을 전기교란으로부터 보호하는 기술이 적용되어 있다.

열관리장치

전기차는 엔진에서 나오는 폐열이나 기계식 컴프레셔를 이용할 수 없기 때문에 PTC 히터를 이용하거나 모터, 인버터의 열을 히트펌프 방식으로 회수하여 공조 및 열관리를 수행한다. 주행거리 향상과 배터리, 인버터, 모터 등 주요 전장부품의 온도 조절을 위해 실내 및 파워트레인 통합 열에너지 관리 기술이 중요하다.

파워트레인별 열관리장치

구분		내연기관	하이브리드차/플러그인 하이브리드차	전기차
동력 계통 냉각	엔진	수냉식 라디에이터	수냉식 라디에이터
	모터등		냉각 라디에이터	냉각 라디에이터
실내 난방	열원	엔진 폐열 이용	엔진 폐열 이용	고전압 PTC 히터
	주요 부품	수냉식 히터 코어	수냉식 히터 코어 히터용 워터펌프	고전압 PTC 히터 히트펌프시스템
실내 냉방	열원	냉매	냉매	냉매
	주요 부품	기계식 컴프레셔	기계식/전동식 컴프레셔	전동식 컴프레셔

파워트레인

파워트레인은 내연기관의 엔진을 대신하거나 보조하는 구성품으로 모터, 전력변환장치, 기어박스 등으로 구성되어 있으며, 배터리에 충전된 에너지를 바퀴로 전달하는 역할을 수행한다. 전기모터의 경우 주행시에는 배터리, 인버터로 직류, 교류전원을 받아 회전하며, 제동시에는 배터리를 충전하는 발전기 역할을 한다. 기어박스는 모터에서 발생되는 힘을 바퀴에 전달하는 역할을 수행하며, 전기차는 감속기어 위주의 기어박스를, 플러그인 하이브리드는 구동방식에 따라 기존의 다단변속기] 및 CVT와 통합하거나 전용 기어박스를 사용한다. 전력변환장치는 전력반도체를 활용하여 전압변환(승압, 강압) 역할과 직류와 교류간 변환역할을 수행하는 장비로 인버터 및 컨버터 등이 있다. 전기차용 파워트레인은 가격, 부피, 중량절감을 위해 모터, 전력변환장치 등을 통합 설계하는 추세이다.

친환경차 파워트레인 구성부품

구분	내용
전력변환장치	인버터: 직류(배터리)에서 교류(모터)로 변환 DC컨버터: 고압직류에서 저압직류로 강압 (배터리, 고압) → (모터 및 주변장치, 저압)
전기모터	영구자석, BLDC, 교류 동기 등 차종별 다양한 모터 사용 전기차 보급 확산에 따라 고출력 모터 출시 추세
기어박스	전기차는 모터의 회전력을 효율적으로 전달하기 위한 감속기어 등을 채용 플러그인 하이브리드차는 기존 변속기와 모터, 엔진회전조합을 위한 클러치 등 추가로 설계복잡

