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167. 파워트레인의 미래 - 54. 수소 시대가 온다(2), 수소 엔진차와 수소경제

글로벌오토뉴스 조회 수810 등록일 2021.10.21.
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수소 시대가 온다는 제목을 쓰고 있지만 그렇게 간단치만은 않다. 우선은 LPG처럼 가스형태인 수소는 에너지 효율이 낮다는 것과 수소 생산과정에서의 배출가스가 생성된다는 점 등이다. 그것을 넘어 전기 충전소보다 몇십배에 달하는 충전소 설치비 등 인프라 구축 비용 등도 장애 요소다. 하지만 코로나 19를 계기로 탄소중립에 대한 움직임이 급격히 강화되면서 자동차산업에서는 배터리 전기차만으로는 안된다는 의견이 일었고 그래서 수소 연료전지 전기차와 수소 엔진차가 부상하고 있다. 이번에는 수소 엔진차를 중심으로 도전과제와 국가적인 움직임을 정리해 본다.


글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)


수소차라는 표현을 쓰면 안 될지도 모른다. 우리가 흔히 말하는 수소차는 정확히는 수소 연료전지 전기차다. 수소를 에너지원으로 사용하고 연료전지 스택을 통해 전기를 생산해 전기모터로 구동하는 전기차다. 배터리 전기차는 저장된 배터리를 동력원으로 하지만 수수 연료전지 전기차는 수소 에너지를 차 안에서 전기로 바꾸어 가며 한다는 점이 차이이기는 하지만 큰 틀에서는 전기차다. 아직은 플러그인 하이브리드 전기차를 포함해 통칭 전기차로 분류하기도 하고 판매 통계도 합해서 계산하기도 한다.


그런데 최근에는 수소 엔진차가 다시 부상하고 있다. 수소 엔진차에 대한 시각도 달라져 있고 새로운 기술이 채용되고 있다. 수소엔진 자동차는 기존 내연기관 엔진을 그대로 사용하면서 에너지만 수소로 바꾼 것이다. 스파크 플러그가 실린더 위쪽에 있다는 것이다. 수소 연료전지 전기차는 고순도 수소를 사용해 배출가스가 전혀 없고 수소 엔진차는 상대적으로 저순도 수소를 사용할 수 있지만, 이산화탄소를 배출한다는 차이가 있다. 다만 수소 연료전지 전기차와는 달리 아직은 시판차는 없다.


이 난에서는 이미 2020년 10월과 2021년 5월 두 차례에 걸쳐 수소 엔진차의 부상에 관한 칼럼을 쓴 적이 있다. EU는 수소 에너지 보급을 위해 2030년까지 5,000억 유로를 투자한다는 것과 유럽이 강한 내연기관 엔진 기술과 수소 에너지를 조합해 환경 대책은 물론이고 고용을 늘려 산업을 살리고자 하는 목적도 있다고 보고 있다는 것이 골자였다. 이번에는 그동안의 시도를 비롯해 현재의 움직임, 그리고 도전과제와 더불어 국가적인 프로젝트로 부상해 있는 상황들을 정리해 본다.





현대적인 개념의 수소 엔진차의 시작은 BMW의 하이드로젠 7이다. 1978년부터 연구를 시작해 2008년이 7시리즈를 기반으로 한 이 모델은 5대가 한국시장에 들어와 기자도 직접 시승을 한 적이 있다. 하이드로젠7은 가솔린과 수소를 동력원으로 사용하며 스티어링 휠 옆 버튼을 누르면 수소, 휘발유 연료 전환이 가능하며 한쪽 연료가 소진되면 자동으로 다른 연료를 사용하도록 설계가 됐다. 수소 모드에서 200km, 휘발유 모드에서 500km를 달릴 수 있어 양쪽 탱크를 모두 채우면 총 700km까지 주행이 가능했다.


BMW가 수소엔진에 집착하는 것은 내연기관 엔진 기술에 대해 남다른 애착을 보여왔으며 또한 성능 향상이 선구적인 입지를 구축해 온 때문이었다. 더불어 수소 엔진은 기존 가솔린 엔진의 연장선에 있는 기술이기 때문에 수소 에너지를 실용하는 데는 훨씬 접근이 쉽다고 할 수 있다는 점도 꼽을 수 있다. 더불어 고순도의 그린 수소를 사용해야 하는 연료전지와 달리 저순도로도 구동이 가능하다는 점도 작용했다.


하지만 하이드로젠7은 100km를 가는데 50리터의 수소를 사용해야 하는 등 여러가지 이유로 프로젝트를 중단했고 지금은 2015년 말 기술컨설턴트회사인 독일 KEYOU로 분사해서 새로운 길을 모색하고 있다.


