전기 상용차가 가져올 혜택과 기회

버스, 건설 차량, 쓰레기 수거차, 소형 밴 등 상용차가 승용차 보다 훨씬 많이 운행되고 있습니다. 또 대형 트럭과 트랙터 같은 농업용 차량도 있습니다. 이들 차량의 대부분은 여전히 디젤 같은 화석 연료로 구동됩니다. 상업용 차량은 승용차보다 훨씬 더 많은 연료를 소모합니다. 그런데 석유 같은 화석 연료는 무한하지 않습니다. 그리고 또 공기 오염의 주범이기도 합니다. EU에서는 상업용 차량이 교통으로 발생하는 이산화탄소 배출량의 25 퍼센트를 차지하며, 총 온실가스 배출량의 5 퍼센트를 차지합니다.

이러한 상황은 앞으로 더 심각해질 것입니다. UN은 2050년에 전세계 인구가 98억 명으로 증가할 것이라고 합니다. 이 많은 사람들이 A 지점에서 B 지점으로 이동해야 할 것이고 생필품을 필요로 할 것입니다. 더 많은 식량을 재배해야 할 것이고, 더 많은 건물을 지어야 할 것입니다. 따라서 상업용 차량이 늘어날 것이고, 이는 다시 더 많은 온실 가스 배출과 소음으로 이어질 것입니다. 미래에는 70퍼센트의 인구가 도시에 거주할 것이며, 상황은 더욱 악화될 것입니다. 결과적으로, 환경을 보호하고 시민의 건강을 지키기 위해서 갈수록 더 많은 도시에서 내연 엔진 차량을 금지하게 될 것입니다.

그 자리를 전기 구동 버스, 트럭, 트랙터, 굴착기가 대신할 것입니다. 전기 차량은 화석 연료를 필요로 하지 않고 온실 가스도 배출하지 않습니다. 이미 전기 상용차가 운행되고 있으며, 앞서가는 나라들도 있습니다. 특히 중국은 전기 버스 사용을 선도하고 있습니다. 중국은 전기 상용차가 가져올 기회와 혜택을 잘 인식하고 있습니다. 하지만 극복해야 할 과제들 또한 존재합니다.

전기 상용차는 디젤이나 가솔린 대신에 전기로 구동됩니다. 버스, 밴, 트럭, 콤바인이나 트랙터 같은 농업용 차량, 굴착기나 휠로더 같은 건설 장비도 모두 전기로 구동할 수 있습니다. 차량 구동 에너지는 온보드 배터리에서 공급되며, 배터리는 전력망에서 충전됩니다. 전기 승용차와 마찬가지로, 전기 모터가 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 전기 시스템의 핵심 부품 중 하나는 네트워크에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터입니다. 그리고 인버터는 배터리의 직류를 차량을 구동하는 데 필요한 교류로 변환합니다.

그런데 상용차에서 전기화할 수 있는 것은 구동뿐만이 아닙니다. 장비, 에어컨 시스템, 상부구조와 부속품 까지도 전기화할 수 있습니다. 하이브리드 모델의 경우, 이러한 것들을 구동하기 위한 전력의 일부는 내연 엔진에서 공급하며, 전기 구동은 피크 부하를 처리하기 위해서 필요한 추가적인 토크를 제공합니다.

전기화의 중요성은 점점 커질 것입니다. 2016년 파리 기후 협약에서는 기후 변화에 대처하기 위해서 야심찬 목표를 세웠습니다. 2050년까지 차량에서 발생하는 배기가스를 제로로 만든다는 것입니다. 그러기 위해서는 세계 모든 나라가 배기가스 배출을 감축해야 합니다. 미국, 캐나다, 중국, 일본, 인도 같은 나라들은 이미 상업용 차량에 대해서 감축 목표를 지정하였습니다. EU도 그 뒤를 따르고 있는데, 2030년까지 중장비 상용차의 평균 CO₂ 배출량을 2019년 수준보다 최소 30퍼센트 감축한다는 목표입니다.

