이제는 수소전기차 시대

지구에서 탄소와 질소 다음으로 풍부한 원소이자 거의 무한 사용 가능한 원소는 수소다. 천연가스와 연료전지뿐 아니라 자동차, 선박, 비행기 등에 사용되는 에너지를 대체할 동력으로 떠오르면서 관련 연구가 활발하다. 수소에너지 시장을 점유하기 위한 각국의 각축전이 뜨겁다.

수소에너지를 논하는데 수소전기차는 빠질 수 없는 이슈다. 반도체를 이을 한국경제의 차세대 먹거리인 수소전기차는 최고의 친환경차이자 4차 산업혁명의 집결체다. 독일은 주요도시를 기점으로 수소 충전소를 구축하고, 수소에너지를 일상으로 끌어들여, 수소에 대한 국민적 인식 개선과 수용성 확보를 위한 노력을 진행 중이다.

우리 정부도 미래 신성장 동력산업으로 수소산업을 육성하고, 수소전기차와 충전인프라 보급 계획을 발표했다. 하지만 '수소=수소폭탄'을 떠올리는 국민 불안감 또한 만만치 않다. 현대차가 1998년 연료전지 개발 조직을 신설해 수소전기차 개발이 시작된 지 20년이 됐지만 1980년대부터 개발을 진행한 독일과 미국에 비하면 한발 늦은 시점이다. 

2018 새롭게 출시한 현대자동차 'NEXO'

1. 수소전기차여야 하는 이유 (수소의 의의와 중요성)

수소는 지구 온난화로 인한 온도 상승을 억제하기 위해서 전세계에서 진행되고 있는 에너지 전환의 큰 축을 차지하고 있다. 파리 기후협약에 체결된 지구 온도상승을 2도로 제한하는 시나리오를 달성하기 위해서는 전 세계가 기존 화석연료를 근간으로 하는 에너지 패러다임을 변화시켜야 한다. 2050년까지 에너지와 관련된 이산화탄소 배출량을 60% 감소시켜야 한다. 

이를 위해서는 여러 산업분야에서 종합적으로 탈탄소화 작업이 필요하며, 운송수단에서도 탈탄소화라는 과제를 이루어야만 한다. 운송수단의 탈탄소화 방안에는 순수전기차와 수소전기차라는 친환경차 개발 방향이 존재하며, 친환경차의 주도권이 어떤 차량에 있는지에 대한 논란이 많다. 하지만 전기차와 수소전기차의 개발분야에서 주행거리와 차종에서 각자가 갖고 있는 장점이 있고, 상호보완적인 측면에서 함께 발전할 것이라는 전망이 우세하다.

지난해 수소위원회 (Hydrogen Council)에서 낸 ‘2030/2050 수소 비전’ 보고서에 따르면, 수소시장 선도 국가인 미국, 독일, 일본, 한국에서 판매되는 차량 12대 중 1대는 수소전기차가 될 것으로 전망했다. 탈탄소화를 이루기 위해 각국에서 강화되는 환경규제를 만족시키기 위해서는 가장 많은 탄소 크래딧을 부여하는 수소전기차의 개발이 필수적이다.

장거리 주행과 큰 동력을 소모하는 상용차 등에서 수소전기차는 강한 장점을 보이며, 빠른 충전시간과 에너지 저장/공급과 이동수단으로써의 수소전기차의 장점은 강력한 시장 경쟁력을 갖는다. 

수소전기차는 외부 공기를 빨아들인 후 물을 포함한 청정 공기를 내놓기 때문에 미세먼지를 줄이는 보다 적극적인 친환경 역할을 담당한다.  수소전기차가 달리는 공기청정기 역할을 하는 셈이다. 

평창올림픽 수소전기버스 자료: 현대자동차

2. ‘달리는 수소폭탄’? 수소전기차에 대한 오해와 진실

“충돌사고 시 수소폭탄처럼 터지는 거 아닌가요?” 