보급 정책

국내

정부가 2030년까지 자동차 온실가스 24% 감축을 목표로 785만대의 친환경차를 보급하기로 했다. 그간 정부와 기업의 노력으로 친환경차 보급·수출 실적이 지속적으로 증가했으나 충전 애로, 짧은 주행거리·중대형 차량 미출시, 높은 차량가격 등은 여전히 친환경차 확산의 걸림돌로 작용해왔다. 이에 정부는 2021년 2월, 친환경차 전환을 가속화하고 2050 탄소중립을 자동차산업의 성장동력으로 연계하기 위해 2021년부터 향후 5년간 친환경자동차 육성전략을 담은 제4차 친환경자동차 기본계획을 마련했다. 산업부는 친환경자동차법에 따라 5년 단위로 기본계획을 수립한다. 정부는 친환경차 확산을 통해 2030년까지 자동차 온실가스 24% 감축을 목표로 2025년까지 283만대, 2030년까지 785만대의 친환경차가 보급될 수 있도록 대규모 공공·민간 수요창출과 친환경차 공급확대를 추진한다. 이를 위해 공공기관은 친환경차 100% 의무구매, 렌터카·대기업 등 민간 수요자 친환경차 구매목표제 도입, 택시·버스·트럭 등 영업용 차량 보조금·인센티브 확대 등을 추진하고 온실가스 배출기준 및 저공해차 보급목표제를 단계적으로 강화한다. 또한 연비향상을 통해 하이브리드차를 전 주기 온실가스 감축 수단으로 적극 활용하고 충전인프라 적재·적소 배치로 생활 친화적인 충전환경을 조성한다. 전기차 보급대수의 50% 이상으로 충전기가 구축되도록 지원(2025년 50만기 ↑)하고, 20분 충전으로 300km주행이 가능한 초급속 충전기(2021년 123기+α) 보급도 본격화할 계획이다. 이를 위해 전기차충전기 의무구축을 강화해 2021년 주차면 200면당 1기이던 것을 2022년 10기로 늘리고 기축 건물도 의무를 부과하며 연립·다세대 등 충전기 설치가 곤란한 이용자들을 위해 공공 충전시설을 의무개방한다. 수소차의 경우 전국 어디서든 30분내에 충전소 도달이 가능토록 2025년까지 충전소 450기를 구축하고 특히 차량대비 충전소가 부족한 서울·수도권에 전략적으로 집중 구축할 계획이다. 또한 내연기관차 수준의 경제성을 조기에 확보한다. 전용플랫폼, 부품소재 국산화 등으로 2025년까지 차량가격을 1000만원 이상 인하하고 2021년 말 만료되는 친환경차 세제혜택(개소세·취득세 등) 연장을 적극 검토한다. 특히, 배터리리스 사업 도입을 통해 초기 구매가격을 절반 수준으로 낮출 방침이다. 2021년에는 택시·트럭 전기차를 대상으로 시범사업을 추진하고 2022년엔 수소버스로 확대할 예정이다. 아울러 탄소중립을 실질적으로 구현하는 제도적 기반을 구축한다. 산업계와 협의를 거쳐 산업경쟁력을 제고하는 방향으로 차종별 ‘친환경차 전환전략’을 연말까지 수립할 예정이며 자동차 온실가스 기준에 전주기 온실가스 평가 반영을 검토하고, 배터리 전수명 품질·적합성 기준의 별도 도입도 검토한다. 전기·수소차 모두 내연기관차 이상의 성능을 확보토록 하고 세계 최고의 기술력을 바탕으로 친환경차 수출을 2020년 연 28만대에서 2025년 83만대로 3배 늘려 친환경차 수출강국으로 도약한다. 수출 비중도 14.6%에서 34.6%로 끌어올릴 방침이다. 전기차의 경우 배터리 에너지밀도 향상, 열관리 시스템 효율 개선, 부품 경량화를 통해 전비·주행거리 성능을 획기적으로 개선하고 2024년 완전자율주행 차량 출시를 위해 6대 핵심부품의 고도화를 추진하며 안전성을 대폭 강화한 전고체전지(400Wh/kg)를 2030년까지 상용화할 계획이다. 수소차의 경우 10톤 수소트럭(2021년), 수소광역버스(2022년), 23톤 수소트럭(2023년) 등 상용차 전 차급으로 확대 출시하고 내구성(50만km ↑)·주행거리(800km ↑)를 대폭 개선하며 액화수소 차량 개발(~2025) 및 실증(2026~)을 통해 디젤트럭과 동등한 수준의 주행거리(1000km이상)를 달성할 계획이다. 아울러 탄소중립시대를 개척하는 4대 챌린지 프로젝트를 추진한다.

• 탄소중립 플러스로 이산화탄소를 활용, 연료를 생산하고 미세먼지 넷-제로(Net-Zero) 자동차의 상용화에 도전한다.
• 그린수소 붐업(Boom-Up)으로 수전해 충전소, 폐에너지 활용 등 청정수소 생산·충전인프라를 조기 상용화한다.
• 친환경 모빌리티를 추진, 철도·항공·항만 모빌리티 전반의 친환경화를 추진한다.
• 차량 전주기 친환경화를 위해 폐배터리 및 연료전지 재활용 시스템을 선제적으로 구축한다.

