ICE와 전기 모터 사이의 격차를 메울 방법은 무엇일까?

전기 모터 구동 차량이 미래다. 배터리 팩, 수소 연료 전지 또는 다른 혁신적인 솔루션을 사용하든 결과는 동일하다 – 내연 기관(ICE)은 사라져 가고 있다.

하지만 이 변화가 하룻밤 사이에 일어나는 것은 아니다. 수십 년 동안 전 세계 국가들은 휘발유와 디젤과 같은 액체 연료에 특화된 인프라 개발에 막대한 투자를 해왔다. ICE 기반 차량의 잠재력이 이미 한계에 도달했다고 가정하는 것이 합리적일 수 있지만, 실제로는 그렇지 않으며, 재료 과학에 대한 우리의 이해가 깊어짐에 따라 ICE가 전기 차량과 조화롭게 공존하며 수년간 수명을 연장할 수 있는 미래가 가능해지고 있다.

ICE 산업은 여전히 성장할 예정이며, 2021년 약 550억 달러에서 2028년 약 700억 달러로 확대될 것으로 예상되고, 연평균 성장률 3.71%를 자랑한다. 아직 활용되지 않은 투자 잠재력이 남아 있다.

제조업체 및 혁신가

ICE 수명을 연장할 수 있는 최신 혁신들을 살펴보기 전에, 다음에 소개되는 상장 기업들을 확인해 보라; 이들 각각은 해당 제품 개발·홍보에 적극적인 역할을 하고 있다.

Porsche (P911)

자동차 제조업체 중 Porsche는 가장 상징적인 브랜드 중 하나이다. 이 회사의 노력은 움직이는 예술 작품을 만드는 것을 넘어, 차량의 성능과 효율성을 향상시키는 새로운 기술(예: 합성 연료) 개발 및 촉진에 기여하고 있다.

Porsche는 독일 슈투트가르트에 본사를 두고 있다. 직원 수는 거의 40,000명이며, 지난 회계연도 매출은 370억 달러를 초과했다.

Tesla (TSLA)

Tesla (TSLA ) 는 배터리 팩을 실제로 제조하는 데 제3자에 의존할 수 있지만, 이 회사의 수요와 요구는 지난 20년 동안 전기차 분야의 많은 혁신을 단독으로 이끌어 왔다.

2022년에는 TSLA 주가가 급격히 하락했지만, 2023년 현재까지 연간 55.48% 상승을 기록하며 반등했다. 2022년의 어려움에도 불구하고, 이 기간 동안 매출은 814.6억 달러에 달했다.

Tesla는 미국 텍사스에 본사를 두고 있다.

인공지능

ICE 차량이 더 효율적으로 작동하고 폐기되기 전까지 몇 년을 더 버틸 수 있게 할 첫 번째 혁신은 인공지능(AI)을 활용한 자율 주행이다.

AI는 인간의 실수와 습관을 배제함으로써 이러한 능력을 발휘한다. AI는 도로 위 차량 간 통신을 가능하게 하여 혼잡과 교통량, 그에 따른 과잉 배출을 감소시킨다; AI는 제한 속도를 준수하고 신호등 사이를 비효율적으로 질주하지 않는다; AI는 스로틀을 과도하게 사용하지 않고도 일정한 속도를 유지할 수 있다.

위와 같은 이유를 포함해, AI는 전통적인 ICE 기반 차량이 가능한 한 오래 EV와 경쟁력을 유지하도록 할 잠재력을 가지고 있다.

합성 연료

ICE 차량의 주요 문제는 화석 연료에 의존한다는 점이다. 이 연료 자원이 고갈될 뿐만 아니라, 지구에서 추출하고 가공·연소하는 과정 자체가 환경에 매우 해롭다.

이러한 상황에서, ICE 차량 수명을 연장할 가장 유망한 혁신 중 하나가 합성 연료 또는 ‘eFuel’의 개발이라는 사실은 놀라운 일이 아니다. 실제로 합성 연료는 유럽과 같은 지역에서 이미 향후 몇 년간 eFuel을 사용하는 엔진에 대한 CO₂ 배출 금지 규제 예외를 허용하는 결정을 내릴 정도로 큰 기대를 받고 있다.

그렇다면 합성 연료 또는 ‘eFuel’이란 무엇인가? 이는 화석 연료에서 추출한 휘발유를 대체할 수 있는 에너지 원으로, 일반 ICE 차량에 사용할 수 있다. 현재 이를 만드는 주요 방법은 두 가지가 있다.

• 다단계 공정을 통해 물(H₂O)을 전기분해하여 수소 분자를 얻고, 이를 대기 중에서 포집한 CO₂와 결합해 메탄올로 전환한 뒤, 촉매를 이용해 고온에서 eFuel(합성 가솔린)로 전환한다.
• CO₂와 H₂를 이용해 가솔린의 기본 구성 요소인 탄화수소를 합성한다.

현재 eFuel은 완벽한 해결책이 아니다. 위에 언급된 공정은 매우 많은 에너지를 소비한다. 또한 최종 ‘가솔린’은 여전히 배기구에서 배출되는 물질이다. 그러나 이 공정이 제공할 수 있는 점은, 대기 중 CO₂를 제거하고 지속 가능한 에너지를 활용함으로써 최종 연료를 탄소 중립적으로 만들 수 있다는 것이다.