수소는 일반인들에게는 막연한 공포의 대상이다. 대다수 국민들은 ‘수소’하면 ‘수소폭탄’을 먼저 떠올리기 때문이다. 이는 수소에 대한 정확한 이해 부족에서 비롯된다. 수소는 공기 중 4%~75%의 농도를 가질 경우에만 발화된다. 공기 중 농도가 4% 이하이거나 75% 이상일 때는 발화나 폭발하지 않는다. 만약 수소가 누출되더라도 수소는 1초에 24m를 날아갈 정도로 가볍고 확산속도가 산소대비 4배 빨라 폭발 위험성이 매우 낮다. 수소의 자연발화온도도 섭씨 575도 이상이어서 휘발유 및 경유보다 매우 높아 안전하다. 유럽에서는 압축천연가스(CNG) 및 액화천연가스 (LPG) 차량은 지하주차 출입이 허가되지 않는 반면, 수소전기차는 주차가 가능하다.

수소전기차가 안전한 이유 
수소전기차는 압축된 수소를 높은 압력으로 저장하여 필요할 때 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하고 이를 동력원으로 삼는다. 즉, 연료만 공급되면 전기를 생산해가며 달릴 수 있다는 장점이 있다. 현재 국내에서 일반인이 매일 탑승하고 있는 CNG (압출천연가스, compressed natural gas)버스는 천연가스를 고압으로 압축하여 내연기관을 통해 주행하는 차량으로, 수소전기차와 유사하다고 할 수 있다.

수소전기차에 사용되는 수소저장용기는 CNG 버스의 저장용기 대비 약 3.5배의 압력으로 저장이 가능하다. 이러한 압력을 견디기 위해 카본파이버를 사용하여 사용압력인 700기압의 2배이상을 견딜 수 있도록 설계됐다. 세계 표준에 의해 전세계적으로 공인된 인증기관에서 가혹한 평가를 거쳐 인증된 부품만을 사용할 수 있다.

수소탱크의 대표적 인증 법규로는 EC 79/406(유럽), GTR No.13(국제규격) 등이 있다. 국내및 EC 인증법규는 1. 파열시험, 2. 상온압력반복시험, 3. 파열 전 누출시험, 4. 화염시험, 5. 총격시험 6. 환경시험, 7. 결함시험, 8. 가속응력파열시험, 9. 극한온도압력반복시험, 10. 낙하시험 11. 기밀시험, 12. 투과성시험, 13. 보스토크시험, 14. 수소가스반복 가압시험 등을 평가하여 위 기준을 모두 만족해야 한다. 


UN에서 제정한 GTR법규는 가장 강화된 안전법규로서 1. 파열시험, 2. 상온압력반복시험, 3. 수압연속시험(낙하시험→결함시험→환경시험→ 가속응력파열시험→극한온도압력반복→파열시험), 4. 수소가스연속시험(저온가스반복시험→고안가스반복시험→상온가스반복시험→고온투과성시험→고온가스반복시험→저온가스반복시험→상온가스반복시험→고온투과성시험→파열시험), 5. 화염시험(국부화염시험→전체화염시험) 등을 통과하도록 규정되어 있다. 기존에 규격 항목별로 진행하던 인증시험을 하나로 통합하여 모든 시험을 연속으로 수행하여 통과해야 하는 매우 가혹한 요구조건을 제시한다.

평창올림픽 수소전기버스 정류장 자료:현대자동차

3. 수소충전소 인프라와 합리적 가격

수소전기차의 보급과 대중화의 핵심에는 수소충전 인프라 구축이라는 당면 과제가 존재한다. 국내는 ’18년 3월말 기준으로 15개 충전소 구축(광주 충전소 포함시 16개) 이 중에서 개인이 사용 가능한 곳은 6곳이다. 이 중에서도 정비 등으로 인해 지금 바로 사용할 수 있는 곳은 4곳에 불과하다. 많은 인구가 밀집되어 있는 서울/경기 지역에는 일반인이 이용할 수 있는 수소충전소가 현재 없다. 현대자동차에서 보유하고 있는 수소충전소가 4곳(서울 양재, 경기 마북, 남양, 울산 매암)인 점을 감안하면 국내 수소충전소 설치는 아직 걸음마 단계라고 보아도 크게 무리가 없다. 

