전기자동차의 지속가능성을 높이기 위한 세 가지 방안

글 : 아담 킴멜(Adam Kimmel)
제공 : 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

(출처: davidjancik - stock.adobe.com)

 

전세계 많은 국가들이 지구 온난화를 막기 위한 탈탄소화 목표에 합의했다. 기후 변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)는 기후 변화의 극심한 영향을 피하려면 지구 온도 상승이 산업화 이전과 비교해 1.5C를 넘지 않아야 한다고 공표했다. 

이러한 목표를 달성하기 위해 관심을 가져야 할 분야로 교통 분야를 꼽을 수 있다. 교통 분야는 전세계 탄소 배출량의 약 1/4을 차지하며, 미국에서는 28%로 모든 부문들 중에서 가장 큰 비중을 차지한다. 이같은 인식을 바탕으로, 자동차 제조사들은 전기자동차(EV) 개발에 박차를 가하고 있다. EV는 내연 기관의 열 효율을 25~30% 높일 수 있다. 이와 함께 자동차 제조사들은 자동차의 지속가능성을 높이기 위해서도 많은 노력을 기울이고 있는데, 이 글에서는 EV의 지속가능성을 높이는 데 스마트 캐빈(smart cabin)이 기여하는 세 가지 방식에 대해 알아본다.

자동차 실내 열 관리
2050년까지 온실 가스 배출 제로(net zero)를 달성하기 위해서는 소모되는 에너지 활용을 극대화하기 위한 에너지 효율이 중요하다. 이에 자동차 엔지니어들은 에너지를 최대한 활용할 수 있는 모든 방안들을 주시하고 있다. 이를 위해 스마트 캐빈이 기여할 수 있는 한 가지 방법은 지능형 센서와 AI 알고리즘을 사용해서 탑승석 실내 환경을 효율적으로 조절하는 것이다. 스마트 캐빈은 자동차 실내를 일정한 구역들로 구분하여 빈 좌석으로는 난방이나 냉방을 하지 않도록 공기흐름을 제어할 수 있다. 이로써 불필요한 에너지 소모를 줄이고 필요한 만큼의 에너지만 사용할 수 있다. 이는 효율을 높이고 주행 거리를 늘리는 효과로 이어진다. 화학 회사들은 기존 소재보다 향상된 효율로 탄소 배출 영향을 크게 개선할 수 있도록 지구온난화지수(global warming potential, GWP)가 낮은 새로운 냉매를 제조하고 있다. 미래에는 이 새로운 액체에 배터리 열 관리 시스템을 결합해서 에너지 흐름을 최적화하고 자동차의 전반적인 에너지 활용을 극대화할 수 있게 될 것이다.

성공의 잣대는 LCCP
지속가능성 향상을 정량화 하는 데 있어서 자동차 제조사들에게 생애주기 환경평가(Lifecycle Climate Performance, LCCP)가 갈수록 중요해지고 있다. LCCP는 자동차 차원에서 에너지 효율만 따지는 것이 아니라, 충전 인프라와 전략에 걸쳐 전력망이 탄소배출에 미치는 영향에서부터 소재 생산과 폐기에 이르기까지 전반을 포함한다. 지속가능성 향상에 대한 올바른 보고를 위해서는 공급망 전반에 걸친 탄소 투입을 측정할 필요가 있다. 그러면서도 어떤 한 영역에서 지속가능성을 높이기 위해 다른 영역에서 성과의 절충이 일어나지 않도록 해야 한다.

친환경적인 재활용 소재들
지속가능한 소재는 환경에 두 배의 효과를 가져올 수 있다. 다시 말해 이러한 소재들은 재생이 가능할 뿐 아니라 폐기물도 줄인다. 진정으로 탄소 중립적인 EV를 실현하기 위해서는 지속가능한 소재들을 도입하는 것이 필요하다. 이와 더불어, 자동차 제조사들은 제품을 개발할 때 신뢰할 수 있는 원재료 구매에서부터 수명이 다한 후의 폐기에 이르기까지 사용하고자 하는 소재의 라이프사이클 전반을 고려해야 한다. 자동차의 탄소 배출을 낮추기 위해 스마트 캐빈에 재활용 플라스틱, 천연 섬유, 탄소 배출이 적은 접착제 같은 지속가능한 소재들이 도입되고 있다. 이러한 소재들은 자동차의 지속가능성을 높일 뿐만 아니라 쾌적성과 심미성을 높인다.

시트와 카페트 섬유 대체재
수년 동안, 기업들은 저렴한 가격에 내구성 있고 지속가능한 소재로서 재활용 플라스틱 병을 활용한 포스트 컨슈머(소비자가 사용하고 버린) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에스터를 만들었다. 자동차 회사들은 스마트 캐빈의 내구성 있는 시트 소재로서 이들 소재를 사용하고 있다.  BMW는 자사 iX SUV의 카페트와 바닥 매트에 에코닐(Econyl)이라는 지속가능한 플라스틱 소재를 사용한다. 이 소재는 플라스틱을 제조할 때 발생하는 폐부산물과 바다에서 수거한 폐그물을 재활용한 것으로서, 나일론보다 이산화탄소 배출이 80% 더 낮은 훌륭한 대체재이다.
벤츠는 EQXX의 카페트용 섬유로 완벽하게 재활용 가능한 (그리고 빨리 자라는) 대나무를 사용하고 있다. 엔지니어들은 의료, 건축, 의류, 그 밖에 다른 많은 분야에 대나무 섬유를 활용하고 있다.

