제조 단계에서 경량화 차량 제작·수소환원제철 및 EAF 통한 탄소 발자국 감소 가능
사용 단계에서 녹색 전력·높은 탑승률, 수명 종료 후 재활용으로 탄소 저감 가능

자동차산업이 내연기관에서 전기차로 전환되고 있는 가운데 세계 자동차업계와 철강업계에서는 자동차 생산 과정의 탄소 배출량 감축을 위해 노력하고 있다. 특히, 기존 대비 안전성과 경제성이 높은 차량을 제작하면서 동시에 탄소 배출량을 감축하기 위한 연구개발이 활발하게 진행 중이다.

세계철강협회(WSA) 산하에 있는 WorldAutoSteel은 글로벌 엔지니어링 회사인 리카르도(Ricardo)와 협력하여 탄소중립 달성을 위한 지속 가능성에 중점을 두고 철강제품의 강도와 내구성을 높여 완전 자율형 공유 차량의 차체 구조를 만들고, 그 결과 자동차 제조업체가 ‘서비스로서의 이동성(MaaS : Mobility as a Service) 차량 공유 모델’을 지속적으로 개발할 수 있도록 지원하는 ‘Steel E-Motive’ 프로그램을 진행했다.

해당 프로그램에서 초고장력강(AHSS : Advanced High Strength Steel)을 활용한 자율형 공유 차량의 차체 구조를 만든 WorldAutoSteel은 해당 프로그램을 통해 ”전기차 제조에 초고장력강을 활용한다면 혁신적인 지속 가능성 기능을 갖출 수 있으며, 특히 자동차의 전체 수명주기 동안 온실가스(GHG) 배출량을 최대 86%까지 줄일 수 있는 잠재력이 있다“고 밝혔다.

WorldAutoSteel 기술 이사인 조지 코테스(George Coates)와 리카르도 오토모티브(Ricardo Automotive)의 수석 엔지니어인 네일 맥그리거(Neil McGregor)는 “‘Steel E-Motive’ 프로그램을 진행한 결과 초고장력강(AHSS : Advanced High Strength Steel)이 자동차 수명주기의 세 가지 주요 단계인 제조, 사용 및 수명 종료 모두에서 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있는 유일한 자동차 소재”라고 강조했다.

제조 단계에서 초고장력강 활용해 안전성·효율성·경제성·친환경성 갖춘 차량 아키텍처 제조 가능

‘Steel E-Motive’ 프로그램 진행 결과 초고장력강(AHSS)을 사용한 차량 설계는 지속 가능성에 대한 여러 가지 이점을 제공한다. ‘Steel E-Motive’는 기존 글로벌 제조 및 공급 자원을 사용하여 생산할 수 있으므로 이를 생산하기 위해 새로운 공장과 기계를 건설할 필요가 없다. ‘Steel E-Motive’의 설계 및 엔지니어링은 재료 두께를 최소화하고, 필요한 재료의 양을 줄이고, 스크랩을 줄이는 효율적인 제조 공정을 통해 재료 활용도를 극대화하는 데 중점을 두고 있다.

‘Steel E-Motive’는 전기 자동차용으로 제작된 초고장력강 차체 구조를 사용하여 차체 구조의 질량을 27% 감소시켰다. 예상되는 강철 기준 차량 374kg에서 다중 차량과 경쟁할 수 있는 질량인 282kg이다. 이는 차량이 더 가벼워짐에 따라 사용 시 배출가스가 줄어들 뿐만 아니라 우선 재료 생산 및 배출도 줄어든다는 것을 의미한다.

차체 구조 뿐만 아니라 초고장력강을 활용하면 평균 레퍼런스 배터리 팩 구조보다 37% 더 가볍고 비용은 27% 더 저렴한 지능형 배터리 패키징을 통해 무게를 더욱 절감할 수 있다.

게다가 초고장력강은 안전도 보장한다. ‘Steel E-Motive’의 설계는 IIHS '양호' 등급을 달성할 수 있는 글로벌 고속 충돌 규정을 충족하도록 설계되었다. 전체적으로 ‘Steel E-Motive’에는 안전하고 효율적이며 경제적인 차량 아키텍처를 제공하는 7가지 첨단 고강도 강철 구조 혁신이 포함되어 있다.

수소환원제철 및 전기아크로 기반 초고장력강 활용 시 자동차산업 탄소 발자국 감소

현재 세계 자동차산업은 차량의 전체 수명 동안 배출가스를 줄이기 위해 재료 제조 단계에 점점 더 집중하고 있습니다. 철강은 이미 1차 생산에서 좋은 점수를 받았다. 대체 재료는 이 단계에서 배출량이 6~17배 더 높다. 이미 효율성이 높은 산업인 철강산업은 많은 노력을 기울이면서 탈탄소화를 향해 최대한 빠르게 움직이고 있다.

한 가지 예는 철광석을 금속 철로 화학적으로 환원하기 위해 석탄 기반 코크스 대신 ​​수소를 환원제로 활용하는 직접환원철(DRI)과 같은 기술을 사용하는 것이다. 재생 가능한 전기를 활용해 전기분해 방식으로 생산한 ‘그린수소’를 사용하는 DRI 공정과 더 높은 비율의 재활용 철강을 활용하는 전기아크로(EAF) 철강 생산을 결합하면 탈탄소 철강 생산에 대한 최고의 잠재력을 제공한다.

‘Steel E-Motive’의 엔지니어링 보고서에 따르면 현재는 소수의 DRI 시험 생산 시설이 운영 중이지만, 선진국들을 중심으로 많은 대규모 공장이 건설 중이거나 ‘Steel E-Motive’가 예상하는 기간 내에 가동될 예정이다. 실제로 2035년까지 차량 구성에 사용되는 철강의 상당 부분이 탈탄소 생산 기술을 사용하여 제조될 것으로 예상된다.

