1. 가속화되는 내연기관 퇴출 움직임
○ 2015년 폭스바겐 배출가스 조작사건 이후 자동차 환경규제 강화, 내연기관 자동차 금지 국가 확대
- 2017년 이미 플러그인 전기차 판매 비중이 40%에 달하는 노르웨이는 2025년부터 100% 플러그인 전기차만 판매하도록 하는 법안에 합의. 프랑스는 2040년 내연기관 판매금지를 추진하는 가운데, 특히 파리는 2024년 올림픽 개최시기에 맞추어 디젤엔진 판매금지 계획. 연이어 네덜란드와 독일, 인도는 2030년, 영국은 2040년 내연기관 판매금지 추진의지를 내비치는 정책 발표
<주요국 내연기관 퇴출정책>
유럽의 내연기관 판매금지 계획
• EU는 2021년 자동차 평균 이산화탄소 배출량을 95g/km로 규제하기로 합의
프랑스
2040년 내연기관 판매금지 계획
• 2023년 EV, HEV 240만 대
• 중앙정부 50%, 지방정부 20% EV
• 파리 2024년부터 디젤판매 금지
독일
2030년 내연기관 판매금지 계획
• EV 10년간 자동차세 면제
• EV 4천 유로, PHEV 3천 유로 지원
정부와 완성차 업체 50%씩 부담
영국
2040년 내연기관 판매금지 계획
• 초저배출(ULEV) 10억 유로, 충전인프라 100만 유로 지원예산
• 이산화탄소 배출 100g/km 미만 차량 자동차보유세 면세
신흥국 및 북미 정책방향
• 중국은 이미 세계 전기차 시장의 50% 점유 중이며, 내연기관 기술 미보유로 NEV 국가기술육성에 집중
중국
2020년 신新에너지차車(NEV) 12%
• 2018년 신차의 8%, 2019년 10% NEV
• NEV 취득세 혜택, 정부 최대 50% 구매보조
• 번호판 취득 위한 추첨 면제
인도
2030년 모든 자동차 전동화 계획
• 일부 지역 등록세 및 부가가치세 면제
• BS6 디젤 규제 도입
미국
CAFE 규제, 캘리포니아주 등 ZEV법
• 2025년 CAFE 54.5mpg 연비 목표
• 중앙정부 EV 보조금 7,500달러 유지
• 8개주 ZEV법 도입, 2025년 3.3백만 대
○ 환경 관련 규제 강화로 완성차 업체 및 소비자 부담 높아져 내연기관 선택을 더욱 주저할 전망
- 폭스바겐의 배출가스 조작사건 이후 국제사회는 실험실에서 하던 배출가스 측정을 실 도로상 주행조건하에 측정(RDE: Real Driving Emissions test)하도록 강화. 2020년 이후 배출가스 인증 제도의 국제 표준화를 추진하며 주요국 WLTP 1 도입, 배출가스 인증이 더욱 어려워질 것으로 전망. 유럽에서는 지난해 9월부터 유로6c 규제를 통해 RDE 측정을 의무화했고, 한국에서도 같은 기준을 적용해 완성차 업체는 대응방안을 고심해야 하는 상황
○ 48V 마일드 하이브리드, 수소연료전지차 신규진입, 성장궤도에 오른 전기차 판매로 파워트레인 시장 구성 재편에 대한 기대감 상승
- 2017년 글로벌 플러그인 전기차 시장(PHEV, EV)은 전년대비 58% 성장, 122만 대 판매를 기록하며 신차 시장의 1.3% 차지, 누적 200만 대 판매 돌파. 혼다 클래리티, 도요타 미라이, 현대차 투싼 연료전지차가 시장에 소개된 가운데, 현대차가 전용플랫폼 기반의 넥쏘를 출시하면서 파워트레인 경쟁 가담. 유럽은 절반이 넘던 디젤엔진 판매비중이 ‘디젤쇼크’로 지속 하락하여 가솔린 엔진비중에 역전당했으며, 48V 마일드 하이브리드 시스템을 새로운 대안으로 구상