2003년 디트로이트 오토쇼에서 미국 포드가 수소엔진의 가능성을 제시했고 그해 동경모터쇼에서는 마쓰다가 수소 로터리 엔진을 발표하면서 다시 시선을 끌기 시작했다. 다시 말해 백금 문제 등으로 연료전지가 난관에 봉착해 있는 상황에서 수소엔진에 대한 가능성이 더 부각되기도 했었다.




특히 마쓰다는 2007년에 30대의 RX-8 하이드로젠 RE를 2009년부터 노르웨이에 공급한다는 계획을 발표하기도 했었다. 프리머시 하이드로젠 RE는 2006년의 RX-8 RE에 이은 2번째 하이드로젠 로터리 엔진 모델이다. BMW 하이드로젠과 같은 듀얼 퓨얼 시스템 개념으로 일본 기업과 정부기관에 리스 판매를 하기도 했었다. 같은 해 노르웨이의 프로젝트의 일환으로 시범 운행됐다.


그리고 다시 수소 엔진이 등장한 것은 2020년 파워트레인 국제회의인 제41회 빈 모터 컴포지움에 등장한 보쉬의 2.0리터 직렬 4기통 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.


보쉬에 이어 BMW가 2015년 말에 스핀아웃한 기술컨설턴트회사인 독일 KEYOU도 국제회의와 독일 자동차기술전문지 MTZ에 새로 개발한 대형 상용차용 수소 엔진(배기량 7.8리터)의 프로토타입을 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 말레 파워트레인(MAHLE Powertrain)이 2020년 10월, 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.


말레는 또한 수소 연료 내연기관 엔진 개발을 위한 연구에 리브헤어(Liebherr Machine Bulle SA)를 지원한다고 발표했다. 여기에는 말레의 프리 챔버 제트 점화 시스템(MJI)의 사용이 포함된다고 밝혔다. 엔진 테스트에 따르면 이 기술을 사용하면 수소와 공기의 혼합물이 높은 압축 비율로 점화되고 연소될 수 있어 연소 공정이 매우 효율적이고 안정적으로 이루어진다고 덧붙였다. 이를 통해 기후 중립 공정에서 생성된 수소는 굴삭기, 트랙 차량 및 휠 로더와 같은 중부하 및 오프로드 애플리케이션에 사용될 수 있는 길을 열어주리라 전망했다.


말레는 수소 엔진이 갑작스런 하중 변화와 높은 부하 주기에 이상적이며 열, 먼지 및 진동에 잘 대처할 수 있다고 강조했다. 이것이 수소 엔진을 중장비 및 오프로드 응용 분야에서 사용하기에 탁월한 선택이라고 주장한다.







여기에 연료전지에 집중해 오던 토요타도 수소 엔진차를 개발하고 있다. 토요타는 호주산 갈탄에서 추출한 수소를 사용한 수소 엔진 자동차로 지난 9월 슈퍼 다이큐 시리즈 2021에 CEO 아키오 도요타가 3, 4번째 경주에 드라이버로 참여해 시선을 끌었다. 토요타의 코롤라 H2 컨셉은 수소 엔진 차량과 동일한 기본 구조로 되어 있지만, 가솔린 대신 수소를 태워 엔진을 가동한다. 엔진 사운드는 내연기관과 같지만, CO2는 거의 발생하지 않는다고 한다. 이는 수소 엔진으로 참가한 세 번째 레이스였다. 그러니까 연료전지뿐 아니라 수소 사회라는 큰 틀을 생각하고 있다는 것이다.


그리고 지난 9월에는 중국 광조우자동차가 3기통 수소 엔진을 개발했다고 발표했다. 이는 2010년부터 GAC트럼피치라는 프로젝트로 개발해 온 내연기관 엔진의 일환이라고 밝혔다. 광조우자동차는2017년 GAC신에너지차를 설립했으며 2019년에는 아이온이라는 브랜드로 배터리 전기차를 생산하고 있다. 그리고 2020년 8월에는 연료전지 전기차 아이온 LX 퓨얼셀을 출시하기도 했다.


그런데 이번에는 수소 엔진차를 개발해 시선을 끌고 있다. 수소와 공기의 혼합 과정을 개선하는 새로 개발된 연소실과 전력 밀도를 개선하고 수소 누출 위험을 줄이는 수소 공급 시스템을 개선했다고 한다. 이 엔진의 목표 열효율은 중국 내 최고 수준인 44%를 넘어설 것으로 예상했다.


