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자동차/로봇 모빌리티의 미래를 창조하는 수소 연료전지 자동차

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-12-07 15:07:00
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출처 : https://www.bmw.com/ja/innovation/how-hydrogen-fuel-cell-cars-work.html

 

현재 연료전지 배터리는 엔진의 대체 에너지원으로서는 아직 뒤처지고 있다는 것이 일반적인 견해이다. 하지만 수소 연료전지 자동차는 앞으로 단숨에 그 차이를 메울 것이라고 전문가는 예측한다. 그렇다면 기술은 앞으로 어떻게 진화할까? 장점과 단점은 무엇일까? 여기서는 수소 연료전지 자동차에 관한 다양한 의문에 대한 답을 밝힐 것이다.

 

대기오염과 소음의 감소. 이것은 전기자동차에 기대되는 여러 가지 일 중 하나이다. e모빌리티라는 말을 들으면, 대부분의 사람들은 콘센트에서 충전하는 큰 배터리를 실은 자동차를 떠올린다. 하지만 현재 이를 대신하는 것으로서, 장시간 충전도 필요치 않은 또 하나의 구동 기술이 교통 전문가들 사이에서 주목을 받고 있다.

 

이 기술을 구사하는 것이 수소 연료전지 자동차로서, FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)라고 불린다. 여기서는 수소 연료전지 자동차의 장점과 단점, 비용과 리스크에 대해 이야기하기 전에, 먼저 이 기술이 어떤 구조로 되어 있는지 간단하게 설명하고자 한다.

 

1. 수소 엔진은 어떻게 구동하는가?

 

수소 연료전지 자동차는 전기 모터에 의해 에너지가 공급되기 때문에 전기 자동차로 분류된다. ‘Fuel Cell Electric Vehicle(연료전지 전기 자동차)’의 첫 글자를 딴 FCEV라는 약칭으로도 잘 알려져 있으며, ‘Battery Electric Vehicle(배터리식 전기 자동차)’는 BEV라고 한다.

 

수소 연료전지 자동차와 다른 전기 자동차 사이에는 결정적인 차이가 있다. 바로 수소 연료전지 자동차에서는 차 내에서 발전이 이루어진다는 점이다. 즉 완전한 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차와 같이 외부에서 전력을 공급받는 충전식 배터리를 탑재하지 않는다. 그 대신 탑재된 효율적인 독자적인 전력 장치가 연료전지이다.

 

** FCEV의 연료전지 안에서 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지가 발생한다. 이 에너지는 필요에 따라 전기 모터나 배터리, 또는 둘 다에 보내진다.

 

연료전지 기술에서는 물의 전기 분해의 역화학변화를 이용한다. 이 과정에서 수소가 연료전지 안에서 수소와 반응한다. 수소는 차량에 탑재된 하나 또는 여러 개의 탱크로부터, 다른 한쪽의 산소는 외부로부터 공급된다. 그 결과 전기 에너지, 열, 물이 생겨나며, 물은 증기로서 배기구로부터 방출된다. 즉 수소 연료전지 자동차는 국소적으로는 제로 에미션이라 할 수 있다. 이에 대해서는 후에 자세히 설명할 예정이다.

 

수소 엔진의 연료전지 내에서 발생한 전기는 운전 상황에 따라 2가지 루트로 나뉜다. 전기는 전기 모터로 흘러가 차량에 직접 전력을 공급하거나 엔진이 필요로 할 때까지 에너지를 배터리에 축적한다. 이것은 트랙션 배터리라고 불리며, 크기가 아주 작고 완전 전기 자동차의 배터리보다 가볍다. 큰 배터리를 필요로 하지 않는 것은 연료전지에서 끊임없이 전기를 공급하기 때문이다.

 

다른 전기 자동차와 같이, 수소 자동차 역시 브레이킹 시의 에너지를 ‘회생’ 즉 회수할 수 있다. 전기 모터는 감속 시 운동 에너지를 전력으로 변환하여 백업 배터리에 공급한다.

 

2. 사용자에게 있어 수소 연료전지 자동차의 장점과 단점은?

 

구동 기술의 장점과 단점은 ‘사용자’와 ‘환경’이라는 2가지 관점에서 고찰할 수 있다. 어떤 기술이든 내연 엔진을 대신하는 것은 사용자의 사용성과 오염 물질의 배출량 감소를 실현해야 한다. BMW 그룹의 수소 연료전지 프로그램 매니저 액셀 뤼커의 설명을 들으면서, 먼저 수소 연료전지 자동차의 운전자 또는 소유주에게 있어 장점과 단점으로는 어떤 것이 있는지 검토해 보자.