전기 상용차의 유익한 점은, 무엇보다도 화석 연료를 소비하지 않고 CO₂를 배출하지 않습니다. 더 나아가서 신재생 에너지원에서 생산된 전기를 사용한다면 완벽하게 청정합니다. 또 다른 이점은, 전기 구동은 더 적은 부품들로 이루어지고 특히 회전 부품이 적다는 것입니다. 그러므로 고장이 적고 수리를 받을 일이 줄어들어 차량 유지비를 줄일 수 있습니다. 또한 전기차는 설계가 덜 복잡하므로 더 컴팩트하게 만들 수 있습니다. 또 다른 이점은, 내연 엔진 차량보다 소음이 적고, 더 효율적입니다. 더 강력하게 가속할 수 있으며 전기 제동 시 상당한 에너지를 회수할 수 있습니다.

구동 장치 외에 다른 장치들도 전기화할 수 있습니다. 내연 엔진을 사용하는 상업용 차량은 내연 엔진이 유압식 펌프, 톱, 회전 브러쉬, 베일러, 회전 장비, 에어컨디셔닝 컴프레서 같은 보조 장치들까지 구동합니다. 이러한 장치들을 구동하기 위한 전력은 엔진 속도와 연관됩니다. 그런데 유압식 구동이 아니라 전기 구동을 사용하면 보조 장치들의 효율을 높일 수 있습니다. 이러한 장치들을 개별적으로 구동할 수 있고 더 높은 전력으로 구동할 수 있기 때문입니다.

베르너 폰 지멘스(Werner von Siemens)가 전기차의 선구자라고 할 수 있습니다. 그가 최초로(1867년에) 전기 발전기를 발명함으로써 자동차를 전기화할 수 있었습니다. 그리고 1882년에는 세계 최초의 상업용 전기차이자 트롤리버스의 전신이라고 할 수 있는 Electromote를 개발했습니다. 이것은 1881년에 구스타브 트루베(Gustave Trouvé)가 개발한 배터리 구동 삼륜차에 이어서 역사상 두 번째 전기차였습니다.

지멘스의 자동차는 베를린 교외에서 540미터 길이의 시험 선로에서 가공 전력선(overhead line)에서 전기를 받아서 작동되었습니다. 18년 후에는 이 방식이 파리에서 정규적인 대중 교통의 일부로 도입되었습니다. 더불어서 베를린과 비엔나 같은 다른 도시에서도 가공 전력선을 사용하지 않고 배터리로 구동되는 다양한 모델의 버스들을 도입했습니다. 그런데 이들 차량은 기술적 어려움 때문에 얼마 되지 않아서 운행이 중지되었습니다.

1900년대 초부터 1920년대까지 잠깐 동안은 주로 독일의 지방 및 도시들에서 일부 소방차와 쓰레기 수거차를 전기로 구동했습니다. 또한 다양한 하이브리드 차종이 등장했습니다. 그런데 가솔린이나 디젤 같은 화석 연료가 전기보다 더 저렴하고 또 전통적 구동 방식 트럭이 더 힘이 셌기 때문에, 얼마 지나지 않아서 전기 상용차는 개발이 중단되었습니다. 단 하나 예외가 있었습니다. 독일 우체국에서 1960년대까지도 전기 밴을 사용했던 것입니다. 다만 주행 거리는 30킬로미터가 채 되지 않았습니다.

전기 버스는 21세기에 들어서면서 새롭게 부흥기를 맞고 있습니다. 처음에는 소규모로 도입되었으나, 지금은 숫자가 점점 늘어나고 있습니다.

현재로서 가장 큰 비중을 차지하는 전기 상용차는 대도시에서 운행되는 전기 버스입니다. 전기 버스 제조에 있어서 가장 앞서 있는 나라가 중국입니다. 스페인, 프랑스, 미국에서도 전기차를 생산하고 있으며, 독일 회사들도 뒤를 따르고 있습니다. 다른 상업용 전기차는 개발이 좀더 더디게 이루어지고 있습니다. 잘 알려진 유럽 회사들이 모든 유형의 대형 트럭을 생산하고 있지만, 초기라서 소량으로만 생산하고 있습니다.

