166. 파워트레인의 미래 – 53. 수소 시대가 온다(1), 수소 연료전지 전기차

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수소차와 수소 경제가 급부상하고 있다. 1년 전만해도 국내 전문가들의 갑론을박이 있었으나 탄소중립 달성을 위해서는 배터리 전기차만으로는 되지 않는다는 의견이 힘을 얻으면서 속도가 붙고 있다. 아예 국가적 차원의 지원들이 나오고 있고 업체들은 컨소시엄을 형성해 대응하고 있다. 수소 경제는 수소의 생산과 활용을 중심으로 하는 국가별로 차이가 있지만, 투자가 늘고 있다. 수소차는 수소 연료전지 전기차와 수소 엔진차를 말한다. 수소차는 고순도의 수소를 사용하는 연료전지 전기차와 저순도의 수소를 사용할 수 있는 수소 엔진차가 있다. 물론 아직은 주류는 연료전지이지만 고가이고 수소 생산비용도 비싸다. 충전소 설치 비용도 비싸고 절대 수치가 부족하다. 수소 시대의 첫 번째 이슈로 수소 연료전지 전기차가 어떤 과정을 거쳐 새로운 대안으로 부상했는지와 지금의 상황을 짚어 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

수소차 중에서 지금은 수소 연료전지 전기차가 주류다. 아직은 미미한 시장 점유율이지만 완전 무공해라는 점과 대형차를 끌 수 있다는 점 때문에 배터리 전기차와 함께 미래의 동력원으로 인정받고 있다. 2021년 1월부터 7월까지 수소 연료전지 전기차 판매 대수는 만 300대로 작년 같은 기간에 비해 109.1%, 즉 두 배 증가했다. 절대 판매 대수가 적지 때문에 증가율은 의미가 없을 수도 있다. 업체별로는 현대차가 5,300대, 토요타가 4,100대, 혼다가 200대 등이다. 현대는 같은 기간 44% 증가했고 토요타는 2세대 미라이의 신차효과로 786% 증가했다. 시장 점유율로는 현대차가 51.2%, 토요타가 40.1%, 혼다가 1.6% 등이었다.

하지만 이런 판매 대수보다는 탄소 중립에 대한 움직임이 강화되면서 전기와 더불어 새로운 대안으로 시선을 끌고 있다는 점이 시선을 끌고 있다.

프로스트 앤드 설리번은 최근 ‘녹색 수소 발전에 의한 글로벌 전력 분야 내 성장 기회 분석 보고서’를 통해 2019년 4만 톤을 기록한 글로벌 녹색 수소 생산량이 2030년에는 57%의 연평균 성장률(CAGR)과 함께 570만 톤에 달할 것으로 예측했다. 탄소 배출에 대한 우려와 산업 및 상업, 운송, 전력 부문을 중심으로 탈탄소화 압박이 높아지면서 각국은 화석 연료를 기반한 시스템 의존도를 줄이고 녹색 수소를 비롯한 저탄소 대안 기술들에 투자를 늘려야 한다고 제안했다.

프로스트 앤드 설리번은 운송 및 전력 등 특정 분야에서 오직 전기화만으로 완전한 탈탄소화를 달성하기는 어렵다고 보았다. 이런 문제 해결을 위해 신재생에너지 및 풍력, 태양광의 전기 분해를 통해 생성된 그린 수소가 주목받고 있다고 분석했다. 현재 전체 수소 생산량에 녹색 수소가 차지하는 비중은 1% 미만에 그치고 있다. 하지만 앞으로 20년간 전 세계적으로 녹색 수소와 관련 애플리케이션에 대한 수요가 기하급수적으로 늘 것으로 예상되며, 이로 인한 생산 및 공급량을 처리하는 상당한 규모의 인프라에 대한 필요성도 대두되리라 전망했다.

5년간 저탄소 또는 제로 탄소 에너지 운반체로 녹색 수소를 활용하는 것에 대한 관심이 높아졌다. 영국과 독일, 일본, 싱가포르 등 많은 국가 정부가 녹색 수소 경제를 탄소 배출과 에너지 안보, 기후변화에 따른 우려를 해소하는 대안으로 인정하기 시작했다. 독일과 영국, 미국 및 호주 등 여러 국가의 기술 연구 기관들은 이미 다양한 비즈니스 분야에 걸쳐 녹색 수소 생산 및 저장, 유통, 응용에 관련된 시범 사업 및 시연 프로젝트에 투자하고 있다. 녹색 수소 경제가 실현되려면, 녹색 수소 생산 관련 비용을 낮추는 기술적, 경제적 해결책이 필요한 동시에 해당 부문 투자를 촉진하고 연구·개발을 지원하는 결정적인 규제 체제도 요구된다.

미국에서는 올해 초 11개 기업이 수소 발전발전에 초점을 맞춘 하이드로젠 포워드(Hydrogen Forward)라는 연합을 결성했다. 창립 멤버는 에어 리퀴드, 앵글로 아메리칸, 블룸 에너지, CF 산업, 차트 산업, 커민스 Inc., 현대차, 린데, 맥더모트, 쉘과 토요타 등이다.

연합에 속한 기업들은 모두 산업, 운송 및 발전 부문의 다양한 부문에서 공급원에서 서비스에 이르기까지 수소 경제에 참여하고 있다. 이 회사들은 미국에서의 수소에 대한 정책적 지원이 부족하다고 보고 있으며, 탈탄소화 노력을 어렵게 하고 경제 성장과 중요한 기술을 저해하고 있다고 주장하고 있다.

