전기버스

전기버스(Electric bus)는 버스 형태의 전기자동차이다. 기존의 내연기관 버스를 대체할 친환경 대중교통 수단으로 주목받고 있다.

개요

전기버스는 배터리에 저장된 전기를 통해 모터를 가동시켜 움직이는 전기자동차의 일종이다. 국내뿐만 아니라 미국, 중국, 일본 등 세계 각국에서 친환경 대중교통 수단으로서 전기버스를 도입했다. 전기버스는 대기오염의 주범인 배기 가스가 발생되지 않으며, 연료를 연소시켜 발생한 연소 가스의 힘으로 움직이는 기존의 내연기관 버스에 비해 소음이 적고, 연료비나 유지 보수 비용이 더 저렴하기 때문에 운영비를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 동급의 내연기관 버스에 비해 가격이 비싸고, 한 번 충전 시 주행할 수 있는 거리가 짧다는 단점이 있다. 전기버스는 충전 방식에 따라 크게 플러그인(plug-in) 방식, 배터리 교환 방식, 무선충전 방식 전기버스로 나뉜다. 플러그인 충전 방식 전기버스는 일반적인 전기자동차와 같이 외부 전원에 플러그를 꽂아 버스의 배터리를 충전한다. 배터리 교환 방식 전기버스는 차량 버스 지붕에 배터리를 장착하고 이후 자동화 기계를 사용해 배터리를 교체한다. 마지막으로 무선충전 방식 전기버스는 스마트폰 무선충전과 같이 무선충전 주차장에 버스를 세워두고 자동으로 배터리를 충전한다.

종류

트롤리형

트롤리형 전기버스는 디젤이나 천연가스 등의 차량 내부에 탑재된 연료를 이용하는 것이 아닌, 외부의 전기를 직접 받아 이것을 연료로 이용하여 운행하는 버스이다. 일반적으로 팬터그래프가 차량 천장에 탑재되어 있으며, 이곳으로 연결된 외부 전력선을 통해 전력을 공급 받아 차량을 구동하게 된다. 팬터그래프는 철도차량 등에서 외부로부터 전력을 수전받기 위해 사용되는 전기적 장치이다. 노면전차와 비슷할 수도 있으나, 노면전차는 별도의 레일이 설치되는 것에 비해 트롤리형 전기버스는 도로 위에 바퀴가 직접적으로 맞닿기 때문에 레일을 설치하지 않는다는 차이점이 있다. 트롤리형 전기버스는 전차선이 없는 노선에는 다닐 수 없고 설치 비용뿐만 아니라 미관을 해치는 단점이 있다. 세계 각지에서 노면전차와 유사한 형태로 운영되던 시대가 있었으나 이후 도시가 발달하면서 상당수 도시에서 사라지게 되었다. 다만 미국의 샌프란시스코와 케임브리지에서는 여전히 트롤리형 전기버스를 대중교통 수단으로 이용하고 있고, 북한에서도 2018년 평양에 신형 트롤리형 전기버스를 들여놓는 등 21세기에 들어서도 유효하게 이용하는 경우가 존재한다.

배터리 탑재형

플러그인 방식

플러그인 충전 방식은 전기자동차 분야에 광범위하게 사용하는 방식으로 각 인프라 충전기에 플러그를 연결하여 전력을 공급한다. 수도권 및 소수 지역에 전기버스 보급이 되어 운행 중이다. 국내 충전 전압에서는 220V 전압을 기준으로 충전하고 있다. 이에 충전하는 배터리 사양과 충전 시스템 용량에 따라 충전 시간이 결정된다. 예를 들면 왕복 80km 거리에서 100kWh 배터리를 200kW 충전 시스템으로 완전 충전을 한다면 충전 시간은 대략 35분 정도 소요가 된다. 따라서 버스 운행에서 지연 시간이 발생하여 배차 시간에 영향을 받게 된다. 이에 천연가스버스와 비교하여 배차 시간에서는 추가 차량의 필요성을 제시한다. 또한 전기버스는 배터리 수명이 차량의 본체 수명보다 짧아 배터리에서 수명을 고려한 교체가 일어난다. 플러그인 충전 방식의 충전 시설은 기점, 종점 등 버스 노선의 일부 노선에 구축된다. 플러그인 방식 전기버스는 서울 남산행 순환버스 일부 차량에서 운행되었다. 또한 부산에서도 도입되어 시내버스 노선으로 운행 중이다. 충전기 3개당 10대의 전기버스를 수용할 수 있다.

