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수소전기차, 전기차와 뭐가 다르냐고요? [더(The)친절한 기자들] : 산업·재계 : 경제 : 뉴스 : 한겨레
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연료전지-배터리 조합 ‘하이브리드 수소전기버스’가 뜬다
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수소전기차의 심장, 연료전지시스템은 얼마나 안전할까 – 현대모터그룹 TECH
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안전과 내구 성능 끌어올린 연료전지시스템
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현대자동차 수소차에 배터리 팩을 사용하는 이유는? < 컴퓨팅 < 기사본문 - 디지털투데이 (DigitalToday)
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수소차와 전기차, 정확히 뭐가 다르지? – 전체 | 카드/한컷 | 뉴스 | 대한민국 정책브리핑
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수소전지차와 배터리차는 경쟁관계 아닌 상호보완적 관계 – 뉴스톱
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수소연료전지차에 대한 모든 것! : 수소차의 원리와 현재 발전 현황 | GS칼텍스 공식 블로그 : 미디어허브
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수소차(Fuel cell electric vehicle) 물로 가는 자동차
지금 수소차는 어디쯤 있을까
모빌리티+고객 라이프 스타일에 맞춘 수소충전소!
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수소전기차, 전기차와 뭐가 다르냐고요? [더(The)친절한 기자들]
[더(the) 친절한 기자들]전기로 수소 얻고, 수소로 전기 만들어 구동
‘수소+산소’ 화학반응하는 ‘연료전지’가 핵심
전기차보다 충전 속도·주행 거리 좋지만
차·연료 가격 비싸고 수소 생산 땐 온실가스
울산에서 시작됩니다’ 수소경제 전략보고회에 앞서 수소전기차 밸류체인 전시를 관람하고 있다. 2019.01.17 청와대사진기자단
정부가 17일 수소를 중요한 에너지원으로 사용하는 ‘수소 경제’ 활성화 로드맵을 내놓은 뒤 ‘수소전기차’에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 아직은 가솔린과 디젤을 연료로 하는 내연기관차에 익숙하다 보니 수소전기차는 어떻게 구동되는지, 수소는 어디서 구하는 것인지, 전기차와는 무엇이 다른 것인지 낯선 것 투성이입니다. 환경에 유해한 물질은 정말 나오지 않는 것인지, 가격은 언제쯤 낮아질지도 관심사입니다. 수소전기차와 관련한 기본적인 것들을 알아봤습니다.
수소전기차란?…수소+공기→연료전지→전기→모터구동
흔히 말하는 ‘수소차’의 정확한 이름은 수소 연료전지 자동차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)입니다. 이걸 줄여서 수소전기차라고 부릅니다. 영어 이름에 전기(Electric)가 포함돼 있듯, 수소전기차도 전기차의 한 종류입니다. 리튬 이온 전기차(BEV)가 배터리에서 전기를 얻는다면, 수소전기차는 수소와 산소의 화학 반응에서 생긴 전기를 사용해 모터를 구동합니다.
개발 초기에는 수소전기차가 아닌 ‘수소연료차’’(Hydrogen Fueled Car)를 만들려는 시도도 있었습니다. 수소 연료차는 수소를 엔진에서 직접 연소해 생기는 열로 모터를 구동하는 것입니다. 그렇지만 열을 역학 에너지로 전환하려다 보면 효율이 낮아지는 문제가 해결되지 않았습니다. 그래서 ‘수소+산소’로 전기를 만드는 ‘연료 전지’를 자동차에 탑재하는 쪽으로 개발이 진척된 것입니다.
수소 전기차의 핵심 부품은 연료 전지 스택입니다. 연료 전지를 여럿 묶어 자동차를 움직일 정도의 충분한 전기를 생산하도록 만든 부품입니다. 연료 전지 스택과 수소 공급 장치, 공기 공급 장치, 열 관리 장치 등이 연료 전지 시스템으로 묶여 하나의 소형 발전기처럼 기능합니다.
수소 전기차의 구동 방식은 생각보다 복잡하지 않습니다. 우선 공기를 흡입해야 하는데, 이때 불순물을 제거하는 에어필터로 공기가 여과되기 때문에 수소 전기차는 공기 청정기 같은 역할도 하게 된다고 합니다. 그 뒤 수소 탱크에 있던 수소와 산소가 연료전지에서 만나 화학 반응을 거칩니다. 수소(H2)와 산소(O2)가 백금촉매를 거치며 이온으로 분리되고, 분리된 전자가 이동하면서 전기가 발생되는 방식입니다. 생산된 전기는 모터를 굴리는 데 쓰고 물은 차 밖으로 배출됩니다.
수소 전기차 구동 방식. 한국산업기술진흥원 제공
수소전기차 vs. 배터리전기차
현재로선 ㎞당 연료비 면에서는 전기차가 월등히 유리합니다. 케이티비(KTB) 투자증권의 이현준 분석가와 김영준 연구원이 작성한 ‘수소차 산업의 현재와 미래’ 보고서를 보면, 현대차의 수소전기차 넥쏘의 연료비는 ㎞당 73원입니다. 반면 테슬라의 모델3 전기차의 연료비는 ㎞당 25원이 들어갑니다. 둘다 내연기관의 연료비(연비 15㎞/ℓ, 휘발유 1600원/ℓ, 디젤 1400원/ℓ 가정시 ㎞당 107원, 93원) 보다는 저렴합니다.