중국은 전기 버스에 있어서도 훨씬 앞서고 있습니다. Bloomberg New Energy Finance (BNEF)에 따르면 전세계적으로 도로 상에서 385,000대의 전기 버스가 운행되고 있으며, 이 중에서 중국이 99퍼센트를 차지합니다. 유럽에서는 네덜란드가 전기 버스에서 앞서 있습니다. 암스테르담의 스키폴 공항은 유럽에서 가장 규모가 큰 전기 버스 차량군으로서 258대의 버스를 운행하고 있습니다. 전기 버스를 사용해서 승객들을 비행기로 또 가까운 지역들로 실어나릅니다. 현재 네덜란드에서는 1,000대 이상의 전기 버스가 운행되고 있습니다. 이 숫자가 5년 안에 20퍼센트까지 증가할 것으로 예상됩니다.

다른 나라들에서도 전기 버스를 사용하고 있습니다. 스위스의 유명 휴양지인 체어마트에서는 1988년부터 자동차가 금지된 타운 센터 안에서 전기 버스를 사용해서 스파 손님들을 실어나릅니다. 2002년에는 제노바와 토리노 사이의 노선에 전기 버스가 도입되었습니다. 독일에서는 브라운슈바이크 시에서 2014년부터, 뮌스터와 베를린에서 2015년부터 전기 버스를 운행하고 있습니다. 현재 독일 전역에서 676대의 전기 버스가 운행되고 있습니다. 하지만 이 숫자는 빠르게 늘어날 것으로 보입니다. 3,100대의 전기 버스를 추가로 도입할 계획이기 때문입니다. 미국의 캘리포니아주에서는 스쿨 버스를 전기로 운행합니다. 런던은 2013년부터 전기 버스를 도입하고 있으며 2037년까지 모든 버스를 전기 버스로 교체할 계획입니다.

전기 트럭은 현재 주로 도심지에서 배달이나 택배 서비스 같은 용도로 사용되고 있습니다. 이러한 차량은 먼 거리를 운행하지 않기 때문입니다.

건설 분야와 농업 분야에 사용되는 휠 로더와 자체 추진 사료 배합기 같이 장비들 역시도 전기 모델이 점점 많아지고 있습니다. 트랙터 업체들은 조만간 출시할 생각으로 전기 모델을 개발하고 있습니다. 덤프 트럭이나 시멘트 믹서 같은 대형 건설 차량도 이미 전기로 구동되고 있습니다. 스위스에서는 Lynx 덤프 트럭이 사용되고 있습니다. 이 트럭은 채석장에서 계곡으로 바위를 운반하고 있습니다. 이 트럭은 최대로 적재했을 때 무게가 123톤에 달합니다. Lynx 트럭은 계곡을 달려내려 가는 동안에 다시 올라갈 때 쓸 수 있는 충분한 전기를 생산합니다. 휠 로더인 John Deere의 944와 Caterpillar의 D7E는 현재로서 전기 파워트레인을 사용한 가장 대형 건설 장비입니다. 둘 다 하이브리드 모델입니다.

현재 전기 버스나 전기 트럭 같은 전기 상용차는 한 번 충전으로 200~300킬로미터를 주행할 수 있습니다. 주행 거리는 속도나 히터 및 에어컨 사용 여부에 따라 차이는 있습니다. 그런데 배터리 용량이 향상되고 충전 기술이 발전함에 따라서 주행 거리는 점점 늘어날 것입니다. 이와 관련해서 미국 회사인 Proterra가 기록을 세웠습니다. 전기 버스인 Catalyst E2 Max가 한 번 충전으로 거의 1,800킬로미터를 주행한 것입니다.

