최근 자동차산업의 이슈는 IT기술을 기반으로 한 커넥티드-스마트카와 전기차 등 친환경자동차의 개발이라는 두 개의 축으로 집약되고 있으며, 이러한 문제에 대한 대응력 유무가 미래 자동차 시장의 승패를 가를 것으로 전망하는데 이견이 없는 실정이다.

그 가운데 스마트카는 기술의 채용여부를 자동차 업계가 스스로 결정 할 수 있는 선택의 문제라면 친환경 그린카의 개발은 기후변화와 온난화에 대한 지구적 대응 시스템의 일부로 자동차 산업에 국한되지 않고 전산업에 적용되는 규제형이어서 피해갈수 없는 필수적 문제라는 것이 차이점으로, 꾸준한 시장 확대가 예상되는 이유가 되고 있다.

온실가스 배출 등 환경문제 대응을 위해 EU는 유로6 배출가스 저감 기준을 제시하고 있으며, 미국은 캘리포니아 주를 중심으로 ZEV(Zero Emission Vehicle) Project를 실행 중이며, 우리나라는 2011년 7월 2020년까지 배출량 전망치(BAU) 대비 30%의 온실가스 감축을 내용으로 하는 국가 온실가스 중기 감축목표를 설정하고, 수송 분야는 감축율 34.3%(3,600만t)로 가정, 산업 등 6개 부문별 감축목표 중 가장 높은 비율을 할당했으며, 내년부터 ‘저탄소차 협력금제도’의 도입도 검토중이다.

이에따라 향후 자동차 산업은 빠르게 고연비 차량, 그린카 중심으로 재편될 것으로 예상된다. 현재까지 가솔린자동차와 디젤자동차가 자동차 시장의 대부분을 차지하고 있지만 하이브리드자동차, 전기자동차, 연료전지자동차로 대변되는 그린카는 자동차 기술 개발의 핵심이 되고 있으며, 크린디젤 등 엔진기술을 통한 경쟁력 확보 노력도 강화되고 있으며, 화석연료의 사용을 줄이기 위한 대체연료의 개발과 보급도 강화함으로써 바이오연료 차량의 개발도 중요해지고 있다.

이 보고서에서는 이러한 국내외 정부의 그린카에 대한 연구와 보급에 대한 지원 정책 및 그린카 기술의 개발동향에 대하여 알아보고, 그린카를 논할 때 빼놓을 수 없는 대체연료와 바이오 연료에 대한 현황을 수록했다. 또한 그린카와 관련한 국내외의 자동차 업체와 부품업체에 대하여도 조사하였다.

모쪼록 관련업계 종사자에게 도움이 되기를 바라는 바이다.