보고서는 “향후 수소환원제철 혹은 전기아크로 생산기술 기반의 초고장력강 소재가 자동차 제조에 널리 활용된다면 자연스럽게 자동차산업의 탄소 발자국도 감소하게 될 것”이라고 밝혔다.

사용 단계에서 녹색 전력·주행 주기 평탄화·넓은 실내공간 활용한 높은 탑승률로 탄소 배출 절감

차량 사용 단계에서 소비되는 에너지 생성으로 인한 탄소 배출은 중요한 고려 사항이며, 리카르도는 ‘Steel E-Motive’의 전과정분석(LCA)을 통해 이러한 에너지 영향에 대한 여러 가지 시나리오를 모델링했다. 리카르도사는 LCA 계산에서 다양한 전력원에 대한 국제에너지기구(IEA) 세계에너지전망(WEO)의 예측과 예상 미래 추세를 사용했다. 전력망의 녹색화는 가장 중요한 변화이자 배출량 감소의 가장 큰 인이 될 것이다.

친환경 전기가 핵심 요소이기는 하지만, 자율주행차는 다른 방식을 통한 탄소 배출 감소 잠재력에도 기여한다. 한 가지 중요한 요소는 ‘드라이브 사이클 스무딩(drive Cycle Smoothing)’으로 알려져 있습니다. 차량의 고급 데이터 수집을 통해 교통 신호를 예측하고 이에 따라 속도를 조정하는 등 가속 및 감속을 최적화할 수 있다. 이는 동일한 거리를 이동하는 데 더 적은 에너지를 사용한다는 것을 의미하며, 예상되는 에너지 소비량은 약 15% 감소한다.

‘Steel E-Motive’는 ‘모빌리티를 활용한 서비스MaaS(Mobility as Service)’를 위해 설계되었다. 여기서 주요 이점 중 하나는 승객 탑승률을 높이는 것이다. 즉, 동일하거나 더 많은 수의 사람을 운송하는 데 더 적은 수의 차량이 필요하다는 의미이다. ‘Steel E-Motive’의 도시 컨셉 버전은 차량당 최대 4명의 승객을 수용할 수 있으며, 도시 간 버전은 최대 7명의 승객을 수용한다. 자율성은 또한 도움이 되며, 운전자가 없으면 승객을 위한 공간이 더 많아진다. 디자인 효율성과 결합된 고강도 강철은 차량의 설치 공간에 비해 내부가 최대화될 수 있음을 의미하며, 인테리어 디자이너는 사람들이 차량을 공유할 수 있는 공간을 최대한 매력적으로 만들 수 있는 최대 범위를 제공한다. 이를 통해 승객 수송거리당 배출되는 이산화탄소를 크게 줄일 수 있습니다.

WorldAutoSteel 기술이사인 러스 벨저(Russ Balzer)는 “소비자의 차량 선택이 결국 자동차산업에서 총 탄소 배출 감소에 가장 큰 영향을 미칠 것이다. 이를 위해서는 ‘Steel E-Motive’ 프로그램으로 제작된 공유 전기차가 충돌에 강하면서도 넓고, 개방적인 승차감으로 소비자들의 신뢰를 얻어야 한다. 그리고 소비자의 높은 신뢰는 자동차산업의 탄소중립을 달성하기 위한 가장 중요한 조건”이라고 말했다.

이어 “‘MaaS’는 차량의 서비스 수명이 소비자 중심 차량의 최소 두 배 이상이어야 하며, ‘Steel E-Motive’는 초고장력강의 피로 및 내구성 특성과 배터리 모듈을 쉽게 교체할 수 있는 차량 설계를 통해 이를 가능하게 한다”고 설명했다.

수명 종료에도 무한정 재활용 통한 탄소 배출 감축 및 지속 가능성 제공

한편 ‘Steel E-Motive’ 프로그램에서는 차량 수명 종료 시에도 초고장력강을 포함한 철강재 활용이 탄소 배출 감축에 이점이 있다고 분석했다.

차량의 수명이 끝난 후 소재의 재활용은 매우 중요하다. 철강은 전 세계적으로 이미 구축된 철강 재활용 인프라를 통해 상당한 지속 가능성 이점을 제공한다. 특히, 전기아크로(EAF)의 사용 확대로 인해 품질 저하 없이 무한히 재활용할 수 있는 재활용 강철의 사용과 수요가 증가할 것이다.

밸저 이사는 “WorldAutoSteel이 진행한 ‘Steel E-Motive’ 개념은 초고장력강을 포함한 철강이 미래 모빌리티 환경의 목적에 완벽하게 부합한다는 것을 보여준다. 철강 소재를 활용해 제작된 차량은 수명주기가 종료된 이후 온실가스 배출 없이 철스크랩으로 파쇄된 후, 다시 전기아크로를 통해 철강으로 재생 가능하다. 다른 소재와 달리 철강은 재활용이 가장 용이하고, 탄소 배출량도 가장 적어 환경 친화적인 이점이 크다”고 말했다.

한편 ‘Steel E-Motive’는 지난 25년 동안 자동차 구조에 대한 새로운 초고장력강 애플리케이션을 선보인 일련의 철강산업 프로젝트 중 가장 최근의 것이다. 18개의 글로벌 철강 생산업체로 구성된 WorldAutoSteel은 세계철강협회(World Steel Association)의 자동차 그룹이다. WorldAutoSteel은 전반적인 엔지니어링 설계, 테스트 및 개발을 관리한 리카르도(Ricardo)와 긴밀히 협력하면서 ‘Steel E-Motive 프로젝트’를 주도했다.