그 외에 오스트리아의 오브리스트(Obrist Powertrain)도 열효율 45%에 달하는 2기통 수소 엔진을 개발하고 있다. ZF의 eDrive를 탑재해 테슬라 기반 트랙션 모터보다 더 큰 효율성을 보인다고 주장하고 있다. 커밍스(Cummins)도 지난 9월 수소 연료 내연기관 프로그램을 통해 중형 6.7리터 및 대형 15리터 엔진의 개발에 들어간다고 밝혔다. 영국 커밍스의 달링턴 시설에서 개발되며 영국정부로부터 720만 파운드(약 116억원)의 지금을 지원받는다.








그러나 수소 시대로 가는 길은 험난하다. 그런 가운데 유가가 또 고공행진을 시작했다. 배럴당 80달러를 넘기자 예의 골드만삭스는 석유가격이 110달러선에서 40달러로 폭락하기 전인 2012년 200달러 시대를 준비해야 한다고 주장했다. 이번에도 같은 패턴이다. 오르고 있는데 더 오른다는 주장이다. 이들의 주장을 참고는 하지만 믿을 수 없다는 것은 많은 이들이 동의하는 내용이다.


어쨌거나 유가는 올랐고 이 추세에 대한 전망은 쉽지 않다. 탄소중립에 대한 지구적인 노력을 하고 있는 가운데 석유가격 인상이 기폭제가 될 것인지, 여전히 20세기처럼 석유업자들에게 휘둘릴지를 판단하는 것은 간단치 한다. 우리가 모르는 로비스트들이 미국의 워싱톤 DC를 장악해 수많은 자금을 쏟아붓고 있다.


그런 상황에서 폭스바겐의 CEO 허버트 디스는 지난 5월 트위터를 통해서 이미 “수소 자동차는 기후 해결책이 아닌 것으로 입증됐다. 운송 분야에서 전동화가 우세했다. 가짜 논쟁은 시간 낭비이다. 과학에 귀를 기울이라!”고 말했다.


그리고 이번 달에는 링크드인을 통해 내연기관차를 운행하는 데는 배터리 전기차보다 최대 50% 더 큰 비용이 든다는 점을 강조했다. 그는 폭스바겐 티구안은 배터리 전기차 ID시리즈보다 킬로미터당 30% 더 비싸고, 내연기관 엔진을 탑재한 아우디 Q5는 아우디 e-트론보다 40% 더 비싸고 스코다 코디악은 배터리 전기차 엔야크에 비해 50% 이상의 비용이 더 든다는 것이다.


그는 최근 테슬라의 일론 머스크를 초청해 폭스바겐 매니저회의에 강연을 듣는 등 전통적인 자동차회사들의 CEO들에게는 의외라고 할 수 있는 이슈를 만들어 냈다. 새로운 사고방식과 혁명을 통해 새로운 경쟁에 대응한다는 것을 내 세운 결과다. 아우디를 통해 e연료를 개발해 온 폭스바겐 그룹의 입장과 배치되는 부분일 수도 있다.






허버트 디스의 주장을 뒷받침이라도 하듯이 최근 독일의 화학자로 에너지와 수소 연구 전문가 막시밀리안 피히트너(Maximilian Fichtner)가 자동차 전문잡지 오토모토운트스포르트(AMS)가 주최한 행사에서의 강연을 통해 e연료를 사용한 수소 엔진차나 수소 연료전지 전기차보다 배터리 전기차가 수명주기 배출가스 측정(LCA)에서도 우위에 있다고 주장했다.


수소 연료전지 전기차의 에너지 요구량은 생성된 전기의 70%가 사용되는 배터리 전기차보다 4배 높으며 이는 18~20%의 유효성에 불과하다고 주장했다. E연료도 CO2와 H2를 연료로 합성하는 더욱 복잡한 제조 공정은 배터리 전기차보다 10배 많은 에너지를 소비하여 1리터의 e 디젤을 생성한다고 강조했다. 그 때문에 6~7리터의 e-디젤(100km 범위)을 생산하는 데 필요한 에너지의 양으로, 배터리 전기차는 1,000km를 주행할 수 있다는 것이다. 또한, 2026년 포르쉐가 계획한 e연료의 양은 독일 연료 수요의 1%에 불과해 e연료로 기후 목표를 달성하려는 의도는 당분간 환상이라고 주장했다.


그는 또한 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 1991년 이후 4배로 증가했으며, 비용은 18배 감소했고 2010년 이래로 용량은 90% 절감됐다는 점을 강조했다. 새로운 포장 솔루션과 향상된 화학 조성을 통해 경쟁력 있는 비용으로 1,000km의 항속거리를 제공하는 전기차용 배터리가 등장할 것이라고 예상했다. 그리고 이것은 코발트와 리튬과 같은 희귀하고 비싸거나 의심스러운 원료가 미래에 분배될 가능성이 있다는 사실에도 불구하고. 코발트는 이미 많은 배터리에서 한 자릿수 비율에 도달하기 때문에 주요 도전과제는 아니라고 강조했다.