파워트레인 전쟁의 전선은 내연기관∙하이브리드∙전기차∙연료전지차로 확대
<전동화 파워트레인 유형 비교>
자료: Bosch, Continental 자료, POSRI 재정리
*FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 수소연료전지시스템과 구동모터, 보조배터리로 구동
2. 퇴출위기 벗어나려는 내연기관의 진화
○ 연비경쟁에서 디젤에 밀렸던 가솔린 엔진의 경우, 가솔린 직분사 기술, 터보차저, 가변밸브시스템 등 시장에 이미 소개된 다수 기술 외 최근 엔진효율을 추가로 높일 수 있는 연비혁신 기술 지속 출현
- 지난 10여 년간 가솔린 내연기관 또한 효율이 높아져 같은 용량의 엔진으로도 큰 힘을 낼 수 있어 엔진 다운사이징, 터보차징이 대중화. 최근 들어 가솔린 엔진 열효율이 디젤과 유사한 40%대를 넘어서고 있으며, 기술 향상을 통해 10년 내 60% 열효율 엔진 개발이 목표. 닛산은 연소실 높낮이를 조절해 압축비를 조절할 수 있는 VC-터보엔진, 마쯔다는 점화장치 없이 디젤엔진처럼 자연착화되는 HCCI엔진 상용화
<VC-터보엔진과 HCCI엔진 설명>
VC-터보 엔진
멀티링크를 이용해 실린더 높이를 조절, 압축비를 저압축시 8, 고압축시 14로 변할 수 있도록 해 효율적 엔진운용이 가능하도록 하는 기술
디젤, 가솔린, HCCI 비교
가솔린 연료를 이용해 디젤처럼 저온압축착화를 유도, 효율을 높인 HCCI, 여타 엔진과 다르게 저온에서 다수의 착화점이 생겨 NOx 생성을 방지
- 디젤엔진은 뛰어난 연비로 이산화탄소 배출이 적다는 장점이 있지만, 인체에 해로운 질소산화물(NOx)과 미세입자(PM) 배출로 환경오염 주범 지목. 유로5 규제로 디젤엔진은 EGR, DPF, LNT3 등 장치를 부착해야 하는 부담을 안게 되었는데, 유로6로 넘어가면서 SCR4까지 부착해야 하는 상황. 수백만원에 이를 수 있는 유로6 대응 후처리 장치로 소비자 부담 가중, 요소수 주기적 주입, 필터류 교체 및 청소 등 유지관리도 쉽지 않음
<대표적 디젤 후처리 장치 다이어그램>
자료: Thermal Structures, Inc. 홈페이지, POSRI 재정리
3. 비용대비 효과 높은 하이브리드, 현실적 대안으로 평가
○ 환경규제 대응 위해서는 내연기관 개선만으로는 한계, 높은 가격경쟁력 및 기존 플랫폼 활용성 뛰어난 하이브리드 기술 주목
- 시장 등장 후 기존 내연기관차 연비의 두 배 가까운 효율적 시스템으로 하이브리드 자동차의 상징적 모델이 된 도요타 프리우스가 장기간 독주한 후, 최근에는 대부분의 완성차 브랜드가 하이브리드 시스템을 파워트레인 라인업에 포함. 소형 구동모터와 배터리로 엔진의 보조 역할을 하는 마일드 하이브리드 시스템부터 모터만으로도 단독 주행운용이 가능한 풀 하이브리드 존재
○ 특히 유럽에서는 디젤엔진의 공백을 대체할 것으로 기대되는 48V 마일드 하이브리드 시스템에 대한 관심이 크게 집중
- 48V 마일드 하이브리드 시스템은 기존에 엔진동력을 활용하던 공조시스템 등 보조장치를 전기구동화해 엔진의 부담을 줄이고 효율을 높이는 시스템. 구동에는 관여하지 않아 기존 하이브리드 시스템의 복잡한 동력전달부가 불필요해지는 반면, 효과는 70% 가까이 낼 수 있어 현실적 대안으로 부상
4. Chasm 넘어서야 하는 플러그인 전기차
* 캐즘(Chasm)이란?
