2023. 9. 11. 07:30ㆍMobility +/Industry
친환경 자동차의 미래, 글로벌 수소자동차 현황
안녕하세요, 최근 전기차의 전환이 높은 가격과 고객의 안전에 대한 불감등으로 인해 큰 제동에 걸린 상황입니다. 아무래도 최근 몇년간 자동차 시장이 공급자 우선 시장에서 다시 구매자 우선 시장으로 전환됨에 따라, 안전성과 연비 모두를 잡을 수 있는 하이브리드 모델에 대한 선호가 아직까지는 지배적인 것 같아요. 하지만 현재 변화를 생각해본다면 궁극적으로는 전기차로의 전환이 이뤄질 것 같아요. 세계적인 산업 트렌드를 선도하는 EU와 북미에서 친환경 자동차에 강력하게 드라이브를 걸고 있기 때문이죠. 특히 심해진 지구온난화로 인해 탄소배출량을 최소화해, 지속가능한 미래를 만들기 위한 것이 그 목표라 생각합니다.
그런데 전기차가 과연 내연기관에 비해 완전 친환경적인 차량일까요? 반은 맞고 반은 틀린소리라고 정리할 수 있습니다. 왜냐하면 전기차는 사용 기간이 길어짐에 따라 ICE 차량 대비 탄소를 훨씬 적게 배출하는 것은 맞습니다. 비록 전기가 석유 기반의 탄소에너지를 활용함에도 불구하고 말이죠. 대신, 배터리를 초기 생산할 대 ICE 대비 많은 탄소가 사용되어 일부 완성차 업체는 E-Fuel을 사용하는 것이 더 적합하다고 주장합니다. 포르쉐가 이런 입장을 지지하는 대표적인 기업이죠. 이는 결국 전기차 역시 환경에 나쁜 영향을 끼친다는 점과 동일하다고 볼 수 있어요. 이런 상황에서 더 나은 미래를 위해 어떤 운송수단이 있을까라는 고민에서 나온 정답이 바로 수소자동차입니다. 이번 포스팅에서는 수소 자동차의 개념에 대해 간단히 알아보고 이를 준비하는 대표적인 기업 사례들을 통해 현재 산업이 어떻게 미래를 준비하는지에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.
1. 수소차(FCEV)는 왜 전기차(BEV)에 비해 친환경적일까?
많은 분들이 전기차가 친환경차량이 아니라는 주장에 의아함을 표시하실 것 같아요. 정부 기관에서 PHEV와 BEV를 친환경차로 지정하고, 이에 대한 보조금도 지급 중인 것으로 보면 분명히 환경 친화적인 차량이라 생각되거든요. 두 차량은 그린카, 즉 환경친화적인 차량이 맞습니다. 단, 절대적인 수치가 아닌 기존 내연기관인 가솔린/디젤 대비 말이죠. 일례로 현재 판매되는 차량 중 가장 환경 친화적인 차량인 BEV를 고려해볼게요. 일반적으로 정부 기관에서 환경 친화적이다라고 지칭하는 말과 동일한 것은 "탄소 배출량이 적다'로 정의할 수 있습니다.
전기차는 생산 과정에서 직접 연료물을 태워 주행하지 않기 때문에 주행 과정에서 탄소를 발생시키지 않습니다. 그리고 다 사용한 배터리를 ESS로 활용, 스마트그리드의 일종으로 활용할 수 있기 때문에 에너지의 저장 및 활용에도 지속가능하다는 장점이 있죠. 하지만 전기차의 구동 동력인 전기를 만드는 과정에서의 탄소와 배터리의 생산 과정에서 탄소가 발생하기 때문에 이를 고려한 전 생애주기에서의 탄소 발생을 고려해야 한다는 주장(LCA : Life Cycle Assessment)이 EU를 시작으로 점차 비중이 높아지는 현황입니다.
예를 들어 국내와 같이 친환경 에너지 생산 시설이 없는 기업은 석유를 태워 만드는 전기 에너지에 전력을 의존할 수 밖에 없어요. 이렇게 된다면 구동 과정에서 탄소가 발생하지 않더라도 이를 위한 전기를 만드는 과정에서 탄소가 발생할 수 밖에 없다는 것이죠. 따라서 이를 따져보면 전기차는 동일 주행거리를 달릴 때 최대 20%정도 적은 탄소 발생을 일으키는 것으로 정리할 수 있게 된다고 하네요. 더군다나 전기차의 배터리 생산 시 70kWh의 배터리를 위해서 4.2톤의 Co2가 발생한다는 통계 자료가 있다고 해요. 이를 고려하면 전기차로 전환이 가지는 한계를 알 수 있죠.
