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전기자동차의 에너지효율에 관한 메모. 본문

저전력, 전기요금/전기차, 스마트카 그 외

전기자동차의 에너지효율에 관한 메모.

업뎃을 안 하니 내 머릿속도 아웃데잇이 돼가서, 어떤 글을 본 김에 찾아본 것. 그 글에서 인용한 그림은 출처를 찾지 못했다. 아래 적은 내용은 간단히 생각해본 내용이므로, 틀렸을 수 있다.





아래는 환경부 2008년 자료. 위키에 인용된 것도 아마 이것 이야기인 듯.


주요국 전기자동차 보급 전략 및 사례 연구 [최종보고서(2008.11)]  / 환경부. 환경부, 2008.




같은 화석연료를 사용할 때, 전기차가 휘발유차의 두 배 에너지 효율을 낸다는 이야기.


아래 링크를 보면

http://www.fueleconomy.gov/feg/evtech.shtml#end-notes


휘발유차가 기름에서 얻는 에너지 효율을 17-21%, 전기차가 배전망에서 얻은 전기를 사용한 에너지 효율을 59-62%정도로 치고 있다. 

이 부분을 읽을 때 주의할 것. 발전소의 발전 효율이 30%대에서 50%미만인데 그 얘기는 없이 송배전이야기가 저거다(발전효율 62%인 화력발전소가 없다고 나는 알고 있으니까, 문맥상 이렇게 읽어야 할 것 같다). 그러니까, 전기차의 효율은 기름부터 바퀴 구동까지 세면, 발전소가 효율이 높을 때 기름차의 두 배 정도가 나오지만, 발전소와 송배전망의 효율이 엉망이면 기름차와 비슷하단 소리가 된다. 즉, 발전소와 송배전망이 엉망인 후진국은, 자체 발전이 아니라 국가 전력망에서 전기를 얻는 전기차는 충전 시설 부족 이전에 에너지면에서 낭비란 얘기다.


또 한 가지 링크

http://www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml

아래 그림도 이 링크에 있는 것.

휘발유차량의 에너지 변환 효율을 14~26%라고 적고 있다. 앞서의 링크와 같은 사이트지만 또 말이 다르다. 여러 가지 기준이 있는 모양이다.

다 합하면 대충 100%가 된다.


그래서,


대충 이런 얘기인 듯

완전 전기차는 트랜스미션과 차축이 필요없다. 기어가 없이 동력원(모터)이 직접 바퀴를 구동하고 다양한 속력과 토크에 직접 반응한다는 데서 높은 효율을 얻을 수 있다. 이 점에서 하이브리드차량(엔진이 주 +모터가 보조)보다 낫다.

모터와 부속 장치가 휠과 인접부에 들어가므로 그 부분이 무겁지만, 엔진과 부속장치, 엔진냉각계통도 필요없다.

대신 전기차는 배터리가 거의 반 톤 정도가 들어간다고 한다.


전기차는


발전->송전->충전->방전->모터구동->바퀴의 운동에너지


이런 단계를 거치면서 에너지가 손실된다. 여기 저기 귀동냥으로 들은 숫자를 조합하자.

발전과 송전 단계에서 40~44%정도가 남고, 충방전에서 85~90%정도가 남고, 모터가 85~90%정도를 활용한다고 치면

화석연료에서 출발해 최종적으로 운동에너지가 된 에너지 효율은 29~35% ? 전기차 상용화는 근미래 이야기므로 기술이 더 발전할 것을 생각하면, 35%가 요즘 얘기라고 쳐도 될 것 같다.



휘발유차는


엔진 -> 트랜스미션-차축 -> 바퀴의 운동에너지


단계를 거치면서 에너지가 손실된다. 여기서도 귀동냥으로 들은 숫자를 조합해보자.

엔진에서 크랭크축 운동에너지로 변환된 것이 위 그림을 참고해 28~30%라 치고, 이 운동에너지가 휠에 전달되는 데 위 그림에 따르면 100%의 10~12%가 손실된다니까 이 부분의 효율은 약 65%정도?  그럼 휘발유에서 출발해 최종적으로 운동에너지가 된 에너지 효율은 19%정도..



빠진 부분이 그 외에 있다. 이를테면 휘발유차는 연료를 쓰면서 점점 가벼워진다거나, 겨울에 엔진열을 이용해 실내온도를 올리는 데 도움을 받을 수 있다거나.. (전기차는 엔진열이 없으므로 특히 겨울 주행, 정차 중에 히터를 켤 때 배터리 전기를 써야 한다. 모터도 마찰열이 나지만 그래도 엔진만은 못할 테니까.)


전기차는 천천히 브레이크를 걸면 발전이 된다거나, 정지하는 동안 공회전이 없어 에너지를 낭비하지 않는다는 거.. 이걸 기름때는 차도 배우고 있는데 프리우스같은 하이브리드 차량이 브레이크로 발전을 한다. 그리고 엔진시동걸 때 드는 연료량을 줄이면서 그렇게 된 것인지(옛날에는 시동걸 때 소비하는 기름이 아까우니 자주 시동끄지 말라 그랬다), 정차 중 엔진스톱 기능이 하이브리드가 아닌 일반 기름차도 점점 소형차쪽에도 들어가는 분위기란다.



LED램프와 형광등 비교때와는 달리, 생각보다 효율 차이가 많이 나네.

휘발유가 주가 되고 모터가 보조가 되는 하이브리드차량의 연비 이득이 주로 도심운전 및 잦은 가감속 등 운전습관에 힘입은 바가 크다는 걸 생각하면, 이건 확실히 한 급 위다.



여기서 한 가지 더. 

