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125. 파워트레인의 미래 38. 유럽, 디젤 대신 수소 엔진으로 간다

글로벌오토뉴스 조회 수569 등록일 2020.10.26
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배터리 전기차에 관한 뉴스가 자동차 파워트레인에 관한 미디어들의 헤드라인을 장악하고 있다. 무엇보다 연간 판매 50만대 규모의 테슬라를 타도하겠다는 선언을 1,000만대 메이커들이 하고 있는 시대다. 정상적이지 않다. 하지만 들여다 보면 지역과 국가, 메이커가 가진 기술력과 환경의 차이로 다양한 시도가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 아직까지는 배터리 전기차로 일원화된 듯한 분위기이지만 그것은 어디까지나 정치적인 영향이 크다. 역사적으로 자동차산업이 정치의 영향에서 자유롭지 못했지만 그렇다고 항상 일방통행이었던 것은 아니다. 현 시점에서의 파워트레인에 관한 전반적인 흐름과 수소 엔진의 부상에 관해 짚어 본다.


글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)


지금은 전동화라는 단어로 모든 것이 통하고 있는 시대다. 더 좁히면 배터리 전기차에 관한 이야기만 한다. 그렇게 느끼는 것은 테슬라의 주가 폭등이 말해 주는데로 그로 인해 즉각적으로 수익을 가장 많이 올릴 수 있는 증권사의 애널리스트들이 띄우고 그것을 받아쓰는 미디어들이 많기 때문이다. 이처럼 시끄러운데도 상대적으로 조용한 메이커가 토요타다. 토요타는 2019년 6월 전동화 전략을 6개월만에 수정했다. 방향을 수정한 것이 아니라 가속화한 것이다.


자주 언급했지만 21세기 전동화의 시작은 토요타의 프리우스이고 배터리 전기차의 움직임이 시작된 것은 2007년 프랑크푸르트오토쇼를 계기로 한 유럽 메이커들에 의해서였다. 실제로는 2010년 닛산이 가장 먼저 배터리 전기차를 선보였지만 전체적인 흐름은 그렇다. 그리고 본격적으로 방향을 틀게 한 것은 2015년 폭스바겐 디젤 스캔들이고 그것을 계기로 테슬라가 급부상했다.


그런데 지금 시점에서 한 발 떨어져서 보면 유럽과 일본, 한국, 미국 메이커들이 지향하는 바는 적지 않은 차이가 있음을 알 수 있다. 내연기관 엔진 기술의 선구자인 유럽에서는 배터리 전기차의 수요가 중국을 앞지르고 있지만 그런 한편으로 수소 엔진차가 다시 부상하고 있다. 한국의 현대차그룹은 내연기관을 기반으로 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차에 이르기까지 다양한 포트폴리오를 구축해 나가고 있다. 일본은 여전히 하이브리드를 전략의 중심에 두고 있지만 정부차원에서 수소 에너지 사용을 위한 다양한 정책이 시도되고 있다.





미국은 GM이 전기차회사로의 전환을 선언했지만 화석연료로 부를 축적한 미국이라는 환경 때문에 수익을 내고 있는 것은 기름 먹는 하마인 픽업트럭과 대형 SUV다. 이 흐름이 그리 쉽게 바뀌지 않을 것 같다. 특히 트럼프 시대가 계속된다면 GM은 그들이 지향하는 방향성과는 다른 상황에 처할 수도 있다. 여기에 신에너지차라는 범주를 만들어 국가적인 차원에서 배터리 전기차와 수소연료전지 전기차를 육성하고 있는 중국까지 포함하면 어쨌거나 큰 틀에서의 방향성은 거의 다르지 않지만 지역마다 처한 환경과 기술력의 차이로 인해 세부적인 전략에는 상당한 차이가 있음을 알 수 있다.