그럼에도 불구하고 이제 수소 에너지를 사용해야 한다는 당위성은 세계적으로 확대되고 있다. 생산과 활용 면에서 다양한 방안이 모색되고 있다. 이미 고순도와 저순도로 구분했던 것을 그레이 수소와 블루수소, 그린 수소로 구체적으로 구분하고 있으며 지역과 국가의 상황에 따라 폭넓은 활용을 해야 한다는 쪽으로 의견이 모이고 있다. 현대차그룹이 수소 연료전지차에 집중하는 것에 비판적인 시각을 보였던 국내 일부 전문가(?)들의 의견과는 다른 쪽으로 진행되고 있다.


미국은 2022년부터 2026년까지 80억달러(약 9조5000억원)의 연방정부 예산을 지원해 수전해 장치 기술 향상과 상용화, 청정수소 생산과 운송•저장 등에 투자하기로 했다. 이를 통해 그린수소와 블루수소를 합한 청정수소 가격을 2020년 1㎏당 5달러에서 2026년 2달러로 낮추고 궁극적으로는 10년 내 청정수소 가격을 1㎏당 1달러로 만들겠다는 ‘1 1 1’ 목표도 세웠다.


EU는 2020년 7월 8일, 유럽 기후 중립을 위한 수소 전략을 발표했다. 2030년까지 수소 생성의 수전해장치에 최대 420억 유로, 동 장치와 태양광발전 풍력발전과의 접속에 최대 3,400억 유로를 투자한다는 방침이다. 이를 바탕으로 2050년까지 238조~620조원을 투자해 2024년 최소 6GW에서 시작해 2030년 최소 40GW를 설치하기로 했다. 지난해 6월 국가수소전략에서 수소생산 1위 국에 오르겠다는 목표를 제시하고 수전해 기술 활성화에 나섰다. 유럽연합은 수소 저장과 운송, 충전소 등에도 86조 원을 투자한다.


수소 연료를 가정에서도 사용하고 있는 일본은 차세대 성장동력으로 수소에 주목하고 오래전부터 수소 생산기술을 쌓아왔다. 독일과 비슷하게 수소 생산기술을 수출해 다른 나라와 공동으로 청정수소를 개발하고 수입한다는 전략이다. 신에너지•산업기술 종합개발기구(NEDO)가 그 중심에 있다. 일본은 세계에서 가장 먼저 액화수소 운반선을 만들어 호주에서 실증사업을 추진하고 있고, 브루나이에서는 LOHC에 기반을 둔 수소저장•추출 시스템을 시험하고 있다.





신에너지차에 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차를 포함시키고 있는 중국은 여전히 정부차원에서 수소연료전지 전기차의 개발을 촉진하고 있다. 중국의 자동차 제조사들이 수소연료전지차 판매 확대를 위한 계획을 발표한 데 이어 중국 정부도 이달 안에 연료전지차 지원을 위한 안을 지속해서 내놓고 있다. 현대차는 올해 초 중국 광저우에 수소연료전지 시스템 생산 판매법인을 설립해 본격 시장 확대에 나서고 있다. 토요타도 중국시장에서 합작사를 함께 운영하는 광저우 자동차 그룹, 제일자동차그룹과 수소연료 전지차를 개발한다.


한국은 2019년 1월 수소 경제로드맵을 발표하고 2020년2월수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률을 공포했다. 올해 2월부터는 수소경제 육성 및 수소안전관리에 관한 법률과 같은 법 시행령•시행규칙이 시행됐다. 여기에 지난 3월 현대자동차와 SK, 포스코, 한화, 효성 등 5개 기업이 2030년까지 수소의 생산•유통에서 저장•활용까지 수소경제 전 분야에 걸쳐 모두 43조4천억 원의 수소 투자에 나서기로 하는 등 정부와 공동전선을 펼치고 있다.


지금 수소가 부상하고 있는 배경에는 복잡한 논리도 숨어 있다. 특히 수소 엔진차는 내연기관 자동차를 살려 고용을 유지하고자 하는 의도도 포함되어 있다. 불과 2~3년 전 수소 에너지에 대한 부정적인 시각이 우세했던 것과는 달리 지금은 새로운 도전으로 여기고 있다. 코로나19로 인한 탄소중립의 절박성이 강요한 결과다. 부정적인 시각이 존재하는 상황에서 국가적 차원의 사업으로 부상한 것을 어떻게 해석해야 할지에 대한 결론을 내기도 쉽지 않다. 다만 미국식 주주자본주의, 다시 말해 약탈적 자본주의 사고방식으로 접근해서는 답이 나올 수 없는 것은 분명하다는 것이 세계적인 학자들의 공통된 의견이다. 앞으로도 추이를 예의 주시해야 한다.




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