주행 거리와 충전 시간 면에서는 수소전기차가 우위에 있습니다. 넥소는 수소 용량 6.33㎏을 완충하는 데 3∼5분이 걸리고 609㎞ 주행할 수 있는데, 모델3은 배터리 용량 50㎾h를 20분간 급속 충전해 350㎞를 달릴 수 있습니다. 차 구매 가격은 정부 보조금과 지자체 보조급을 적용해 넥소는 3300∼3900만원이고 모델 3는 2천만원대로 예상됩니다.
정리하면 수소차의 가장 큰 단점은 가격, 전기차는 주행거리 등 성능이라고 볼 수 있습니다. 전기차 주행거리는 냉·난방을 사용하면 20∼30% 감소한다고 알려져 있습니다. 거기다 자율주행 시스템이 상용화되면 전기 소모량은 더 많을 테므로 수소차가 전기차보다 유리해집니다. 다만 전기차의 배터리 기술(무게)과 가격이 꾸준히 개선되고 있어 주행거리가 늘어나고 있는 점은 눈여겨볼 부분입니다. 이미 양산 단계라 규모의 경제도 이뤄지고 있습니다. 수소전기차가 확산되려면 전기차에 견줄 가격 경쟁력이 갖추는 것이 중요합니다.
문재인 대통령이 17일 울산 남구 울산시청에서 열린 전국경제투어 ‘수소경제와 미래에너지
수소차 확대되려면…가격 낮추고 친환경 수소 생산 체계 만들어야
일단 중요한 것은 수소차 생산원가에서 가장 높은 비중(약 40%)을 차지하는 것은 연료전지 스택의 가격 하락 속도입니다. 시장 조사 업체인 에스에이(SA·Strategic Analysis)는 2017년 기준 연료전지 스택이 1000개 팔릴 때의 가격을 ㎾당 180달러로 추산했습니다. 현대차 넥소에는 연료전지가 95㎾ 용량으로 탑재되니, 총 1만7100달러(약 1900만원)가 투입됩니다. 만약 스택 생산량의 연간 50만개로 늘어나면, 추가적인 기술 개발 없이도 스택 가격은 ㎾당 45달러가 될 것으로 분석됩니다.
결국 많이 만들고, 많이 팔아야 가격이 낮아진다는 것이라 정부는 ‘양산 체계’ 구축에 속도를 내려고 합니다. 정부가 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 보면 정부는 2025년까지 수소차 10만대의 양산 체계를 갖춰 현재의 반값이 3천만원대의 수소차를 구매할 수 있게 한다고 했습니다. 이론적으로 아주 불가능한 시나리오는 아닌 셈입니다.
다만 연료인 수소 가격 하락과 안정적인 공급망도 뒷받침돼야 합니다. 전기를 이용해 수소를 구하고, 그 수소로 전기를 만들어 모터를 굴리는 두 번의 변환 과정에서 생기는 에너지 손실 문제도 확산의 장애물입니다. 엘론 머스크 테슬라 최고경영자는 에너지손실 문제를 지적하며 “수소전기차는 엄청나게 멍청하다”고 말하기도 했습니다. 더욱이 산업부에 따르면 국내에서 생산되는 부생수소(석유화학 공정에서 생기는 수소, 2016년 기준 164만톤 생산)의 상당부분을 정유화학사들이 다시 원료로 사용하고 수소차로 쓸 규모는 약 5만톤(25만대 1년치)에 불과한 등 수소 공급이 원활한 것도 아닙니다.
정부는 초기에는 부생수소와 추출수소를 늘리는 방식으로 가다가 향후 신재생에너지가 확충되면 남는 전기로 물을 전기분해해서 수소를 얻거나 해외거점 수소 생산기지에서 대량의 수소를 수입할 계획입니다. 수소 추출 과정에서 생기는 이산화탄소를 포집·저장하는 기술(CCS) 상용화도 시급해 보입니다.
최하얀 기자 [email protected]
연료전지-배터리 조합 ‘하이브리드 수소전기버스’가 뜬다
[월간수소경제 성재경 기자] 내연기관, 배터리 전기모터의 조합으로 구성된 ‘하이브리드’ 차량의 인기가 여전하다. 높은 연비로 유류비 부담이 적고 기존의 주유소를 그대로 이용할 수 있는 편리함 때문이다.하이브리드(hybrid)는 ‘이종 결합’을 뜻한다. 서로 다른 기술의 장점을 취해 약점을 보완한 차량이라 할 수 있다. 전기차의 약점은 긴 충전시간에 있다. 이 약점은 승용보다 상용에서 더 두드러진다.
다임러버스는 최근 자사의 전기버스 브랜드인 ‘메르세데스-벤츠 eCitaro’에 도요타의 연료전지모듈(TFCM)을 적용하기로 했다. 흥미로운 것은 여기에는 60kW급 2세대 플랫형 모듈인 TFCM2-F-60을 넣기로 했다는 점이다. 연료전지의 두께가 얇아 배터리, 수소탱크와 함께 기존 전기버스에 쉽게 통합할 수 있다.