Porsche가 이 혁신을 전기차 채택과 관계없이 수십 년간 도로에 남아 있을 ICE 차량을 보다 크게 친환경적으로 만들기 위한 방안으로 추진하고 있지만, 이를 구현하기 위한 연료와 공정을 완성하려는 작업은 HIF와 같은 기업이 진행하고 있다.

마찰 – 친구인가 적인가?

지상 교통수단에서 마찰은 동시에 이점이자 단점이다. 마찰은 차량 타이어가 지면에 힘을 전달하기 위해 필수적이며, 제동 및 회전 시 차량이 제어를 유지하도록 돕는다. 그러나 마찰이 문제가 되는 부분은 차량의 구동계에서 발생하는데, 이때 마찰은 잠재적인 기계 에너지의 상당 부분을 열로 낭비하게 만든다.

마찰을 극복하기 위한 두 가지 해결책은 표면 텍스처링과 합성 윤활유의 사용이다.

연구 결과에 따르면, ICE 실린더 벽에 홈과 딤플을 적용한 표면 텍스처링은 마찰과 그에 따른 열을 크게 감소시키는 것으로 나타났다.

합성 윤활유는 새로운 개념이 아니다. 수십 년 전 기존 엔진 오일을 대체하면서 더 나은 윤활성, 마모 특성, 가변 점도 등을 제공했다. 그러나 이러한 윤활유에 대한 과학은 멈추지 않았다. 재료 과학에 대한 이해가 지속적으로 증가함에 따라, 합성 윤활유는 점점 더 견고하고 효과적으로 발전하고 있다.

표면 텍스처링과 개선된 합성 윤활유의 결합은 구동계에서 발생하는 기계적 손실을 크게 줄여 ICE 차량이 손실을 최소화하도록 도울 잠재력이 있다. 비록 EV가 5% 이하의 손실률을 자랑하는 높은 효율성을 보유하고는 있지만, ICE의 거의 50%에 달하는 손실을 조금씩 줄이는 것만으로도 수명을 연장하는 데 큰 도움이 된다.

ICE 재구상

AI가 운전자를 대체하고, 합성 연료가 에너지원을 대체하며, 현대 윤활유와 표면 텍스처링이 기계식 엔진 손실을 감소시킬 수 있다. 이 모든 것이 훌륭하지만, 전통적인 ICE 자체를 거의 완전히 재설계함으로써 이러한 이니셔티브를 한 단계 더 앞당기는 기업이 있다.

Avadi engines는 최근 StartEngine에서 진행한 크라우드펀딩 캠페인에서 210,000달러 이상을 모금했으며, 전통적인 밸브 트레인을 제거함으로써 재설계된 ICE가 더 컴팩트하고 가볍고 효율적이며 다재다능하고 토크가 뛰어나다고 주장한다.

이 회사의 독특한 설계는 두 개의 연결봉을 가진 회전 피스톤을 활용한다. 피스톤 회전은 전통적인 밸브 트레인을 없앨 수 있게 하며, 실린더 헤드에 흡기 및 배기 밸브를 통합할 수 있게 만든다. Avadi는 다음과 같이 주장한다,

“내부 테스트에 따르면 Avadi MA-250은 무게가 약 절반이며, 가장 가까운 경쟁 엔진에 비해 토크와 마력은 두 배이며, 연료 소비는 약 30% 적게 한다.”

Avadi는 첫 모델인 MA-250이 15hp와 22lb-ft 토크를 제공하고 무게는 단 26lb에 불과하지만, 다양한 용도에 맞게 크기를 확대하거나 축소할 수 있다고 밝힌다.

크기 조절 가능성은 ICE가 단순히 지상 교통수단에만 사용되지 않기 때문에 중요하다. 실제로 ICE가 앞으로도 수년간 널리 사용될 이유 중 하나는 수많은 분야에서 폭넓게 활용되고 있기 때문이다. 정원용 트랙터, ATV, 목재 파쇄기 등 다양한 기계에 ICE가 사용되고 있다. 이러한 현실을 인식하고 Avadi와 같은 기업이 MA-250 프로토타입을 통해 해결책을 모색하고 있다.

마지막 말

이 기사 서두에서 언급했듯이 EV가 ICE를 대체하는 것은 시간 문제일 뿐이다. 이제는 더 이상 의문이 남지 않는다. 흥미로운 점은 엔지니어들의 지속적인 창의성이 ICE를 수년간 유효한 동력원으로 유지하게 만든다는 것이다.

EV가 현재 존재하고 다양한 지표에서 ICE 차량과의 격차를 좁혀가고 있지만, 전 세계 인프라가 이를 따라잡는 데는 시간이 걸릴 것이다. 따라서 현명한 투자자들에게는 ICE 분야에 수익성 있는 투자를 할 충분한 시간이 남아 있다. 현대 연료, 윤활유, 엔진 재설계와 같은 연결 기술을 통해 기회는 존재한다.

몇 년 후에는 Avadi 엔진으로 구동되고 eFuel을 사용하며 차세대 윤활유와 표면 텍스처링을 통해 뛰어난 효율성을 자랑하는 자율 주행 차량이 등장할 수도 있다.