파워트레인의 미래 – 33. 내연기관과 전기차 본격 전쟁 돌입?

[스타보이_정명세]

배터리 전기차 시장에 관한 이슈는 판매대수와 점유율을 비롯해 배터리 수급, 충전소 등 인프라 구축, 그리고 LCA차원에서의 이산화탄소 배출, 기술 장벽 등으로 요약될 수 있다. 연 초 불거진 이슈로는 LG화학의 폴란드 공장으로부터의 배터리 셀 공급이 원활치 않아 재규어가 i-Pace의 생산을 중단했고 아우디는 e-트론의 판매 목표를 낮춰 잡았다는 것이 있다. 그와 동시에 GM은 그동안 진행해 온 일련의 구조조정이 가닥을 잡아가면서 본격적인 전기차회사로의 전환을 선언하고 나서며 세간이 이목을 집중시켰다. 중국은 시장 침체와 보조금 등의 문제가 얽혀 2019년 하반기부터 신에너지차 판매대수가 급감하고 있다. 내연기관을 개발하는 엔지니어들은 열효율 제고를 위한 신기술들을 쏟아내고 있다. 뉴스의 제목만으로는 도대체 어떻게 될지 감을 잡을 수가 없다. 최근 등장한 유럽시장의 일련의 데이터를 바탕으로 한 전망과 파워트레인의 변화에 대해 짚어 본다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

테슬라가 독일에 배터리 전기차 공장을 건설한다는 뉴스는 특별한 것이 아닐 수 있다. 그보다 더 눈길을 끈 것은 삼림 벌목에 관한 것이다. 독일은 개인 소유지일지라도 나무를 함부로 베어 내거나 팔 수 없다. 그만큼 자연환경 보호에 대한 인식이 강하다. 그런데 최근 독일 베를린 인근 테슬라가 매입한 부지에서 대규모의 벌목이 이루어지고 있는 현장의 사진은 충격적이라고 할 만한 것이었다.

독일을 비롯한 서구 유럽은 자유시장경제를 주창하는 미국이나 관료 자본주의가 판치는 중국과는 많이 다르다. 독일에도 문제가 많지만 합리적 토론에 의해 최선이 아니면 차선을 찾아가는 문화가 정착되어 있다. 독일은 급료의 45%에 달하는 세금을 내고도 초등학교부터 대학까지 대부분의 학비와 의료비를 국가에서 부담해 주기 때문에 불만이 없다. 독일은 98%의 대학이 국립으로 영미식 일류대학 개념이 없다. 때문에 초중고 시절부터 경쟁에 내몰려 오로지 시험 기계를 양성하는 문화와는 많이 다르다. 경쟁이 없는 교육을 통해서도 기술경쟁력에서는 세계 톱 수준을 지키고 있다. 이는 영국을 제외한 북유럽 국가들 대부분이 비슷하다.

독일인들은 어릴 때부터 낭비와 생태계 파괴에 대해서 비판적인 시각을 갖는 사회 분위기 속에 성장한다. 그 결과 검은 숲(독일어로 Schwartz Wald)이라는 울창한 삼림을 자랑하며 그곳에서 생산되는 벌꿀은 세계적으로도 인기가 높다.

그런데 그 숲의 나무를 잘라 내고 그곳에 공장을 건설하는 것을 허가했다. 환경 단체들은 격렬히 반대하고 있지만 폭스바겐 CEO 헤르베르트 디스는 그런 문제보다는 테슬라와 폭스바겐의 선의의 경쟁을 먼저 언급하고 있다. 그 이면까지 모두 이야기하기에는 너무 복잡하지만 분명한 것은 배터리 전기차가 울창한 숲보다 환경에 더 이롭다는 생각을 갖게 했다는 점이다. 배터리 전기차는 전력과 배터리 생산 과정에서 많은 이산화탄소를 발생하지만 소위 말하는 전문가(?)들에 의해 무공해차로 부상했다. 그것이 정치적인 것이든 기술적 근거를 바탕으로 한 것이든 지금은 배터리 전기차, 크게는 전동화에 대한 속도가 붙고 있는 것은 분명하다.