결국 지금은 기존 내연기관 엔진을 주로 하고 마일드 하이브리드와 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 배터리 전기차, 수소 연료전지 전기차, 그리고 그린 수소에서 유래한 합성액체연료 등 가능한 모든 것을 동원하고 있는 상황이다. 거기에 최근 유럽 업체들을 중심으로 수소 엔진차가 다시 부상하고 있다.




그런데 디젤 스캔들의 발원지인 유럽이 그동안의 수세에서 벗어나기 위해 수소 에너지 활용에 대대적으로 나서고 있다. EU는 수소 에너지 보급을 위해 2030년까지 5,000억 유로를 투자한다. 아시아세가 장악하고 있는 배터리 전기차에 대응하고자 하는 것이라는 해석이 있다. 유럽이 강한 내연기관 엔진 기술과 수소 에너지를 조합해 환경대책은 물론이고 고용을 늘려 산업을 살리고자 하는 목적도 있다고 보고 있다. 여기에 자동차 라이프 사이클 전체를 아우르는 규제의 검토를 추진하고 배터리셀 공급망을 유럽에 구축하기 위한 구상도 내놓고 있다.


EU는 2020년 7월 8일, 유럽 기후중립을 위한 수소 전략(A Hydrogen Strategy for a Climate-neutral Europe)을 발표했다. 2030년까지 수소 생성의 수전해장치에 최대 420억 유로, 동 장치와 태양광발전 풍력발전과의 접속에 최대 3,400억 유로를 투자한다는 방침이다.


이로 인해 1978년 BMW가 시작해 하이드로젠7이라는 시제품까지 만들었던 수소 엔진차가 다시 부상하고 있다. 수소 엔진의 연구는 특허 출원수를 보면 2000년대 중반에 정점이었다가 하락했으나 최근 유럽에서 증가하는 경향이다.


그 배경에는 이산화탄소 배출량을 평가하는 LCA(Life Cycle Assessment) 규제가 있다. 그러니까 주행 중의 배출량만을 평가하는 배기가스 기준인 NEDC나 WLTP 등 현행 규제로 계산하면 배터리 전기차의 배기가스는 제로이지만 LCA에서는 자동차와 배터리 생산은 물론이고 전력을 생산과정에서의 배출까지 포함된다.





LCA규제는 2019년부터 유럽위원회가 검토하기 시작한 것으로 본격 도입이 되면 수소 에너지의 보급을 지원함과 함께 유럽제 배터리의 경쟁력을 높일 수도 있을 것으로 기대하고 있다. 배터리 전기차의 배출량을 줄이는데는 재생에너지를 사용해 차량을 조립하고 배터리를 제조하는 것이 중요해진다. 그래서 등장한 것이 탄소 중립이고 RE100이다. 탄소중립을 통해 생산한 부품만을 사용하겠다는 움직임이다.


제조시의 배기가스 배출량에서 배터리 전기차는 엔진차의 두 배 가까이에 달하고 그 차이의 대부분이 배터리에 기인한다. 배터리의 제조공정에서 대량의 화석연료로 발전한 전력을 사용하기 때문이다. 한편 발전시의 배출량은 재생에너지의 보급률이 낮은 아시아에서는 LCA에서 엔진차와 배터리 전기차의 배출량에 큰 차이가 없다. 그중에서도 중국은 특히 심하다. 전력 생산의 70% 가까이를 석탄 발전에 의존하고 있는 것이다.


역으로 말하면 재생에너지의 도입률이 높은 유럽에서 생산한 차량의 배터리는 아시아제품보다 경쟁력이 높아질 수 있다는 것이다. 유럽에 재생 에너지로 생산한 전력을 사용한 차량과 배터리 공장을 설계할 필요성이 생긴다는 것을 의미한다. LCA규제는 유럽에 있어 고용을 유지할 수 있는 산업유치책을 겸하고 있는 것이다.




디젤 스캔들 이후 디젤차의 수요가 급감한데 대한 대책으로 특히 대형 상용차 메이커가 주목하고 있다. 우선 보쉬는 2020년 4월, 파워트레인 국제회의인 제41회 빈 모터 컴포지움에서 수소 엔진의 연구논문을 발표했다.