배터리 교환 방식

배터리 교환 방식은 차량에 직접 선을 연결해 충전하는 대신 배터리를 차량 윗부분에 탑재하고 교환 장소에서 간단하게 갈아끼우는 방식이다. 이 방식을 이용하면 전기차 배터리 팩 교환소(Battery Swapping Station)에서 220V 전압으로 경 부하시간대에 배터리를 충전하고 전기버스 운영 시간에 배터리를 사용하므로 전력 수급에 안정화를 도모할 수 있다. 이에 전기버스 도입 시 전력 계통의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 배터리에 저장된 용량을 활용하여 모터를 가동시키므로 전기버스 운행 시 배기가스가 발생되지 않는다. 따라서 온실가스에 영향을 받지 않는다. 배터리 팩 교환소에서 50kWh 배터리 2개를 기준으로 급속충전을 하면 35분 정도 소요되고, 완속충전은 약 480분 정도 소요된다. 하지만 배터리 팩 교환소 내부에 배터리가 보통 12개 이상 존재하므로 배터리 팩 교환소에서 배터리 교환에 따른 시간만 고려하면 된다. 배터리 교환에 따른 시간은 평균 40초 정도 소요된다. 이에 천연가스버스와 같이 충전에 따른 지연 시간이 발생하지 않으므로 현재 운행되고 있는 노선에 바로 적용하여 운행할 수 있다. 하지만 차량 숫자에 비해 여분의 배터리가 많이 필요하며, 배터리 교체 시설 등의 초기 인프라 구축 비용이 플러그인 방식에 비해 크다는 단점이 있다. 동시에 배터리 교체 시 위치를 정확히 맞춰야 하기 때문에 운전사들이 애를 먹기도 한다. 제주도 동서교통에서 해당 방식을 도입했으나, 배터리 교체 시설의 결함과 배터리 교체식 차량 자체의 짧은 주행 거리 때문에 단거리 노선에만 투입하는 등 상용화가 활발하게 이루어지지 못하고 있다.

무선충전 방식

무선충전 방식은 도로에 설치된 충전 장치에서 자기유도방식을 통해 무선으로 충전하는 방식이다. 도로하부에 매설된 전선에서 발생하는 자기장을 차량 하부에 장착된 집전 장치를 통해 전기에너지로 변화하여 이를 동력으로 배터리 충전 및 차량을 구동한다. 핵심 기술은 자기공진 및 형상화 기술(Shaped Magnetic Field in Resonance)이 있다. 자기공진 및 형상화기술은 코일 간 자기공진현상을 이용해 충전하는 방식으로 충전 시설 약 1m 이내에서도 충전이 가능하고, 코일 간 정렬 자유도가 높기 때문에 한 번에 여러 차량을 충전하는 데 용이하다. 구미와 세종에서 무선충전 방식의 전기버스가 운행되고 있으며 충전 시설 및 버스 차량에서 기술적인 문제로 잦은 고장이 발생하고 있다. 따라서 상용화 작업에서는 다소 어려움을 겪고 있다. 무선충전 방식에서 위 플러그인 버스와 같은 조건일 경우에 급속충전을 한다면 충전 시간은 약 35분 정도 소요된다. 따라서 버스 운행에서 지연 시간이 발생하여 배차 시간에 영향을 받게 된다. 이에 천연가스버스와 비교하여 배차 시간에서는 추가 차량의 필요성을 제시한다.

천연가스버스와 전기버스 대당 차량비용 선정

구분	차량 비용	보조금	차량 실구입가
천연가스버스	220만 원	120만 원	120만 원
플러그인 전기버스	450만 원	200만 원	250만 원
배터리 교환 전기버스	450만 원	200만 원	250만 원
무선충전 전기버스	480만 원	200만 원	280만 원

특징

장점

고효율 배터리와 휠모터 시스템

전기버스는 천연가스버스와는 달리 배터리를 사용한다. 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)에서 개발한 일렉시티(Elec City)는 버스 상단에 있는 256kw의 고용량 리튬이온 폴리머배터리를 기반으로 1회 충전 시 290km의 주행이 가능하다. 1회 완충 시간은 67분이지만, 30분의 충전만으로도 170km의 주행이 가능해 천연가스버스의 3분의 1 수준으로 연료비를 절감할 수 있고 아직 충전 인프라가 부족한 대중교통 환경에서도 무리 없이 운용할 수 있는 장점이 있다. 이는 천연가스버스가 경유 버스보다는 낫지만 내연기관을 사용하기 때문에 전기버스보다 에너지 및 비용 효율이 떨어진다는 한계점을 뒷받침해 준다. 또한 일렉시티에 장착될 구동 모터는 바퀴에 동력을 전달하는 휠 모터와 이를 제어하는 인버터로 구성되어 있다. 최고 출력은 240kw에 달하는데 이는 기존 천연가스버스의 최고 출력보다 훨씬 높게 나타난다. 게다가 이 시스템은 별도의 구동계가 필요하지 않아 버스 전체의 경량화 및 전력 소비 효율화에도 기여한다.

