탈탄소 운송 부문 경쟁에서수소 자동차가 활기를 되찾다
- Rick Laezman
- 2024년 10월 22일
- 6분 분량
최종 수정일: 1월 15일
원문 링크: https://www.theearthandi.org/post/decarbonize-transportation-hydrogen-vehicles-are-revving-up
*릭 레이즈먼(Rick Laezman)
유럽 제조업체 솔라리스의 수소 버스. 마르키에비스/솔라리스 버스와 안전관리자 S.A.(CC BY-SA 4.0)
미국 최대의 온실가스 배출원인 운송 부문은 탄소 배출량을 줄이려는 노력을 기울이고 있으며, 전기자동차(EV)가 그 길을 선도하고 있다. 하지만 전기차 기술이 변화를 독점하고 있는 것은 아니다.
수소는 우주에서 가장 풍부하고 지구에서 세 번째로 흔한 원소이다. 또한 화석 연료를 대체할 수 있는 청정 연소 원소로서 엄청난 잠재력을 가지고 있다.
수소자동차에 대한 아이디어는 새로운 것이 아니다. 이 개념은 수십 년 동안 논의되고 테스트되어 왔다. 아직은 대부분 부차적 수준에 머물러 있지만, 이제 이 기술은 지구 온난화에 맞서는 경쟁 대열에 동참하고 자동차 여행의 배기가스 배출량을 더욱 줄일 수 있게 도울 준비가 되어 있다.
수소연료전지
수소는 여러 가지 방법으로 차량의 동력 공급을 위해 사용할 수 있다. 가장 일반적인 방법은 수소연료전지로 알려진 장치를 사용하는 것이다.
연료전지 전기자동차(FCEV)는 전기차의 배터리 작동 방식과 다르지 않은 프로세스를 통해 전력을 생산한다. 충전된 전기 에너지가 방전을 통해 전기 모터에 전달되어 바퀴 회전을 일으켜 차량을 추진한다.
그러나 배터리와 달리 연료전지는 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생성한다. 연료(수소)가 존재하는 한 연료전지는 계속 작동할 수 있다.
그림 1. 수소 연료 전지 자동차의 개념. ©bgpsh/ShutterStock 셔터스톡
연료전지 차량에서 압축된 수소 가스는 기존 차량의 휘발유와 유사하게 탱크에 저장된다. 하지만 수소는 연소 엔진을 거치지 않고 전기 화학적 변환이 이루어지는 셀 집합체인 연료전지 스택으로 공급된다(그림 1 참조).
각 셀에는 전해질로 둘러싸인 양전극과 음전극이 있는데, 수소 가스는 애노드(anode)라는 음전극으로 전달되고 산소는 캐소드(cathode)라는 양전극으로 공급된다.
음전극의 촉매가 수소 분자를 전자와 양성자로 분리하면 전자는 별도의 회로를 통해 이동하여 차량의 전기 모터에 동력을 공급하는 데 사용되는 전기 흐름을 생성한다(그림 2 참조). 그와 동시에 양전자는 전해질을 통해 별도로 양전극으로 이동하여 산소와 분리되었던 동일한 전자와 재결합한다.
연료전지는 효율적이고 조용하며 깨끗하다. 연소가 일어나지 않고 독성 물질을 배출하지도 않는다.
연료전지는 효율적이고 조용하고 깨끗하며 연소가 일어나지 않고 독성 물질을 배출하지 않는다. 연료전지 구동 차량의 배기관에서 나오는 것은 지구상에서 가장 무해한 물질의 하나인 물뿐이다.
그림 2. 수소연료전지 ©pepermpron/SutterStock셔터스톡
연료전지의 가장 큰 장점은 환경에 미치는 긍정적인 영향이다. 사회가 가스를 효과적으로 활용할 수 있다면 청정 연료를 사실상 무한정 공급할 수 있게 된다.