보쉬가 시작한 것은 직렬 4기통으로 배기량 2.0리터 승용차로 일반적인 구성의 수소 엔진이다. 수소 가스를 연료로 사용해 최고출력 60kW/리터, 최대토크 148Nm/리터를 달성한다. 최신 디젤 엔진에는 미치지 못하지만 가능성은 있다. 기술적으로 디젤과 동등 이상의 동력성능을 추출할 가능성이 있다고 한다.


수소 엔진의 구성 부품은 디젤엔진 등과 큰 차이가 없고 기존 엔진 공장을 유지할 수 있다. 다만 냉각 손실 등 기술적으로 해결해야 할 과제가 아직은 크다 수소 인프라도 필요하게 된다. 사용편의성은 합성액체연료 이용차에 미치지 못하지만 차선책으로서는 충분하다.


유럽은 역내에 배터리셀 생산 가능성을 오랫동안 모색해왔지만 보쉬는 2018년 배터리셀 자체 생산을 단념했다. 보쉬는 범용품화를 추진하는 규모의 경제가 현저해진 자동차용 배터리 산업에 참여해도 투자를 회수할 수 없다고 보고 있다. 특히 의식한 것이 중국으로 정부관련 보조금이 대량으로 투입된 중국 전지 메이커와 경쟁하는 것은 무리라는 생각을 하고 있다. EU의 충격이 크고 위기감이 고조된 것 같다고 하는 분석이 나오는 이유다. 대신 수소 에너지에 집중하는 전략으로 전환했다.

보쉬는 생활의 중심인 경 상용차부터 장거리 운송을 위한 대형트럭에 이르기까지 모든 상용차량을 위해 디젤엔진부터 전동화, 수소 연료전지 등 가능한 모든 자원을 동원해야 한다는 사고를 갖고 있다


보쉬에 이어 BMW가 2015년 말에 스핀아웃한 기술컨설턴트회사인 독일 KEYOU도 국제회의와 독일 자동차기술전문지 MTZ에 새로 개발한 대형 상용차용 수소 엔진(배기량 7.8리터)의 프로토 타입을 발표했다. 보쉬가 채용하지 않았던 직분 과급 린번에 대량 EGR을 조합해 열효율 44.5%를 달성한 것이다. 질소산화물 배출량에서는 유로6 규제를 클리어했다.





그리고 파워트레인 엔지니어링 서비스회사인 독일 말 파워트레인(MAHLE Powertrain)이 2020년 10월 17일, 독일과 중국을 포함한 글로벌 역량 센터를 확장하여 연구 개발 활동을 더욱 강화할 것이라고 밝혔다. 주요 개발 영역은 배터리 시스템과 수소 응용 분야라고 한다. 말은 최근 슈투트가르트 본사에 수소 테스트 인프라를 설치하기 시작했다.


말의 CEO 외르그 스트라트만(Jörg Stratmann)은 기후 목표를 달성하기 위해 효과적인 기술과 현재 사용 가능한 모든 솔루션을 사용하여 기후 목표를 해결해야 한다고 강조하고 있다. 그는 특히 국제적인 관점에서 보면 미래의 파워 트레인은 정해진 것이 없다며 이것이 말이 전동화, 연료 전지 개발, 지능형 전기 연소 엔진에서 수소 및 대체 연료 사용이라는 이중 전략을 계속 따르는 이유라고 밝혔다. 그는 또한 현재 파워트레인 기술의 변화는 주로 정치적 목표에 의해 주도되고 있다며 단일 드라이브에 초점을 맞춘 현재의 1 차원적인 토론은 생산적이지 않다고 강조했다. 기술에 기초한 대화가 필요한 시점이라는 것이다.