유럽 시장 전동화차 판매 72% 급증이 의미하는 것

그런 분위기는 자동차 판매 결과로 나타나고 있다. 2020년 1월 유럽 23개국 시장 신차 판매는 7.6%가 감소했지만 전동화차 판매는 72% 급증한 15만 100대로 집계됐다. 이 중 하이브리드 전기차의 판매는 36%, 배터리 전기차는 91%, 플러그인 하이브리드 전기차는 173% 증가했다. 시장 점유율면에서도 2019년 7.1%였던 것이 13.3%로 크게 증가했다.

나라별로는 노르웨이에서는 전체 등록대수의 77%, 스웨덴은 38%, 핀란드 28% 등이 전동화차로 북유럽 국가들이 두드러졌다. 브랜드별로는 스마트 96%, 렉서스 및 토요타 각 95%, DS 42%, 스즈키 41%, 랜드로버 37%로 높은 증가세를 보였다. 배터리 전기차에 가장 많은 투자를 하고 있는 폭스바겐은 5%로 상대적으로 낮다.

그런데 유럽은 이산화탄소 배출량은 2016년 평균 119.2g/km까지 감소했다가 이후 3년 동안 증가세를 보여 2019년에는 121.8g/km로 높아졌다. 디젤차 판매 감소와 SUV 판매 증가로 인한 것이다. 다만 증가 폭이 2.4g/km의 2018년보다는 낮은 1.3g/km이었다. 그 배경에는 전동화차의 평균 배출량이 63.2g/km로 판매대수는 적었지만 전체 평균 배출량을 낮추었다는 점이 있다.

유럽시장에서 주목을 끄는 데이터는 이보다는 업체별 평균 배출량이다. 업계 평균이 122.2g/km인데 토요타가 2018년보다 2.3g/km 감소한 97.5g/km로 가장 낮았다. 렉서스를 포함해도 99.0g/km로 2위인 PSA그룹보다 14.3g/km 적었다. 이는 전체 판매량의 60%를 차지하고 있는 하이브리드 전기차로 인한 것이다. 이산화탄소 전쟁에서는 하이브리드 전기차에 집중해 온 토요타가 빛을 보고 있는 것이다.

어쨌든 전체적인 흐름을 보면 전동화는 앞으로 탄력을 받을 가능성이 높아 보인다. 다만 토요타는 배터리 전기차보다는 하이브리드 전기차에, 유럽 메이커들은 하이브리드 전기차보다는 플러그인 하이브리드 전기차와 마일드 하이브리드 전기차에 더 비중을 두고 있다는 차이점이 있다. 그 내용을 구체적으로 들여다 보아야 중장기적인 전망을 할 수 있다. 

배터리 전기차와 내연기관차 중심 전동화차의 구도로

그러나 지금 다른 한편에서는 LCA(Life Cycle Assessment: 에너지 생산부터 최종 소비까지)차원에서 보면 배터리 전기차가 내연기관차보다 이산화탄소 배출량이 많다는 의견이 점차 힘을 얻어가고 있다는 점도 간과할 수 없다. 전력의 생산과 배터리 생산 과정까지 포함하면 실제로 더 많은 이산화탄소를 배출한다는 데이터가 나와 있다.

그와 함께 배터리 전기차 기술 발전이 주춤하면서 일본과 유럽, 미국에서는 내연기관의 열효율을 높이기 위한 기술 개발에 투자를 하고 있다. 20세기 말 21세기 초 유럽 메이커들은 직분사 터보차저로 디젤과 가솔린 엔진의 성능을 획기적으로 높였다. 거기에 DPF(디젤 미립자필터)와 SCR(선택환원촉매) 등 후처리 기술을 발전시켜 배기가스 저감에도 많은 성과를 냈다. 그러나 규제가 강화되면서 이 고가의 장비들의 채용이 어려운 양산 브랜드들이 고전할 수밖에 없었고 그로 인해 터진 것이 폭스바겐의 디젤 스캔들이었다.

