경량화: 배출전쟁의 열쇠인가, 골칫거리인가

배출저감 위한 전기차 시대의 퍼포먼스 확보 로드맵

글│프로스트앤설리번(Frost & Sullivan)
2016년 11월호 지면기사



자동차의 중량은 연비, 운동성과 직결된다. 이산화탄소, 질소산화물 등 자동차의 배출에 대한 규제가 갈수록 엄격해지고 있다.
시장에서는 SUV와 같은 모델스타일, 각종 안전, 편의, 다이내믹을 위한 장치의 추가가 요구된다. 이 모든 규제와 니즈에 대응하려면 신소재를 통해 중량을 저감하고 막대한 비용을 감당할 방법을 마련해야만 한다. 장기적인 경량화 전략이 요구된다.

 


경량 소재와 디자인은 몇몇 산업에서 언제나 제품 디자인의 중요 영역이었다. 경량 콘셉트는 ‘드라이빙 다이내믹스’가 최대 고려사항으로 여겨지는 자동차 산업뿐만 아니라 항공산업과 같은 다른 산업, 제품 디자인의 핵심 중 하나로 대형 회전 부품이 꼽히는 부분에서 그 중요성이 강조돼 왔다.

자동차 디자인에서 경량화는 구름저항을 극복하는데 에너지를 덜 소모하는, 즉 연료를 덜 쓰고 가속하는 데에 중점을 둬 왔다.
연료소모, 배출, 차량 무게는 서로 연결돼 있다. 그리고 시간이 흐르면서 CO₂ 배출저감과 자원 효율성에 대한 글로벌 트렌드가 이 경량화의 중요성을 더욱 증폭시키고 있다.


100kg 감량해 배출 8g 저감


특히 BMW의 프로젝트 i 는 최근의 이런 트렌드에 대한 매우 중요한 사례가 되고 있다. 전기차에 대한 BMW의 프로젝트 i의 구조는 중량을 절감하고 드라이빙 다이내믹스를 향상시키는데 상당량의 탄소섬유를 포함시킨다.

이 외에도 다른 많은 효율성 향상 솔루션들이 대거 소개되고 있다. 예를 들어 4개 피스의 메탈 파트 대신 원피스 탄소섬유 펜더의 사용은 30%의 무게 절감 및 60%의 작업비용 저감이란 결과를 낸다. 엔진 헤드 내의 배기 매니폴드의 통합은 관련 컴포넌트 수를 줄이면서 엔진 중량을 줄인다. 또 다른 핵심 사례로는 알루미늄 사용을 크게 확대한 포드가 있다. 포드는 최신 세대의 트럭에서 총중량을 대략 300파운드(136 kg) 줄여 22%의 결합연비 증대를 이끌어냈다.

경량화는 다양한 산업에 영향을 미치지만 이처럼 자동차 산업에서 배출과 함께 강력한 영향을 미치고 있다. 프로스트앤설리번의 분석에 따르면, 100 kg의 차량 중량 저감은 약 8 g/km의 CO₂ 배출 저감을 끌어낼 수 있다.

 




배출목표


CO₂ 배출과 연관된 규제는 차량의 중량 저감을 강제하고 있다. 많은 국가가 따르는 이 CO₂-중량 기반 배출 규제는 CO₂ 배출 타깃과 관련해 심각한 문제들을 야기하고 있다.

유럽의 플릿 배출 제한은 한계곡선을 사용해 설정된다. 이 곡선은 플릿 평균이 기준을 충족하는 동안 OEM이 더 높은 배출차량의 생산을 가능하게 해준다. 그런데 이 중량 기반 기준은 가솔린 엔진에 대해 편파적이다. 평균적으로 가솔린 엔진은 디젤에 비해 50 kg 정도 가볍지만, 디젤로부터의 CO₂ 배출이 가솔린 엔진보다 낮기 때문에 단기적으로 가솔린 엔진의 향상보다는 가솔린에서 디젤 엔진으로의 판매 이동을 더 매력적으로 만든다. 이 때에 부정적인 것은 디젤 차량이 가솔린보다 질소산화물(NOx)을 더 많이 배출한다는 것이다. 유로6 디젤 조차도 이에 대응되는 가솔린에 비해 더 많은 NOx를 배출한다.