• 신기술이 처음 개발된 후 대중적으로 보급되기까지 수요가 정체되는 현상
• 1991년 미국 실리콘밸리에서 컨설턴트로 일하던 제프리 무어 박사가 고안
• 벤처 업계의 성장과정을 설명하고자 사용, 현재는 경제 용어로도 사용
○ 글로벌 플러그인 전기차 시장은 2011-2017년 기간 CAGR 72%의 고성장을 이루며 2017년 누적 200만 대 판매 돌파
- GM, VW 등 주요 완성차 그룹이 공격적 전동화 전략을 발표한 가운데, 올해도 디트로이트 모터쇼에서 포드가 전동화 전략을 발표하는 등 트렌드 이어질 전망. 배터리 가격 급락, 주요 완성차 기업들의 경쟁적 전기차 출시계획에 따라 자동차 전동화 시대 본격 개막에 대한 기대감 상승
<주요기업 전동화 전략>
자료: Bloomberg New Energy Finance, 키움증권 자료, POSRI 재정리
○ 플러그인 하이브리드 자동차는 전기차 장점을 충분히 활용하면서도 기존 주유소 인프라 활용이 가능
- 가솔린 연료 주입만 가능한 여타 하이브리드와 달리, 주행시간의 약 70% 이상을 전기차 모드로 운용할 목적으로 충전을 주로 플러그를 통해 하는 방식. 충전인프라가 충분치 않은 지역에 있거나 장거리 주행이 목적인 이용자들에게 전기차 주행거리 불안은 해소 가능한 과도기적 시스템으로 평가
○ 궁극의 지향점으로 지목받는 전기차는 아직 넘어야 할 장애물 산재
- 1회 충전 주행거리 300km 이상의 2세대 전기차(GM Bolt, Tesla Model3)의 초기 판매부진 및 생산지연으로 전기차 대량생산 가능성에 대한 의구심 증폭. 석탄화력 중심 전력그리드를 갖춘 지역에서는 에너지 사용의 전체 사이클을 고려했을 때 이산화탄소 등 온실가스 배출로 인해 친환경성이 떨어진다는 지적. 특히 최근 배터리 원료인 리튬과 코발트 등 수급이 원활치 않자 이들 희소금속이 전기차 확산을 막는 최종 장애물이 될 것이라는 일부 의견 제기
<100% 전기차 전환시 자원증산 요구수준>
자료: UBS(2017.5.18), 광물자원공사 가격정보
<리튬, 코발트 최근 3년 가격추이>
*리튬(탄산리튬 99%min chn.), 코발트(LME cash)
5. 파워트레인 전쟁의 향방: 춘추전국시대의 지속
○ 현재 1% 수준에 불과한 플러그인 전기차 시장은 2030년 신차 시장의 20%가 넘을 것으로 보이며, 절반 이상의 자동차가 전동화(xEV)될 전망
- 지속적인 환경규제 강화로 내연기관 엔진만을 장착한 파워트레인, 특히 디젤은 소비자 부담이 가중되어 점차 선택하기 어려워질 전망. 현재 95%를 차지하는 내연기관만 사용한 파워트레인은 2030년 시장의 약 절반까지 점유율이 하락할 것으로 예상. 하지만 전동화 트렌드 속에서도 하이브리드 기술은 엔진을 함께 사용하므로 5대 가운데 4대 이상은 여전히 내연기관 엔진을 포함할 것으로 분석
<주요기관의 플러그인 전기차(PHEV, EV) 판매 장기전망>
자료: 주요기관 자료, POSRI 재정리
사용데이터: IHS Markit, Morgan Stanley (BEV), UBS, Mirae Asset, Roland Berger, Fuji Economy, Bloomberg New Energy Finance