메르세데스-벤츠 eCitaro에는 ‘레인지 익스텐더(Range Extender, 주행거리 연장형)’라는 말이 붙는다. 연료전지를 장착해 1회 충전으로 일반버스는 약 400km, 굴절버스는 최대 350km로 주행거리가 크게 늘어나기 때문이다. 이는 도심 주행에서 큰 이점이라 할 수 있다.
다임러버스는 다임러트럭 AG에 속해 있다. 다임러트럭은 다임러 AG가 승용과 상용 부문을 분리하기로 결정하면서 지난해 12월에 독립회사가 됐다. 다임러의 전신인 ‘다임러-벤츠’가 1926년에 설립된 지 근 100년 만에 홀로서기를 한 셈이다.
다임러트럭은 탄소중립을 목표로 한 전동화에 사활을 걸고 있다. 2025년까지 배터리전기차(BEV)와 수소전기차(FCEV) 개발에 집중, 오는 2030년까지 차량 판매대수의 60%에 전동화를 적용할 방침이다.
이번 계약으로 도요타자동차 유럽은 최적의 효율성, 전력, 서비스 수명을 보장하기 위해 연료전지시스템의 전체 설계와 모듈 통합기술을 다임러버스에 지원하게 된다. 다임러트럭은 지난해 3월 볼보그룹과 연료전지 합작사인 셀센트릭(Cellcentric)을 설립하고 연구개발에 집중하고 있다.
후발주자인 셀센트릭이 글로벌 수준의 연료전지 기술력을 갖추려면 시간이 필요해 보인다. 도요타의 앞선 기술을 통해 상용화에 나서면서 기술력을 높여가는 계기로 삼겠다는 포석으로 읽힌다.
발라드, 두산퓨얼셀 손잡고 국내 시장 진출 모색
배터리와 연료전지의 하이브리드 조합은 이미 중국의 버스 시장에서 하나의 트렌드로 자리를 잡았다.
중국은 상용차 시장을 중심으로 ‘수소 굴기’에 집중해왔다. 배터리가 차량에서 차지하는 부피와 무게, 효율을 따져봤을 때 전기차는 승용, 수소차는 상용에 적합하다는 점을 일찍이 간파했다. 시장의 간섭 없이 파이를 키우기 위해 전기버스와 트럭에 연료전지를 접목하면서 수소전기차 기술을 발전시켜왔다.
중국의 수소버스는 말 그대로 ‘하이브리드 수소전기버스’다. 현대차나 도요타처럼 넥쏘나 미라이에 들어가는 연료전지(2개가 들어간다) 중심의 파워팩이 아니라, 이보다 낮은 출력의 연료전지를 하나만 써서 차량 운행 시 배터리에 전기를 충전하는 용도로 활용한다. 앞서 말한 ‘주행거리 연장형’ 하이브리드 전기버스인 셈이다.
중국은 디젤엔진 업체인 웨이차이파워(51% 지분), 캐나다 연료전지 전문기업인 ‘발라드파워시스템즈(이하 발라드, 49% 지분)의 합작사인 ‘웨이차이 발라드’를 통해 버스와 트럭 같은 상용차에 들어가는 연료전지 스택과 모듈을 생산하고 있다. 지난 2019년 산둥성에 연료전지 공장을 짓고 이듬해 초부터 공장을 가동해왔다.
참고로 도요타도 2020년 6월에 베이징자동차, 제일자동차(FAW), 베이징 시노하이텍(SinoHytec), 둥펑, 광저우자동차(GAC) 등 중국을 대표하는 5개 자동차 기업과 연구개발 법인을 세우고 상용차용 연료전지시스템 개발을 지속해오고 있다.
중국의 수소버스용 연료전지는 발라드와 깊은 관련이 있다. 발라드는 지난 2019년에 8세대에 해당하는 70kW급 FCmove-HD 모듈을 출시했다. 이 제품은 유럽의 버스·무궤도전차 제조업체인 솔라리스 버스앤코치(Solaris Bus & Coach)에서 생산하는 ‘우르비노 12’ 수소전기버스에도 들어간다. 천장 상부에 타입4 탄소복합소재 탱크 5개를 설치해 350bar의 압력으로 37kg 정도의 수소를 저장한다.
발라드는 타타모터스가 인도의 국영석유회사(IOCL)와 진행하는 수소전기버스 실증에도 70kW급 연료전지모듈을 제공한다. 또 영국의 연료전지시스템 통합업체인 아르콜라 에너지(Arcola Energy)를 4,000만 달러에 인수하면서 영국 내 수소전기상용차 시장의 입지를 키워가고 있다.
발라드는 두산퓨얼셀과 손을 잡고 국내 시장에도 진출할 계획이다. 발라드는 지난 4월 두산퓨얼셀, 두산퓨얼셀의 미국 내 자회사인 하이엑시엄(HyAxiom)과 모빌리티용 연료전지시스템 개발과 양산, 수소버스 판매, 수소·전기 충전소 공급 등에 협력하는 양해각서를 체결했다.
