연료 전지가 깨끗한 자동차의 미래를 주도할 것인가?

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/will-fuel-cells-power-the-clean-car-future

경쟁이 시작되었습니다. 사회가 화석 연료를 없애려고 노력함에 따라 운송 부문은 앞으로 몇 년 동안 극적인 변화를 겪을 것입니다.

이미 전기 자동차(EV)가 자동차 시장을 뒤흔들었습니다. 이제 수소 자동차도 깨끗한 연료 대안으로 각광받으면서 도전자가 등장했습니다.

수소 연료 차량이 현실적인 옵션일까요? 화석 연료로 작동하는 자동차를 원하지 않는 소비자에게 주요 선택인 EV를 대체할까요?

연료 전지 기본 사항 - 전기화학 반응이 자동차에 동력을 공급하는 방법

대부분의 자동차는 내연 기관(ICE)으로 구동되며, 통제된 작은 폭발의 힘을 이용해 앞으로 나아가는 추진력을 생성합니다.

폭발은 가솔린이 엔진의 내부 연소실에 공급되고, 가압되고, 점화될 때 발생합니다. 이러한 폭발에서 생성된 에너지는 피스톤을 추진하고, 피스톤은 막대를 따라 위아래로 움직이며, 그 에너지를 구동축으로 전달하여 자동차의 바퀴를 돌립니다.

반면, 수소 연료 자동차는 연료 전지라고 알려진 장치를 사용합니다. 수소는 가스 형태로 탱크에 담겨 있지만, 내연 기관에서 가솔린을 연소하는 것과 같은 방식으로 점화되고 소비되지 않습니다.

©Nandalal Sarakar

대신, 화학 반응은 연료 전지의 수소 가스 분자를 분리하여 전류를 생성합니다. 이 전류는 배터리로 작동하는 자동차에서와 같은 방식으로 자동차를 움직이는 전기를 제공합니다.

연료 전지는 세 가지 기본 구성 요소로 구성되어 있습니다. 수소는 음전하를 띤 진입 지점인 애노드를 통과합니다. 산소는 양전하를 띤 캐소드 에서 시스템으로 들어갑니다 .

양극에서 촉매는 수소 분자를 전자와 양성자로 분리합니다. 양성자는 연료 전지의 세 번째 구성 요소인 다공성 전해질 막으로 통과합니다. 동시에 전자는 회로를 통해 강제로 이동하면서 전류와 과도한 열을 생성합니다.

음극에서 양성자와 전자는 재결합하여 산소와 결합하여 회로를 완성합니다. 이 과정의 유일한 부산물은 물 분자와 열입니다. 이는 대기 오염 물질과 온실 가스의 주요 원인 중 하나인 배기 가스를 생성하는 내연 기관과 크게 대조됩니다.

수소자동차의 장점은 무엇일까? 

연료 전지의 기본 요소를 이해하면 수소 자동차의 많은 장점을 알 수 있습니다.

©ScharfSinn86

첫 번째는 주요 연료원의 가용성입니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소 이며 지구에서도 마찬가지로 풍부합니다.

앞서 언급한 대로, 물과 열만 생산하므로 깨끗합니다.

연료 전지 차량은 또한 효율적이고 조용하며 장거리를 주행할 수 있습니다 . 캘리포니아 대기 자원 위원회가 제공하는 깨끗한 자동차에 대한 소비자 가이드인 Drive Clean California에 따르면 연료 전지 차량은 300~400마일의 범위에 충분한 수소 연료를 운반할 수 있습니다. 이는 대부분의 EV보다 100~200마일 더 많은 범위이며 가솔린 자동차와 비슷합니다. 

Drive Clean California는 연료 전지 자동차가 가솔린 자동차보다 훨씬 더 효율적이라고 말합니다. 연료 전지 자동차는 두 배 더 긴 주행 ​​거리를 가지고 있습니다. 그러나 연료 탱크에 연료가 덜 들어가므로 실제 주행 거리는 거의 같습니다.

또한 가솔린 자동차와 마찬가지로 연료 전지 차량은 약 5분 안에 연료를 재공급할 수 있습니다. 이는 가장 빠른 시나리오에서만 약 30분 안에 충전되는 EV에 비해 또 다른 장점입니다. 일반적으로 EV는 차량과 충전기에 따라 재충전하는 데 몇 시간이 걸립니다.