2014년 7월 21일
차세대 자동차 프로젝트팀
대표 컨설턴트 조 성 락

Ⅰ. 그린카 개요와 글로벌 시장동향 37

1. 개요와 분류 37
1-1. 그린카의 정의와 종류 37
1) 그린카(Green Vehicle) 정의 37
(1) 일반적인 정의 및 종류 37
(2) 그린카의 국내 정의 39
2) 그린카의 종류 40
3) Green car ranking 41
1-2. 그린카의 분류와 유형별 특징 44
1) 엔진구조에 따른 분류 44
(1) Electric Vehicle (xEVs) 45
(2) 내연기관(ICE) 차량 53
2) Emission에 따른 분류 55
(1) 개요 55
(2) 주요등급 56
3) 대체연료에 의한 분류 58
(1) 배경 및 현황 58
(2) 주요 분류 60
2. 글로벌 주요국의 그린카 정책동향과 전략 80
2-1. 해외 주요국 정책동향 종합 80
1) 미국의 주요 정책과 전략 83
(1) 그린카 관련 핵심기관 정책동향과 전략 83
(2) 연비규제 강화 89
(3) Bio Fuel 관련 동향과 전략 97
2) EU(유럽)의 주요 정책과 전략 105
(1) European Emission Standards 105
(2) 독일의 R&D 지원정책 112
(3) 프랑스 115
3) 일본의 주요 정책과 동향 116
(1) 그린카(에코카) 보급 정책 116
(2) 일본정부의 R&D 지원 정책 119
2-2. 국내 그린카 정책 동향과 전략 126
1) 지원정책 경과 126
2) 정부 R&D 지원현황과 연구성과 127
3) 그린카 R&D 지원전략 132
(1) 전망 및 기본전략 133
(2) 세부 추진 전략 135
(3) 그린카 양산 로드맵 138
4) 저탄소차 협력금제도 시행 139
(1) 저탄소차 협력금제도의 도입 배경 139
(2) 저탄소차 협력금제도의 내용 141
(3) 기대효과 142
3. 국내외 자동차 시장 현황과 전망 143
3-1. 글로벌 시장 현황 143
1) 글로벌 현황 143
2) 지역별 현황 144
3) 업체별 현황 145
4) 차급별 현황 146
3-2. 국내 시장 현황 147
1) 2013년 국내 현황 147
2) 차급 및 업체별 동향 148
(1) 차급별 동향 148
(2) 업체별 동향 148
3) 수입차 동향 149
3-3. 2014년 전망 151
1) 글로벌 시장 전망 151
2) 국내 시장 전망 152
(1) 차급별 전망 153
(2) 수입차 시장 153
(3) 수출 및 생산 전망 153
3) 2014년 주요 업체별 사업전략 155
4) FTA 체결에 따른 자동차 시장 영향 156
(1) 한·미 FTA 156
(2) 한·EU FTA 158
4. 글로벌 그린카 시장 현황과 전망 160
4-1. 글로벌 시장현황 및 전망 160
1) 자동차 시장 패러다임의 변화 160
2) 2013년 친환경차 판매동향 162
(1) 지역별 성장단계 차별화 163
(2) 타입별 시장현황 165
(3) 업체별 경쟁력 169
(4) 업체 간 연비 경쟁 173
3) 그린카 차종별 시장현황 175
(1) HEV 175
(2) BEV 176
(3) FCEV 177
(4) CDV 177
(5) NGV 179
4-2. 국내 시장현황 및 전망 181
1) 차종별 시장현황 181
(1) HEV(PHEV) 181
(2) BEV 182
(3) FCEV 183
(4) CDV 188
(5) NGV 189