유럽의 플릿 배출 목표는 2015년 130 g/km, 2021년 95 g/km로 설정돼 있다. 이는 2007년의 평균인 158.7 g/km와 비교해 18%, 40% 저감해야한다는 것을 말한다. 즉 연료분사 기술들과 유사한 에너지 효율성 향상 기술, 질소산화물 저감장치와 같은 것들이 차량의 파워트레인에 추가돼 중량과 패키지 이슈 등의 문제로 이어진다. 결국 이것은 높은 CO₂ 배출과 싸우고 있는 영국, 프랑스, 독일과 같은 선진국에서 소비자 입장의 기존 모델에 대한 2020년도의 차값 문제를 야기한다.


강력한 배출 테스트 사이클


유럽의 배출 테스트는 현재의 연비측정 방법인 NEDC(New European Driving Cycle)의 실효성에 문제가 많다고 보고 실제 도로주행과 유사한 상황에서 배출가스 데이터를 인증하는 WLTP((Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures), 나아가 실제 도로상황에서 측정하는 RDE(Real Driving Emissions) 모드로 이행하고 있다. 이 역시도 파워트레인 중량 증가란 부정적인 영향을 미치고 있다. 유럽은 2017년부터 WLTP, RDE를 도입해 2020년부터 적용할 예정이다.




파워트레인의 전기화


플릿의 배출 목표 달성을 위해 모든 OEM은 추가적인 배터리 중량, 관리시스템, 모터 등으로 전통적인 내연기관보다 더 무거운 하이브리드 카를 전개할 수밖에 없다. 이는 하이브리드의 파워와 퍼포먼스를 내연기관과 경쟁할 수 있도록 경량화 전략을 펼칠 수밖에 없게 만든다. 2016년 약 280만 대 규모의 전기차 시장은 2025년까지 1,400~1,500만 대 규모가 될 전망이다. 이중 하이브리드는 53.4%로 전체 전기화 차량의 절반 이상을 차지할 전망이다. 전기차 비중은45.7%로 예상된다. 이같은 기록적인 증가가 배터리와 모터 중량의 추가적인 경량화 전략을 수반한다.


SUV 바디스타일


SUV 바디스타일의 차량은 모든 세그먼트에서 빠르게 성장하고 있는 타입이다. SUV 바디스타일 차량은 현재 전체 차량 판매의 26%를 차지하고 있는데, 2025년까지 31%를 점유할 것으로 보인다. 이같은 트렌드는 SUV 스타일이 일반 세단 등에 비해 무겁기 때문에 OEM에게 추가적인 경량화의 부담이 될 것이다.

OEM이 플릿의 평균 배출 목표를 달성하기 위해서는 SUV 바디스타일 선호란 현재의 소비자 요구에 대응하는 동시에 배출에 대한 규제 압박과 늘어난 비용 문제를 동시에 해결해야만 한다.




도시화와 저배출 지역


세계적으로 대도시 시정부는 시민의 건강증진을 목표로 도심에 저배출, 무배출 지역을 설정해 자동차 산업을 압박하고 있다. 대표적인 예가 런던의 초저배출 지역(ULEZ)이다. ULEZ를 고려하면 OEM은 2020년까지 현재보다 NOx 배출을 49% 저감해야만 한다.



대체 소재의 비용


탄소섬유, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐과 같은 대체 소재의 비용은 차값 책정과 볼륨 결정에 중대한 역할을 하는 요소로서 OEM의 큰 고민거리가 되고 있다. 비용효과 외에도 엔진과 그 외 부분에 대한 소재와 프로세스 그룹의 기술, 개발 및 적용 기간은 소재의 대체, 전환에 있어 핵심적인 부문이다.



2020년의 프리미엄 세단의 경우 현재와 비교해 BIW에서 61 kg, 파워트레인에서 40 kg, 섀시에서 55 kg을 저감해 현재의 총중량 1,515 kg을 1,360 kg으로 낮출 수 있을 것으로 보인다.

이처럼 다양한 요소가 OEM이 대체 애플리케이션을 고려하고 대체 소재와 재디자인이 제공하는 중량 저감의 기회를 찾도록 하고 있다. 경량화는 단기적으로 가혹한 CO₂ 배출 목표 클리어를 위한 양날의 검으로 간주되지만, 배터리의 대량생산에 의한 전기화, 하이브리드화, 수소화로만 가능한 2025년 이후의 장기적인 CO₂ 배출 클리어를 목표로 한다면 큰 도움이 될 수 있다.

파워트레인 중량, BIW에 대한 현재의 경량화전략은 OEM의 하이브리드와 전기차의 중량 저감, 민첩성 증대에 기여할 것이다. 따라서 경량화는 차량의 구동력, 퍼포먼스를 강화하면서 장기적으로 CO₂ 배출을 방지하기 위한 OEM의 주요 전략이 될 것이다. 

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