반면 수소에너지는 이보다는 더 친환경적이라 할 수 있어요. 물론 수소 생산과정에서 탄소가 발생하는 것은 동일합니다. 하지만 배터리를 없앰으로서 부가적인 탄소 발생을 줄일 수 있고, 폐기물이나 철강을 만드는 부생 수소 등에서 추가적인 수급을 할 수 있다는 장점이 있습니다. 여기에 더해 고객 관점에서 편리함이 늘어난다는 것도 또 다른 장점이에요. 보다 짧은 충전시간을 가질 수 있고 BEV에 비해 더 장거리를 주행하거나 큰 힘을 낼 수 있기 때문에 편리함이 증가할 수 있습니다. 이런 특징으로 인해 많은 기업은 전기차로의 전환을 진행함과 동시에 수소차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)으로 미래 포트폴리오를 구상하는 것을 확인할 수 있었습니다.
2. 글로벌 FCEV 선도 주자...현대자동차의 수소자동차 현황
전세계 많은 자동차 기업 중 수소차 시대를 가장 빠르게 준비한 기업은 바로 현대자동차그룹입니다. 90년대부터 시작해 수소연료차량을 연구해온 현대자동차는 HTWO와 같은 브랜드는 물론, 넥쏘와 같은 실제 차량 출시를 통해 수소 시대 개막을 위한 노력을 이어가고 있죠. 현대자동차가 이런 연구를 시작한 이유는 미래에 전기차가 대두되더라도 장거리 운행과 대형 차량을 위한 목적으로 수소 에너지가 필요할 것으로 전망했기 때문이라고 합니다. 이런 노력을 통해 현대자동차그룹은 2013년 세계 최초의 수소전기차 양산 모델인 투싼 ix Fuel Cell로부터 시작해 18년의 넥쏘, 엑시언트 수소전기트럭과 같은 모델을 통해 시장을 선도하기 위한 터전을 미리 확보할 수 있었죠
현대자동차그룹이 수소에너지에서 가진 가장 큰 장점은 독자적인 수소연료전지 시스템을 개발했다는 사실인데요. 이를 위해서 많은 투자가 이뤄졌고, 단순 현대기아의 차량을 위한 것이 아닌 다른 브랜드로 그 영향력을 폋리기 위해 고객사를 염두한 개발 역시 함께 진행되었다고 합니다. 해당 목적으로 고객사의 요구에 맞는 패키지나 소프트웨어 변경을 함께 하기 위한 브랜드 HTWO를 설립하게 된 것이라고 하죠. 그리고 이를 위한 기술적 기반으로 전기차 시스템과 동일하게 연료전지 시스템에서 DC-DC 컨버터 역할을 수행하는 FDC를 개발, 보다 사용자가 쉽게 전력을 컨트롤할 수 있도록 했다고 하네요
현대자동차그룹이 개발한 수소연료전지시스템은 크게 수소공급시스템, 전기공급시스템, 연료전지, 열관리시스템의 4가지 영역으로 나눌 수 있다고 해요. 부가적인 요소로는 전기를 분배하는 정션박스(Junction Box)와 전압을 변환시켜주는 FDC, 에어클리너, 이온 필터 등을 말할 수 있다고 하죠. 전기를 생산하는 수소전지 스택(STACK)은 수소-산소의 전기반응을 통해 전기에너지를 발생시킨다고 합니다. 수소공급시스템(FCS)는 수소 공급량을 제어하기 위한 ECU 및 밸브 등이 포함되어 있으며 공기공급시스템(APS)는 반응을 위한 산소를 외부로부터 유입시키기 위한 장치라고 합니다. 마지막으로 두 반응의 온도를 최적화하기 위한 열관리시스템(TMS) 역시 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다고 하죠.
현재 현대자동차그룹에서 수소시스템이 가장 많이 활용되는 곳은 바로 상용차분야입니다. 상용차는 엔진이 크고 차체가 무겁기 때문에 많은 배기가스가 발생한다는 단점이 있지만, 배터리로 주행거리를 해결하기 쉽지 않기 때문이죠. 현대자동차는 이를 극복하기 위한 수소전기트럭을 개발했고 우수성을 인정받아 스위스, 미국, 독일 등에 수출을 성공할 수 있었다고 하네요. 전기 시스템을 활용했기 때문에 동일 ICE 대비 최고 출력과 최대 토크가 향상되었다는 점이 큰 장점이라고 합니다. 이외에 현대자동차그룹은 버스와 같이 많은 승객을 운반하는 차량까지 수소에너지를 확대하며 그 혁신을 계속해오고 있다는 것을 확인할 수 있었습니다.
3. 글로벌 No.1 자동차기업, 도요타가 수소차를 준비하는 방법
기존 하이브리드 차량의 최강자죠. 도요타 역시 수소에너지를 미래라 여기고 있었습니다. 다만 개발 방향이 상용차가 아닌 스포츠카를 시작으로 개발된다는 것이 특이점이라 할 수 있을 것 같은데요. 도요타는 23년 2월 세계 최초로 GR Corolla의 수소 기반 스포츠카를 개발햇다는 보도 자료를 공개했습니다. 그룹은 액체 수소를 활용함으로써 얻는 장점에 대해 언급했는데요. 액체 수소를 이용하게 됨에 따라 단위 부피 당 에너지 밀도를 높이고 주행 거리를 늘리며 탱크 형상의 자유도를 꾀할 수 있었다고 말했습니다.
