자동차연료의 과제와 일본의 대응동향

자동차연료의 과제와 일본의 대응동향

- 배터리의 차세대화나 연료전지 수소사회를 향한 전략적 기술개발 -

 

 

 

 ○ 도로 교통, 특히 자가용 승용차는 그 편리성으로부터 선진국, 도상국을 불문하고 급속히 발달, 그 연료 소비도 급증해 세계적인 석유 소비 확대의 한 요인이 됨. 특히 일본에서는 석유위기 이래, 석유 소비 삭감을 중심으로 연료 전환이 적극적으로 진행.

 

 ○ 현재, 99.95%이상의 자동차가 석유계 액체 탄화수소(HC) 연료의 폭발 연소를 고속으로 반복하는 소형 고출력의 내연기관(ICE)을 주동력원으로 하고 있음. ICE는 응답성도 뛰어나 기동 정지가 많은 수송기관에 적당. 또 액체 HC연료는 에너지 중량 밀도가 높고(10000 kcal/kg정도), 용적 밀도도 높고, 게다가 상온 상압에 있어서 액체는 취급, 저장, 보존이 용이해, 에너지원을 탑재할 필요가 있는 이동체 연료로서 최적.

 

 ○ 내연기관에는 당연히 열역학 제 2 법칙에 의한 효율의 한계가 있지만, 고온화 기술로 대응해 대형 기관은 원래 자동차로도 상당한 효율을 달성. 폭발 연소, 왕복 운동으로 본질적으로 소음·진동을 발생하지만, 이것은 시스템적 대응으로 상당 정도 개선됨.

 

 ○ 한편 연료 불순물에 의한 유황 산화물의 발생, 공기 연소의 부산물인 질소산화물, HC, PM 과 관련해서 연료의 크린화, 촉매에 의한 후 처리로 대응하고 있음. 기동은 별도 기동 모터로 대응하지만, 조속한 기동을 위한 정차중 아이들링은 그 효율성에 문제를 제시

 

1. 도로 교통의 과제

자동차 교통은 그 밀도, 절대량이 증가함과 함께 외부적인 면이라고 할 수 있는 이하의 각종의 과제, 문제점이 표면화되고 있음.
 

  1) 소음, 진동, 냄새(HC배출), 교통 혼잡, 교통 안전등의 환경 문제,

  2) 배출 가스(CO, SOx, HC, PM)에 의한 대기오염 문제

이러한 과제는 ICE 고유의 과제로 그 편리성과 양립하기 위하여 자동차 기술에 의해 해결이 시도되어 왔다. 특히 대기오염에 대해서 선진국에서는 차종을 불문하고 상당히 엄격한 규제가 실시되고 있으며, 배기가스 대책을 최우선 기술 과제로 대응, 특정 혼잡 지역을 제외하고 많이 개선됨.

최근에는 근본적인 문제가 표면화됨.

  3) 연료·에너지 문제, 특히 석유 자원의 안정적 공급 등 에너지 안전 보장 문제

  4) CO2 배출을 중심으로 하는 지구 규모 기후 변동 문제
석유 기원의 액체 연료는 고갈성 자원으로 그 소비와 함께 착실하게 감소. 산유국은 지역적으로도 편향되어 있어 최대 공급 지역인 중동은 정치적으로도 불안정해 안정공급에는 불안요소가 많음.
 

 ○ 온난화의 문제는 도로교통에 대해서 발본적인 CO2 배출 삭감을 요구.
 

 ○ 에너지 절약 고효율화로 어느 정도 삭감은 가능하지만, 궁극적으로 탄소를 포함하지 않는 연료(에너지원)에 의한 발본적인 대체 시스템에의 전환이 필요.
 

 ○ 한편 CO2 문제는 각국간 그 현상, 요인, 대응에 대한 인식에 큰 차이가 있으며, 각종 과제에 대한 대응, 우선 순위도 당연히 지역에 따라 상이함. 일반적으로 도상국에서는 소득 생산확대로 화물, 승용 모두 급증.
 