수소연소 엔진
당연히 수소연료전지만이 수소로 구동되는 차량 엔진의 유일한 유형은 아니다.
수소는 휘발유, 경유, 에탄올과 마찬가지로 내연기관(ICE)에서 연소될 수도 있다. 연료전지와 마찬가지로 수소 ICE도 주목받고 있으며, 더 많은 기업이 이 아이디어를 면밀히 검토하고 있다. 수소를 동력으로 하는 내연기관이 상용화된다면 내연기관의 출력과 효율성을 유지하면서 화석연료 연소로 발생하는 배기가스 문제를 해결할 수 있을 것이다.
밴, 버스, 트럭 등 중대형 차량에 수소 내연기관(ICE)을 사용하는 것에 대한 관심이 집중되고 있다. 이는 장거리 운행이 많은 차량의 경우 연료전지 엔진보다 ICE가 더 효율적이기 때문이다.
이 개념은 아직 개발 단계에 머물러 있지만 업계 관계자들은 이를 진지하게 받아들이고 있다. 밴, 버스, 트럭을 포함한 중대형 차량에 수소 ICE를 사용하는 것에 대한 관심이 집중되고 있는데, 이는 장거리 운송을 위해 무거운 짐을 싣는 차량에는 연료전지 엔진보다 ICE가 더 효율적이기 때문이다. 수소는 이러한 유형의 차량에 필요한 연료 밀도를 제공하면서도 오염 물질을 배출하지 않는다.
독일 하노버에서 열린 IAA 운송 2024에서 이베코의 수소 ICE 트럭의 사진: 마티 블루메(CC BY-SA 4.0)
올해 초 미국 에너지부(DOE)는 이 분야의 연구, 개발 및 실증에 초점을 맞춘 세 가지 프로젝트에 1050만 달러의 기금을 지원한다고 발표했다. 미국의 트럭 설계 및 제조업체인 파카(PACCAR), 엔진 제조업체인 커민스(Cummins), 하이브리드 ICE에 대한 엔지니어링 및 컨설팅을 제공하는 말레(MAHLE) 파워트레인이 자금을 지원받게 되었다. 이 세 개의 ICE 프로젝트는 중대형 운송 부문에서 수소 사용을 지원하게 된다.
캘리포니아의 수소 고속도로 탐색하기
적절한 엔진 기술을 개발하는 것은 수소차의 미래를 향한 도전의 일부이다. 수소 연료를 공급하기 위한 견고하고 안정적인 인프라 구축도 필수적이다.
미국 내 전기자동차의 충전 네트워크가 뒤처져 있는 상황에서 수소 충전소도 비슷한 문제에 직면해 있다. 시장은 초기 단계에서는 신기술의 성장을 촉진할 만큼 충분히 효율적이지 않다. 따라서 정부의 역할이 중요하다.
전기차와 태양광 발전의 경우와 마찬가지로 캘리포니아주는 수소 차량 발전과 관련해 미국내에서 선도적인 역할을 해왔다.
전기차 및 태양광 발전과 마찬가지로 캘리포니아주는 수소차량 발전과 관련해 전국적인 선두주자이며, 그 점에서 미래지향적인 사고방식을 갖고 있다. 캘리포니아주는 20여 년 전부터 수소차 지원을 위한 충전 인프라를 구축하기 위한 조치를 취했다.
2004년 4월 당시 아널드 슈워제네거 주지사는 행정명령 S-07-04에 서명하면서 수소 경쟁의 깃발을 흔들었다. 캘리포니아 도로에 진입하는 수소연료전지 전기 차에 의해 창출되는 미래 수요를 충족하기 위해 수소 충전소를 확보하는 것이 임무였던 이른바 '캘리포니아 수소 고속도로 네트워크(CaH2Net)'가 시작되었다.