대기오염 물질 무배출

전기버스의 가장 큰 장점은 무공해라는 점이다. 한국자동차연구원(Katech)에 따르면, 전기버스는 주행 때 대기오염 물질이 전혀 발생하지 않아 친환경버스로 알려진 천연가스버스보다 진일보한 교통수단으로 평가받는다. 특히 일반버스 대비 1대당 연간 이산화탄소(CO₂) 68t, 질소산화물(NOx) 344㎏ 저감 효과가 있다. 이는 미세먼지 문제가 심각한 오늘날의 대한민국에서 천연가스버스 대비 친환경 성능이 상당히 높은 전기버스를 확대시키고자 하는 큰 이유가 될 것이다.

편의성 및 안전성

기존 천연가스버스와 달리 배터리로 운행되는 전기버스는 엔진 자체가 없기 때문에 소음이 거의 없으며, 차량 내 흔들림 및 진동이 적어 편안한 승차감을 자랑한다. 이는 승객과 운전사의 편의 개선에 큰 도움이 되어 시민들에게 대중교통을 더욱 장려할 수 있다는 분석도 있다. 이 외에도 일렉시티의 경우, 버스 내부의 공간 활용도를 높여 휠체어와 유모차를 실을 수 있는 공간과 이를 이용하는 승객의 안전한 승하차를 위해 버스의 가운데 문을 경사판 구조로 설계하고, 앞뒤 출입문은 초음파 센서를 설치해 승하차시 안전 사고를 예방한다. 또 후방 경보장치 및 무소음 전기버스의 접근을 알리는 가상 엔진 소음(VESS, Virtual Engine Sound System) 등을 통해 승객과 보행자의 안전성도 강화함으로써 시민들의 이용 편의를 높여가고 있다. 이를 통해 전기버스가 도시 이미지 개선에 주요하다는 평가가 나오게 된다.

단점

비싼 차랑 가격

저상 구조로 설계된 전기버스는 대당 가격이 4~5억 원을 웃도는 고가여서 기존의 2억 원대의 천연가스버스보다 차량 가격이 굉장히 비싸다는 단점이 있다. 이는 전기자동차의 공통적인 문제점으로, 대량 생산 체제가 아직 구축되지 않아서 기존 차량 상대로 가격 경쟁력이 굉장히 약하다. 그러나 대형 버스 기준으로 환경부 1억 원과 국토교통부 1억 원을 합쳐 2억 원의 보조금 지원 및 지자체별 보조금 등 정부의 지원 덕분에 버스 업체들은 천연가스버스와 비슷한 가격대로 시장에 뛰어들 수 있게 되었다. 그러나 서울시의 경우 천연가스버스가 늘어나면서 대기질이 개선된 것으로 보고되는 가운데, 천연가스버스가 완전히 정착한 지 4년 만에 세금을 들여 또 전기버스로 바꾸는 것에 대한 우려의 목소리가 나오고 있다.

확실하지 않은 안전성

전기버스가 연료 효율과 환경적 측면을 고려한 차세대 버스의 대안으로 떠오르고 있지만, 전기버스에 대한 안전성은 제대로 입증되지 않은 것이 현실이다. 서울시가 시내 전기버스 시범사업으로 남산 순환버스 14대 중 9대를 전기버스로 운행했지만 잔고장이 많아 운행이 전격 중단된 적이 있으며, 다른 전기버스 역시 결함으로 인해 연기가 나거나, 갑자기 차가 멈추는 등 여러 문제가 보고되고 있기 때문이다. 또한 배터리가 휴대폰 배터리와 같은 소재인 리튬 이온으로 제작되어 있기 때문에 주기적으로 교체를 해야 할 정도로 영구적이지 못하고, 화재나 폭발의 위험이 있다는 과제를 안게 된다. 더불어 느린 충전 속도도 단점이 될 수밖에 없다.