 

사용자가 느끼는 장점 :

▪수소 연료전지 자동차는 100% 전력으로 구동한다. 운전을 해도 일반적인 전기 자동차를 운전하는 것과 같은 느낌을 준다. 전기 모터가 저회전역에서 최대 토크를 발생시키기 때문에 출발할 때부터 자연스럽게 가속한다. 그리고 매우 조용하다.

 

▪또 한 가지 장점은 충전 시간이 짧다는 점이다. 충전 스테이션 및 배터리 용량에 따라 다르긴 하지만, 완전 전기 자동차를 최대로 충전하는 데에는 30분 또는 여러 시간이 걸린다. 한편, 연료전지 자동차의 수소 탱크는 불과 5분이면 완충되어, 주행이 가능한 상태가 된다. 기존의 자동차에 비해 전혀 손색이 없는 편리성 및 유연성을 실현한다.

 

▪현재 수소 연료전지 자동차의 항속 가능 거리는 완전한 전기 자동차보다 길다. 수소 탱크가 완충된 상태로 약 300마일(약 480km)을 주행할 수 있다. BEV(배터리식 전기 자동차)는 크기가 더 큰 배터리를 탑재함으로써 항속 거리를 연장하지만, 그만큼 차량의 무게가 늘어나기 때문에 충전 시간이 오래 걸린다.

 

▪연료전지 자동차에서는 항속 가능 거리가 바깥 기온에 영향을 받지 않기 때문에, 추운 날에도 항속 가능 거리가 짧아지지 않는다.

 

https://www.bmw.com/video/is/content/BMW/bmwcom/bmw_com/category/innovation/wasserstoff/wss-03-media-hd.mp4

 

현시점의 단점 :

현재 수소 연료전지 자동차의 가장 큰 단점은 수소를 보급하기 위한 선택지가 좁다는 것이다. 수소의 보급은 특수한 펌프로 이루어지는데, 아마도 장래에는 일반적인 주유소에서도 그것을 갖출 수 있을지 모르겠다. 하지만 지금은 수소 연료전지 자동차에 수소를 보급할 수 있는 스테이션은 많이 없다. 미국에 약 40군데(2019년 말 시점), 독일에 약 80군데(2019년 말 시점), 일본에는 약 130군데*(2020년 5월 시점)가 있다.

 

“수소 연료전지 기술에 대해서는 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’하는 상황이다”라고, BMW에서 이 분야를 전문적으로 연구하고 있는 류커는 말한다. ‘보급 스테이션의 네트워크가 충분하지 않은 한, 수소 연료전지 자동차는 소비자로부터 수요를 얻지 못하며, 채산이 맞지 않기 때문에 양산화할 수 없다. 또한 길 위에 수소 연료전지 자동차가 많이 보이지 않으면, 보급 스테이션의 네트워크를 확대할 수 없다.’

 

BMW의 본거지인 독일은 수소 연료전지 자동차의 인프라를 정비하는 일에 있어서 선진적인 역할을 하고 있다. 독일에서의 연료 보급 인프라를 확대하기 위해, BMW와 같은 자동차 회사들은 ‘클린 에너지 파트너십 이니시어티브’라는 시책을 통해 수소 제조 플랜트 및 보급 스테이션 업자와 협력하여 2022년까지 수소 보급 스테이션을 130개로 증가시킬 계획이다. 이로 인해 독일에서는 약 60,000대의 수소 자동차가 달릴 수 있게 된다. 그 다음 목표는 연료전지 자동차의 증가에 발맞춰 2025년까지 보급 스테이션을 400개로 증가시키는 것이다. 하지만 FCEV를 타고 독일 국내뿐 아니라 국외로도 이동할 수 있도록 하려면, 인근 국가들의 거점도 늘려야 한다고, 뤼커는 부연한다.

 

 

3. 수소 연료전지 자동차의 차량 가격과 그 이유는?

