[에너지리포트] 독일의 디젤차 vs 전기차 CO₂ 배출비교

GS칼텍스 - 2019.05.27

IFO(독일경제연구소)의 ‘Kohlemotoren Windmotoren und Dieselmotoren : Was zeigt die CO2-bilanz’는 LCA(Life Cycle Assessment)관점으로 디젤차, 전기차, 수소차의 CO2 배출량을 조사한 보고서로 2019년 4월 발간되었다. 본 콘텐츠는 대한석유협회가 IFO의 보고서를 번역, 요약하여 제공한 ‘독일의 디젤차, 전기차의 CO2 배출비교’ 보고서 중 일부이다.

에너지 전환 투자와 CO2 배출 현실

독일은 현재 매년 재생에너지에 상당한 투자를 하고 있지만, 아직까지 CO2 배출량은 예상했던 수준만큼 감축되고 있지는 않음. 특히 수송 부문의 CO2 배출량은 <2030년까지 최소 40% 감축> 목표에도 불구하고, 수년간 실질적으로 변화가 없음
이런 이유로 독일 수송용 연료 수요가 수년간 감소되지 않는 데에 대한 비판의 목소리가 큼. 비록 휘발유, 경유에 대한 의존도 축소가 분명 어려운 일이지만, 정치권과 언론/대중은 전기자동차 도입 확산을 통해 문제 해결에 큰 기대를 걸고 있음
정치권은 기후변화에 대한 효과적인 대응방안의 일환으로 자동차용 휘발유, 경유 소비 감축을 명제로 하여 상기의 전기차 도입 확산을 정당화 하고 있음. 전기차는 기술적 관점에서 부품/기기의 단순함으로 내구성 양호, 정숙 주행의 장점이 있음
특히 도심의 자동차 미세먼지와 질소산화물은 심각한 스모그 발생에 일정 부분 기여함. 이런 측면에서 전기 자동차/철도는 상당한 개선을 보임. 중국은 전세계 전기차/버스 시장을 선도하는 국가로 부상하고 있음
전기차가 운행과정에서 CO2 배출이 없다는 EU 입법가들의 주장에 의심의 여지는 없지만, 수력 발전이 대부분의 발전원을 차지하는 노르웨이에서조차 전기차의 ‘제로(Zero) 배출’은 완벽하게 들어맞는 말은 아님. 왜냐하면 전기차 생산 및 전기배터리 생산과정에서 배출되는 CO2는 감안되지 않고 있기 때문임. 더욱이 EU 국가별로 처한 발전 믹스 현실상 한편에는 친환경 에너지, 원자력 에너지가 있는 반면 다른 한편에는 화석연료 발전으로 구성되어 있어 해당 국가별 발전믹스가 어떻게 구성되어 있는지도 전기자동차의 CO2 배출산정에 영향을 미침
따라서 본 원고에서 독일의 발전믹스 현황을 검토함. 비교 대상이 되는 전기차, 디젤차로는 비슷한 크기의 테슬라 신형 모델 3과 메르세데스 벤츠 C 220d로 함. 시험 방식은 NEDC 방식을 적용
EU의 신차 배출기준(CO2 g/km) : (‘15년) 130 → (‘20년) 95 → (‘30년) 59
- 이는 100km 주행시 경유 2.2L, 휘발유 2.6L에 해당함 : 비현실적인 수치
- 만약 2030년 기존 차 : 전기차의 생산비중이 29:71인 경우, 기존 차는 100km 주행에 7.9L까지 허용 가능. 만일 동 비율이 5:5일 경우, 기존 차는 4.4L만 소비
- 단, 전기차가 확대되어도 ‘세컨드 차’ 활용에 그친다면 상기 EU 기준은 여전히 비현실적

독일의 전력 생산 구조 (2018년)

발전 믹스 : 화석연료 52.6%, 재생에너지 35.6%, 원자력 발전 11.8%
- 2018년 독일의 총 발전량은 642.4TWh
- 평균 독일 발전원 CO2 배출계수 : 0.55kg/kWh