두산퓨얼셀은 발라드의 연료전지를 기반으로 내년에는 수소버스 시범사업에 나선다는 계획이다. 또 향후 2년 안에 하이엑시엄이 개발한 모빌리티용 수소연료전지를 탑재한 버스를 국내에 출시하겠다는 목표를 세워두고 있다. 이 버스는 주행거리 연장형 하이브리드 수소전기버스일 가능성이 높다.
도심 운행에 하이브리드 수소전기버스가 최적
셀을 쌓아 만드는 연료전지의 특성상 모듈화를 적용할 수밖에 없다. 대면적화를 통해 무작정 출력을 크게 높일 경우 스택의 내구성을 확보하기가 어렵고, 셀에 하나라도 문제가 생기면 연료전지모듈 전체를 바꿔야 해서 큰 비용이 든다.
트럭에 비해 비교적 낮은 출력이 요구되는 버스는 연료전지와 궁합이 잘 맞는다. 주행거리 연장형으로 60kW나 70kW급 연료전지 하나를 배터리와 조합할 경우 배터리의 성능을 유지하면서 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다. 휴대폰 배터리만 해도 방전 없이 자주 충전을 해주는 편이 성능 유지에 도움이 된다.
버스운송사업자의 생각도 다르지 않다. 도심의 지선버스를 운행하는 데도 연료전지를 접목한 하이브리드 버스가 전기버스보다 유리하다고 한다. 서울버스 조준서 대표의 말을 들어보자.
“충전비용, 충전시간, 운영효율 등을 고려했을 때 최적의 조합은 연료전지와 배터리를 접목한 수소전기버스라 할 수 있죠. 야간에 심야전기로 완속충전을 하고, 하루에 한 번 350bar로 수소를 충전하는 형태가 가장 효율적입니다. 그래야 수소충전 시간을 CNG(압축천연가스)버스처럼 10분 안에 끊을 수 있죠. 버스기사 분들이 고비용의 전문직 종자사예요. 이런 분들이 충전에 30분씩 시간을 허비하게 해선 곤란하죠. 고압을 쓰지 않기 때문에 압축설비의 운영이나 내구성에도 큰 도움이 됩니다. 제가 350bar 충전을 고집하는 데는 이런 배경이 있죠.”
버스 전용이 아닌 일반 수소충전소에서 700bar 고압으로 완충을 하려면 넉넉잡아 30분 정도 시간이 걸린다. 시간당 두 대 꼴이다. 충전소에 대기 차량이 있거나, 충전설비 고장으로 다른 충전소를 이용하게 되면 그 시간은 갑절로 늘어난다. 전기버스에 대한 생각도 확고하다.
“350kW급 전기버스 104대를 돌린다고 가정하고 계산을 해본 적이 있어요. 자정부터 새벽 5시까지 심야전력으로 충전을 한다고 했을 때 시간당 무려 5MW의 전력이 필요합니다. 차고지에 이만한 충전설비를 갖출 사업자가 있을까요? 저는 그럴 여력이 없다고 봅니다.”
인천국제공항공사 에너지관리팀의 담당자도 비슷한 말을 했다. 공사는 3년마다 업무용 차량을 업체와 계약해서 운영한다. 인천국제공항공항은 지난해 1월 전 차량을 친환경차로 교체하면서 수소차, 전기차의 비율을 2대 1로 갔다.
“전기차 100대용으로 급속충전기 30기를 설치하는 데 3MW가 필요하다는 계산이 나와요. 그러자면 메가와트 단위의 변압설비가 필요하죠. 충전기 설치 공간도 확보해야 하고 시설관리 문제도 고려해야 했어요. 저탄소 친환경 국제공항 구현이라는 목적에 맞게 충전과 에너지 효율을 따져 차량을 배분했다고 보시면 됩니다. 수소차(넥쏘) 84대, 전기차 40대를 들여오는 걸로 최종 계약을 맺었죠.”
친환경차 보급의 핵심은 충전 인프라에 있다. 이 둘은 하나로 묶여서 간다. 수소는 전주기 산업이다 보니 수요처가 없으면 생산부터 꽉 막힌다. 정부와 기업에서 수소충전소 구축에 열을 내는 것도 이런 이유다. 매일 주기적으로 일정 노선을 오가며 수소를 대량으로 소비한다는 점에서 버스의 역할이 크다.
인천국제공항 인근에 T1, T2 수소충전소가 차례로 들어서면서 충전 인프라를 확보했다. 1터미널과 2터미널을 오가는 순환버스 7대를 수소버스로 교체할 수 있었던 것도 그 덕분이다. 물론 인천국제공항공사에서 구입한 차량은 넥쏘 연료전지 2개가 들어간 현대차의 일렉시티 수소버스다.
현대차에서 수소버스를 내놨지만, 차종이 하나라 선택지가 없다. 버스운송사업자나 국내 전기버스 제작사들이 답답해하는 지점이 여기에 있다.
버스의 차령은 9년이다. 서울의 시내버스는 통상 2교대로 하루에 200~300km를 운행한다. 현대차의 양산형 일렉시티 수소전기버스는 1회 충전으로 450km를 달릴 수 있다. 고사양의 수소버스를 비싼 값에 도입하려니 엄두가 안 나고, 수소전기버스를 자체 기술로 개발하자니 기술의 문턱이 너무 높다.
