플러그인 하이브리드차, 친환경 대안일까?

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전기자동차 판매 성장세가 둔화되는 대신 하이브리드차가 부각되고 있다. 이와 함께 내연기관차에 대한 집착을 버리지 못하고 전기차 시대에 뒤처지고 있다는 조롱을 받았던 도요타에 대한 찬양이 커지고 있다. 이제 성급했던 ‘전기차 올인 전략’을 버리고 하이브리드차나 플러그인 하이브리드차를 대안으로 삼아 현실적인 전략을 추구해야하는 걸까?

애초에 자동차 산업의 전동화는 소비자의 요구에 따라 시장에서 시작된 것이 아니었다. 임박한 기후 위기 대응과 중국을 비롯한 주요 국가의 자동차산업 정책이 그 기본 동인이었고, 배터리 기술과 디지털 기술 발전이 이를 촉진했다. 기후 위기 대응을 위해서 교통수단의 전동화는 필수이며, 중국의 전기차 위주 산업정책은 이미 결실을 맺고 있다. 관련 기술의 발전이 기대보다 느리긴 하지만, 전동화는 여전히 거스를 수 없는 대세인 것이다. 100여년 만에 이루어지고 있는 자동차 산업의 거대한 전환을 단기 상황에 따라 일희일비하면서 조변석개해서는 안 된다.

이번 칼럼에서는 일부의 주장처럼 플러그인 하이브리드차가 현실적인 대안인지 살펴본다.

동력원에 따른 자동차 분류

동력원에 따라 자동차를 분류해 보면, 내연기관차와 배터리 전기자동차만 있는 게 아니라 다양한 유형의 차들이 있다. 아래 표 1은 동력원에 따라 자동차를 분류해 보여주고 있다. (표 1에서 붉은 색 상자의 크기는 실제 고전압 배터리의 용량을 반영한 것이다. 즉 HEV< PHEV< REEV< BEV)

내연기관차와 하이브리드차(HEV)의 주동력원은 내연기관이며, 항속거리 연장형 전기자동차(REEV)와 배터리 전기자동차(BEV), 연료전지자동차(FCEV)의 주동력원은 전동모터이다.

모델마다 다르긴 하지만, 일반적으로 플러그인 하이브리드차(PHEV)는 약 50㎞이상을 전동모터만으로 주행할 수 있고, 그 범위를 넘어서면 내연기관이 주동력원으로 사용된다. 보통 사람들은 대부분 1회 주행거리가 50㎞이하다. 따라서 평소에는 전동모터만을 사용하는 전기자동차 주행모드로 운행할 수 있으며, 외부 전원으로 고전압 배터리를 충전할 수 있다는 이유로 플러그인 하이브리드차를 전기자동차로 분류하기도 한다. 특히 유럽에서는 플러그인 하이브리드차를 전기자동차로 분류하는 것이 일반적이다.

전동모터를 동력기관으로 사용하는 자동차를 통틀어 전동화된 차(electrified vehicle), 줄여서 전동차로 부른다. 전동차는 전동모터만을 동력기관으로 갖는 배터리 전기자동차(BEV)나 연료전지전기차(FCEV)만이 아니라, 내연기관에 더해 전동모터를 동력기관으로 갖는 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)나 하이브리드 전기자동차(HEV)까지 포함하고, 보통 xEV가 약어로 사용된다. 위 표에서는 내연기관차를 제외하면 모두 전동차이다.

플러그인 하이브리드차는 실용적인 전기차일까?

앞서 이야기한 것처럼 플러그인 하이브리드차는 보통 50㎞이상을 전기자동차 주행모드로 운행할 수 있기 때문에 일상에서는 전기자동차처럼 운행하고 장거리 주행 때만 내연기관을 사용할 것으로 기대할 수 있다. 따라서 원리상 배터리 전기자동차에 비해 고전압 배터리를 적게 장착하면서도 항속거리 불안에서 자유로울 수 있는 실용적인 전기자동차다.

이렇게 바람직한 방식으로 사용되면 전주기 평가로 계산한 주행거리당 온실가스 발생량도 배터리 전기자동차와 유사하다. 아래 인용한 분석 결과(그림 1 참조)에 따르면, 2020년 기준으로 가솔린 엔진을 사용하는 플러그인 하이브리드차(PHEV-G)는 1㎞ 주행 때 143g의 등가이산화탄소를, 디젤 엔진을 사용하는 플러그인 하이브리드차(PHEV-D)는 1㎞ 주행 때 138g의 등가이산화탄소를 발생시킨다.