그리고 올해 8월 해당 시스템을 개편해 더욱 효율성이 높은 차량을 만들었다는 사실 역시 함께 알 수 있었습니다. GR 코롤라는 기존에 문제가 있었던 액체 수소 펌프를 개선함에 따라 40kg의 경량화와 내구성 향상을 얻을 수 있었다고 발표했죠. 이런 보도 자료를 토대로 보면, 도요타 그룹에서 수소차가 나올 경우 상용차량이 아닌 고성능 모델 위주로 등장할 가능성이 높아보입니다. 일반적으로 레이싱카에서 나온 기술들이 하이퍼카에 적용되었던 다른 기업들의 사례를 참고해보았을 때 그럴 가능성이 더욱 높아보이고요. 현재 전기차 기술에서 일본 기업들이 뒤지고 있다는 말이 많이 있는데, 향후 수소에너지 시대가 시작되었을 때 도요타가 이런 기술들을 바탕으로 어떻게 시장에서 다시 존재감을 발휘할 것인지도 주목할만한 이슈라고 생각됩니다.
4. 수소차에서도 즐거운 운전의 경험을, BMW가 바라보는 미래 수소차
아마 올해 3월 서울모빌리티쇼를 보신 분들은 아시리라 생각되는데요. BMW 그룹 역시 수소차를 연구하고 있습니다. 아마 전시장에 있는 iX5 Hydrogen 모델을 보신 분들께서도 이런 변화를 인지하셨을 거에요. BMW는 iX5를 수소에너지로 전환하려는 시도를 시작했으며, 이를 위한 다양한 테스트 드라이브를 시행하고 있어요. 대표적인 사례가 9월 7일 공개된 iX5 수소차의 아랍에미레이트 테스트 환경이라고 할 수 있죠. 독일과는 다른 45℃의 외부 온도, 많은 모래와 먼지, 경사와 같은 주행 환경에서 차량을 테스트하는 것은 내구성과 적응력에 대한 검증에서 좋은 피드백을 줄 수 있을 것이라 생각되는데요
BMW의 보도 자료에 따르면 iX5의 시범 운행은 유럽, 일본, 한국, 중국, 미국, 중동에서 시행되고 있다고 합니다. 아직까지 국내에서 iX5 수소차의 시범 운행은 본 적이 없기는 한데..뭐 일단 보도자료가 그렇다고 하니 어디에선가는 하고 있을 것이라 추측됩니다. 파일럿 차량은 수소에너지를 통해 더 긴 주행거리를 주행할 수 있을 것이라 기대하고 있었습니다. 최대 6kg의 수소를 주입함으로써 WLTP 기준 504km의 주행거리를 가질 수 있다고 하네요. 그리고 기존 BMW의 5세대 주행시스템인 BMW eDrive 기술이 적용됨에 따라 기존 전기차에서 활용되는 모터와 같은 구동 장치를 동일하게 적용할 수 있을 거싱라 언급하고 있었습니다.
BMW가 iX5부터 수소 에너지를 적용하는 이유는 앞서 다른 기업들과 동일하게 무거운 중량 대비 긴 주행거리를 제공할 수 있는 방법에 대해 고민했기 때문이라고 생각됩니다. 따라서 만약 적절한 수소인프라와 테스트 횟수만 검증된다면 많은 차량에 수소에너지가 적용될 것이라 예측됩니다. 아무래도 고중량을 담당해야 하는 X5~X7까지의 SUV 시리즈와 7시리즈 정도는 수소에너지로 전환될 가능성이 있어보여요. M시리즈의 경우 사용자의 목적 및 스펙 설정에 따라 혼용될 수 있지만 아직까지는 범용성이 높은 BEV로 출시될 가능성이 높아보입니다.
이번 포스팅에서는 글로벌 FCEV 동향과 수소차 도입 배경에 대해 알아보았는데요
인류의 이동 과정에서 발생하는 탄소를 잡기 위한 각국의 노력은 계속될 것 같습니다.
특히 해당 이슈가 우리의 지속가능한 미래와도 연관되어 있는만큼
많은 연구를 통해 기술이 발전, 지구온난화와 같은 인류의 위협을 방지할 수 있었으면 하는 바람입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사드립니다 😊
[참고자료]
[1] HMG저널 / 친환경 수소 사회에 앞서는 현대차그룹 수소연료전지시스템 개발기
[2] HMG저널 / 현대차그룹 세계 최초의 기술로 새로운 상용차 시대를 열다
[3] Totyota Newsroom / World-First Liquid Hydrogen Official Race Test at FuJi
[5] Chainlightning.kr Blog / 전기차도 탄소 배출한다고? 탄소야 너 진짜 전기차에서 태어났니?
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