지난해 울산에서 관련 프로젝트가 시작되긴 했다. 엔지브이아이(연료전지시스템, 수소저장시스템), 에이팸(와이어링 하네스), 케이에이알(자율주행), 성산브이씨씨(통합 소프트웨어) 같은 울산지역 업체가 참여하는 ‘수소전기 하이브리드 버스 개발사업’이 그것이다. 서울버스도 여기에 수요기업으로 참여하고 있다.
파워팩의 사양은 이렇다. 캐나다 루프에너지 사의 90kW급 이플로우(eFLOW) 연료전지 하나가 들어간다. 나머지 배터리(80kWh), 수소탱크(타입4 용기 5개)는 현대차의 일렉시티 수소버스와 동일하다고 보면 된다. 350bar로 수소를 충전해서 버스를 운영하게 된다.
시장은 ‘최고’보다 ‘최적’의 시스템을 원한다
테슬라의 창업자인 일론 머스크는 최근 한 언론사와의 화상대담에서 수소연료 사용을 두고 비판의 목소리를 냈다. 핵심은 두 가지다. 수소를 에너지 저장 수단으로 활용하는 데 많은 에너지가 들고, 이 수소를 액체 형태로 저장해서 사용하는 데 더 큰 에너지가 든다는 점이다.
비판의 수위는 과거보다 낮아졌다. 그는 수소차에 들어가는 연료전지(Fuel Cells)를 두고 ‘Fool Cells’라고 비꼰 적이 있다. 비판의 초점도 수소차보다는 수소의 생산과 저장에 있다. 이는 수소에너지 전환에 나서고 있는 글로벌 시장의 움직임에 대한 경계의 의미로 해석될 수 있다.
미국 캘리포니아에 본사를 둔 프로테라(Proterra)란 회사가 있다. ‘버스업계의 테슬라’라 불리는 북미 1위의 전기버스 제조사로 지난 2004년에 창업했다. 수소전기트럭 개발사인 니콜라가 올해 출시할 계획인 트레(Tre) 전기트럭 프로토타입에도 프로테라의 배터리 기술이 적용된다.
프로테라는 현재 판매 중인 ZX5 전기버스에 738kWh의 배터리를 올려 주행거리를 480km까지 늘렸다. 1회 충전으로 하루 동안 운행할 수 있다는 점을 강점으로 내세우고 있다.
하지만 충전설비 구축에 드는 비용, 차량의 가격, 충전시간에 따른 운영 효율성, 차량의 중량과 연비의 관계 등을 수소버스 또는 하이브리드 수소전기버스와 꼼꼼히 따져볼 필요가 있다. 또 수소 차량에 요구되는 안전성만큼이나 배터리 충전 시 화재에 대한 우려가 있는 것도 사실이다.
결국 검증의 시간이 필요하다. 처음에는 기술을 선도하는 제조사의 목소리가 크겠지만, 종국에는 시장의 실수요자인 운송사업자의 요구를 만족시키는 업체가 살아남기 마련이다.
시장은 경제성에 따라 움직인다. 니콜라가 프로테라의 숙련된 배터리 기술을 필요로 하듯, 프로테라가 자사의 전기버스에 연료전지 파워팩을 접목하지 말란 법도 없다. 수소전기차 기술을 확보하려면 배터리, 전기모터가 적용된 전동화 기술을 자유자재로 다룰 수 있어야 한다. 중국이 전기차 기술을 기반으로 수소전기차 개발에 나선 것만 봐도 알 수가 있다.
수소충전소 구축에 큰 편견이 없는 지자체를 중심으로 수소버스 운행 대수가 조금씩 늘고 있다. 창원에서는 전국 최초로 버스노선과 연계한 버스 전용 가포수소충전소가 개장했다.
린데, 에어리퀴드, 넬 같은 글로벌 업체들이 수소충전소 구축과 설비에 앞선 기술력을 갖추고 있지만, 실제로 이들 국가에서 하루에 40대가 넘는 차량을 700bar 충전으로 소화한 적이 없다. 글로벌 기업들이 한국을 테스트베드 삼아 수소사업에 도전적으로 나서는 데는 이런 배경이 있다.
이는 우리 기업도 마찬가지다. 프로테라의 전기버스에 LG에너지솔루션의 배터리가 들어간다는 점을 상기해야 한다. 최종단에서 완성품을 내놓는 업체들은 성능과 가격, 내구성이 뛰어난 소재와 부품을 원한다. 또 자국의 자동차산업을 발전시키거나 자사의 약점을 보완하기 위해 기꺼이 경쟁사와 손을 잡는다.
일본의 도요타와 이스즈도 여기에 든다. 이스즈는 지난 2006년 소형 디젤엔진의 공동개발을 위해 도요타와 제휴를 맺고 주주로 맞아들였다. 그러다 2018년 8월에 자본제휴를 청산했다. 그러다 지난해 3월, 이스즈는 도요타, 히노와 다시 손을 잡았다.
3사는 지난해 차세대 상용차 제작을 위해 4,500억 원 규모의 합작사를 세웠다. 3사는 미래차 핵심기술로 ‘CASE’를 꼽았다. 이는 연결(Connected), 자율주행(Autonomous), 공유(Shared), 전동화(Electric)를 의미한다.