이는 1㎞ 주행 때 120g의 등가이산화탄소를 발생시키는 배터리 전기자동차(BEV)에 비해 각각 19%와 15%가 많은 수준이고, 내연기관차(ICEV-G 269gCO2eq/km, ICEV-D 229gCO2eq/km)나 하이브리드차(HEV-G 208gCO2eq/km, HEV-D 187gCO2eq/km)에 비하면 대단히 적은 수준이다.

그림1. 파워트레인 유형별 중형 자동차의 온실가스 발생 비교

그러나 플러그인 하이브리드차에 대한 기대와 현실 사이 간격은 무척 크다. 아래 그림 2는 실제 플러그인 하이브리드차의 운행 패턴을 고려한 분석 결과이다. 이에 따르면 하이브리드차는 동급 휘발유 자동차에 비해 주행거리 당 등가이산화탄소 배출량이 21%, 플러그인 하이브리드차는 26% 감소할 뿐이다. 플러그인 하이브리드차는 배터리 전기자동차에 비해 온실가스를 두 배 이상 배출한다는 계산이다. 기대와 달리 실제 운행에서는 주행거리의 약 38%만이 전기자동차 주행모드로 구동되기 때문이다. 이론적으로는 실용적인 전기자동차이지만, 실제로는 하이브리드차와 별 다를 것 없는 고급 내연기관차에 불과한 것이다.

그림 2. 파워트레인 유형별 자동차의 온실가스 발생 비교

플러그인 하이브리드차의 또 다른 문제는 가격이 비싸다는 점이다. 하이브리드차에 비해 고전압 배터리 용량도 커져야 하고, 충전장비도 장착해야 하기 때문이다.

미국에 판매되고 있는 현대자동차 투싼을 예로 들면, 중간 트림(SEL) 기준 내연기관차의 판매가(기본 MSRP)는 2만9400달러인 반면, 하이브리드차는 3만4905달러, 플러그인 하이브리드차는 3만8475달러이다. 하이브리드차는 내연기관차에 비해 5505달러(18.7%), 플러그인 하이브리드차는 9075달러(30.9%) 비싸다. 원화로는 각각 약 734만원, 1200만원 차이다(2월 16일 기준 1달러 = 1332.6원).

차라리 항속거리 연장형 전기자동차가 낫다

항속거리 연장형 전기자동차(Range　Extended Electric Vehicle 혹은 Extended-Range Electric Vehicle)는 고전압 배터리 충전상태가 일정 수준 이하로 떨어지면 내연기관으로 발전해 고전압 배터리를 충전하여 항속거리를 연장한다. 플러그인 하이브리드차가 전기도 충전해 사용할 수 있는 하이브리드차라면 항속거리 연장형 전기자동차는 석유도 주유해 사용할 수 있는 전기자동차이다.

BMW는 전기자동차 i3(2013년 출시~2022년 단종)의 항속거리를 일상적인 운행에 충분하다고 판단한 150㎞로 개발하면서 더 긴 항속거리를 원하는 소비자들을 위해 항속거리 연장기(Range Extender)가 있는 REx 사양을 제공했다. 이 사양에는 △모터 싸이클용 2기통 엔진(647cc, 2기통, 35hp)과 △알터네이터, △연료탱크(9ℓ), △흡·배기시스템이 추가되었다. 9ℓ 연료로 발전하면 항속거리가 130~140㎞ 늘어난다.

내연기관인 항속거리 연장기가 작동하면 이산화탄소가 배출되기는 하지만, 그 수준은 13g/km으로 동급 내연기관차 118i의 이산화탄소 배출(134.0g/km)의 1/10 수준에 불과했다. 가격도 2013년 영국 판매가를 기준으로 보면, i3는 2만5680파운드, i3 항속거리연장(REx) 사양은 2만8830파운드로 REx 사양이 12% 정도(3150파운드, 약 530만원) 더 비싼 수준이었다.

다음 그림 3은 유럽 평균 전력 구성에서 전동차 유형에 따라 발생시키는 온실가스를 연료수명주기(Well-to-wheels) 동안 분석한 것이다. 플러그인 하이브리드차보다 항속거리 연장형 전기자동차가 온실가스 배출이 적다.

그림 3. 전동차 유형에 따라 발생시키는 온실가스 WtW 분석

기후위기 대응을 위해서는 전기자동차에 장착되는 고전압 배터리 용량을 적정 수준으로 제한해 고전압 배터리 제조로 인한 환경오염을 줄이고, 차량 가격을 낮추는 것이 최선이다. 항속거리 불안은 고전압 배터리 용량을 키우는 것이 아니라 충전 인프라를 충분히 갖춰서 없애야 한다.

당분간 최선의 방안을 현실에서 구현하기 어려워 과도적인 대안이 필요하다면 플러그인 하이브리드차보다는 항속거리 연장형 전기자동차가 더 낫다.