여기까지 오면

그럼 중간단계로, 일부 전기추진식 선박에서 하듯이

자동차 안에 구동계통에 연결되는 엔진은 없이 가장 좋은 연비로 화석연료 발전기를 돌리고 이 전기를 직접 모터에 주거나 배터리를 충전한다면? 가능하면 가장 높은 에너지 효율을 얻기 위해 발전기는 등속운전.

-> 그 발전기나 그 발전기로 충전된 배터리의 출력을 전기차를 구동하는 모터 에너지로 활용할 경우는 어떻게 될까.

* 발전기의 최대 전류 출력은 차량의 평균 최대주행속력을 낼 때 모터가 필요로 하는 전기를 감당할 수 있어야. (추월할 때처럼 일시 가속해 힘이 더 필요할 때는 모터는 발전기 전류와 배터리 전류를 같이 받는다고 가정)

 


위의 비교에서, 휘발유차가 효율이 낮은 이유는 엔진과 미션에서 열로 나가는 게 많기 때문이다. 이 둘을 더 개량해내면 좋겠지만(그리고 그럴 여지가 있을 것 같다) 지금 당장 그럴 방법이 없다고 가정한다면,

그냥 구동계를 완전 전기차것으로 가져오고

전기차의 배터리 대신 소형 화석연료 발전기와 소형 배터리로 대체하자는 이야기.

이를테면 450kg 짜리 배터리 대신, 40kg짜리 소형 발전엔진과 50리터넣고 60kg짜리 연료통, 100kg짜리 배터리를 달면 말이다.


이건 플러그인 하이브리드(PHEV)와 비슷하지만, 구동계통에 엔진이 연결되지 않고 엔진은 순수 발전용이라는 점에서 PHEV와는 다르다. 

그냥 전기차에서 통짜배터리대신 발전모듈과 소형배터리를 달았다 치면 될 형태. 원시적인 연료전지차랄까.

따라서, 엔진도 굳이 자동차용 피스톤 엔진일 필요가 없다.


이 차량의 에너지효율은 어떨까. 

소형발전기 발전 효율이 대형발전소만은 못할 테니까 44%는 너무하고 잘 해서 35%를 낸다고 가정하고, 차량 안이니 송배전손실은 없다고 가정하자.

나머지는 앞서의 전기차처럼 충방전 효율 85~90%, 모터효율 85~90%라고 집어넣으면

총 에너지 효율은 25~28%가 된다. 전기차와 휘발유차의 중간 정도.


만약 발전효율이 30%라면 21~24%로 장거리 주행시 에너지 효율은 완전전기차만한 메리트는 없다. 그래도 어느 것이든 전기차의 다른 이점과, 프리우스같은 하이브리드차의 이점은 다 누릴 수 있고, 완전전기차와 달리 서울-부산을 충전없이 갈 수 있고, 전기플러그꽂을 걱정 없이 주유소를 이용할 수 있다. (즉, 자동차 충전 인프라같은 거 없어도 그만이란 소리다)

그리고, 평균최대 주행속력으로 달릴 때는 발전기에서 모터로 바로 전류를 줄 테니까  충방전 손실 없음.



2014. 5.10. 추가


수소연료전지차


초소형 디젤이나 가스터빈으로 휘발유발전해서 충방전, 모터로 가는 차가 나와 있는 지는 모르겠지만, 수소 연료전지로 발전한다 생각하면 이것이 수소연료전지차의 원리다. 그리고 수소연료전지발전일 경우 발전효율은 운동에너지를 이용한 발전보다 높다고 하니 위의 숫자놀음보다 효율이 더 좋다는 이야기. 그리고 한 번 넣고 달릴 수 있는 주행거리가 길다.


하지만 수소연료전지차는 그거대로 난관이 있는 모양이다. 전기차의 약점이 배터리(전기저장용기)라면 수소연료전지차의 약점은 수소저장용기라고. 투싼이 테슬라보다 비싸다니. (에너지 효율 비교는 각각 원유나 천연가스에서 시작하는 걸로 해서 새로 계산해야 하겠지만 뒤지지는 않는 모양이니 개발을 하겠지. 그리고 연료전지는 알콜기반도 있지만 수소분자 기반일 경우 화석연료에 의존하지 않게 된다는 상징적인 장점이 있다) 작년 12월 모 잡지 기사를 보면, 현대차, 혼다, 도요타 3사는 근미래에 미국에서 수소연료전지차를 싸게 팔 거라고 발표. 기대하는 주행거리도 길다.


수소연료전지차 관련 간단히 찾아본 링크: 작년, 올해, 또 하나. 수소연료전지차는 기름이나 LPG/CNG대신 수소를 먹기 때문에, 수소충전소를 이용해야 한다. 그런데 수소충전소는 아직 흔하지 않으므로, 비싼 값은 둘째치고, 일단 거주지나 직장이 가깝지 않으면 아직은 이 차량은 쓰기 힘들다.



2016.

초기에는 엔진대신 모터 동력을 미션에 전달했지만, 그 뒤에는 내연기관과 모터를 둘 다 가지고 있으면서,  전기모터 겸 발전기를 휠에 넣어서, 전기모터구동 주행할 때 미션과 엔진을 동력전달계에서 분리하는 아이디어도 몇 년 전에 나왔다. 


동력면에서, 발전만 하면 된다는 가정 하에 발전용으로 특화한 소형 피스톤 엔진, 아예 터빈 엔진을 만들어보려는 시도도 계속되고 있다. 궁극적인 종착역은 알콜이나 휘발유나 디젤유를 직접 사용하는 연료전지겠지만(지금 연료전지차는 현대가 수소에 집중하고 있다. 알콜이나 기름을 사용하는 휴대형 연료전지, 소형 연료전지 발전기 자체는 상용화되고 있다고 하지만 웬지 자동차용으로는 소식이 없는 듯)



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