산업부는 2025년까지 500개, 2030년까지 1000개의 부품기업을 미래차산업 관련 기업으로 전환할 방침이다. 이를 위해 완성차-1·2차 부품사간 연대와 협력을 통해 가치사슬 원 샷(One-Shot) 전환을 추진한다. 연간 100개 이상 사업재편 희망기업을 발굴하고 미래차 뉴딜펀드(2000억원), 사업전환 전용R&D 신설, 인력양성 등 금융·기술·공정·인력 등 사업재편 4대 지원수단을 지속적으로 확충한다. 또한 미래차 분야 중소·중견 뉴 플레이어를 집중 육성한다. 공용플랫폼 개발(초소형 전기차, 버스·트럭), 수소버스 전환, 특장차(청소·살수차 등) 친환경차 전환 등 틈새시장 개척을 지원하고 규제특구·규제샌드박스, 빅3 펀드(1500억원) 등을 통해 신산업 창출을 지원하며 중소·중견제작사의 미래차 전환 촉진을 위해 R&D 및 설비투자를 지원한다.

국외

미국과 일본, 유럽, 중국 등 친환경차 선진국들은 앞다퉈 경쟁 주도권을 잡기 위해 친환경차 보급 계획을 내놓고 있다.

일본

일본은 2020년 12월 녹색성장전략에 따라 늦어도 2030년대 중반까지 승용차 신차 판매의 100%를 전동차로 실현할 수 있도록 포괄적인 조치를 강구한다고 밝혔다. 수소차는 2025년 20만대, 2030년 80만대 보급을 목표로 설정했다. 이를 위해 청정에너지자동차 4종 전기차, 플러그인 하이브리드, 수소전기차, 클린디젤에 보조금 지급하기로 했다. 전기차의 경우 최대 40만엔까지 지원하며, 플러그인 하이브리드는 1대당 20만엔을 정액 지급한다. 수소차와 클린디젤은 15만엔을 보조한다. 또한 충전인프라의 확산을 위해 전기차 충전소의 경우 설비는 최대 2/3, 공사비는 한도 내 전액을 지원하며, 수초충전소는 설치비용의 1/2~2/3까지 보조금을 지급할 방침이다.

미국

미국은 일찌감치 친환경차(ZEV) 확산을 전망하고, 2019년 11월 멀티 스테이트 친환경차 액션 플랜(Multi-State ZEV Action Plan)을 책정, 규제 강화와 함께 연료전지차 보급에 필수적인 수소충전소 설치 등 급물살을 타고 있다. 이 규정에 따라 2025년까지 캘리포니아, 콜로라도 등 10개 주에서 친환경차 누적 330만대를 보급한다는 계획이다. 또한 같은 시기 수소경제 로드맵을 제정, 2030년까지 수소전기차 누적대수 120만대를 보급하고, 수소충전소 누적 4300개 구축키로 했다. 2020년 7월에는 중‧대형차 친환경차 전환 MOU를 체결하고, 2050년까지 15개주와 워싱턴에서 픽업트럭, 밴, 배달트럭, 스쿨버스 등의 중‧대형차 판매를 100% 친환경차로 전환한다는 내용을 담았다. 아울러 캘리포니아 주정부는 2035년 내연기관 승용차 판매금지를 선언하는 등 주정부간 공동목표를 설정하고 친환경차 대상으로 세액 공제 형태의 구매보조금을 지급하고, 다인승 차량 전용차선 이용허가 등 다양한 보급 촉진 정책을 전개해 나가고 있다.