환경부는 2018년 올해 10곳의 수소충전소를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이 중에서 3곳은 민간부문에서 참여할 수 있도록 할 예정이며, 충전소 설치 비용에서 최대 15억원의 보조금을 지급할 예정이다. 이와 함께 ‘17년 9월 정부부처합동으로 발표된 미세먼지 관리 종합 대책에서, ‘22년까지 수소충전소 310곳을 국내에 구축할 계획을 발표했다. 본격적인 국내 수소충전소 보급을 표명한 상태지만 계획대로 이루어질 수 있을지는 미지수다.

현재 수소충전소 1기 건설비용은 충전소의 충전용량에 따라 차이가 있으나 대체로 30억원 정도가 소요되며, 수소충전소의 구축기간은 약 6개월이다. 이러한 고가의 설치 비용은 수소충전소 보급 활성화에 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 민간기업과 정부, 지자체, 에너지 공기업 등이 함께 참여하는 ‘수소융합 얼라이언스 추진단’이 설립됐다. 이곳에서 수소 충전소 확대를 위한 정책 및 방향성을 논의하고 있으며, 현재 설치된 수소충전소의 활용도를 제고하는 방안 및 수소충전소 구축 사업에 협력하는 방안 등을 다각도로 검토하고 있다. 

수소충전소 보급에는 비용 문제도 있지만, 이와 더불어 충전소 설치 규제 완화가 선행되어야 한다는 주장이 많다. 현재 법규에 따르면 충전소는 공동주택 등으로부터 25m, 학교 등으로부터 20 ~ 500m, 철도보호지구 경계로부터 30m 이상 떨어져야만 한다. 또한 연면적 1000 m2 이상 사람을 수용할 수 있는 건물 17m 이내에는 설치가 불가능하기 때문에 도심지역에는 충전소 설치가 사실상 어려운 현실이다. 이러한 문제가 제기되자 ‘17년 12월 산업통산자원부는 액화석유가스(LPG) 및 압축천연가스 (CNG) 충전시설 등에 수소충전시설을 건설할 수 있도록 했지만, 규제완화가 더 필요하다는 목소리는 여전히 나오고 있다.

이웃나라인 일본은 2010년부터 수소충전소 관련 법규를 개정해 규제를 완화했다. 이러한 규제완화의 결과로 일본 도쿄타워 근처 도심 지역에도 수소충전소가 구축됐으며, 편의점과 함께 충전소가 설치되어 민간인들의 접근이 용이하고 친숙하게 수소를 접할 수 있는 환경이 조성되어 있다.

일본의 수소충전소 보급은 정부 주도의 보급사업뿐 아니라 민간부문에서도 활발하게 이루어지고 있다. 일본의 완성차 업체인 도요타, 혼다, 닛산과 JXTG, 이와타니 등 에너지업체 6개사와 은행, 투자회사 2곳이 공동으로 수소충전소 구축 출자회사를 설립하여 일본 수소차 시장 활성화를 위한 수소인프라 구축 사업에 투자를 하고 있다. 현재 일본에는 92개소의 충전소가 구축되어 있으며, ‘20년까지 80개소를 추가적으로 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

현재 수소전기차의 많은 문제점 중 가장 큰 장애물은 차량 가격이 아닐까 생각된다. 수소전기차와 수소의 가격은 현재 대량생산 및 판매가 되고 있지 않아, 물량 증대에 의한 재료비 절감 효과를 얻을 수 없어 내연기관 및 전기차 대비 가격이 높다. 하지만, DOE (美 에너지성, Department of Energy)의 미래 전망치 등을 고려해 보면, 대량생산 시 내연기관차와의 격차는 급격히 줄어들 것이며, 기술개발에 따라 고가소재 사용 저감 등을 통해 빠르게 경제성을 확보할 것으로 전망되고 있다.