○ 글로벌 파워트레인 시장 구성은 결국 플러그인 전기차 확산 속도에 의해 결정
- 자동차 전동화 확산 속도를 결정하는 핵심요인은 전기차 배터리이며, 단기적으로는 현재 통용되는 리튬이온배터리 개선, 이후 차세대 배터리 도입으로 가격경쟁력과 생산용이성을 확보할 것으로 예상. 따라서 에너지 밀도를 크게 높이고 코발트 같은 희소금속 사용을 줄여줄 NCM811 양극재 기술과 전고체 전지 기술 상용화가 시급. 충전인프라 보급과 더불어 풍력, 태양광 등 재생가능에너지 확산 통한 전력그리드 변신으로 전기차 친환경성 또한 더욱 높일 필요 있음
<전기차 배터리 기술로드맵>
<배터리 기술발전과 전기차 주행거리>
자료: Volkswagen, BMW, BNP Paribas 자료, POSRI 재편집
○ 미래 파워트레인 시장은 하나의 기술이 시장을 지배하기보다는 지역특성에 맞게 다양한 구성으로 다변화할 전망
- 배터리 기술이 크게 발전하더라도 원료수급부터 충전인프라와 대량생산 설비확충, 소비자 인식 전환 과정이 필요해 전기차 시대로의 전환은 급진적이기보다 점진적일 전망. 가격부담으로 마일드 하이브리드 등 대안기술이 상당기간 역할을 할 것이며, 비중은 매우 작더라도 지역에 따라 수소연료전지자동차나 가스자동차가 일부 보급될 가능성도 존재
<BCG의 자동차 파워트레인 전망자료(기관별 전망 중간그룹)>
자료: Boston Consulting Group(2017), POSRI 재편집
6. 시사점
○ 환경규제 강화에 따라 파워트레인 구성 변화와 함께 자동차 산업 전체 밸류체인도 재편될 전망
- 전기차 경우 내연기관차에 비해 부품수가 1/3로 축소, 단순화를 거치게 되어 흡배기계가 사라지고 배터리∙모터 등 전동화 부품이 신규로 장착. 전기차 모델 GM 쉐보레 Bolt의 경우 전체 부품의 절반을 LG그룹에서 공급받는 등 기존 공급선과 큰 차이. 내연기관 엔진 대신 배터리가 핵심부품으로 부상하며, 삼성SDI, LG화학, 파나소닉, CATL 등 2차 전지 기업이 자동차 공급사로 변신
<전기차 전환에 따른 부품 공급선 변화>
자료: UBS(2017.5.18), POSRI 재편집
○ 환경규제 충족 위해서는 파워트레인 변화뿐 아니라 차량경량화 동반 필요, 이에 따라 초고장력강, 마그네슘, 알루미늄, 플라스틱 등 대체소재 각광
- 경량화 통해 연비 확보 가능, 전기차 경우 상품성을 결정하는 1회 충전 주행거리를 늘리기 위해 경량화 필수. 미국 환경보호청 EPA에서는 2015-2025년 기간 동안 북미 자동차가 7% 경량화되어야 환경규제 충족할 것으로 전망. 이에 발맞추어 기업들은 복합소재를 통한 경량화 솔루션 개발 중. 프리미엄 라인업 차량의 경우 알루미늄, CFRP 5 등 대체소재를 적극 활용해 소비자 인지를 높이는 한편, 전기차 대중화에 따라 3만 달러 이하 모델로 확산되면서 가격대비 경량화 효과 높은 초고장력 철강소재 활용 높아질 전망
<테슬라 모델3의 차체 소재구성>
철강 사용 많아진 모델3
기존 프리미엄 라인업인 테슬라 모델S, 모델X는 알루미늄 풀바디였던 반면, 전기차 대중화 목적을 둔 모델3 는 차체 대부분 철강소재 사용
-> 소재가격 및 생산성 확보
자료: 테슬라 홈페이지 (Tesla Body Repair Tech Note)