캘리포니아 수소 고속도로 네트워크는 캘리포니아 정부와 학계, 민간 업계 이해관계자 간의 협력을 통해 공동의 비전을 수립하고 골든 스테이트에 수소 고속도로 구축에 필요한 행동의 청사진을 마련하기 위한 프로세스의 시작을 알렸다.
거의 10년 후, 캘리포니아는 최소 100개의 수소연료 충전소 건설을 지속적으로 지원하기 위해 10년간 매년 최대 2000만 달러를 지원하는 법안 8(AB 8, 2013년 법령 401장 페레아)을 통과시켰다.
AB 8의 설정 목표 달성을 위한 진행 상황 관련 최신 연례 보고서에 따르면 "캘리포니아의 수소연료 충전 네트워크는 2023년 8월 10일 기준으로 고객 주유가 가능한 59개의 영업 충전소를 포함하여 65개 충전소로 성장했다." 이들 충전소의 대부분은 인구 밀집도가 높은 샌프란시스코와 로스앤젤레스 지역에 있다.
주유소 구축이 늦어지는 것과 수소연료전지 차량 판매에 대한 시장 전망의 지연 사이에는 상관관계가 있다.
주정부의 목표인 100개의 충전소 설치가 지연되는 데에는 여러 가지 요인이 있다. 이 보고서는 주유소 건설이 늦어지는 것과 수소연료전지 차량 판매에 대한 시장 전망의 유사한 지연 사이에 상관관계가 있음을 지적한다.
주정부가 아직 목표에는 도달하지 못했지만 접근해가는 중이며 달성이 멀지 않았다. 이 보고서는 주정부가 이르면 2025년까지 100개의 주유소를 확보할 수 있을 것으로 예상한다.
전 세계의 수소자동차
캘리포니아만이 유일한 벤치마킹 대상은 아니다. 시장 조사 기관인 인터랙트 어낼리시스(Interact Analysis)에 따르면 올해 상반기에 전 세계 41개 국가 및 지역에서 수소 충전소(HRS)를 운영 중이다. 또 다른 7개국은 첫 번째 충전소를 계획 중이거나 건설 중이었다.
전 세계 수소 충전소의 분포는 밀집되어 있다. 보고서는 "중국, 한국, 일본, 독일이 100개 이상의 충전소를 운영하며 전 세계의 72%를 차지한다"고 밝혔다. 같은 데이터에 따르면 미국에서는 캘리포니아가 전체의 75% 이상을 차지한다.
부퍼탈 수소 충전소의 현대 ix35 연료전지 전기차. 독일. 사진: 아르투어 브라운 CC BY-SA 4.0
세계 수소차량의 선두주자인 중국을 자세히 들여다보면 다른 나라에서도 수소가 확산되기 위해 무엇이 필요한지 알 수 있다. 인터랙트 어낼리시스는 중국의 수소전기차와 수소연료 전기차 보급 확대는 정부의 홍보로 인해 선순환을 촉발한 결과라고 보고한다.
수소 및 수소차 보급은 2019년부터 중국 정부의 공식 정책이 되었다. 이후 몇 년 동안 이 정책은 반복되어 업계 성장과 충전소 수요로 이어졌다. 이러한 수요 증가로 인해 중국 전역의 30개 성(省) 및 직할시에서는 총 1200개 이상의 부지에 대한 HRS 개발 관련 정책을 발표했다.
미국은 단일 정당에 의해 지배되는 국가는 아니지만, 정부가 여전히 큰 역할을 할 수 있다. 미국은 수소 산업 발전을 장려하는 조치를 취했다. 작년에 바이든 행정부는 초당적 인프라 법에 따라 7개의 ‘지역 청정 수소 허브’에 70억 달러의 기금을 지원한다고 발표했다.
미국 전역에 흩어져 있는 7개 프로젝트는 태양 에너지, 풍력, 원자력, 바이오매스, 탄소 포집 천연가스 등 다양한 미국내 자원에서 추출한 청정 수소를 생산, 운반하여 최종 사용처에 제공하게 될 것이다.