이를 극복하기 위해 각 OEM들은 핵심부품 소재의 저가화 및 PE(전기동력) 부품 의 공용화를 통해서 가격 저감의 노력을 하고 있다. 또한 수소연료전지를 개발하는 전세계의 많은 연구소에서는 핵심부품인 백금 사용량 저감에 연구개발을 매진하고 있으며, 이러한 노력으로 수소전기차의 차량가격은 급속히 저감될 것으로 예상된다.

최근 중국의 경우 중국정부의 수소전기차 육성정책으로 인하여 많은 보조금 및 개발비를 지원하고 있으며, 이를 기반으로 자동차 OEM 뿐만 아니라 발라드社, 하이드로제닉스社 등 전문 연료전지 개발 업체들도 시스템 개발을 기반으로 초기시장을 선점하기 위해 노력하고 있다.  

이러한 이점을 바탕으로 수소전기차의시장전망은 20년을 기점으로 급격하게 증가하는 것으로 각 리서치 기관들이 발표하고 있고, 이에 따라 글로벌 수소충전소의 발전도 동행하리라 생각된다. 

 

4. 수소전기차 전망

도요타社는 전략적으로 활발하게 FCEV 개발에 앞장 서 있는 기업중 하나이다. 30년까지 전동화 판매 차량 비율을 50% 목표로 제시하였으며 그중 EV / FCEV를 10% 이상으로 확대한다는 계획을 발표하였다. 

전기차의 경우 전기 수급 문제 및 동력원인 전기를 생산하는 데 부가적인 GHG를 배출하는 반면, FCEV 는 주원료인 수소에너지 생산에서부터 친환경적인 동력원으로 주목받고 있다. 

국내에서는 현대자동차에서 투싼 FCEV를 통해서 최초양산을 시행하였고 ‘넥쏘’라는 모델을 2018년 새롭게 출시하였다. 기존 승용 수소전기차 중 세계최고 수준의 주행거리를 달성하여 그 기술력을 인정받았다.

수소 전기차의 경우 전기차와 장단점이 있으며, 경쟁구도가 아닌 보완구조로의 비교대상이 되고 있다. 소비자들이 가장 민감하게 반응하는 가격 경쟁력 측면에서 약 3~400마일을 기점으로 드라이빙 레인지가 낮은 구간에서는 전기차가 가격적 이점이 있지만 그 이후 구간에서는 오히려 수소전기차의 더 경쟁력이 있는 것으로 나타났다. 따라서 승용부문뿐만 아니라 버스나 택시 등의 분야에서도 매력적인 운송수단이 될 수 있다.

특히 수소전기차의 경우 자동차 OEM 뿐만 아니라 석유화학/가스정유 등 에너지 업체, 그리고 다수의 부품 개발업체가 수소전기차 생태계를 구성하여서 수소산업이 선 순환 구조로 구축이 되는 장점이 있다. 이러한 수소 생태계의 이점을 극대화하기 위해 각국에서는 보조금 지급을 통해서 더욱 개발을 장려하고 있다.  

전기차 vs 수소잔기차 자료: 현대자동차

5. 수소차 vs 전기차 승자는?

최근 들어 세계 각국의 연비규제 및 도심 대기 질 향상을 위해 궁극의 친환경차로 여겨지는 전기차와 수소전기차의 중요성이 점차 부각되고 있다. 

미국, 유럽, 중국 및 한국의 연비 규제를 살펴 보면 2015년 대비하여 매년 약 5%이상 연비 향상을 이루어야 하며, 2025년에는 2015년 평균 연비 대비 42%~48%이상 향상해야 한다. 또한, 주요 국가에서는 기후변화에 대응하고 온실가스 감축을 위해 환경차에 대한 보급 목표를 설정하여 로드맵을 발표하고 있다.