Ⅱ. 그린카 유형별 핵심기술 개발 동향과 전략 193

1. 그린카 기술개발 동향 193
1-1. 그린카 유형별 특성과 개발 방향 193
1) 유형별 특성 193
2) 그린카 유형별 기술개발 방향 194
1-2. 그린카 유형별 기술 동향 195
1) HEV(PHEV) 195
2) BEV 195
3) FCEV 196
4) CDV 198
5) NGV 198
1-3. 국제 표준화 추진 동향 199
2. 전력기반차 주요 부품 기술 개발 동향과 전략 202
2-1. 연료전지와 연료전지차 202
1) 개요 202
(1) 개념 정의 202
(2) 연료전지의 특징 205
(3) 연료전지 산업구조 209
(4) 최근 주요 이슈 210
2) 글로벌 환경 분석 221
(1) 세계 시장 동향 221
(2) 글로벌 정부 및 기업의 추진 실태 227
(3) 수송용 연료전지의 빠른 상용화 가능 233
(4) 빠른 기술혁신의 배경 234
3) 국내 환경 분석 243
(1) 국내 시장 현황 243
(2) 국내 정책 이슈 246
4) 국가별 연료전지 관련 특허 현황 249
(1) 수송용 연료전지 분야 251
(2) 세부기술별 현황 251
5) 국내외 기술개발 전략 253
(1) 글로벌 기술개발 전략 253
(2) 국내 기술개발 전략 256
6) FCEV 시장 전략 262
(1) ZEV Credit 제도 활용 262
(2) 정부 및 에너지업체와 협력 체제 구축 264
(3) 수송용-가정용-발전용 간 시너지 효과 창출 266
7) 글로벌 주요기업 동향 269
(1) Matsushita Electric (Panasonic,일본) 269
(2) Nissan Motor(일본) 270
(3) Mitsubishi(일본) 271
(4) Bloom Energy(미국) 272
(5) Honda Motor(일본) 273
(6) Ballard Power Systems(캐나다) 275
8) 국내 주요기업 동향 276
(1) 삼성SDI 276
(2) 포스코에너지 277
(3) 현대자동차 278
(4) 두산중공업 279
(5) GS퓨얼셀 280
(6) 퓨얼셀파워 281
2-2. 2차전지와 전기차 282
1) 개요 282
2) 글로벌 R&D 현황 282
(1) Battery 용도별 R&D 현황 282
(2) 주요 회사별 R&D 현황 287
3) 국내 R&D 현황 293
(1) 정부주도 기술개발 계획 295
(2) 국내 차량용 배터리 관련 기술개발 현황 296
4) 차세대 Battery 관련 이슈 298
(1) Lithium-Air Battery 299
(2) EV용 리튬이온 하이브리드 전지시스템 303
(3) 새로운 리튬-이온 배터리용 Polymer 개발 304
(4) 리튬 배터리용 실리콘 양극과 황 음극 개발 305
(5) High-Energy Nickel-Carbon Super-Capacitor Battery 307
(6) 리튬-황 배터리를 위한 MOF 기반의 음극 307
(7) 고성능의 저렴한 리튬-황 배터리 개발 308
(8) 나트륨 이온 전지의 새로운 제조공법 309
(9) 배터리 성능을 촉진하는 탄소 나노튜브 코팅 311
(10) 리튬 이온 커패시터 연구 313
(11) 1,600km의 주행거리를 가지는 알루미늄-공기 전지 314
2-3. Motor 317
1) Motor의 분류 317
2) Motor 기술개발 동향 320
(1) 유도Motor 320
(2) Reluctance Motor (RM) 326
(3) WFSM 331
3. 친환경 고효율 엔진 기술 336
3-1. Clean Diesel 엔진 336
1) 국내의 클린 디젤 소비자 인식 조사 주요 결과 336
2) 세계 디젤엔진 시장 전망 338
(1) Freedonia Group의 세계의 디젤엔진 Report 338
(2) 보쉬의 글로벌 디젤 시장 진단과 전망 339
3) 승용 디젤엔진 개발 전략 342
(1) 디젤엔진 관련 법규 강화 동향 342
(2) 승용 디젤엔진 기술 로드맵 344
(3) 연료 분사 시스템 기술 개발 전략 345
(4) EGR 시스템 기술 개발 전략 346
(5) NOx 후처리 시스템 347
(6) 마찰 및 펌핑 손실 저감 시스템 352
(7) 승용디젤 엔진기술 개발전략 353
4) 상용 디젤자동차의 후처리시스템 적용 기술 354
(1) 상용 디젤자동차의 EURO-VI 배기규제 354
(2) Heavy-Duty 디젤엔진의 EURO-VI 대응전략 356
(3) Diesel Oxidation Catalyst (DOC) 358
(4) Diesel Particulate Filter (DPF) 359
(5) Selective Catalytic Reduction (SCR) 360
(6) 결론 361
5) 국내 클린디젤 기술개발 동향 362
(1) 클린디젤 엔진 연소 기술 362
(2) 클린디젤 엔진 연료분사 시스템 기술 367
(3) 기타 클린디젤 엔진 부품 기술 369
(4) 과제와 전망 373
6) 미국의 On-Road Heavy Duty 차량용 디젤엔진 개발동향 374
(1) 최선의 연비 및 최소의 배기가스 배출을 위한 연소 최적화 기술 375
(2) 최적효율 개선, 펌프손실 감소와 Air Management 최적화 375
(3) 유효에너지를 최대화하기 위한 전체 시스템의 열손실의 최소화 375
(4) 마찰손실이나 Parasitic 손실 감소 376
(5) 고 압축비 및 연소압 증대 376
