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압축공기 + 내연 기관 = 하이브리드 에어 자동차



 푸조는 2016 년에 출시될 2 세대 2008 에 압축공기 시스템을 가솔린 엔진과 결합한 하이브리드 에어 (Hybrid Air) 시스템을 적용할 예정이라고 발표했습니다. 이 하이브리드 시스템은 요즘 나오는 전기 - 내연기관 하이브리드와 다르게 배터리 대신 압축 공기 (정확히는 압축 질소) 를 사용하는 방식입니다. 압축 공기 엔진 자동차는 이미 소개 드린 바 있지만 (  http://jjy0501.blogspot.kr/2012/05/blog-post_9789.html 참조) 여러가지 단점을 가지고 있는데 이런 방식으로 이 단점을 극복하고 사용차로 만들려는 시도로 생각됩니다. 



(시트로엥 2008 하이브리드 에어. Peugeot Citroen Hybrid Air  Credit: PSA Peugeot Citroen )




(설명 영상)   


 압축 공기로 에너지를 저장하는 방식은 비싼 리튬 배터리 대비 가격이 저렴하고 쉽게 크기를 늘릴 수 있으며 한정된 자원인 리튬을 사용하지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 이전에 설명드렸듯이 압축 공기 엔진에는 여러가지 단점이 존재합니다. 그 단점이란 


 - 낮은 에너지 저장 밀도 : 고압의 압축공기, 예를 들어 30 MPa (4500 psi, 혹은 300 bar  참고로 300 bar 면 약 300 기압) 의 정도 고압 압축 공기의 에너지 저장 밀도는 1 리터당 50 Wh 수준에 불과합니다. 납축전지의 60 - 75 Wh/l 나 리튬 이온 배터리의 250 - 620 Wh/I 에 비해 낮은 것은 물론이고 리터당 9411 Wh 의 에너지 저장이 가능한 가솔린에 비해 현저히 낮은 수치인데 이를 쉽게 말하면 가까운 거리까지 이동하기 위해서는 아주 큰 압축 공기 탱크가 필요하다는 것입니다. 

 -  샤를의 법칙 : 공기가 팽창하면 샤를의 법칙에 의해 그 온도는 크게 떨어지게 됩니다. 이렇게 떨어진 온도로 인해 엔진이나 기타 부품들이 손상을 입을 수 있으며 특히 공기중 들어있는 수증기 때문에 미세한 얼음이나 서리가 끼어 엔진에 꽤 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 열 교환기가 필요해집니다. 

 - 짧은 주행 거리 : 낮은 에너지 밀도로 인해 압축 공기통이 크더라도 저장할 수 있는 에너지가 적어 주행 거리는 짧은 편입니다.  

 - 온실가스 배출 : 공기 자체는 연소되지 않고 온실가스도 배출하지 않습니다. 그러나 중요한 점은 압축 공기는 에너지를 저장하는 수단이지 에너지 그 자체가 아니라는 점입니다. 대개 공기를 압축하는데 전기를 사용하게 되는데 오늘날 전기의 대부분은 화석 연료를 이용해서 생산됩니다.

 - 안전 문제 : 고압 가스를 가진 공기 탱크가 필요하게 되므로 충돌시 폭발 문제를 생각하지 않을 수 없음. 


 푸보의 하이브리드 에어는 위에 언급한 문제를 해결하기 위한 아이디어 입니다. 푸조는 압축 공기의 낮은 에너지 저장 밀도와 짧은 주행 거리를 극복하기 위해서 가솔린 엔진과의 하이브리드 시스템으로 개발했습니다. 이것으로 짧은 주행 거리와 압축공기를 쉽게 보충할 수 없는 문제가 해결됩니다. 


 샤를의 법칙에 의한 문제를 피하기 위해서는 그냥 공기를 압축하는 대신 고압의 질소를 2 개의 탱크 사이에 (저압 및 에너지 저장 탱크) 저장했습니다. 따라서 공기 중 수증기 문제도 피할 수 있고 급격한 압력 변화로 인한 열 문제도 어느 정도 잡을 수 있습니다. 


 마지막으로 이 하이브리드 시스템은 차가 브레이크를 밟는 상황에서 공기를 압축하는 방식으로 에너지를 조금씩 저장합니다. (물론 공회전 하는 상황에서도) 이렇게 저장된 에너지로 단독으로 주행할 수 있지만 언덕을 오르는 등 힘이 더 필요한 상황에서는 압축된 공기의 에너지를 같이 이용한 파워 드라이빙이 가능합니다. 


 하이브리드 에어 시스템은 내연기관 + 전기 하이브리드 시스템과 비슷하게 고속도로에서 장거리 주행하는 경우에는 오히려 연비가 낮을 수도 있지만 가다 서다를 반복하는 도심 주행에서는 더 높은 연비를 보장합니다. 연비는 대략 40 km/l 라고 하는 데 실제로 어느 정도 수준인지는 실물이 나와서 정확한 측정을 해봐야 알 것으로 보입니다. 압축 공기와 가솔린 엔진의 전환은 자동으로 이뤄지며 압축공기로 낼 수 있는 최고 속도는 시속 43 마일 (약 시속 70 km)  정도라고 합니다. 


 그럴싸해 보이는 아이디어긴 한데 과연 얼마나 실용적일지 궁금하네요. 


 참고 






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