이와 병행하여 미국이나 중국의 경우 환경차 의무 판매 제도를 도입하여, 이러한 연비 규제 및 환경차 보급 목표를 달성하기 위한 강제적 제도를 도입하고 있는 추세다. 각국 정부 및 지자체에서는 이러한 규제와는 별도로 구매 보조금, 세제 지원을 통해 친환경차 보급을 활성화하려는 지원방안을 확대하고 있다. 

대부분의 연비 규제 법규에서 전기차와 수소전기차는 이산화탄소를 배출하지 않는 차종으로 분류되기 때문에 차량제조사들은 연비규제 및 환경차 의무판매 할당량을 맞추기 위한 중요한 수단으로서 전기차와 수소전기차에 대한 개발 및 차량 출시 계획을 앞다투어 발표하고 있다. 이러한 상황을 고려하여 롤랜드버거, JD 파워 등에 유수의 전문 기관들에서는 친환경차의 시장이 급격히 확대될 것으로 전망하고 있다.

그동안 주요 자동차 회사의 발표는 단기 중기적으로 전기차 차량 개발에 집중되어 있었다.

전기차는 배터리, 모터 및 인버터로 주요 부품이 이루어져 있고, 기술적 완성도와 대량양산에 의한 가격 저감이 많이 이루어져 있어 대부분의 자동차 회사는 전기차의 라인업 확장을 통해 이러한 규제에 단기적으로 대응하고 있는 추세다. 

하지만, 수소전기차의 경우 핵심이 되는 연료전지 스택 개발 및 생산 기술을 몇몇 기술력 있는 회사에서만 가지고 있고, 아직 초기 시장으로 부품생산을 하는 회사의 글로벌 생태계가 조성되고 있는 단계로서 수소전기차 양산은 2013년 세계 최초로 양산한 현대차, 도요타, 혼다 등 3개 업체만 가능한 상황이다.

많은 사람들은 전기차와 수소전기차에 대해서 어떤 차량이 미래에 주류를 이룰 것이냐에 대해 궁금해 한다.

최근 주요 자동차 회사에서 차량 개발 중장기 로드맵을 발표하고 있다. `18년 2월말 일본에서 열린 FC EXPO에서 도요타, 혼다, 다임러, 아우디 및 현대차가 미래 자동차 개발 방향에 대해서 발표한 내용을 종합하면, 단거리 및 중거리에서는 전기차가 경쟁력을 지닐 것이며, 중장거리 이상 및 트럭, 버스 등을 포함하는 상용 부문에서는 수소전기차가 친환경차의 대세가 될 것이라는 예상과 개발 방향을 발표했다.


 이는 대형 차량, 트럭, 버스 등 에너지를 다 소비하는 차량의 경우 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리의 용량을 늘려야 하는데, 배터리 용량이 늘어나는 것과 차량의 재료비가 비례적으로 증가하며, 또한 충전에 들어가는 시간 역시 비례적으로 늘어 장거리 및 상용, 물류 등에는 수소저장용기의 증가만으로 주행거리를 늘일 수 있고, 충전시간 역시 전기차 대비 짧은 수소전기차가 더 적합하다는 기술적, 경제적 근거에서 출발한다.

수소 가격의 경제성에 대한 연구도 많이 진행되고 있으며, 수소전기차의 판매 댓 수 증대 및 수소생산, 유통, 저장 기술의 발전으로 수소가격과 전기가격의 격차가 줄어들 것으로 많은 발표가 되고 있다.

따라서, 전기차와 수소전기차의 관계는 경쟁의 관계보다는 미래 친환경차 시장에서 서로의 장점을 극대활할 수 있는 영역에서 상호 보완적 관계로 발전해 나아갈 것으로 판단된다.

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