모든 유망한 기술과 마찬가지로 연료 전지 자동차에도 단점이 있습니다. EV보다 제작이 복잡하기 때문에 이 개념을 수용한 제조업체가 적습니다.

수소는 연료 전지에 저장하기 전에 압력을 가해야 하며, 매우 가연성 있는 원소이므로 연소를 방지하기 위해 적절하게 보관해야 합니다.

자동차 제작과 구매 비용이 높고 수소 연료가 널리 보급되지 않아 생산 확대와 소비자 수요 증가가 방해를 받고 있습니다.

수소 연료 차량의 또 다른 과제는 연료 생산입니다. 수소는 어디에나 존재하지만, 물, 천연 가스, 석유, 석탄과 같은 다른 원소와 결합해서만 발생합니다.

이러한 독특한 특성으로 인해 수소는 다른 원소와 결합한 후 분리된 후에만 전기를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.

수소의 다양한 색상

수소를 대량으로 생산하는 가장 비용 효율적인 방법은 천연 가스, 석유, 석탄과 같은 화석 연료에서 분리하는 것입니다. 그러나 "회색 수소"로 알려진 것을 생성하는 이 과정은 유해한 CO2도 배출합니다. 이는 운송 부문이 지구 온난화에 대처하기 위해 줄이려고 하는 바로 그 것입니다.

수소는 증기 분리를 포함하는 공정을 통해 천연 가스에서 분리될 수도 있습니다. "블루 수소"로 알려진 이 공정은 여전히 ​​탄소 배출을 생성하지만 대기로 방출되기 전에 포집되어 저장됩니다.

마지막으로, 가장 깨끗한 옵션인 "녹색 수소"가 있습니다. 이것은 재생 에너지를 사용하여 수소를 물에서 분리하기 때문에 유해한 온실 가스를 생성하지 않습니다.

녹색 수소는 전기 분해라는 공정에서 생산되는데, 이는 연료 전지와 매우 유사하지만 역으로 작동합니다. 이는 물 분자에 전류를 흐르게 하고 수소와 산소로 분리합니다.

©뉴애니아트

태양광, 풍력과 같은 재생 에너지로 전기를 생산할 경우, 처음부터 끝까지 전체 사이클에 걸쳐 탄소 배출이 전혀 없습니다(태양광 및 풍력 발전을 생산하는 데 필요한 초기 배출은 제외).

그린 파워가 유해한 온실 가스를 발생시키지 않고 수소를 생산하는 문제를 해결한 것처럼 보일 수 있지만, 그린 파워는 고유한 과제에 직면해 있습니다. 수소 연료 전지 자동차의 세계적 채택을 촉진할 만큼 충분히 큰 규모로 전기 분해를 지원하는 재생 에너지 발전 용량을 개발하는 것은 먼 목표입니다. 세계의 증가하는 깨끗한 전기 수요를 충족시키기 위해 이미 필요한 것보다 더 큰 재생 에너지의 도입이 필요할 것이고, 그렇게 하는 데 드는 비용도 마찬가지로 엄청납니다.

수소의 광범위한 사용을 방해하는 또 다른 장애물은 기존 인프라가 부족하다는 것입니다.

수소는 운송 시 고압 또는 액화되어야 합니다. 게다가 가솔린만큼 밀도가 높지 않기 때문에 대량의 연료 전지 자동차에 연료를 공급하는 데 필요한 수소의 양은 ICE 자동차에 필요한 가솔린의 양보다 훨씬 많습니다.

더 많은 자동차가 수소로 운행되려면 국가의 기존 저장 및 운송 인프라를 이 연료의 고유한 요구에 맞게 수정해야 합니다.

현재 미국은 이러한 거시적 수요를 처리할 만한 파이프라인, 배달 및 저장 시스템을 갖추고 있지 않습니다.

전원 켜기

이러한 과제는 수소 연료 전지 자동차에 대한 움직임을 늦추지 않았습니다. 전망과 이점은 간과할 수 없을 만큼 좋습니다.

예를 들어, 미국의 엔지니어인 마이크 스트리즈키는 뉴저지 주 호프웰에 완전히 오프그리드인 집을 지었는데 , 이 집은 태양열, 지열, 수소 에너지의 독특한 조합으로 구동됩니다. 후자는 그의 태양열 패널로 구동되는 전해조(전기 분해를 통해)에서 생성됩니다.

그의 집은 수소로 구동되는 유일한 것이 아니다. Strizki는 그의 잔디 깎는 기계, 오토바이, 전지형 차량(ATV), 그리고 그의 맞춤형 연료 전지 자동차가 모두 그의 집에서 생산되는 수소로 구동된다고 자랑한다.