(6) 엔진의 Down-speeding 377
(7) 저탄소 특성인 저가의 대체연료 377
(8) 폐열회수 시스템(Waste Heat Recovery System) 378
(9) 저 배기가스 재순환율(EGR rate) 378
(10) 진보된 제어 기술 및 하드웨어 기술 379
(11) Calibration 최적화 379
(12) cylindrical variation 감소를 위한 연구 380
(13) 연소 및 유동의 최적화 380
(14) 가변밸브기구(Variable Valve Actuation) 시스템의 적용 380
(15) 결론 380
7) 미국의 Lighr Duty 디젤엔진 개발동향 381
8) 유럽의 디젤 하이브리드 개발 현황 383
(1) PSA 푸조-시트로엥 그룹 383
(2) 폭스바겐 383
(3) BMW 384
(4) 과제와 전망 384
9) 일본 디젤 엔진기술 개발 동향 385
(1) 일본 승용디젤엔진연구회 385
(2) HONDA의 신형 디젤엔진기술 390
(3) 도요타자동차의‘DiAir’NOx 후처리시스템의 설계방법론 392
(4) 히노자동차의 새로운 DPR시스템의 개발 394
(5) 일본 교통안전환경연구소의 요소SCR 촉매의 열화특성해석 396
(6) 와세다 대학의 SCR/DPF시스템의 정화특성에 관한 수치해석 397
(7) 와세다 대학의 암모니아 슬립방지용 촉매의 정화특성 397
(8) 기타 398
3-2. 천연가스 엔진 399
1) 개요 399
2) CNG 엔진 400
(1) CNG 가솔린 바이퓨얼(Bi-Fuel) System 400
(2) CNG 모노퓨얼(Mono-fuel) System 401
3) 상용 CNG 차량 402
(1) 현대자동차의 Q-CNG 엔진 402
(2) 두산인프라코어의 GK12 CNG 엔진 402
(3) 도시형 CNG 시내버스 405
4) CNG 하이브리드 차량 405
(1) 현대자동차의 도시형 CNG Hybrid 시내버스 405
(2) 해외 개발 동향 410
5) LNG 연료공급시스템 411
6) HCNG 차량 412
7) 기타 메탄계 가스엔진 414
3-3. DME 연료 시스템 416
1) DME 연료 시스템 핵심기술 416
2) 글로벌 DME 자동차 개발 동향 420
(1) 유럽 420
(2) 일본 421
(3) 중국 423
3) 국내 DME 자동차 개발 동향 424
3-4. EGR/D-EGR 기술 427
1) EGR 기술 개요 427
(1) 필요성 427
(2) 기술의 개요 428
2) EGR 시스템의 구성과 특징 428
(1) LPL/HPL EGR System 428
(2) 가솔린 EGR과 디젤 EGR 431
(3) EGR 가스와 연료 공기 혼합기 형성 측면 431
3) EGR 시스템의 주요 부품 432
(1) EGR 밸브 432
(2) EGR 쿨러 434
4) EGR 시스템의 향후과제 435
5) D-EGR 기술의 개념 436
6) D-EGR의 연료 소비율 저감 438
7) D-EGR의 선결 과제 440
3-5. 수소 내연기관 엔진 441
1) 개요 441
2) 수소 연료 내연기관의 구분 442
3) 수소 내연기관 개발 현황 443
(1) 국내현황 443
(2) 글로벌 현황 443
3-6. 초희박 직접분사식 LPG 엔진 448
1) LPG 자동차 동향 448
2) 국내 LPG 자동차 기술 현황 449
3) 희박연소 LPDi 기술 449
3-7. 터보차저(Turbocharger) 기술 454
1) 개요 454
2) 터보차저의 구성 455
3) 웨이스트게이트 터보차저(Wastegate Turbocharger) 456
(1) 원리 456
(2) 핵심기술 457
(3) 주요업체 동향 458
4) 가변형상 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger) 459
(1) 원리 459
(2) 핵심기술 459
(3) 주요업체 동향 460
5) 2단 터보차저 (2-Stage Turbocharger) 461
6) 차기 터보차저 (Advaced Turbocharger) 462
4. 자동차 경량화 기술 464
4-1. 경량화의 필요성 464
4-2. 경량화 소재별 개발 동향 466
1) 강판 466
(1) 외판용 강판 468
(2) 내판용 강판 469
(3) 구조재용 강판 470
2) 알루미늄 판재 472
3) 고분자 소재 474
(1) EP 및 Super EP 소재 475
(2) 강화복합소재 476
(3) 발포 소재 478
(4) 기타 479
(5) 개발 방향 480
4) 마그네슘의 자동차 적용 기술 483
(1) 대형 광폭 판재의 저렴한 생산 484
(2) 상용화 표면처리 기술 개발 485
(3) 접합기술 개발동향 485
(4) 주조, Die Casting, 단조, 압출 기술의 개발 486
5) 개발 방향 및 전망 486
4-3. 국내 경량화 기술동향 488
1) 고강도 소재의 저비용 성형기술 489
2) Hydroforming (내고압성형) 490
(1) Tube Hydroforming 491
(2) Sheet Hydroforming 492
3) Superplastic Forming (초소성성형) 492
4) Hot Forming/Hot Stamping 493
4-4. 글로벌 경량화 기술동향 494
1) 독일의 경량화 기술 494
2) 일본의 CFRP 차체 제작 기술 495
3) 기타 경량화 기술 전망 497