그에 비해 일본 메이커들은 직분사 터보차저보다는 열효율에 더 중점을 두고 내연기관 기술을 발전시켜왔다. 물론 어느 경우든 오늘날 등장하는 내연기관 엔진들은 전동화를 전제로 개발하고 있다는 점은 같다.

일본 메이커들 중에서 열효율 수치를 가장 먼저 공개한 것은 토요타다. 프리우스 3세대에서는 38%였던 열효율이 4세대 모델에서는 41%를 달성했다. 그리고 토요타는 지금 고가의 후처리 장치가 없이 질소산화물을 낮추는 엔진을 개발하고 있다. 토요타는 실험을 통해 열효율 45%를 달성했다고 밝혔다. 뿐만 아니라 질소산화물의 배출량을 0.1g/km로 낮추었다고 한다.

토요타가 개발하고 있는 것은 수퍼 린번(초희박연소)으로 부연소실(프리챔버)을 설계하고 거기에서 불꽃을 발생해 폭발을 하도록 한 것이 특징이다. 마쓰다도 수퍼 린번 엔진 스카이액티브X를 CX-30에 탑재해 양산했는데 이는 압축 착화 방식으로 토요타와는 다른 방식이다.

희박연소 연진은 일반적으로 배기가스 후처리장치에 가격이 낮은 삼원촉매 대신 고가의 린 NOx 촉매와 뇨소 SCR가 필요하다. 토요타는 후처리장치가 필요하지 않은 수준으로 NOx의 배출을 억제하기 위해 이론 공연비에서 연소하는 통상의 가솔린 엔진의 2.5배 이상인 수퍼 린번(초희박) 혼합기를 연소하는 기술을 개발하고 있다.

그런데 최근에는 유럽 메이커들도 수퍼 린번 엔진 개발에 열을 올리고 있다. 2019년 아헨 콜로키움(Aachen Colloqium Automotive and Engine Technology)에서 엔진의 열효율을 높이기 위한 다양한 기술들이 소개된 것이다. 독일 FEV(자동차기술전문연구기관)가 가변 압축비와 롱 스트로크 기술에 더해 프리챔버 점화기술을 사용해 공기 과잉률이 2.0인 초희박 혼합기를 연소해 열효율 48%를 달성했다고 발표해 주목을 끌었다. 토요타의 컨셉과 같은 것이다. 독일 부품 메이커 말(Mahl)도 프리 챔버 기술을 사용해 열효율 42.5%를 달성했다고 발표했다.

영국 리카르도와 중국 길리자동차는 압축비를 17.0: 1로 높이고 물분사 기술과 강력한 코로나 점화기술 등을 구사해 45%를 달성했다고 한다. 사우디의 국영 석유회사 사우디 아람코는 직분 가솔린 엔진에서 마쓰다의 스카이액티브X와 같은 개념의 자기착화식 희박연소 컨셉으로 50%의 열효율을 달성했다고 발표하기도 했다. 이 정도 수준이면 하이브리드보다 더 효율이 좋다고 할 수 있다.

미국도 미에너지부(DOE)가 2016년에 시작한 내연기관 열효율 향상 콘소시움(Co-Optimization of Fuels & Engines : Co-Optima)을 통해 열효율 목표치를 50%로 설정하고 희박연소의 개념을 바탕으로 질소산화물의 배출이 낮은 연소의 실현을 목표로 기술 개발을 진행하고 있다.

규제가 바꾼 기술, 이번에도?