디젤차, 전기차의 CO2 배출

디젤 엔진의 CO2 배출
- 디젤의 주행 단계에서의 CO2 배출 : 117g/km
- 디젤의 상류부문 단계에서의 CO2 배출 : 상기 수치의 21% 수준(24g/km)
  ⇒ 디젤 엔진의 최종 CO2 배출 : 141g/km
전기차 배터리 모터의 CO2 배출
- 테슬라 신형 모델 3의 전기 소모 : 100km 주행에 15kWh 충전(NEDC 기준)
- 에너지 소비에 있어 CO2 배출 수반여부는 발전 에너지원 종류에 따라 좌우됨.친환경 에너지, 원자력 발전 및 풍력/태양광 발전의 CO2 배출량 산정은 아주 미미함
  - 다만 바이오연료에서는, 메탄(CH4)이 배출되는데 이것이 CO2로 전환됨
  - 메탄(CH4)은 CO2처럼 지표면보다 햇빛을 72배 더 많이 흡수하며, 점진적으로 산화되어 물과 CO2가 됨. 100년 이상의 기간 동안 메탄(CH4)은 CO2보다 25배 더 큰 온실가스 효과를 가진 것으로 추정됨
- 현존하는 재충전/재사용 전기로 구동되는 전기차의 경우에 있어서 CO2 배출이 ‘0’인 것에 대한 논쟁이 종종 제기됨. 하지만 이들 친환경 전력이 다른 부문에 사용하게 되면 보다 많은 CO2 배출이 발생하게 되는 점을 감안하면, 전기차의 친환경성은 신뢰가 감
- 전기차에 탑재된 배터리에서의 CO2 배출에 대한 고려도 필요함
  - 배터리 내 리튬, 코발트, 망간은 가공 처리에 에너지 투입량이 많이 소요됨. 예를 들어 리튬 이온 배터리의 경우 생산 및 재활용에 상당한 CO2 배출이 수반되며, 반복되는 재충전으로 배터리 수명이 제한적임
  - Romare und Dahllöf 연구(2017)에 따르면, 배터리 kWh당 145kg~195kg의 CO2가 배출됨. 테슬라 배터리 75kWh를 적용할 경우, 추가적인 CO2 배출량은 10,875kg~14,625kg임
  - 배터리 내구연한 10년, 연간 주행거리 15,000km를 가정할 경우 주행거리(km) 당 배터리 생산 및 재활용에 따른 CO2 배출량은 73g~98g으로 추정됨
    ⇒ 그러므로, 전기차가 트랜스미션을 포함한 디젤 엔진보다 구조/부품이 단순하여 생산이 용이하다는 인식. 그리고 전기차 생산에 에너지 투입량이 상대적으로 적다는 인식에 대하여 논쟁(argue)이 있을 수 있음
- 전기차의 CO2 배출
  - ① 석탄 발전(무연탄) 기반 전기로 충전할 경우
    - 주행 단계에서의 CO2 배출 : 159g/km
    - 배터리 생산/재활용 단계에서의 CO2 배출 : 73~98g/km
      ⇒ 최종 CO2 배출 : 232~257g/km
  - ② 가스 발전 기반 전기로 충전할 경우
    - 주행 단계에서의 CO2 배출 : 83g/km
    - 배터리 생산/재활용 단계에서의 CO2 배출 : 73~98g/km
      ⇒ 최종 CO2 배출 : 156~181g/km

독일의 에너지믹스와 전기차

앞서 소개된 비교 방식은 전기차에 충전되는 전기가 전부 석탄 또는 가스 발전에서 생산된 경우를 가정했을 때 CO2 배출량 비교임
이에 보다 현실적인 방식으로, 독일의 평균 발전원별 CO2 배출계수(0.55kg/kWh)를 적용했을 경우의 전기차의 CO2 배출량은 156~181g/km임
⇒ 이는 디젤 엔진(141g/km) 대비 11%~28% 보다 많이 배출되는 수준
만약 독일의 원자력 발전이 이미 결정된 바대로 가동 중지가 되고, 초기의 원전 발전 감소분이 석탄화력 발전으로 대체된다면, 독일의 발전믹스가 보다 CO2 고밀도화가 되어 상기의 전기차 CO2 배출량은 보다 크게 산정될 것임
- 원전 발전분을 Hard coal(무연탄 등)로 보완할 경우, 추정되는 배출계수는 0.68kg/kWh
- 여기에 테슬라의 100km 주행에 소모되는 전력 15TWh을 곱하면, 주행단계에서의 전기차의 CO2 배출량은 102g/km
- 주행거리(km)당 배터리 생산 및 재활용에 따른 CO2 배출량은 73g~98g을 더하면
  ⇒ 원전 가동 중지 이후 무연탄 발전으로 전력이 대체될 경우, 전기차의 최종 CO2 배출량은 175~200g/km 수준이 됨, 이는 디젤 엔진의 최종 CO2 배출량 141g/km* 대비 약 42% 더 많이 배출되는 결과임
  ⇒ 141g/km = 주행단계 117g/km + 디젤 상류부문 배출량 24g/km

수소차의 CO2 배출

수소차는 차량 운행과정에서 연료전지에서 전기를 발생하여 에너지를 얻음. 수소는 물을 전기분해 하여 얻을 수 있음. 수소차는 배터리 전기차보다 구조가 복잡하지만 이런 점에서 독일 입장에서는 보다 유리할 수 있음. 수소 자체는 천연가스와 종종 비교되는데, 대규모 저장을 통한 사용이 용이함. 수소 충전소는 주유소에서 휘발유, 경유를 주유하는 것과 유사하게 짧은 시간에 충전이 가능함(수소차는 통상 1회 완전 충전에 500km 주행 가능)
수소차의 CO2 배출 분석의 다음의 세단계에서 검토됨
1. 수전해를 통한 수소 생산과정에서의 에너지 효율 : 약 70% 수준
2. 수소 압축 및 수송 과정에서의 에너지 효율 : 약 80% 수준
3. 수소차 내 연료전지에 수소 재전환 및 전력 생산시의 에너지 효율 : 최대 60%
⇒ 결과적으로, 수소 생산 ~ 수소차 운행 단계에서의 에너지 효율은 34%에 불과함
테슬라 신형 모델 3의 수소차를 가정하여, 수소차의 전력 충/방전 과정에서의 에너지 효율 81%를 고려했을 때, 전기차 100km 주행시 소모되는 전력량 15TWh는 12.2TWh로 변경됨
- 여기에 수소차의 에너지 효율 34%를 적용하면 필요한 전력량은 35.9TWh가 됨
- 여기에 독일의 평균 발전원별 CO2 배출계수(0.55kg/kWh)를 적용하면, 수소차의 CO2 배출량은 197g/km임