이스즈는 지난 2월 도요타의 상용차 자회사인 히노와 세운 합작사인 제이버스(J Bus) 브랜드를 통해 2024년까지 저상형 전기버스를 출시한다는 계획을 밝혔다. 3사는 전기버스·수소버스 제작 경험을 공유하고 동일한 섀시와 부품을 써서 친환경버스 제작비를 크게 낮춰갈 방침이다.
도요타가 현대차의 일렉시티에 해당하는 소라(SORA)버스를 출시하고, 이스즈는 도요타의 플랫형 모듈을 적용한 하이브리드 수소전기버스를 출시해 시장의 간섭을 피하는 것도 예상해볼 수 있는 시나리오 중 하나다.
그에 반해 국내 중소 전기버스 제조사들은 잠잠하다. 우진산전, 자일대우상용차는 수소버스 개발 소식이 없다. 그나마 에디슨모터스가 수소전기버스 개발을 진행해왔지만, 쌍용차 인수 건이 틀어지면서 분위기가 좋지 않다.
에디슨모터스의 담당자는 지난 2월호 인터뷰에서 “2020년부터 현대차 측과 수차례 실무협의를 진행해 현대차가 개발한 95kW급 연료전지시스템 공급을 타진했지만 성사되지 않았다”고 말했다. “현대차가 제안한 공급가격과 조건으로는 시장 경쟁력을 확보할 수 없고, 기술 노하우도 전수받을 수 없어 협의를 계속 진행하기 어렵다는 내부 결론을 내렸다”고 했다.
에디슨모터스는 플러그파워의 125kW 프로젠(ProGen) 연료전지시스템을 장착한 수소전기버스를 올해 하반기까지 개발할 방침이다. 이 계획의 실현 여부를 담담히 지켜볼 필요가 있다.
현대차는 그동안 완성차 중심의 수소차 사업을 전개해왔다. 수소연료전지시스템 브랜드인 ‘HTWO(에이치투)’를 만들기는 했지만, 다양한 수소모빌리티 제품 라인업을 갖췄다고 보기가 어렵다.
수소버스에는 넥쏘용 연료전지 2개가 들어간다. 현대차도 답답한 노릇이다. 연료전지와 수소차 개발에 들인 투자비를 생각하면 차량을 많이 팔아야 하는데, 주민 수용성 문제로 수소충전소 구축이 예상보다 더뎌지면서 차량 보급이 정체됐다.
발전용으로 PEM 연료전지를 판매하는 전략도 경쟁 상대인 SOFC의 높은 전기효율을 생각하면 한계가 분명하다.
현대차는 풀어야 할 숙제가 많다. 도요타와의 연료전지 기술 격차를 줄이기 위한 노력을 경주하면서 모빌리티용 연료전지 개발에도 나서야 한다. 이 매듭이 푸는 데 ‘하이브리드 수소전기버스’가 실마리가 될 수 있다.
시장이 원하는 제품이 꼭 최고의 기술력을 갖출 필요는 없다. 메이저리그에는 놀란 라이언 같은 강속구 투수도 있지만, 그렉 매덕스 같은 기교파 투수도 있다. 시장은 ‘최고’보다 ‘최적’의 시스템을 원할 때가 많다. 하이브리드가 오래 살아남는 이유이다.
배터리 전기차의 들러리 수소차
배터리 전기차의 들러리 수소차
2021년 01월호 지면기사 / 글|한상민 기자[email protected]
연료전지차는 미래의 파워트레인에서 얼마나 기회를 얻을 수 있을까? IDTechEx는 이같은 질문을 던지고, “ 배터리로 할 수 있다면, 이것이 현재 소비자와 환경을 위한 최고의 옵션이고, 배터리는 자동차를 위해 역할을 할 수 있다”라고 답했다. 즉, IDTechEx의 선임기술 분석관이 하고 싶었던 말은, 연료전지차에 대한 것이 아닌, 배터리 전기차의 우위와 자율주행 및 로보택시의 부상으로 향후 20년 동안 배터리 전기차가 글로벌 자동차 시장에 미칠 막대한 영향이었다. 루크 기어 기술분석관과 이야기를 나눴다.
글|한상민 기자[email protected]
11월, IDTechEx는 루크 기어(Luke Gear) 선임 기술분석관이 연료전지차(FCEV)에 관한 기사를 썼다며, 이것이 오토모티브 일렉트로닉스에 흥미로울 것이라며 알려 왔다(물론 전 세계 미디어에 뿌려진 것이다). IDTechEx의 최신 리포트 ‘Advanced Electric Cars 2020-2040’ 홍보를 위한 이 서신의 헤드라인 중 하나는 ‘코어까지 뒤흔들리고 있는 자동차 산업에서 전기차는 2040년까지 1조 8,000억 달러(2,000조 6,000억 원)까지 성장하는 생명선(In an industry shaken to its core, electric cars are the lifeline growing to $1.8 trillion by 2040)’이었고, 다른 하나는 기사와 관련된 ‘연료전지차의 상업적 실패(Fuel Cell Cars: A Commercial Failure)’였다.