장거리 트럭을 전기화하는 문제는 여전히 깨기 어려운 숙제입니다. 이러한 차량은 크고 무거운 배터리를 필요로 합니다. 이 문제에 대해서 생각할 수 있는 한 가지 해결책은, 가공 전력선(overhead line)으로 트럭에 전력을 공급하는 것입니다. 전기를 사용해서 트럭을 구동하면서 동시에 배터리를 충전할 수 있습니다. 가공 전력선을 거미줄처럼 뒤덮을 필요 없이, 고속도로의 일부 구간에서만 사용할 수 있으면 됩니다. 스웨덴에서는 2016년부터 도로에 팬터그래프(pantograph)를 장착한 트럭들이 운행되고 있습니다. 독일에서도 우선 2018년 말에 슐레스비히-홀스타인 지역에서 이 컨셉을 테스트하고, 2019년부터 프랑크푸르트와 다름슈타트 사이의 고속도로 구간에서 테스트할 예정입니다.

장거리를 주행하기 위한 또 다른 해결책은 연료 전지를 사용하는 것입니다. 여러 업체들이 이미 테스트 차량을 개발하고 있습니다. 차량 하부에 여러 개의 수소 탱크를 장착할 수 있으며, 이러한 수소 탱크는 같은 거리를 주행할 수 있는 배터리보다 무게가 덜 나갈 것입니다. 하지만 현재로서는 충전소가 너무 적습니다.

또한 장거리 트럭의 CO₂ 배출을 줄이기 위한 여러 다른 방안들이 시도되고 있습니다. 그 한 가지 대안이, 플래투닝(platooning, 군집주행)이라고 하는 기술입니다. 이것은 자동화되고 네트워크화된 트럭들이 질서정연하게 대열을 이루어서 운전하는 것입니다. 이렇게 함으로써 교통 흐름을 좋게 하고, 연료를 절약하고, 이산화탄소 같은 온실 가스 배출을 줄일 수 있습니다. 북미 화물 효율화 위원회(NACFE)의 계산에 따르면, 플래투닝을 함으로써 연료 소비를 차량 한 대당 최대 10퍼센트까지 줄일 수 있다고 합니다.

현재로서 전기 버스, 트럭, 여타의 상업용 전기차는 내연 엔진 차량 대비 단점도 있습니다. 무엇보다도 전기차는 가격이 더 비쌉니다. 또 한번 충전으로 내연 엔진 차만큼 멀리 주행하지 못합니다. 그래서 전기 버스는 주로 도심지에서만 운행되고 있습니다. 주행 거리를 늘리기 위해서는 용량이 더 큰 배터리가 필요할 것입니다. 또 버스와 트럭 충전 시간이 연료를 주입할 때보다 더 오래 걸리고, 충전 인프라도 아직 충분하지 않습니다. 디젤 구동 트럭은 아무 주유소에서나 연료를 주입할 수 있으나, 전기 트럭 운전사는 먼저 충전을 할 수 있는 충전소를 찾아야 하고 거기까지 가야 합니다.

상업용 차량은 전기 승용차와는 또 다른 과제들을 해결해야 합니다. 상용차는 더 무겁기 때문에 시동을 걸기 위해서 더 큰 용량의 강력한 배터리가 필요합니다. 또 승용차보다 더 견고해야 합니다. 건설이나 농업에 사용되는 상업용 차량은 강한 진동 등에 노출되기 때문입니다.

가다 서다를 반복하는 운전은 전기 버스가 직면한 또 하나의 과제입니다. 다시 말해서 제동과 가속을 더 빈번하게 하는 것입니다. 인피니언의 전력 반도체 전문가인 마틴 슐츠 박사에 따르면, 전기 버스는 매일 평균적으로 10시간, 최소 100킬로미터로 긴 거리를 오래 운전합니다. 이와 비교해서 승용차는 평균 한 시간 이상 최대 50킬로미터밖에 운전하지 않습니다. 상업용 차량에 사용되는 부품의 라이프 사이클은 대략 60,000 시간인데, 승용차에 사용되는 부품의 경우는 8,000 시간입니다. 또한 버스가 자신의 수명 동안에 운전하는 총 거리가 훨씬 더 깁니다. 버스는 통상적으로 1백만 킬로미터 이상인데 승용차는 최대 20만 킬로미터에 불과합니다. 이러한 모든 점들이 차량에 사용되는 전력 반도체에 영향을 미칩니다. 따라서 반도체 부품이 더 견고하고 내구성이 좋아야 합니다.