 

보급 스테이션의 네트워크가 충분하지 않다는 것에 더해 수소 연료전지 자동차의 수요가 증가하지 않는 또 한 가지 이유는 차량의 가격이 상대적으로 비싸기 때문이다. 이미 시장에 출시된 연료전지 자동차의 가격은 중급 또는 중상급 모델이라도 7000만 원~8000만 원 정도이다. 이는 동급의 완전 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 비해 약 2배에 달하는 가격이다.

 

수소 연료전지 자동차의 가격이 여전히 비싼 데에는 다양한 이유가 있다. 생산 대수가 적고 대규모 양산화가 이루어지지 않기 때문이라는 것과 연료전지가 희소 금속인 백금을 필요로 하기 때문이라는 것이 그 이유이다. 발전 중에 촉매의 역할을 하는 백금의 산출량은 이미 대폭 감소하고 있다. ‘당면한 목표는, 수소 연료 자동차의 가격을 다른 전기 자동차와 비슷한 수준으로 맞추는 것이다’라고, 뤼커는 말한다.

 

가격이 높아지는 이유는, 수소 탱크가 공간을 차지하기 때문에 차량 본체의 크기도 커질 수밖에 없기 때문이다. 이에 반해 완전한 전기 자동차의 경우, 배터리만으로 구동하기 때문에 소형 자동차로도 만들 수 있다. 모든 자동차의 급에서 전기 자동차의 라인업을 갖출 수 있는 것도 이 때문이다.

 

구입비용에 더해 유지 비용 역시, 이러한 구동 기술의 비용 대비 효과에서 중요한 역할을 한다. 수소 연료전지 자동차의 유지비는 연료의 가격에 따라 특히 좌우되기 때문이다. 현재 수소 1lb(0.45kg)당 가격은, 미국에서는 약 14달러지만, 독일에서는 4.8달러이다(H2 Mobility가 함의한 가격). FCEV는 수소 1lb에 약 45km를 주행할 수 있다.

 

그러므로 수소 연료전지 자동차의 1km당 경비는 가정에서 충전할 수 있는 BEV(배터리식 전기 자동차)의 약 2배가 된다. 이에 대해 뤼커는 ‘수소에 대한 수요가 높아지면 가격은 2030년까지 약 2.5달러/lb(5.6달러/kg)까지 떨어질 것’이라고 예측한다.

 

4. 수소 연료전지 기술은 환경에 얼마나 도움이 되며 지속 가능한가?

 

재생 에너지만 사용하여 유해 물질을 배출하지 않는 자동차는 환경적으로도 매우 이상적인 존재이다. 다른 에너지를 이용하는 자동차에 비해 연료전지 자동차가 얼마나 그러한 이상에 가까운 자동차일지 생각해 보자.

 

▪대체 구동 시스템의 목적은 대기오염 물질의 배출량을 줄이는 것이며, CO2뿐 아니라 아산화질소 등의 유해 가스를 감소하는 것도 여기에 포함된다. 수소 엔진에서 배출되는 가스는 순수한 수증기이다. 그러므로 수소 연료전지 기술을 사용하면, 제로 에미션 주행이 가능하다. 이것은 거리의 공기를 깨끗하게 유지하는 것을 의미하는데, 이것이 기후 변화의 억제에도 도움이 될까?

 

▪그것은 연료전지 자동차용 수소가 제조되는 조건이다. 수소를 제조하려면 전기 에너지가 필요하다. 수소를 전기 분해하여 수소를 산소로부터 분리시키기 위함이다. 이때 사용되는 것이 재생 에너지로부터 얻어진 전력이라면, 수소 제조의 CFP는 중립적이 된다. 한편, 화석 연료를 사용하면 CO2가 발생하여, 결국에는 수소를 이용하는 연료전지 자동차의 카본 풋프린트에 영향을 미치게 된다. 그러한 영향이 얼마나 강한지는, 사용되는 에너지의 구성에 따라 다르지만, 이 점에서 수소 연료전지 자동차와 다른 전기 자동차와의 사이에 큰 차이는 없다.

 

▪또한 수소 제조의 결점으로서, 전기 분해 중의 에너지 손실도 들 수 있다. 전기 분해를 통해 얻은 수소로 자동차를 구동시키는 경우의 종합적인 효율은 BEV(배터리식 전기 자동차)의 절반밖에 되지 않는다.

 

▪하지만 수소는 날씨에 좌우되는 태양광 및 풍력 발전 등에서 사용되지 않은 잉여 에너지를 축전해둘 수 있다. 이러한 잠재적인 가능성이 크다고 할 수 있다.

