전기차가 가솔린차보다 크게 에너지효율이 좋은 이유

by CHUTTERSNAP https://unsplash.com/photos/xJLsHl0hIik

전기차와 가솔린차의 차이는 단순히 모터를 움직이는데 사용되는 것이 전력이냐 가솔린이냐는 점뿐만 아니라 에너지효율에서도 큰 차이가 있습니다. 실은 전기차의 에너지효율은 가솔린차에 비해 놀라울 정도로 높은데 그 이유에 대해 예일대학의 기후에 관한 홍보 사이트 Yale Climate Connections가 정리했습니다.

Electrifying transportation reduces emissions AND saves massive amounts of energy > Yale Climate Connections
https://yaleclimateconnections.org/2022/08/electrifying-transportation-reduces-emissions-and-saves-massive-amounts-of-energy/

Electrifying transportation reduces emissions AND saves massive amounts of energy » Yale Climate Connections

Electric Vehicles Are Way, Way More Energy-Efficient Than Internal Combustion Vehicles
https://www.motortrend.com/news/evs-more-efficient-than-internal-combustion-engines/

Electric Vehicles Are Way, Way More Energy-Efficient Than Internal Combustion Vehicles

지질학 및 기후학 관련 작가인 칼린 커크 씨는 가솔린 차량에 사용되는 내연기관은 근본적으로 비효율적이라고 지적합니다. 가솔린차는 연료가 되는 가솔린에 포함되는 에너지의 약 80%를 낭비하는데 실제로 바퀴를 앞으로 진행시키기 위해 이용되는 에너지는 약 20%에 불과하다는 것.

내연기관이 비효율적인 이유는 열역학적 이유 때문입니다. 내연기관은 액체연료를 가열하여 가압가스를 생성하고 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌려 바퀴를 회전시키는데 그 과정에서 많은 에너지가 열 등으로 변환되어 도망가 버리기 때문에 바퀴에 도달하는 에너지는 제한됩니다.

가솔린차에서 낭비되는 에너지와 바퀴에 도달하는 에너지를 나타낸 이미지를 살펴보면 가솔린에 포함되는 에너지의 약 68~72%는 엔진의 폐열이 되고 4~6%가 엔진의 냉각시스템 등의 동력으로서 사용되며 트랜스미션 등의 가동부품에서 기계적 마찰로 3~5%의 에너지 손실이 발생합니다. 또한 오디오나 라이트 등의 보조전기 부품에 사용되는 에너지는 최대 2%라서 최종적으로 바퀴의 동력이 되는 에너지는 가솔린 전체의 16~25%에 불과합니다. 즉 약 8000원으로 5리터의 가솔린을 구입해도 차가 이동하는데 사용되는 앙은 1리터로 나머지 4리터는 다른 곳에서 소비되어 버린다는 것입니다.

연비가 좋은 차는 더 가볍고 작으며 공기역학적으로 뛰어나므로 구동 부품에 도착하는 에너지를 최대한으로 이용하는 것은 가능하지만 내연기관의 구조상의 에너지 손실을 회피할 수는 없습니다. 커크 씨는 “가장 연비가 좋은 가솔린차조차 이러한 에너지 손실을 피할 수 없다”며 가솔린차보다 효율적인 디젤엔진에서도 60% 정도의 에너지가 열 등으로 손실된다고 설명합니다.

한편 전기차는 가솔린차와 완전히 다른 시스템으로 에너지는 전기 형태로 차량에 충전되어 액체연료를 태워 가스로 만들기와 같이 다른 에너지로 변환되지 않고 직접 구동부품에 에너지를 공급합니다. 전기모터는 내연기관과 비교하면 가동부품이 매우 적은 구조이며 움직이는 과정에서 에너지 손실도 적은 것 외에도 바퀴의 회전을 발전기로 하는 회생 브레이크에 의해 마찰이나 열로서 손실되는 에너지를 전기에너지로 회수할 수도 있습니다.

전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 충전시에 10% 정도의 에너지 손실이 발생하는 것 외에 약 18%가 구동 프로세스에서 손실되고 약 3%가 냉각시스템 등에서 손실됩니다. 또한 보조 전기부품에서 소비되는 에너지량은 최대 4%로 겨울에 난방을 위해 폐열을 사용하기 어려운 경우도 다소 가솔린 차량보다 많습니다. 그러나 구동부품에 도달하지 않고 손실되는 에너지 손실은 31~35%에 그치고 회생 브레이크에 의한 에너지 회수율이 22%이기 때문에 종합적으로는 충전에너지의 87~91%가 바퀴를 움직이는 데 사용된다는 계산입니다.

미국에서는 하루 890만 배럴(약 14억1500만 리터)의 자동차용 가솔린이 사용되는데 에너지적으로 보면 전체의 약 8할이 열이나 마찰 등으로 낭비되고 있어 차량의 추진에 이용되고 있는 양은 불과 180만 배럴(약 2억 8600만 리터) 상당의 에너지에 지나지 않습니다. 만약 가솔린차를 전부 전기차로 대체할 경우 소비되는 에너지 총량은 11%의 에너지 손실을 더해도 기껏해야 가솔린 200만 배럴(약 3억 1800만 리터) 상당이며 대폭적인 비용과 에너지의 절약을 달성할 수 있습니다.

물론 전기의 발전에도 에너지 손실은 생겨 버리기 때문에 연료가 되는 화석연료나 원자력 등에 포함되는 에너지가 모두 전기에너지로 변환되는 것은 아닙니다. 그러나 발전소는 가솔린차의 내연기관보다 효율적이기 때문에 석탄/원자력발전의 에너지효율은 약 33%, 천연가스발전소라면 약 44%이고 수력발전에 이르면 약 90%의 발전효율을 자랑합니다.

발전소의 에너지효율을 고려하여 전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 석탄화력발전의 에너지효율은 31%, 천연가스발전 48%, 수력발전이 75%로 가솔린차를 웃도는 효율로 에너지를 추진력으로 바꿀 수 있습니다.

더해 커크 씨는 전기차의 배터리 제조 프로세스에 필요한 에너지는 가솔린의 약 74갤런(약 280리터) 상당이라며 전기차로 전환하면 순식간에 충당할 수 있다고 설명합니다.

커크 씨는 세계 규모로 에너지를 탈탄소화하는 것은 거대하고 어려운 과제라고 인정하면서도 자동차 분야에서는 전기차로의 이행으로 대폭 개선할 수 있다며 “전기차는 주행효율을 대폭 향상시켜 이산화탄소와 환경오염물질 배출량을 줄일 수 있으며 동시에 에너지 수요 전체도 줄일 수 있는 쉬운 방안"이라고 보았습니다.

by Michael Fousert https://unsplash.com/photos/O63S96_qn8c