<북미시장 자동차 감량 시나리오와 소재구성 전망>
자료: Ducker Worldwide (2017.6.31)
*MR: Mass Reduction
○ 기존 자동차산업 내 부품 및 소재 기업들은 새로운 환경변화에 적응하기 위해 신사업 개발 및 포트폴리오 변화 고려 필요
- 내연기관 비중 축소 가능성이 높아짐에 따라 엔진 흡배기계, 구동축류, 체결 볼트류 관렦 사업자들은 배터리 셀 및 패키지 소재 등 장기적 관점의 신규수요 개발 필요. 배터리와 더불어 핵심부품으로 꼽히는 구동모터 시장 성장가능성에 따라 모터코어를 구성하는 전기강판과 전력제어 계통의 DC/DC컨버터, 인버터 및 고전압 전장부품이 부상할 전망. 내연기관 엔진의 기계적 동력에 의존하던 공조장치 및 열관리시스템은 전기 기반의 PTC히터, 전기구동펌프 중심의 시스템으로 전환 필요
○ 2015년 폭스바겐 배출가스 조작사건 이후 자동차 환경규제가 엄격해지면서 실제로 일부 국가들은 내연기관 퇴출 정책을 입안 중
- 노르웨이는 2025년부터 내연기관 판매를 금지하고 100% 플러그인 전기차만 판매하도록 하는 법안에 합의, 네덜란드, 독일과 인도는 2030년, 영국과 프랑스는 2040년부터 내연기관 판매금지 정책을 추진하겠다고 밝혀 확산 조짐. 이러한 가운데 전기차는 지난해 122만 대가 판매되고 신차 시장의 1.3%까지 성장하며 파워트레인 시장 재편 기대감을 심어주었고, 48V(볼트) 하이브리드 시스템, 수소연료전지차가 시장에 선보이며 소비자 선택폭 확대
○ 독일 완성차 업체 중심으로 배출가스 조작사건이 연이어 노출되면서 디젤엔진은 소비자 이미지 크게 실추, 내연기관 시장 전체가 돌파구 고민 중
- 가솔린 시장에서는 터보차저, 다운사이징이 일반화되었으며, 가변압축비 엔진 등 신기술로 최근 열효율 40%를 넘어서면서 향후 60%대 열효율까지 기대. 디젤엔진은 강화된 배출가스 규제에 맞추어 DPF, SCR 등 미세입자(PM)와 질소산화물 후처리 장치 장착으로 대응 중이나 추가 장치와 비용은 소비자에게 부담으로 작용
○ 비용대비 효과 높은 하이브리드가 단기적으로는 가장 현실적인 대안으로 고려되고 있으며, 최소의 시스템으로 큰 효과 누릴 수 있는 48V 시스템 부상
- 내연기관 개선만으로는 한계가 있어 기존 플랫폼을 활용하면서도 상대적으로 적은 비용에 구현 가능한 하이브리드가 현실적 대안으로 부상, 일부 시장 주도. 유럽에서는 특히 구동모터나 복잡한 기어장치가 필요 없는 48V 시스템이 각광받을 것으로 예상하고 부품업체들이 기술 개발에 주력
○ 자동차 파워트레인 시장 구성을 좌우하는 결정인자는 플러그인 전기차 시장의 확산속도인 것으로 보이며, 절대강자 없는 춘추전국시대 지속 예상
- 글로벌 지구온난화 공동대응으로 인해 자동차 환경규제 갈수록 강화, 완성차 업계는 이에 맞추어 공격적인 전동화 전략을 발표하고 실제 다수의 모델 개발. 하지만 아직 배터리 가격 및 수급불안 해소, 충전인프라 확보, 재생에너지 확대 통한 전력그리드 친환경성 향상 등 많은 과제를 안고 있음
► 파워트레인 시장은 하나의 기술이 시장을 지배하기보다는 지역특성에 맞게 다수의 대안이 분포하며 소비자 선택의 폭이 넓어지고 다변화될 전망
- 출처: 포스코경영연구원