 

 

▪수소는 많은 공업 프로세스의 부산물이기도 하다. 대부분의 경우, 폐기물로 처리되어 그 이상 사용되지 않지만, 연료전지 배터리가 이러한 수소의 업사이클을 가능하게 한다. 그러려면 먼저 수소를 생성해야 한다.

 

▪수소 연료전지 자동차의 에너지 밸런스 시트에는 수소의 운송과 보관도 포함된다. 또한 액체가 기체가 됨으로써 압축, 냉각, 운송, 보관 등에 들어가는 비용도 달라지는데, 현재는 그 뛰어난 운송성과 저장성으로 인해 액체 수소가 주류를 이루고 있다. 그럼에도 아직 수소의 운송과 보관은 휘발유나 디젤보다는 훨씬 복잡하며, 에너지 집약형이라는 사실에는 변함이 없다. 하지만 이론적으로 볼 때 수소는 화석 연료와는 다르며, 전력과 물이 있으면 어떤 스테이션에서도 제조할 수 있다. 장기적으로 더욱 고도화된 인프라가 정비되면, 운송 거리도 대폭 단축할 수 있다.

 

결론을 말하자면, 수소 연료전지 기술은 환경적으로 지속 가능한 모빌리티를 실현할 수 있는 큰 가능성을 갖고 있다. 하지만 BMW의 전문가인 액셀 뤼커의 말에 따르면, 수소를 제조하려면 재생 에너지를 사용하고, 운송 거리를 단축하기 위한 기술 인프라를 확장하는 것이 무엇보다 중요하다고 한다.

 

“전기 자동차는 기후 변동을 완화하는 데 실질적으로 공헌할 수 있지만, 밸류체인 전체가 지속 가능해야 한다는 것이 그 전제조건이다.”

 

5. 수소 연료전지 자동차에는 어떤 리스크가 있나?

 

제어가 불가능한 상태로 수소와 산소가 반응하면 어떻게 될까? 이 질문을 들으면 많은 사람이 화학 수업을 떠올릴 것이다. 그 답은 ‘산수소 가스가 반응하여 폭발한다’이다. 이를 보면 알 수 있듯이 수소는 가연성 가스지만, FCEV에서 이러한 반응이 일어날 일은 결코 없다.

 

왜냐하면 수소 연료전지 자동차의 수소는 매우 안전한 구조의 두꺼운 탱크에 액체 형태로 저장되기 때문이다. 뤼커는 수많은 충돌 시험을 통해 수소 연료전지 자동차의 안전성이 실증되었다고 강조한다. 가혹한 상황에서 실험할 때에도 탱크는 상처 없이 수소의 누출을 막았고 설명한다.

 

또한 수소 기술은 최근 생겨난 것이 아니며, 다양한 분야에서 충분히 시행을 거듭해온 기술이라는 점도 잊어서는 안 된다. 예를 들어 제유소에서는 석유 정제 과정에서 대량의 수소를 이용하여 수소화 처리를 실시한다. 또한 파이프라인을 통한 수소 운송과 저장도 이미 수십 년 전부터 이루어진 일이다.

 

“충돌 시험을 통해 수소 탱크가 충돌시 파손되지 않고 수소의 누출도 없었음이 증명되었다.”

 

6. 수소 연료전지 기술은 앞으로 어떤 역할을 하게 될까?

 

BMW는 장차 수소 연료전지 자동차가 BEV(배터리식 전기 자동차)와 함께 지속 가능한 모빌리티에 크게 공헌할 것이라고 확신한다. 하지만 필요한 수소 인프라가 정비되고, 수소의 가격과 차량의 가격이 낮아져야 한다는 것이 전제 조건이다. 이러한 조건이 충족되면, 수소 연료전지 자동차는 사용자의 운전 습관에 유연하게 대처하는 제로 에미션 기술이 될 것이다.

 

대형 에너지, 운송 기기, 산업 기업에 의한 글로벌한 이니시어티브인 수소 협의회(Hydrogen Council)도 이 점을 확신하고 있다. 해당 협의회는 수소를 연료전지 자동차의 지속 가능한 구동 시스템을 위해서만이 아니라, 난방, 전력, 산업을 위한 깨끗한 에너지원으로 생각하고 있다.

 
 
관련 보고서 : 2021년 수소연료전지와 연관산업 기술개발 동향과 시장전망
 
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