말은 연료 전지 기술과 내연기관 엔진 모두에서 탄소 중립 이동성을 형성하는 데 있어 수소 사용을 핵심으로 보고 있다. 산업 부문의 정책 이니셔티브와 매우 다양한 범위의 협력 계약을 통해 그룹은 이러한 기술의 확립을 가속화하기 위해 열심히 노력하고 있다. 말에서는 수소와 관련된 연구 및 개발 활동이 프로젝트 하우스에 통합된다.

말은 수소 탱크와 관련된 프로젝트를 발표했다. 말은 이 탱크의 수소 저장 밀도를 높이고 동시에 비용을 낮추는 새로운 생산 공정을 개발 중이다. 또한 연료 전지 및 수소 구동 연소 엔진을 테스트하기 위해 수소 인프라를 설치하고 있다.




수소 엔진은 기술적으로는 아직 해결해야 할 과제가 많다. 수소 엔진은 연료전지와 마찬가지 물(H2O)밖에 배출하지 않는다는 점과 더불어 연료전지에 비해 저가로 개발할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다.


연료인 수소의 경우 FCEV용은 순도가 99.97% 이상으로 높고 고가이지만 수소 엔진용은 저순도의 것을 사용한다. 물론 FCEV가 보급되고 있어 같은 수소 충전소를 유용할 수 있다는 이점도 크다.


과거 유일하게 시판화된 적이 있는 수소엔진차인 BMW의 하이드로젠7은 배기량 6리터의 대형 엔진으로 수소를 기체가 아닌 액체로 탱크에 탑재한다. 그런데 탱크를 초고압으로 할 필요가 있어 난이도가 높고 비용도 비쌌다. 더불어 사회적인 인식도 좋지 않아 독일에서는 수소를 에너지로 사용하는 자동차는 지하 주차장에 주차할 수 없고 차량에 외부와 통풍구를 설계해야 하도록 하고 있다.


여기에 조기착화와 냉각 손실 문제 등 기술적으로 풀어야 할 과제도 많다. 보쉬가 학회에 발표한 수소 엔진은 수소 가스를 엷게 해 공기와 혼합해 열효율을 높은 린번을 채용해 해결을 노린 것인데 열효율이 37%로 아직은 낮다. 더 높은 열효율을 실현해야 한다는 지적이 나오고 있다.


그럼에도 수소 엔진이 주로 대형 상용차의 디젤엔진 대체로 고려되고 있는 것은 이산화탄소, 탄화수소류, 일산화탄소, 입자상 물질 등의 배출량이 많은 상용차에 대한 무공해 요구가 크다. 그런 점에서 출력과 토크, 저속토크는 디젤엔진과 비슷하거나 그 이상인 수소 엔진차는 대형차의 파워트레인으로 이상적이라고 할 수 있다.





유럽은 재생에너지의 사용 비율이 높아 배터리를 생산해도 이점이 많다. 재생 에너지로 생산한 전력을 사용한 배터리 전기차는 LCA 차원에서의 배출가스 배출량이 적기 때문이다. 하지만 배터리 기술에서 기존 산발업체인 LG화학이나 삼성 SDI, 파나소닉, CATL등을 따라잡는 것이 여의치 않다.


그에 대한 대안으로 수소 에너지 사용을 추진하고 있는 것이다. 예를 들어 수소 엔진차의 보급이 증가하게 되면 기존 내연기관 엔진 공장을 그대로 운용할 수 있고 고용문제도 해결할 수 있다. 거기에 유럽의 장점인 재생 에너지를 이용해 이산화탄소의 흡수와 배출을 같게 하는 탄소 중립적인 클린 수소의 대량 제조공장을 신설할 수도 있다. 탄소중립과 파리협정을 동시에 달성할 수 있다는 것이다.


재생 에너지로 생산한 전력을 사용하는 배터리 전기차와 수소 연료전지차라는 큰 틀의 방향에는 동의하고 있지만 아직은 뚜렷한 대안이 완성되지 않은 파워트레인의 미래에 대한 지역간의 주도권 쟁탈전이 치열하게 벌어지고 있는 것이다.


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