전기 버스의 또 다른 과제는 편의성에 대한 요구입니다. 배터리 전력을 사용해서 난방이나 냉방을 하면 가능한 주행 거리가 줄어들 것입니다. 따라서 이러한 차량들에 더 강력하고 용량이 큰 배터리가 필요합니다. 그렇지 않으면 온도 조절을 위한 더 혁신적인 솔루션을 찾아야 합니다.

특히 전기 버스에 중요한 과제는 배터리를 충전하는 것입니다. 전기 버스를 충전하는 동안에는 운행을 할 수 없습니다. 그런데 또 전기 버스는 몇 시간 동안이나 운행을 멈추고 있을 수 없습니다. 배터리가 용량이 클수록 한번 충전으로 더 먼 거리를 운전할 수 있습니다. 하지만 그렇게 하려면 버스의 용량, 다시 말해서 태울 수 있는 인원 수가 줄어들 것입니다. 배터리 무게가 무거워지기 때문입니다. 차가 무거워지면 더 많은 에너지를 필요로 합니다.

그렇기 때문에 자동차 회사와 협력사들은 배터리와 충전 기술을 더 효율적으로 만들기 위해서 애쓰고 있습니다. 마틴 슐츠 박사는 어떻게 하면 아주 짧은 시간에 배터리에 수백 킬로와트시에 달하는 에너지를 충전할 수 있을지 연구하고 있습니다. 여기에는 여러 가지 접근법이 있으며, 각기 장단점이 있습니다.

한 가지 가능한 방법은, 정류소에서 승객들이 타고 내릴 때 짧게짧게 배터리를 충전하는 것입니다. 그러면 용량이 작은 배터리를 사용할 수 있습니다. 하지만 이렇게 하면 짧은 시간에 많은 전기를 주입해야 하기 때문에, 배터리에 큰 부담을 줍니다. 또 다른 방법은, 버스 노선 중간이나 끝에 충전소를 설치하고 버스가 한 30분 가량 머물면서 충전을 할 수 있도록 하는 것입니다. 그러기 위해서는 버스 기사가 어떻게든 그러한 짬을 낼 수 있도록 일정을 조정해야 할 것입니다. 또 다른 방법은, 차고지에 충전 인프라를 설치하는 것입니다. 그러면 버스 배터리를 밤새 충전할 수 있습니다. 이 방법의 장점은, 새로운 충전소가 필요하지 않고 배터리에 천천히 부드럽게 충전할 수 있다는 것입니다. 하지만 그러려면 용량이 큰 대형 배터리가 필요합니다. 중국의 일부 전기 버스는 “배터리 교체” 시스템을 사용하기도 합니다. 빈 배터리를 특정 장소에서 새로이 충전된 배터리로 교체하는 것입니다.

또 다른 어려운 문제로, 전기 상용차 충전에 사용되는 시스템에 대해서 국제 표준이 존재하지 않습니다. 유럽과 북미 지역에서는 중국이나 일본과 다른 시스템을 사용합니다. 현재 다양한 가능성을 테스트하고 논의하고 있습니다. 어떤 시스템이 표준이 될지는 여전히 확실치 않습니다. 하지만 어떤 시스템이 되었든 우수한 성능의 전력 반도체를 필요로 합니다.

인피니언은 전기 상용차를 구현할 수 있도록 여러방면으로 지원하고 있습니다. 상업용, 건설용, 농업용 차량 부문의 지원 분야는 밴과 버스뿐만 아니라 농업용 기계, 대형 건설 차량을 포함합니다.

