[사이언스스코프]전기차는 정말 친환경일까…①과학은 자동차의 '평생'을 계산한다

배터리 생산부터 운행·폐차까지 따지는 전 과정 평가
출고 때는 전기차가 불리…주행하며 탄소 격차 뒤집어

편집자주'사이언스스코프(Science Scope)'는 특정 과학기술 현상을 깊이 있게 들여다보고, 그 의미와 미래를 분석하는 기획입니다.

전기차는 달릴 때 배기가스를 내뿜지 않는다. 엔진에서 휘발유나 경유를 태우지 않으니 주행 중 배출하는 이산화탄소도 없다. 전기차는 '완벽한 친환경차'일까.

자동차가 남기는 탄소는 도로에서만 발생하지 않는다. 차체와 부품을 생산해 자동차를 조립하는 과정에서 이미 탄소가 배출된다. 여기에 리튬·니켈·코발트 등 배터리 원료의 채굴과 정제, 배터리 셀 생산 과정이 추가된다. 충전용 전기를 만드는 발전소에서도 온실가스가 나온다. 폐차와 배터리 처리 과정도 환경에 영향을 준다. 배기가스가 '0'이라고 해서 탄소배출까지 '0'인 것은 아닌 셈이다

현대자동차그룹의 코나EV 시승회. 전기차의 환경 영향을 평가하려면 주행뿐 아니라 차량·배터리 생산부터 폐기·재활용까지 전 과정을 살펴야 한다. 현대자동차그룹 제공

이소라 한국환경연구원 순환경제연구실 선임연구위원은 "전기차는 도로에서 배기가스를 배출하지 않지만 이는 자동차 생애주기의 한 단계인 운행 단계만 본 것"이라며 "실제 환경영향은 원료 채굴, 부품·배터리·차량 제조, 전력 생산과 충전, 운행, 폐기·재활용까지 이어지는 전체 사이클에서 발생한다"고 설명했다.

제품의 원료 채취와 제조, 사용, 폐기·재활용 과정에서 발생하는 환경 영향을 모두 계산하는 방법을 '전 과정 평가(Life Cycle Assessment·LCA)'라고 한다. 자동차가 태어나서 폐기될 때까지의 '평생'을 하나의 분석 단위로 보는 방식이다.

배기가스 '0'이어도 탄소배출 '0' 아니다

자동차가 달릴 때 배출하는 가스를 측정하는 것이 '탱크투휠(Tank-to-Wheel·TTW)'이다. 내연기관차는 연료를 태우면서 이산화탄소를 배출하지만 전기차는 이 단계의 직접 배출량이 0이다.

원유의 채굴·운송·정제나 전기 생산까지 포함한 것이 '웰투휠(Well-to-Wheel·WTW)'이다. LCA는 여기서 더 나아가 차량과 배터리의 원료 채취와 제조, 운행, 폐차와 재활용까지 포함한다. 같은 전기차라도 배터리를 어디서 어떤 전력으로 만들었는지, 무엇으로 충전하고 얼마나 오래 운행하는지에 따라 환경 성적표가 달라진다.

전기차의 '처음'은 환경 성적표를 잘 받는데 유리하지 않다. 공장을 빠져나오는 시점에는 내연기관차보다 많은 탄소를 이미 배출한 상태일 수 있다.

가장 큰 원인은 배터리다. 배터리 원료 광물을 채굴·정제하고 양극재와 음극재, 배터리 셀을 생산하려면 많은 에너지가 필요하다. 배터리 공장이 화석연료에 크게 의존하는 전력을 사용한다면 생산 단계의 탄소배출은 더욱 늘어난다.

배터리 용량도 영향을 미친다. 배터리를 크게 만들면 더 많은 원료와 에너지가 필요하고 차량 무게도 증가한다. 소형 전기차와 대형 전기 스포츠유틸리티차량(SUV)을 같은 '전기차'라는 이유만으로 똑같이 평가할 수 없는 이유다.

국제청정교통위원회(ICCT)가 2025년 유럽연합(EU)에서 판매되는 중형 승용차를 분석한 결과 배터리 전기차는 생산 단계에서 휘발유차보다 약 40% 많은 온실가스를 배출했다. 그러나 생애주기 전체에서는 반대였다. 전기차의 배출량은 63gCO₂e/㎞로 휘발유차(235gCO₂e/㎞)보다 73% 낮았다

출고 뒤부터 탄소가 쌓이는 양상이 달라지기 때문이다. 내연기관차는 연료를 태울 때마다 이산화탄소를 배출한다. 반면 전기차는 주행 중 직접 배출이 없고, 운행 과정의 탄소는 주로 충전 전력을 생산할 때 발생한다. 전력망이 저탄소화되면 이미 도로를 달리는 전기차의 간접 배출량도 낮아질 수 있다.

국제에너지기구(IEA)는 세계 평균을 기준으로 2023년 판매된 중형 배터리 전기차가 15년간 약 20만㎞를 운행하면 생애주기 온실가스 배출량이 동급 내연기관차의 약 절반이라고 분석했다. 하이브리드차보다도 40% 이상 낮았다.

1만7000㎞ 달리면 뒤집힌다…'탄소 손익분기점'

전기차가 배터리 생산 과정에서 추가로 배출한 탄소를 운행하면서 만회하는 지점을 흔히 '탄소 손익분기점(Carbon Payback Point)'이라고 부른다.

ICCT의 2025년 분석에서는 EU에서 판매되는 중형 전기차의 경우 약 1만7000㎞가 생산 단계에서 휘발유차보다 더 배출했던 온실가스를 상쇄하는 지점이었다. 이후에는 주행거리가 길어질수록 누적 배출량의 격차가 커졌다. 물론 '1만7000㎞'가 모든 전기차에 적용되는 절대적인 숫자는 아니다. EU의 평균 전력믹스와 차량·배터리 생산 조건 등을 적용한 결과다.