Ⅲ. 바이오연료와 고품질 대체연료 시장과 기술동향 501

1. 수송용 연료 시장과 기술 동향 501
1-1. 고품질화, 대체연료화 되는 수송용 연료 501
1-2. 자동차연료 제조기술 502
1) 내연기관의 연료 502
2) 연료제조기술 502
(1) 증류공정기술 504
(2) 전환공정기술 505
(3) 정제공정기술 506
(4) 촉매기술 506
(5) 배합기술 506
(6) 첨가제기술 507
3) 자동차연료의 제조기준 시험방법 512
1-3. 자동차 연료별 품질규제 동향 515
1) Diesel(경유) 515
2) Gasoline(휘발유) 517
3) LPG 518
4) CNG 519
2. 바이오에너지, 연료 시장과 기술동향 520
2-1. 개요 520
2-2. 바이오에너지 시장동향 522
1) 글로벌 시장 동향 522
2) 국내 시장 현황 523
3) 바이오에너지 분야 과제와 전망 526
2-3. 바이오에너지 이용기술 529
1) 개요 529
2) 바이오에너지 이용기술 특허 현황 532
(1) 바이오에너지 이용기술의 IPC 분류 532
(2) 특허의 기술수준 533
(3) 국가별 특허 출원현황 535
(4) 출원인별 주요 특허현황 536
(5) 기술 분야별 주요 특허현황 541
2-4. 수송용 바이오연료 548
1) 바이오에탄올 (Bio-Ethanol) 553
(1) 바이오에탄올의 생산기술 553
(2) 차량용 연료로서의 바이오에탄올 558
(3) 바이오에탄올의 보급 정책 및 현황 561
(4) 국내 현황 566
2) 바이오부탄올 (Bio-Butanol) 567
(1) 바이오에탄올 대체재로서의 바이오부탄올 568
(2) 기술개발 현황 및 가격경쟁력 570
(3) 바이오부탄올 수급 전망 573
(4) 기술과제 및 향후 전망 575
3) 바이오디젤(Bio-Diesel) 576
(1) 바이오디젤의 원료 및 생산 공정 576
(2) 바이오디젤의 장/단점 580
(3) 바이오디젤의 필요성 581
(4) 바이오디젤의 보급 현황 및 전망 581
(5) FAME/FAEE/HBD 592
(6) 주요 이슈 600
4) 바이오가스(Bio-Gas) 601
(1) 바이오가스의 성분 및 특성 601
(2) 바이오가스의 제조 (바이오가스화) 603
(3) 바이오가스 정제기술 612
(4) 바이오가스 활용 613
2-5. 주요 국가별 바이오연료 보급현황 및 추진정책 622
1) 개요 622
2) 미국 626
3) EU 630
(1) 영국의 RTFO 632
(2) 바이오연료 지속가능성 기준 정책 635
4) 남미 및 브라질 636
5) Asia 637
6) 국내 639
2-6. 국내외 주요 업체별 R&D 동향 643
1) DuPont(미국) 643
(1) 일반현황 643
(2) 특허출원 현황 644
2) Danisco(덴마크) 646
(1) 일반현황 646
(2) 특허출원 현황 646
3) Genencor Inc.(미국) 649
(1) 일반현황 649
(2) 특허출원 현황 649
4) Novozymes(덴마크) 651
(1) 일반현황 651
(2) 특허출원 현황 652
5) Petrobras(브라질) 654
(1) 일반현황 654
(2) 특허출원 현황 655
6) POET LLC.(미국) 657
(1) 일반현황 657
(2) 특허출원 현황 658
7) GS 칼텍스 (한국) 660
(1) 일반현황 660
(2) 특허출원 현황 661
8) JC케미칼(한국) 663
(1) 일반현황 663
(2) 특허출원 현황 663
9) SK 케미칼(한국) 665
(1) 일반현황 665
(2) 특허출원 현황 666
10) ADM (Arthur-Daniel Midland,미국) 667
(1) 일반현황 667
(2) 특허출원 현황 668
11) BASF SE(독일) 669
(1) 일반현황 669
(2) 특허출원 현황 670
12) Cargill, Incorporated(미국) 672
(1) 일반현황 672
(2) 특허출원 현황 672
13) Lurgi GmbH(독일) 674
(1) 일반현황 674
(2) 특허출원 현황 675
14) Bekon(독일) 676
(1) 일반현황 676
(2) 특허출원 현황 677
15) U.T.S(독일) 679
(1) 일반현황 679
(2) 특허출원 현황 680
3. 수송용 대체 연료시장 동향과 전망 682
3-1. 천연가스 682
1) 개요 682
2) 세계 천연가스차량(NGV) 현황 683
3-2. DME 연료 685
1) DME 연료 특징 685
2) 배출가스 시험결과 686
3) DME연료의 생산 및 보급 687