보고서는 2040년까지 전기차 시장을 예측했는데, 이와 관련 기어 분석관은 향후 20년 동안 FCEV가 지속적으로 상업적 실패를 겪을 것이라고 했다. 연료전지차가 배터리 전기차(BEV)에 도전하기 위해 무배출 장거리 주행을 내세우지만 이를 포함해 많은 약점을 지녔다고 지적했다.
기어 분석관과 서신을 주고받고, 추가 보고서 샘플을 살펴본 후 내린 결론은, ‘연료전지차의 상업적 실패’는 배터리 전기차의 우위와 자율주행 및 로보택시의 부상으로 향후 20년 동안 배터리 전기차가 글로벌 자동차 시장에 미칠 막대한 영향을 강조하기 위한 ‘리포트 홍보’ 미끼였다는 것이었다.
FCEV의 한계
기어 분석관이 말하는 FCEV의 약점이란, ▶현재 FCEV는 (평균적인 내연기관 대비) 지역에 따라 구매비가 1.6배 이상, 연료비가 최대 3배 이상인 반면, BEV는 전 세계 시장에서 내연기관 차량과 동등한 TCO에 도달 ▶FCEV는 높은 전력과 에너지 하베스팅을 위해 리튬이온 배터리에 의존하면서 비용이 증가 ▶연료전지는 움직이는 부품을 가지고 있어 유지관리 비용이 BEV보다 더 높을 것 ▶배터리는 10년 동안 100만 마일(160만 km)의 수명과 2~4C 충전으로 1,000마일(1,600 km)의 주행거리를 향해 가고 있으며, 연료전지차 가격이 저렴해질 즈음이면 배터리 값은 BEV 보급량에 따라 더욱 내려갈 것 ▶수소를 이용한 마일 당 주행에 있어 FCEV는 열 손실로 효율성이 60%여서 더 많은 에너지가 들고, 청정 수소생산을 위해 그리드에서 전기를 사용(전해조에서 1 kg의 H 2 를 생산하려면 54 kWh의 전기가 요구된다)한다는 것 등이다.
그리드 1 kWh 당 주행거리 비교
연료, 충전설치비, 인프라 가용성 비교
FCEV의 성장선
배출규제가 테일파이프에서 W2W, LCA로 가면서 전기차 신화는 물거품이 될 것인가?
기어 분석관은 “차 자체에 우선 주목한 이유는 연료전지가 마일 당 훨씬 더 많은 에너지를 소비한다는 점을 강조하기 위함”이라며 “때문에, 근본적으로 가능하면 BEV를 사용하는 것이 좋다”고 말했다.FCEV 쪽에서 말하는 일반적인 강점 중 하나는 BEV보다 더 긴 순수 전기 주행거리를 제공할 수 있다는 점이다. 그러나 이것은 리튬이온 배터리에 대한 혁신과 연구 속도로 갈수록 약화되고 있다. 예를 들어, IDTechEx가 언급한 상위 3개 FCEV 모델들은 주행거리 300마일(483 km)의 토요타 미라이, 413마일(664 km)의 현대 넥쏘, 316마일(508 km)의 혼다 클라리스 등이다. 하지만, 지난해 초 테슬라는 루시드 모터스(Lucid Motors)와의 경쟁 속에서 주행거리 400마일(644 km)의 모델 S(EPA)를 공개했고, 루시드는 EPA 500마일(804 km) 이상의 최초 BEV ‘루시드 에어(Lucid Air)’ 세단을 올 초 판매하겠다고 발표했다.기어 분석관은 “이런 BEV들은 태양광 지원을 고려하지 않은 모델들인데, 태양광을 이용하는, 올 시판 예정인 라이트이어 원(Lightyear One)의 경우엔 50 kWh 배터리만으로 463마일(753 km) 주행을 달성한다”고 말했다.BEV는 주행거리, 주행불안, 충전 인프라 등 보급의 주요 이슈를 극복해가고 있다. FCEV 역시 마찬가지이지만, FCEV는 BEV가 차량의 광범위한 보급, 공유이동성을 위한 무선충전까지 논의되기 시작한 현재에 얼리어댑터를 유혹할 수 있는 충분한 충전 인프라 조차 마련하지 못하고 있는 상황이다. 게다가 수소 충전소는 BEV를 위한 급속 충전기보다 훨씬 높은 전개 비용이 요구되고, 위험시설로 기피되고 있다.IDTechEx는 FCEV의 짧은 충전시간도 큰 장점이 되지 않는다고 본다. 기어 분석관은 “FCEV는 충전시간이 좋은 장점이고 BEV의 충전은 느리지만, 차를 사용하는 방식에서 사회적 변화가 있을 것”이라며 “BEV의 충전은 결코 지금의 내연기관 주유와 같은 식으로 가지 않을 것이고 주유소 모델도 될 수 없지만, 소비자들이 스마트폰에 적응한 것처럼 언제 그리고 어떻게 충전해야 하는지에 대해 적응하고 더 많은 계획을 세울 것”이라고 전망했다.30~45분 사이 충전이 비용과 환경적 측면에서 사회적으로 용인되고 실행가능하게 될 것이며, 차량은 대부분 하루에 몇 시간만 운행하게 될 것이다. 