에너지 하베스팅과 스마트 조명
폐열 회수를 통한 에너지 재생과 지능적인 조명 역시 EV의 지속가능성을 크게 향상할 수 있다. 전기 드라이브트레인은 내연 기관에 비해 효율이 훨씬 더 높아, 전력망으로부터 공급되는 전기의 77%를 바퀴 출력으로 변환한다. 이에 비해 내연 기관은 가솔린 에너지의 12~30%를 바퀴 출력으로 변환할 뿐이다. 또한 차량이 정차했을 때 에너지를 회수하거나 캐빈 조명을 제어하는 방법을 통해 에너지를 절약함으로써 지속가능성을 높일 수 있다. EV 에너지 하베스팅을 위한 세 가지 방법으로는 재생 제동, 스마트 조명, 지붕 태양광을 들 수 있다.

재생 제동
재생 제동(regenerative braking)은 차량이 정차했을 때 손실되는 약간의 에너지를 회수하는 것이다. 이렇게 회수한 에너지를 배터리로 돌려보냄으로써 주행 거리를 늘리거나 또는 다른 자동차 서브시스템들을 구동하는 데 활용할 수 있다. 재생 제동은 최대 70%에 이르는 효율을 통해 배터리 저하를 늦추면서 연간 수천 마일의 주행거리를 늘릴 수 있다. 다만, 설계 복잡성을 높이기 때문에 추적 시스템의 유지관리 비용을 증가시킨다. 그렇더라도 차량 수명 전반에 걸쳐서 전력 측면의 이점이 있기 때문에 테슬라와 리비안(Rivian) 같은 자동차 회사들은 자사 차량에 이 에너지 회수 기법을 도입하고 있다.


스마트 조명
구역을 구분한 차량내 냉방과 마찬가지로, 지능형 조명 역시 운전자의 필요와 차내 상황에 따라 필요한 곳에만 조명을 비춤으로써 더 적은 에너지 소모를 통해 동일한 성능을 낸다. 뿐만 아니라 LED 조명은 백열 조명에 비해서 최대 80%까지 에너지 효율을 높일 수 있고 모션 센서와 추가적인 스펙트럼 색상을 사용해서 전력 소모를 최적화할 수 있다. 또한 스마트 조명은 필요에 따라서 조명을 최적화해서 운전자를 보조하고 안전을 높이는 역할을 할 수 있다.

지붕 태양광
EV의 까다로운 과제 중의 하나는 극한의 온도 조건일 때 EV의 성능이 저하된다는 것이다. 지붕 태양광을 도입하면 배터리를 미리 덥히거나 식힘으로써 고부하 상황에서 탄력성을 높일 수 있으며, 이 에너지를 활용해서 스마트 캐빈 서브시스템을 구동함으로써 주행 거리를 약 23% 더 연장할 수 있다. 또한 배터리 에너지 사용을 줄이므로 배터리 사용 시간을 늘리고 충전 횟수를 줄여, 궁극적으로 지속가능성 향상을 높일 수 있게 해준다.

향후 전망
스마트 캐빈은 열 관리를 향상하고, 재활용 소재의 비중을 높이며, 에너지 하베스팅과 지능형 조명을 도입하는 것과 같은 다양한 방법으로 지속가능성을 높일 수 있다. 소비자들의 인식이 높아지고, 규제가 강화되고, 기업들이 기후 목표를 발표하면서, 지속가능성은 EV 제조사들에게 점점 더 중요한 과제가 되고 있다. 이 글에서 소개한 것들 외에도, 스마트 캐빈 기술이 어떻게 자동차 산업으로 변화를 가져오고 성능과 지속가능성을 높이도록 하는지에 관한 더 많은 정보를 다음 웹사이트에서 확인할 수 있다.(https://www.mouser.com/applications/smart-cabins-change-driving/)

스마트 캐빈을 적용한 자동차가 규모의 경제 효과를 낼 수 있도록 하려면 제조사들이 차량 구매자들에게 스마트 캐빈의 친환경적 기능들에 대해 인식시킬 필요가 있다. 이를 위한 좋은 방법이 이러한 스마트 캐빈의 성능과 사용자 이점을 알리는 것이다. 라이프사이클 전반에 걸쳐서 탄소의 영향을 고려하는 것은 원료 공급에서부터 시작되어야 한다. OEM들은 여기에서 지속가능성을 높이기 위한 개발 아이디어를 얻을 수 있을 것이다. 그리고 자동차 제조사들은 디자인이 성숙함에 따라서 원료 공급사들에게까지 원가 절감의 혜택이 돌아가도록 상업적인 합의를 할 수 있을 것이다.



출처 : 전자부품 전문 미디어 디일렉(http://www.thelec.kr)

 

 

https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=23336

[기고] 전기자동차의 지속가능성을 높이기 위한 세 가지 방안 - 전자부품 전문 미디어 디일렉