유럽

유럽은 온실가스 감축을 위해 가장 적극적이다. 자동차 제조업체별 이산화탄소 배출량 제한을 강화하고, 저배출차량(ZLEV) 기준비율에 따른 우대제도를 운영하는 등 활발한 대책을 내놓고 있다. 특히 디젤차 종주국인 독일은 친환경차 대표국으로 탈바꿈에 나서고 있다. 2030년까지 전기차‧수소차 누적 보급대수 700~1000만대를 목표로 하고 있고, 충전소도 100만개를 구축한다는 계획이다. 여전히 내연기관차의 높은 경쟁력으로 친환경차 전환이 다소 지연되고 있지만, 친환경 자동차 체제로 빠르게 전환하고 있다. 프랑스 역시 2028년까지 전기승용차, 수소전기차 300만대, 플러그인하이브리드 180만대 누적 보급을 목표로, 2040년 내연기관 승용차 판매금지법을 제정하고, 전기차 구매보조금 3000~7000유로를 지급, 유럽 최대 규모의 보조금 정책을 내세우고 있다. 네덜란드와 노르웨이는 오는 2025년까지 내연기관 자동차의 판매를 금지하기로 합의했고 영국도 2030년까지 전기차‧수소 승용차 판매 비중을 50~70%까지 확대하는 등 친환경차 나라로 만들겠다는 각오다.

중국

중국은 2020년 10월 신에너지자동차 산업 발전계획을 발표하며, 2025년 신에너지자동차 비중 20%를 목표로 설정했다. 또한 2035년까지 목표를 단계적으로 상향, 신에너지자동차 비중 50%, 하이브리드차 비중 50%로 친환경차 100%를 달성하다는 계획이다. 이를 위해 전기차 플러그인하이브리드차 보조금 일몰을 2022년까지 연장하고, 전기차 보조금은 승용차의 경우 전기차는 1만 6200~2만 2500위안을, 플러그인 하이브리드는 8500위안을 지급한다. 또한 수소차산업 활성화를 위해 적극 나선다. 2023년 12월까지 중앙정부가 연료전지차 시범사업에 참여하는 도시군에 목표 달성 정도에 따라 차별적으로 매년 장려금을 지원하는 등 제도를 강화했다.

참고자료

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• 이경호 기자, 〈(아경 연비왕대회)운전습관만 바꿨을 뿐인데..연료비 年45만 원 절감〉, 《아시아경제》, 2016-11-14
• 류수근 기자, 〈(트렌드탐구) 연료전지는 배터리가 아니다 "수소경제의 심장이다"〉, 《메가경제》, 2019-05-26
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• 박효재 기자, 〈공공기관 100% 친환경차로…수소차 충전은 30분 거리에〉, 《경향신문》, 2021-02-18
• 장용준 기자, 〈2030년까지 친환경차 785만대 보급, 자동차 온실가스 4분의 1 낮춘다〉, 《업다운뉴스》, 2021-02-18
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• 배군득 기자, 〈수출에 눈 돌린 전기·수소차…글로벌 붐업에 올인〉, 《데일리안》, 2021-02-18
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• 박기락 기자, 〈2030년까지 785만대 친환경차 보급…전국 30분내 수소충전 가능〉, 《뉴스원》, 2021-02-18
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• 김성현 기자, 〈2025년 친환경차 중심 국가 구현 금년 K-전기차·수소차 글로벌 붐업 조성 추진〉, 《경기인터넷신문》, 2021-02-18
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• 장민서 기자, 〈2030년까지 자동차 온실가스 24% 감축한다〉, 《굿모닝경제》, 2021-02-18
• 사회정책팀 기자, 〈2025년 친환경차 중심 국가 구현 금년 K-전기차·수소차 글로벌 붐업 조성 추진〉, 《경기뉴스》, 2021-02-18
• 산업통상자원부, 〈2030년까지 자동차 온실가스 24% 감축…친환경차 785만대 보급〉, 《대한민국 정책브리핑》, 2021-02-18
• 민동훈 기자, 〈2025년 전국 어디서든 30분내 '수소차 충전소' 만난다〉, 《머니투데이》, 2021-02-19
• 신석주 기자, 〈세계 트렌드 ‘친환경차’, 주요 국가의 계획은?〉, 《에너지신문》, 2021-02-23

같이 보기

• 전기차
• 수소차
• 플러그인 하이브리드차
• 하이브리드차

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