기어 분석관은 “FCEV 충전 인프라 문제는 수소 비용을 포함해 매우 비싸고, 시간적 편의란 장점을 일부 가져온다고 해도 이 문제는 당분간 지속될 것”이라고 예상했다.한편, 유럽에서 논의되고 있는 LCA(Life Cycle Assessment)는 전기차 신화를 허상으로 만들지도 모른다는 우려를 자아내고 있다. 이는 BEV가 전기 생성 과정까지 포함한 웰투휠에서 여전히 내연기관 대비 배출이 적지만 배터리 생산 및 폐기 과정 등을 포함한 총체적인 LCA 기준에서는 별 차이가 없기 때문이다. 그러나 미래에 LCA 규제가 도입되더라도 그 즈음 신재생에너지 인프라와 배터리 리사이클 시스템의 구축, 특히 각국 시정부의 도시 환경개선 의지의 영향으로 이는 장애가 되지 않을 가능성이 높다. 게다가 독일 OEM은 이미 전기차 중심 탄소중립 생산에 대한 대책을 과감하게 실행 중이다.예를 들어, BMW는 노스볼트와 20억 유로 규모의 배터리 공급 계약을 맺었다. 이처럼 OEM은 전기차에 들어가는 배터리의 지속가능성 요구를 줄기차게 공급사에 요구하고 있고, 이들은 이에 맞춰 전력 소스 중 신재생에너지 비중을 높이고 있다. 또 탄소중립적인 자체 배터리 셀 생산에 나서고 있다. 결정적으로 무배출, 나아가 내연기관 판매 금지를 요구하는 도시들도 점차 늘고 있다.기어 분석관은 “대부분 OEM은 BEV에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 토요타의 경우 2019년 여름 미디어 행사에서 ‘우리는 BEV에 우선 중점을 두고 있지 않으며, 수소연료전지 전략을 포기하지도 않는다’고 말했지만, 토요타는 2021년 리프레시될 미라이와 FCEV Lexus 등의 계획과 달리, 2020년대 초 10개의 BEV 모델을 중국을 시작으로 전 세계에 출시할 것이라고 밝혔다. BMW도 FCEV에 대한 계획을 갖고는 있지만 2025년 이후로 계획하고 있다”고 말했다.그러면 OEM은 왜 연료전지에 관심을 갖는 것일까. IDTechEx는 아직 오프로드, 해양, 장거리 트럭 운송과 같은 강력한 장거리 애플리케이션에서 FCEV가 제외되지 않았기 때문이라고 말한다. 문제는 승용차에 비해 이들 모두 상대적으로 물량이 적은 시장이어서 비용을 빨리 줄이기 위해 고전할 수밖에 없다는 것이다.반대로 중소형 트럭을 이용하는 지역배송이든 복합항만 안팎의 드레이지(drayage)와 같은 운송에 이용되는 트럭 등 다양한 용도에서 전기트럭은 상업적으로 매력적인 솔루션으로 인식되고 있고 장거리 영역에도 노크하고 있다.기어 분석관은 “수소가 유일한 옵션은 아니다. 대체 저탄소 연료도 옵션이다. 장거리 운송에서 가장 실행 가능한 솔루션으로 떠오르는 연료전지가 승자가 될 것이고 다른 부문의 인프라 개발 및 비용 절감에 도움이 될 것이지만 승용차에 비해 상대적으로 적은 규모의 시장이기 때문에 제한적일 것이다. 게다가 테슬라 세미와 같은 경쟁이 남아있다. 시간이 말해 줄 것이다”고 전망했다.FCEV는 이 영역에서 배터리 트럭을 제거할, 예를 들어, 대용량 에너지(1 MWh 이상)를 몇 분 안에 재충전해야 하는 식의 매우 구체적인 요구조건을 충족해야만 한다. 유럽에서 국경을 넘는 도로 화물운송의 평균거리는 약 600 km다. 적재량에 따라 장거리 트럭의 표준 운행거리는 약 800~1000 km다. 운행거리 연장은 장거리 트럭의 도전과제이자 새로운 트럭 파워트레인의 도전과제다. 적재량과 주행거리가 매우 중요하고, 적재중량은 최대 주행거리를 크게 좌우한다. 지금까지 현대차, 토요타, 다임러-볼보, GM 등이 수소트럭 개발에 적극적이다.IDTechEx는 FCEV가 수소경제 확대 전략으로 특정 국가에서 더 보급될 것이지만, 이는 전 세계적인 추세가 아니며 지역적인 고립이 될 것이라고 전망했다. 특히 스타트업들이 순수하게 BEV에 초점을 맞추고, BEV의 기준을 더 높게 설정함에 따라 전통적인 자동차 회사들에게 이같은 무배출 차량 개발 부담을 더하고 있다고 강조했다.IDTechEx는 “전기차의 10년과 FCEV의 10년(토요타 미라이는 단지 5년째 시판 중)을 비교할 수는 없다. 하지만, 향후 10년 후 BEV가 세계 자동차 시장의 20%(대략)를 차지하는 동안 FCEV는 여전히 0.5%를 훨씬 밑돌 것으로 보인다”고 전망했다.
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