완전한 무공해 버스 논란

일각에서는 전기버스가 100% 무공해가 아니라는 견해도 있다. 전기버스 운행의 전 과정에서 배출되는 대기오염 물질을 고려해 본다면 전기버스가 친환경이라는 주장이 무색해질 수 있다는 주장이다. 전기버스 자체로는 이산화탄소나 질소산화물과 같은 유해 물질을 발생시키지 않지만, 전기를 만들기 위해 화석연료나 원자력 등을 사용해야 하기 때문에 결국 버스에서만 유해 물질이 나오지 않을 뿐 완전한 무공해 버스로 정의할 수 없다는 것이다. 프랑스 일간 리베라시옹은 2019년 1월 "시내버스 1만 6359대를 모두 전기버스로 교체한 중국 선전시는 세계적 친환경 도시로 거듭난 것으로 보이지만, 실제로 이 버스들의 충전을 위해 생산해야 하는 전력 73%는 석탄에서 나온다."고 보도하기도 했다. 이 때문에 전기버스는 물론, 전기자동차가 완벽한 친환경 자동차인지에 대한 논란은 끝나지 않고 있다.

전망

전기자동차가 글로벌 트렌드로 자리 잡으면서 전기버스 시장에도 이목이 집중되고 있다. 2009년 청정에너지장관회의(Clean Energy Ministerial) 산하에 설치된 국가 간 정책포럼인 EVI(Electric Vehicle Initiative)가 전 세계 전기자동차 보급 및 확대에 주력하는 것처럼 이 포럼의 회원국인 중국과 미국, 유럽을 중심으로 전기버스가 확대되는 추세이다. 중국의 전기버스는 전 세계의 전기버스 대수 중에서 99%를 차지하고 있고 중국 내의 버스 대수 중에서는 17%를 차지하고 있다. 중국 광둥성 선전시는 20128년 시내버스 1만 6천여 대를 모두 전기버스로 교체했다. 전기버스 보급에 팔을 걷어붙인 뉴욕과 런던 등 세계 주요 도시가 2천대 수준인 것과 비교하면 놀라운 변화라고 할 수 있다. 선전시의 이런 결단은 대기오염 문제를 해결하려는 중국 정부의 배기가스 규제 강화가 지렛대로 작용했다. 선전에 본사를 둔 중국의 전기자동차 업체 비야디(比亞迪)는 전기버스의 대량 수주를 기반으로 미국의 전기자동차 업체 테슬라(Tesla)를 제치고 세계 전기자동차 1위 업체로 올라섰으며, 정부와 지자체의 육성 정책에 힘입어 중국 전기버스 시장은 2018년 9만 대 가까이 커졌다. 이와 같이 중국이 친환경차 판매 분야에서 압도적인 이유는 뛰어난 기술력은 물론, 지자체의 저탄소 혹은 제로배출 존(zone) 설정과 다양한 지원책 마련 등 강력한 정책 실행력이 있었기 때문이다. 전기버스 바람이 불고 있는 한국은 중국과 같이 강력한 정책적 지원이 뒷받침되어야 활발한 기술 개발을 통해 이러한 미래시장 분야에서 승승장구할 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라 유럽의 경우, 전 세계 최고 수준의 경유 세금을 부과하여 경제적 측면에서 초기 단계에 전기버스로의 전환이 용이하도록 적극적인 전기버스 보급 도입을 하고 있다. 정보서비스 업체인 블룸버그뉴에너지파이낸스(BNEF)가 보고서에서 세계 전기버스 시장이 2018년 38만 대 수준에서 2025년 120만 대로 성장할 것이라고 전망한 것처럼 기후변화 대응 및 환경 목표 달성을 이행하는 데 있어 많은 국가에서 상당한 노력을 가하고 있음을 알 수 있다.

참고자료

• 〈전기버스〉, 《네이버 지식백과》
• 박재석, 김성열, 김동민, 〈친환경 버스 도입에 따른 경제성 분석에 관한 연구 (대구광역시 중심으로)〉, 《KIEE》, 2018-01-03
• R.E.F. 15기 김혜림, 〈친환경 버스의 시대 ; 천연가스 버스? 이젠 전기버스!〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2019-03-05
• MCARFE, 〈들어는 봤나? 전기버스!〉, 《네이버 포스트》, 2019-10-28

같이 보기

• 수소버스
• 천연가스버스
• 전기트럭
• 전기자동차

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