이처럼 자동차업계가 다시 내연기관에 집중하고 있는 것은 배터리 전기차의 기술 발전이 주춤하고 있는 것 때문이다. 나아가 판매가 예상보다 빠르게 증가하지 않을 것이라는 전망을 배경으로 하고 있다. 2030년의 배터리 전기차 판매 전망은 기관에 따라 다르지만 점차 하향 수정되고 있으며 최근에는 15~20%까지 낮아졌다. 기술 발전이 주춤한 것은 물론이고 수급 문제도 본격적으로 부상하고 있다.

LG화학의 폴란드 공장에서 배터리 셀 공급에 문제가 생긴 것에 대한 해석은 아직 뚜렷하게 나온 것은 없다. 다만 SNE리서치는 배터리 전기차를 둘러싼 배터리업체와 자동차회사간의 주도권 다툼의 과정에서 벌어진 것이라고 분석하고 있다. 그동안은 배터리 생산을 위한 합작사 설립에서 자동차회사의 지분이 51, 배터리 업체가 49 등이었으나 LG화학이 GM과 현대자동차 사이에 각각 50 대 50 지분의 합작사를 설립하고 있다는 것을 예로 들고 있다.

어떤 형태로 가든 지금 전 세계 시장에서 안정적인 기술과 공급량을 보이고 있는 배터리셀 제조업체는 파나소닉(점유율 27.6%, 2020년 1월)을 비롯해 LG화학(22.9%)과 중국의 CATL(21.8%)  정도다. 다음으로 삼성SDI(5.1%), AESC(4.6%), BYD(3.5%), SK이노배이션(2.8%) 등이 있지만 기술력이 부족하거나 생산용량의 한계가 있다.

현 시점에서 생산 용량은 CATL이, 기술력은 LG화학이 가장 앞선다는 것이 일반적인 평가다. CATL는 중국 정부의 지원으로 급성장했지만 기술적으로는 아직 확실한 인정을 받지 못하고 있다. 파나소닉의 경우도 테슬라의 배터리를 공급하는 것도 벅차다는 의사를 표시할 정도이기 때문에 시장의 확대에 대한 희망 고문을 하는 것은 의미가 없다고 할 수 있다. 한 걸음 더 들어가면 리튬과 코발트, 망간 등 배터리 셀 제조를 위한 원자재 문제도 볼륨이 확대되면 대안 제시가 만만치 않을 수도 있다는 분석도 있다.

이런 점 때문에 독일 부품회사 말(Mahl)은 2025년을 기준으로 가장 이상적인 파워트레인은 플러그인 하이브리드 전기차라는 전망을 내놓기도 했다. 보쉬는 48볼트 마일드 하이브리드에 의해 15%의 이산화탄소를 저감할 수 있다고 강조하고 있다. 스트롱 하이브리드에 비해 낮은 비용으로 채용이 가능하며 차의 등급을 가리지 않고 효과를 낼 수 있다는 것을 근거로 내 세우고 있다. 이런 점 때문에 폭스바겐은 전기차로 올인한다면서 하이브리드 전기차의 비중을 늘리고 있다.

결국은 당장에는 내연기관의 효율성을 극대화하고 그를 바탕으로 하는 전동화, 즉 하이브리드와 48볼트 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드가 현재로서는 최선의 대안이라고 할 수 있다. 그래도 유럽 연합의 2021년 신차 평균 이산화탄소 배출량 규제치 95g/km(NEDC 모드)를 충족할 수 있는 업체는 많지 않아 보인다. PA컨설팅은 토요타와 르노닛산, 볼보, 재규어랜드로버는 이 규정을 충족할 수 있지만, 폭스바겐과 현대기아, 다임러, BMW 등 대부분의 업체는 벌금 폭탄을 맞을 가능성이 있다고 분석하고 있다.

그런데 2030년에는 그것을 국제기준인 WLTP(Worldwide Harmonised Light vehicle Test Procedure) 모드로 환산해 2021년 대비 37.5%로 낮추어야 한다. 수치상으로 따지면 59g/km으로 아주 엄격한 규제다. 이 단계까지 목표 달성을 위해서는 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차가 필수다. 과연 그 시대가 올 수 있을까?