그의 차는 연료 전지 스택 2개와 버스에서 교체한 전기 모터를 특징으로 합니다. 그는 사막을 가로질러 라스베이거스까지 차를 몰고 가다가 도중에 멈춰서서 배기관에서 나오는 물을 마셨다는 이야기를 들려줍니다.

Strizki에 따르면, 수소 기술은 이미 존재하며 이미 준비가 되었습니다. "이것은 미래가 아니라 지금입니다."

그는 훌륭한 일들이 기다리고 있다고 덧붙인다. "우리는 지금 이 기술의 학습 곡선의 아주 시작에 있습니다."라고 그는 말한다.

수소 자동차가 시장에 출시됩니다

적어도 두 개의 자동차 제조업체가 시장 규모로 수소를 도입하려고 시도하고 있습니다.

한국 자동차 제조업체 현대는 자사의 연료 전지 차량인 넥쏘 를 "세계 최초의 수소 연료 전용 SUV"라고 설명합니다. 이 회사에 따르면 이 차량의 예상 주행 거리는 최대 380마일입니다.

하지만 제조사의 권장 소매 가격(MSRP)은 6만 달러가 조금 넘는데, 이는 일반 자동차 구매자가 감당할 수 없는 수준입니다.

또 다른 옵션은 Toyota Mirai 입니다 . 연료 효율성과 범위는 비교적 동일하지만 시작 가격은 $49,000입니다.

수소차가 전기자동차와 경쟁하려면 따라잡아야 할 것이 많습니다.

Car and Driver Magazine 에 따르면 , 2022년 중반까지 미국 도로에서 수소 연료 차량이 15,000대 미만으로 발견될 수 있으며, 거의 대부분이 캘리포니아에 있습니다. 반면, 미국에서는 약 250만 대의 EV가 판매되었습니다.

수소가 개방형 시장에서 EV에 대한 경쟁에서 이기지는 못했지만, 특정 이점 때문에 특정 유형의 여행에 선호될 수 있습니다. 예를 들어, 장거리 트럭은 충전을 위해 자주 멈출 필요가 없기 때문에 연료 전지에 이상적인 용도가 될 수 있습니다. 쓰레기 트럭도 연료 전지에 적합한 후보입니다. 잦은 정지와 시동으로 전기 배터리가 소모되기 때문입니다.

가장 좋은 접근 방식은 점진적일 수 있습니다. 하이브리드가 소비자에게 점진적으로 EV를 소개하는 데 도움이 된 것처럼(토요타 프리우스를 생각해 보세요) 비슷한 개념이 대중이 수소를 받아들이도록 장려할 수 있습니다.

전기 배터리와 연료 전지로 구동되는 차량은 두 기술의 장점을 결합하여, 지원 인프라가 구축되는 동안 소비자가 해당 기술로 원활하게 전환할 수 있도록 해줍니다.

작년에 프랑스 자동차 제조업체 르노는 전기-수소 하이브리드 컨셉트카로 바로 그런 모델을 선보였습니다. "Scenic Vision "은 수소 엔진, 전기 모터, 배터리, 연료 전지, 수소 탱크를 통합했습니다. 이 조합의 가장 큰 장점은 크게 확장된 범위입니다. 르노는 연료 전지 덕분에 배터리를 재충전하기 전에 차량이 거의 500마일을 주행할 수 있다고 자랑합니다. 이는 전기 자동차나 가솔린 자동차보다 약 200마일 더 깁니다.

수소의 미래 

지구 온난화에 맞서기 위해서는 모든 옵션이 고려됩니다. 수소의 잠재력은 인정되었습니다. 사회, 기술, 시장이 결합되어 수소를 효과적으로 만들 수 있을지는 여전히 답이 없는 질문입니다.

수소 챔피언인 마이크 스트리즈키의 말에 따르면, "수소를 더 저렴하고 재생 가능하게 만드는 새로운 방법이 앞으로 몇 년 안에 많이 나올 것이고, 그것이 정말로 성배입니다."

그가 옳다면, 앞으로 판매될 자동차 중 상당수는 깨끗하고 새로운 수소 연료 전지 자동차일 것입니다.

*Richard Laezman is a freelance writer in Los Angeles, California. He has a passion for energy efficiency and innovation. He has been covering renewable power and other related subjects for more than ten years.