 ○ 선진국에서는 에너지 안전 보장과 관련해서 CO2 배출 억제가 긴급 과제로 부상, 연료대체기술과 혁신적 자동차기술의 확립이 중요 과제가 되고 있음.
 

 ○ 미국에서는 해외 석유 의존도를 줄이는 방안으로 대체연료개발, 에너지 절약을 목표로 한 기술개발을 적극적으로 전개 중.
 

 ○ EU는 CO2 배출 삭감이 최대 중요과제로 에너지 효율 향상과 연료 전환, 특히 디젤차와 바이오 연료 추진을 가속
 

 ○ 일본은 석유위기 이래, 석유 소비 삭감, 에너지 절약에 노력해, 에너지 절약 기준, 자동차 효율향상도 강력하게 추진 중. 또, 교토의정서와 관련해서, 새로운 효율 향상과 대체 에너지 옵션의 실용화를 목표로 R&D를 적극적으로 진행하고 있음. 벌써 시장에서 확립한 HEV 기술에 가세해 산업 정책적인 견지로부터 장기적인 시야에 의한 FCV 관련 기술개발에 관심이 높음.

 

2. 장래 자동차 기술과 연료

 

가. 전동 구동계의 특성과 과제
 

 ○ 현재, ICE를 대체 가능한 자동차용 동력원으로서 전동기(모터)가 존재. 역사적으로도 19 세기에는 기동성과 당시의 레인지 및 동적 성능으로부터 전기 자동차(EV)가 주류였지만, 스타터의 실현으로 가솔린차가 보급됨.

 

 ○ 기술적으로는 대출력, 컴팩트한 모터는 그 제어 기술과 함께 전기 철도로 완성. 전자력을 이용한 모터는 제로 에미션(zero emission)이며, 기동 토크도 크고, 구조상 소음 진동도 적음. 필요 출력, 사이즈도 자동차의 요구에 대응가능. 특히 자성 재료와 전력 제어 소자의 개선에 의해 영구자석계 자석의 동기형 전동기가 실용화되어 그 동적 성능은 비약적으로 개선되었지만, 동력원의 축적과 탑재, 즉 2차 전지가 최대의 과제로 100년간 EV의 실현을 막아 옴.

 

 ○ 현재, 세계 에너지원은 화석연료를 제외하면 원자력 발전과 수력을 시작으로 하는 태양 기원의 자연 에너지이며, 대부분이 전력의 형태로 얻을 수 있음. 한편, 최근CO2 배출의 관점으로부터 바이오매스(biomass)가 다시 각광을 받는 중.

 

 ○ 과거, EV개발배경, 동기, 목적은 시기와 함께 변화해 옴. 70년대에는 배기가스 청정화를 목적으로 당시 통산성의 대형 프로젝트로서 EV개발을 진행, 그 결과, 전동 차량 협회가 설립되었지만, 전지의 성능, 코스트와 수명에 기인하는 코스트, 레인지와 동적 성능의 문제로부터 실용화에는 이르지 못함. 한편 그 사이에 석유위기가 발생, 석유 대체 가능한 자동차 옵션으로서 원자력 발전의 야간 잉여 전력의 수요 확대라고 하는 방안이 재검토됨. 그 후 ICEV의 배기가스 대책도 진행되어, 결국 EV가 실현될 것은 없었음.

 

 ○ 그 후, 캘리포니아 규제에 의한 강력한 판매 의무로 90년대에 다시 EV추진이 재개. 규제를 강요당한 미국과 일본의 대상 메이커는 본격적인 실용화를 목표로 개발을 실시, 동적 성능은 비약적으로 향상했지만, 결국 전지의 코스트, 중량, 수명이라고 하는 본질적 과제는 해결할 수 없었음. 규제 당국도 기술적 한계를 고려해 현실적으로 규제가 완화되었기 때문에, 결국, 본격적 보급에 이르지 못하고 현재에 이르고 있음.