미국 전역에 흩어져 있는 7개 프로젝트는 태양 에너지, 풍력, 원자력, 바이오매스, 탄소 포집 천연가스 등 다양한 국내 자원에서 추출한 청정 수소를 생산하여, 최종 사용처에 공급하게 된다. 정부는 이 허브가 "여러 주에서 수소 생태계 조성을 촉진"하여 ‘국가 수소 경제’를 위해 확장되고 연결될 것으로 기대하고 있다.
도로 위의 수소전기차
많은 제조업체가 수소연료전지 전기차를 만들기 위한 경쟁에 뛰어들었다. 제조업체, 단체, 정부 기관 및 기타 이해관계자의 비영리 협력체인 전국 수소연료전지 파트너십에 따르면 2024년 9월 현재 미국에서 1만8000대 이상의 수소연료 전기차가 판매 또는 리스되었다.
도요타 미라이, 현대 넥쏘, 혼다 클래리티, 아우디 H트론 콰트로, 쉐보레 콜로라도 ZH2, 메르세데스 벤츠 GLC F셀, 닛산 X-트레일 등의 모델이 있다. AC 트랜짓과 선라인 트랜짓도 각각 자체 수소연료전지 대중교통 버스를 생산하고 있다.
2020 몬트리올 국제 오토쇼에서 도요타의 수소연료전지 모델 미라이. 사진: 불-도저 / 위키미디어
현재 미국에서는 두 가지 모델만 일반에 판매되고 있다. 도요타 미라이는 약 5만 달러부터 시작하는 세단이다. 현대 넥쏘는 약 6만 달러부터 시작하는 SUV이다. 주유 부담을 덜어주기 위해 두 제조업체는 수소 구매 시 6000달러의 크레디트를 제공하며, 이는 구매 시 최대 6년, 리스 시 3년까지 지속된다.
마지막으로 고려해야 할 사항은 안전이다. 수소는 인화성이 매우 높은 가스이다. 이는 사고에 연루된 차량에 위험을 초래할 수 있다. 기존의 석유 휘발유도 가연성이라는 점에 유의하는 것이 중요하다. 하지만 제조업체는 충돌 후 폭발 가능성을 방지하여 차량을 안전하게 만들기 위한 설계와 엄격한 테스트 방법을 개발했다.
수소전기차 제조업체들도 비슷한 조치를 취하고 있다. 도요타는 연료전지 탱크와 주유 노즐의 설계와 엄격한 테스트를 통해 미라이의 안전성을 확보했다. 수소는 자동차에 사용되는 다른 어떤 연료와 마찬가지로 안전하다고 지지자들은 말한다.
수소는 매우 가볍기 때문에 석유 가스보다 유리할 수도 있다. 충돌 후 탱크 누출이 발생하면 훨씬 더 천천히 소멸하는 석유 가스와 달리 가스가 대기 중으로 빠르게 사라져 스파크에 의해 발화할 수 있는 시간과 가능성이 높아진다.
수소전기차의 미래
수소차는 아직 기존 차량과 경쟁하는 단계가 아니고 주요 경쟁자인 전기차에도 미치지 못하지만, 미래가 유망하다.
여러 연구에 따르면 향후 몇 년간 강력한 성장이 예상된다. 총 시장 가치는 약 10억 달러에서 10년이 끝날 때까지 약 400억 달러로 성장할 것으로 전망된다.
다른 많은 신기술과 마찬가지로 성장 전망은 난관에 봉착해 있다. 소비자는 주유 인프라가 갖춰질 때까지 새 차량에 투자하지 않을 가능성이 높다. 차량 소유자의 수요가 충분할 때까지 동일한 인프라가 구축되기 어려울 수 있다.
해결책은 투자이다. 민간 및 공공 이해관계자들의 행동을 보면 그 의도는 분명하다. 그들의 행동이 열매를 맺는 것은 시간문제일 뿐이다.
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