가장 중요한 목표는 전세계적으로 대중 교통을 전기화하며 CO₂ 배출을 줄이는 것입니다. 그런데 상업용 차량 전기화에 필요한 전력 반도체에 대한 각기 다른 다양한 요구들을 충족한다는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 중요한 요구 중의 하나는 전자 부품에 요구되는 동작 수명입니다. 또한 많은 상업용 차량은 혹독한 조건에서 작업해야 하는데, 심한 진동이 특히 중요한 문제입니다. 버스를 진동으로부터 보호해야 하는 것은 당연하며, 특히 대형 건설용 차량이 비포장 도로나 채석장을 오갈 때는 더 그럴 것입니다. 그렇기 때문에 인피니언은 견고성을 높이고 엄격한 요구를 충족하는 반도체를 개발하고 있습니다. PrimePACK™과 EconoDUAL™ 3 같은 전력 모듈은 대형 상업용 차량에 가해지는 혹독한 부담과 진동 같은 기계적 스트레스를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어, 인피니언 제품을 사용하여 지극히 까다로운 애플리케이션을 위한 컴팩트하면서 신뢰성 높은 인버터 시스템을 구현할 수 있습니다.

배터리 용량과 수명을 향상시키는 것 또한 중요한 과제입니다. 배터리는 자동차에서 많은 공간을 차지하며 상당한 비용 요인입니다. 그러므로 가용 용량을 최대한 활용하기 위해서 극히 효율적인 전력 반도체가 필요합니다. 인피니언은 실리콘 카바이드(SiC) 같은 첨단 소재에 기반한 최신 부품을 공급하여 더 효율적인 상용차를 개발하고 주행 거리를 늘릴 수 있도록 하고 있습니다.

하지만 이러한 목표를 달성하기 위해서는 차량 자체뿐만 아니라 충전 인프라 역시 향상되어야 합니다. 인피니언은 충전을 더 빠르고 효율적으로 할 수 있도록 연구하고 있습니다. 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN) 같은 소재는 이전보다 더 작고 더 효율적인 부품을 개발할 수 있도록 합니다. 현재 최대 350kW까지 충전 성능이 향상되었으며, 따라서 배터리를 충전하기 위해서 오래 기다려야 하는 것은 조만간 과거의 일이 될 것입니다.

앞으로는 도로에서 전기 상용차를 점점 더 흔하게 볼 수 있을 것입니다. 맥킨지의 조사에 따르면, 2030년에 밴이나 트레일러 트럭 같은 전기 트럭이 전체 시장의 약 15퍼센트를 차지할 것이라고 합니다. 또 중국과 유럽 도시에서 소형 상용차는 점유율이 35퍼센트에 달할 것이라고 합니다. 또한 시장조사 회사인 BNEF (Bloomberg New Energy Finance)의 전망에 따르면, 2040년에 전세계 도시에서 전기 버스의 비중이 80퍼센트에 이를 것이라고 합니다.

또 다른 경향이 이러한 추세를 가속화할 것입니다. 트럭이 자율적으로 운전할 수 있게 되면, 예를 들어 다른 트럭들과 네트워크로 연결되면 트럭들이 대열을 이루어서 운전하여 에너지를 절약할 수 있습니다. 또한 배터리가 향상되고 가격은 낮아지면서 충전 시간이 단축되고 주행 거리는 점점 늘어날 것입니다. 다임러 트럭이 이와 관련해서 몇 가지 계산을 했는데, 전기 트럭의 배터리 가격이 1997년 대비 2025년에 60퍼센트 떨어질 것이라고 합니다(€500/kWh에서 €200/kWh로). 또한 이 기간에 에너지 밀도는 80Wh/kg에서 200Wh/kg로 높아질 것이라고 합니다.  친환경적이고 효율적인 구동 기술이 제공하는 모든 이점과 더불어서, 배터리 효율이 높아지고 더 빠르게 충전할 수 있게 될수록 매력적인 전기 상용차가 출시될 것입니다.

마지막 업데이트: 2021년 7월