화석연료 발전 비중이 높은 곳에서는 탄소 손익분기점이 뒤로 밀릴 수 있다. 반대로 저탄소 전력 비중이 높은 지역에서는 더 빨리 탄소 부담을 만회한다. 배터리 크기와 제조 방식, 차량 수명과 총주행거리 등도 결과를 바꾼다.

이 선임연구위원은 "전기차는 제조 단계에서 온실가스를 더 많이 배출하고 운행 단계에서는 적게 배출하기 때문에 총주행거리가 길어질수록 제조 단계의 초기 배출 핸디캡을 상쇄하고 전체적으로 유리해진다"며 "반대로 배터리를 유난히 크게 만든 차량이거나 차를 아주 짧게만 타고 폐차하면 손익분기점에 도달하지 못할 수도 있다"고 말했다.

전기차를 타는 동안 배터리를 교체해야 한다면 계산은 다시 달라진다. 새 배터리를 생산해야 하기 때문이다. 최근 연구에서는 배터리 수명이 자동차 자체의 수명보다 짧다는 가정을 다시 들여다보고 있다.

ICCT가 2025년 보고서에서 인용한 연구에 따르면 니켈·망간·코발트(NMC) 배터리는 초기 용량의 80% 이상을 유지하면서 3000~5000회의 완전 충·방전 사이클을 견딜 수 있는 것으로 나타났다. 리튬인산철(LFP) 배터리는 5000~6000회 이상이었다. 1회 충전 주행거리 200~400㎞를 적용하면 NMC 배터리의 3000~5000회는 단순 계산으로 약 60만~200만㎞에 해당한다

실사용 자료도 비슷하다. ICCT가 인용한 전기차 2만대 조사에서는 2016년 이후 판매 차량 가운데 리콜을 제외한 배터리 교체 비율이 1% 미만이었다. ICCT는 현재까지의 연구를 종합하면 리튬이온 배터리를 일반적으로 승용차 자체보다 오래 사용할 수 있을 것으로 봤다.

배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐도 전기차의 '평생 환경 성적표'를 결정하는 변수인 셈이다.

한국서도 전기차가 탄소배출 더 적어…"100대 0은 아니다"

안재연·이주하 이화여대 연구원과 김자륭 한국교통안전공단 미래차연구처 처장, 최원재 이화여대 휴먼기계바이오공학부 교수 연구팀은 2025년 한국수소및신에너지학회논문집에 발표한 '국내 승용차량의 전과정적 온실가스 배출량 분석'에서 내연기관차와 하이브리드차, 전기차, 수소전기차의 생애주기 온실가스 배출량을 비교했다.

연구팀은 현대차 코나를 기준으로 코나 내연기관차와 코나 하이브리드, 코나 일렉트릭을 비교하고, 수소전기차 넥쏘까지 분석했다. 연료·전력 생산부터 차량·배터리 생산·폐기, 주행 중 직접 배출까지 포함한 결과 전기차는 배터리 생산의 영향으로 차량 생산·폐기 단계의 배출량이 내연기관차와 하이브리드차보다 컸다.

반면 전기차는 주행 중 직접 온실가스를 배출하지 않는다. 충전에 사용하는 전력을 생산하는 과정에서는 온실가스가 발생하지만 이를 포함해도 전체 생애주기 배출량은 내연기관차와 하이브리드차보다 낮게 나타났다.

최 교수는 "차량 생산과 폐기를 고려하면 하이브리드차와 전기차의 전 과정 온실가스 배출량 차이가 줄어든다"며 "이는 전기차 배터리를 생산할 때 발생하는 온실가스가 큰 것이 주된 원인"이라고 설명했다.

그는 그러나 "우리나라 상황에서도 전기차의 온실가스 배출량은 하이브리드보다 낮은 쪽에 형성돼 있다"며 "다만 일반 시민들이 생각하는 것처럼 100대 0의 차이가 나는 것은 아니다"라고 짚었다.

경기도 평택항에 전기차 등 수출용 차량이 선적을 대기하고 있다. 연합뉴스 제공

연구마다 전기차의 탄소감축 효과가 다르게 나오는 것도 이 때문이다. 차량 크기와 배터리 용량, 차량 수명, 총주행거리, 전력 배출계수와 평가 범위가 달라지면 결과도 달라진다.

최 교수는 "무분별하게 어느 하나의 자동차가 좋다고 단정짓기보다는 전 과정적인 온실가스 배출량을 객관적으로 비교해 어떤 자동차가 어떤 조건에서 얼마나 적게 배출하는지를 봐야 한다"고 강조했다.

연구팀은 이 같은 전 과정 평가 방법을 실제 자동차 환경성 평가에 적용하기 위한 연구도 진행하고 있다. 국토교통부가 지원하고 한국교통안전공단이 주관하는 '한국형 Green NCAP 평가기술 개발' 과제를 수행하며 자동차의 운행 단계뿐 아니라 연료·전력 생산과 차량 생산 등 전 과정의 환경성을 평가하는 기술을 개발하고 있다.

전 과정 평가는 전기차가 친환경이라는 결론을 정해놓고 이를 증명하는 도구도, 배터리 생산의 탄소 때문에 친환경적이지 않다고 결론 내리는 도구도 아니다. 자동차가 태어나서 사라질 때까지 남기는 환경 부담을 같은 조건에서 비교하는 방법이다.

그렇다면 석탄과 천연가스 발전이 여전히 상당한 비중을 차지하는 한국에서는 어떨까. 전기차의 진짜 환경 성적표를 좌우하는 또 다른 무대는 자동차 밖, 전력을 만드는 발전소에 있다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr