빠르게 진화하는 자동차 산업을 지원하는 자동차 OEM과 필수 재료 및 서비스 제공업체의 글로벌 네트워크는 지난 수십 년 동안 공동 작업의 탄소 배출량을 획기적으로 줄이는 동시에 자동차를 구매하고 사용하는 사람들에게 엄청난 성능 이점을 제공하기 위해 부단히 노력하고 있다.

자동차 기업, 온실가스 배출에 주목

클라이밋 워치, 월드 인 리소스 인스티튜트(Climate Watch, World in Resources Institute(2020)의 데이터에 따르면 교통은 전 세계 온실가스 총 배출량의 약 16%를 차지한다. 스테티스타(Statista)의 2023년 보고서에 따르면 승용차, 트럭, 버스, 기타 상업용 및 레저용 차량은 운송으로 인한 모든 배출량의 3/4 이상(77%)을 차지한다.

따라서 수명주기 평가에 따르면 차량이 환경에 미치는 영향을 줄이는 가장 큰 잠재력은 사용 단계를 해결하는 것이다. Oakridge National Lab의 연구에 따르면 ICE 차량의 사용 단계는 전체 수명주기 동안 발생하는 탄소 배출량의 최대 90%를 차지한다. 최근 발표된 Alumobility Last Mile Delivery Vehicles 연구에 따르면 BEV의 경우 사용 단계는 평생 탄소 배출량의 약 70%에 기여한다.

가볍고 친환경적인 최적의 자동차 소재 ‘알루미늄’

자동차 산업의 내연기관(ICE) 모델의 특성, 기능성, 지속 가능성을 향상시키는 동시에 점점 더 강력해지고 있는 배터리 전기 자동차(BEV) 시장의 성장을 촉진하려면 차량을 더 가볍고 친환경적이며 만들기 쉬워야 한다. 이런 점에서 알루미늄은 이 중요한 임무를 성공시키는 핵심이다.

최신 Ducker Carlisle 2023 북미 경차 알루미늄 함량 및 전망 보고서에 따르면 알루미늄은 가장 빠르게 성장하는 자동차 소재이다. 파운드당 파운드, 킬로당 킬로그램 등 오늘날 점점 더 혁신적인 차량 설계가 요구하는 강도, 내구성 및 저탄소 발자국을 제공하는 동시에 무게를 크게 줄이는 측면에서 알루미늄을 따라올 수 있는 다른 소재는 없다.

따라서 알루미늄으로의 전환은 ICE 차량과 BEV 모두 탄소 배출을 줄이는 동시에 연료/에너지 효율 목표를 달성하는 데 도움이 되는 가장 효과적인 방법이다.

알루미늄은 강철보다 가볍지만 더 큰 비강도, 에너지 흡수 능력 및 수명 특성을 제공한다. 알루미늄은 강철의 1/3에 해당하는 재료 밀도를 가지며, 알루미늄을 통한 경량화는 일반적으로 강철 BiW에 비해 BiW(body-in-white) 무게를 40% 이상 절감한다. 이는 성능 저하 없이 강철 1kg을 알루미늄 0.6kg으로 대체할 수 있다는 의미이다.

하지만 그게 전부는 아니다. 40% 이상의 BiW 중량 절감을 1차 질량 감소라고 하며, 이는 2차 질량 감소를 위한 상당한 추가 기회를 생성한다. 예를 들어 BiW의 무게를 줄인다는 것은 모터, 모터 컨트롤러, 배터리, 휠, 타이어, 브레이크 등의 크기와 질량을 모두 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 도어나 후드와 같은 매달아 놓을 수 있는 부품의 질량도 줄이면 BiW를 더욱 가벼워지게 만들어 보조 부품의 무게를 두 번째로 줄일 수 있다.

종종 2차 중량 감소의 크기는 1차 중량 감소의 50%를 초과할 수 있다. Ducker Carlisle의 보고서는 배터리 하우징(+37ppv), 전기 모터 하우징(+34ppv), 도어(+8ppv) 및 실/로커(+4ppv), 1차 및 2차 중량 절감을 모두 달성하는 데 도움이 되는 알루미늄의 능력으로 인해 발생한다.

지속 가능한 알루미늄 솔루션 공급업체이자 알루미늄 압연 및 재활용 분야의 글로벌 기업 노벨리스(Novelis)는 40년 넘게 자동차 산업에 알루미늄 시트를 공급해 하며, 자동차 생산 3개 대륙(아시아, 유럽, 북미) 모두에서 자동차 사업을 운영해 왔다. 노벨리스의 제품 폴리오에는 Ford F-150 시리즈, Jeep Wrangler 및 Land Rover Defender를 포함하여 오늘날 도로를 달리는 315개 이상의 모델에 탑재되는 고성능 합금이 포함되어 있다.

노벨리스의 다양하고 폭넓은 경험은 자동차 산업 자체와 차량의 성능, 효율성 및 지속 가능성에 큰 영향을 미칠 수 있는 독특한 관점과 입증된 기술력을 갖게 했다. 또한 지속 가능성에 전념하는 목적 중심 기업으로서 이를 수행할 사회적 책임도 수행하고 있다.

노벨리스는 최근 완전 전기식 라스트 마일 배송 밴용 알루미늄 차체 설계를 모델링하는 얼루모빌리티(Alumobility) 컨소시엄이 실시한 연구에 참여했다. 연구에 따르면 알루미늄을 사용하면 강철 기준에 비해 총 550kg의 무게를 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 중량 감소로 인해 배터리 크기가 69kWh에서 63kWh로 줄어들었으며 이는 차량당 770달러의 순절감 효과를 나타낸다. 이러한 절감 효과는 알루미늄 솔루션 설계에 따른 추가 비용을 크게 상쇄한다.

40%의 무게 절감 외에도 기존 강철 본체를 알루미늄으로 변환하는 가치에 대한 얼루모빌리티의 연구에 따르면 알루미늄으로 설계할 때 부품 수를 10%, 필요한 조인트 수를 20%까지 크게 줄일 수 있는 잠재력이 있는 것으로 나타났다. 알루미늄 시트, 주조 및 압출재를 조합하여 제조 및 조립의 복잡성을 줄이는 데 도움이 되는 이 디자인은 강철과 비교할 수 없다.

이는 자동차의 알루미늄 함량이 금세기 초 차량당 130kg 미만에서 오늘날 차량당 220kg에 가깝게 계속 증가하는 이유 중 일부에 불과하다. Ducker Carlisle에 따르면 노벨리스는 BEV의 증가와 함께 2022년부터 2026년까지 연평균 성장률 6.4%로 단기적으로 이러한 성장률이 가속화될 것으로 예상하고 있다.

더 친환경적인 알루미늄

알루미늄 사용 증가로 인한 중량 감소는 차량 수명 전반에 걸쳐 에너지 사용량을 줄여준다. 예를 들어, ICE 차량의 무게를 100kg(220파운드) 줄이면 차량 수명 전체에 걸쳐 연료 소비가 최대 5% 감소한다. 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 FASTSim: 미래 자동차 시스템 기술 시뮬레이터에 따르면 BEV의 동일한 220파운드 무게 감소는 동일한 주행 거리를 달성하는 데 필요한 에너지가 약 3.2kWh 감소한다는 의미이다.

OEM의 차량이 SUV 및 트럭과 같은 대형 차량으로 계속 추세에 따라 알루미늄 시트는 자동차 제조업체가 더 낮은 배기가스 배출, 더 긴 배터리 범위 및 더 큰 중량 절감을 달성하는 데 도움이 되는 훨씬 더 높은 차량 효율성과 성능 이점을 제공한다.

이것이 소비자에게 무엇을 의미할까? 풀바디 알루미늄 자동차의 무게가 450kg 감소하면 강철 차체로 제작된 차량에 비해 차량의 일반적인 14만 마일 수명 동안 소유자에게 6000kWh 이상의 에너지를 절약할 수 있다. 이러한 에너지 절약은 미국 주거용 유틸리티 고객의 연간 평균 전기 소비량의 60%에 해당한다. 또한 차량이 가벼울수록 브레이크나 타이어와 같은 하위 시스템의 마모가 적어 차량 소유자의 유지 관리 비용이 낮아진다는 데이터도 있다.

후드, 도어 및 배터리 인클로저에 알루미늄을 사용하면 이러한 탄소 배출 감소 및 소비자 유지 관리 이점을 얻을 수 있다. EDAG Silverado 차체 경량화 최종 LCA 보고서에 따르면 알루미늄 사용이 차량 전체로 확대되면 에너지 절약과 이에 따른 탄소 배출 감소가 최대 20%에 도달할 수 있다고 한다 .

간편한 제조 공정

업계가 직면한 과제를 해결하고 있는 자동차 OEM과 혁신적인 공급업체 네트워크의 경우 차량 설계 프로세스 초기에 긴밀한 협력이 매우 중요한 단계이다. 처음부터 끝까지 보다 긴밀하게 통합된 방식으로 협력해야만 우리의 집단적 통찰력, 기술 및 자동차 관련 경험을 활용하여 OEM이 알루미늄으로 설계하는 것을 더 쉽게 만드는 데 성공할 수 있다.

자동차 산업의 변화는 차량 디자인, 경량화, 제조 효율성의 새로운 패러다임을 주도하고 있다. 이러한 새로운 패러다임을 추진하려면 우리가 직면한 과제에 대한 집단적 이해를 높이고 이를 해결하는 데 필요한 혁신적인 솔루션을 공동으로 개발해야 한다.

이것이 바로 우리의 자동차 고객 솔루션 센터가 있는 곳이다. 자동차 산업을 위한 차세대 공정 혁신, 재료 공학, 제조 기술 솔루션에 중요한 기여자로서 노벨리스는 독일 슈투트가르트와 중국 상하이, 그리고 미국의 미시간주 디트로이트에서 자동차 고객 솔루션 센터(CSC)를 운영하고 있다.

우리가 하는 이유

노벨리스의 CSC 글로벌 네트워크는 초기 차량 컨셉 및 설계 단계부터 시작하여 자동차 가치 사슬 전반에 걸쳐 OEM 고객 및 기타 티어 1 공급업체와 협력하여 자동차 산업을 위한 혁신적인 알루미늄 솔루션 개발을 가속화하도록 설계되었다. 이러한 센터를 통해 우리는 경량, 고강도, 지속 가능한 알루미늄을 새로운 차량에 최대한 활용하기 위해 노력하고 있다.

메트로 디트로이트에 있는 CSC는 핫 스탬핑 프레스, 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어, 차량 성능 및 안전 시나리오를 디지털 방식으로 모델링하는 고급 시각화 기술 등 고급 자동차 제조 장비를 갖추고 있다. 이 CSC에는 배터리 인클로저 프레임, 로커, 전면 세로 멤버 및 다양한 크로스 멤버에 대한 혁신적인 솔루션을 탐색하기 위한 롤 성형 개발 라인도 포함되어 있다. 이 기능을 통해 노벨리스 연구진은 자동차 OEM 및 가치 사슬의 다른 업체와 협력하여 압출 부품에 대한 새로운 대안을 위한 합금 및 프로세스를 개발하고 테스트할 수 있다.

모든 노벨리스 CSC와 마찬가지로 이 센터에는 전 세계 알루미늄 엔지니어링 및 자동차 제조 분야 최고의 전문가들로 가득 차 있다.

모든 노벨리스 CSC의 목적은 중요한 차량 응용 분야의 설계를 최적화하고 재료 거동이 성능에 미치는 영향을 평가하며 자동차 OEM이 사용하는 실제 제조 시나리오와 프로세스를 완전히 반영하는 최적의 성형 및 접합 기술을 개발하는 새로운 알루미늄 솔루션을 만드는 것이다. 이러한 일련의 기능은 알루미늄 업계에서 독보적이며 노벨리스가 더 가벼운 차량 설계, 더 친환경적인 수명주기, 더 단순하고 더 비용 효과적인 제조 공정을 위한 새로운 알루미늄 솔루션을 개발, 테스트할 수 있도록 해준다.

우리가 서있는 곳

2018년 첫 CSC를 출시한 이후 노벨리스는 알루미늄을 사용해 자동차 디자인 혁신에 있어 ▲고성형 알루미늄 합금을 활용한 보다 효율적인 도어 디자인 개발 ▲초고강도 합금강과 경쟁할 수 있는 주요 강도 중심 구조 부품 개발 ▲현재 압출 알루미늄 크래시 레일에 비해 무게와 비용을 절감하는 에너지 흡수 크래시 부재에 대한 최적화된 템퍼링 시연 ▲전기 자동차용 알루미늄 집약적 배터리 인클로저 솔루션 설계 및 프로토타입 등 여러 가지 발전을 이루었다.

이는 CSC 내에서 수행된 연구 개발의 결과로 주요 자동차 OEM 고객 및 공급망 파트너와 함께 달성한 가장 주목할 만한 성과 중 일부에 불과하다. 혁신적인 알루미늄 설계 솔루션의 발전, 압출 공정에 대한 롤 성형의 장점 연구, 보다 지속 가능한 합금 개발, 전기 자동차의 효율성 향상 등 노벨리스는 모든 단계에서 전 세계 자동차 고객과 협력하고 있다.

더 가볍고 친환경적이며 단순한 알루미늄 자동차 디자인의 역동성을 활용하고 이에 기여하는데 동참하고 있다면 언제든지 노벨리스의 문은 언제나 열려 있다.