 

 ○ 그 사이에 전기 구동계의 기술은 현저하게 진보해, EV 에너지 절약 특성을 교묘하게 활용한(패러렐) 하이브리드 차가 97년, FCCC 쿄토 회의에 맞추어 일본에서 시판. 소량의 전지와 전기 구동계를 탑재해 에너지 회생, 아이들링 정지, 전지열화방지 등 에너지 절약성을 개선함. 한편, 구미 자동차 메이커, 특히 독일의 다임러사(DCX)는 연료 전지차(FCV)의 실용화에 임해, 94년초 NECAR1를 발표, 그 후 소형화를 진행시켜 99년A클래스에 탑재함.

 

 ○ 일본 메이커도 DCX의 적극적인 자세에 자극되어 EV의 상기 과제를 해결하는 옵션으로서 FCV의 실용화에 주력, 20 세기말에는 실용화를 향한 치열한 개발 경쟁이 시작됨. 자동차 메이커 각사는 현재 모두 자작의 FC스택을 개발, 장래의 중요한 코어 기술로서 그 연구개발을 진행시키고 있음. FCV는 그 자체, 큰 기술 과제를 안고 있지만, 과거 몇번이나 시도해 실용화에 이르지 못했던 EV의 대체 기술로 기대도 크고, 장래의 핵심적인 자동차 기술로서 또 산업 정책의 일부로서 각 선진 지역의 관심을 모으고 있음.

 

 ○ 이 때문에, 각 메이커는 원래 각지역의 에너지 관련 기술 R &D를 담당하는 정부기관, US－DOE, EC 등은 고액의 예산을 투입해 연구개발을 서로 경쟁하고 있으며, 기초적인 면에서는 정보 교환, 국제 협조를 목표로 한 활동도 진행하고 있음. BEV 개발을 추진해 온 캘리포니아주 정부도 그 대체 기술로서의 FCV에 주목해, BEV 이외에 FCV에 프리미엄을 주어 그 개발을 촉진하고 수소 스테이션 정비를 적극적으로 진행하고 있음.

 

 ○ 미국정부는 뉴욕 테러 이래, 석유의 해외 의존도 삭감이 안전보장상의 중요 과제로 자리매김을 하고 있으며 자동차의 탈석유 움직임도 활발하여 바이오 연료와 플러그 인(P) HEV의 추진이 진행되고 있음. PHEV는 HEV에 전지를 추가, 계통 전력을 충전해 우선 그 전력으로 주행, 그 후는 일반의 HEV로서 주행하므로 BEV로 문제가 되는 레인지 제약이 없음.

 

 ○ 한층 더 기술적으로 가장 용이한 CO2 삭감 옵션으로서는 바이오 연료, 특히 에탄올등 알코올 연료에 의한 ICEV가 주목받고 있지만, 지역에 따라서는 그 연료 공급에 한계가 있어, 세계 규모로 생각하면 한정된 범위에 머무를 것으로 보임.

 

나. 장래에 기대되는 자동차용의 에너지 패스

 

 ○ 자동차 구동계로서는 ICEV, BEV, FCV, 및 그것을 복합한 하이브리드 차가 존재해 에너지 자원으로서는 종래의 화석연료 이외에 바이오매스(biomass), 원자력, 그 외의 각종 재생 가능자원이 있음. 현시점에서는 대부분이 원유 기원의 액체 HC연료에 의한 ICEV이지만, CNG, LPG, 바이오 연료에 의한 ICEV도 실용화 중

 

 ○ 에너지 안전 보장의 관점에 의한 석유 대체로 바이오매스(biomass) 연소는 CO2영배출로 간주되고 있으며, 바이오 연료 ICEV는 가장 실현 용이한 방법임. 다만 안정, 대량 연료확보, 식료 생산과의 경합 등에 대한 염려가 있어, 그것을 피하는 셀룰로오스 기원의 바이오 연료 제조 기술은 효율 향상을 목표로 해 향후 한층 더 R＆D가 필요함.

 

 

자료원: JAMA(石谷 久 케이오대학 정책미디어 연구과 교수)