연합은 유럽과 동아시아가 여러 부문의 수소 정책을 가지고 있지만, 미국은 이제 국가 수소 전략이 없는 유일한 규모의 시장이라고 지적한다. 하이드로젠 포워드는 창립 발표에서 빠르고 대규모 채택을 가능하게 하는데 필요한 프레임 워크를 제공하기 때문에 포괄적인 접근 방식은 매우 중요하다고 강조했다.

하이드로젠 포워드 연합은 에너지 전환을 가속화하고, 미국이 에너지 및 기후 리더십에 더 많은 참여를 할 수 있도록 하는 정책을 지원하는 것을 목표로 하며, 무엇보다도 수소 및 관련 인프라 개발을 위한 명확하고 포괄적인 전략을 수립하고자 한다는 포부를 밝혔다.

이는 화석연료를 기반으로 성장해 온 20세기의 경제 발전이 21세기에는 지상에서 생산한 기체 연료를 사용하게 된다는 에너지 전환과 맥을 같이 한다.

1. 수소 연료 전기차의 다양한 시도

모든 기술은 처음 아이디어로 등장해 우여곡절을 거치며 부침을 거듭하다가 그 기술을 구현할 시대적 배경이 마련되면 제품으로 완성된다. 스마트폰도 1980년대 IBM이 가장 먼저 아이디어를 제시했으나 실제로 제품으로 완성된 것은 2009년이었다.

수소를 자동차에 사용하고자 하는 노력은 1839년 영국의 영국 윌리엄 로버트 그로브 교수가 만든 ‘그로브 전지’가 그 시작이었으며 1939년 영국 케임브리지 대학 베이컨 교수의 산화수소도 역사적으로는 거론되는 기술이다. 그리고 그것을 현대적인 개념의 자동차에 적용한 것은 1954년 오스트리아 과학자 코르데쉬가 오스틴 –A40을 비이스로 만들어 타고 다니던 것부터 이야기할 수 있다. 그 모델에 착안해 GM은 1966년에 6인승 밴을 기반으로 6개의 수소 탱크를 탑재해 2인승 일렉트로밴이 그 시작이라고 할 수 있다. 이어서 1978년에는 BMW가 내연기관을 그대로 사용하며 수소를 연료로 하는 연구를 시작했고 1992년에는 메르세데스 벤츠가 캐나다 발라드의 연료전지 시스템을 사용한 수소 연료전지차가 등장하면서 새로운 접근이 이루어졌다.

그리고 2000년에는 GM의 프로젝트 컨셉이 등장했고 2001년에는 오펠 자피라 베이스의 하이드로젠1이 개발됐다. 이런 노력의 결과 2002년 미국이 국가와 산업계, 학계가 뭉쳐 수소 시대를 열자는 PNGV(Partnership of Next Ge 이름 아래 GM이 연료전지차를 소개하면서 본격적인 논의가 진행됐다. GM은 2002년 파리살롱을 통해 연료전지 시스템과 바이 와이어 시스템을 적용한 하이와이어라는 컨셉트카를 선보였다.

이 컨셉트카를 2003년 일본에서 전세계 자동차 전문기자 대상의 시승에서 하이드로젠3와 함께 시승해 본 기억이 있다. 하이드로젠3는 운송전문회사 페덱스(FedEx)에서 직접 실차체 적용해 시험운영을 하기도 했었다.

GM은 2010년까지 연료전지 전기차가 15만 마일의 수명에 한 번 충전에 300~350마일을 주행할 수 있게 될 것으로 기대했었다. 물론 5분 이내에 충전을 할 수 있어야 하며 연료탱크도 현재의 가솔린 탱크 이상의 공간을 차지해서는 안 된다는 조건을 달았다.

이는 부시 정권에서 프리덤카 프로젝트로 발전하며 실용화에 박차를 가하게 된다. GM은 1회 충전으로 480km를 주행할 수 있는 시퀄을 출시했으며 2007년에는 100여대의 수소 연료전지 전기차를 실증하는 프로젝트 드라이브웨이를 실시하기도 했다. 하지만 2008년 GM의 파산으로 이 프로젝트는 중단됐다. 그래서 여기까지는 역사적인 차원의 정리로 언급되지 않는 것이 보통이었다.

2. 수소 연료전지 전기차의 현재

지금은 세계 자동차업체 중 연료전지 전기차를 개발하거나 생산하고 있는 업체는 현대차그룹과 토요타, 메르세데스 벤츠와 볼보의 합작사업으로 크게 정리되어 있다. 혼다도 있지만, GM과의 제휴로 인해 정리하는 과정에 있다.

이 중에서 가장 먼저 시작한 메르세데스 벤츠는 NECAR라는 컨셉트카부터 시작해 B클래스 퓨얼셀이라는 모델로 전 세계를 돌며 대대적인 홍보를 했으나 지금은 승용부문은 접고 중대형차를 위한 파워트레인으로 볼보와 합작 형태로 개발하고 있다. 메르세데스 벤츠는 A, B클래스, 버스, 스포츠카 등 다양한 차종에 연료전지를 탑재한 모델을 선보였었다. 그중 1999년 4인용 A클래스 차량에 연료전지를 탑재한 NECAR4가 가장 완성도가 높았다. 2017년에는 GLC F-Cell을 개발했고 2018년에는 외부 충전이 가능한 배터리와 수소 연료전지를 동시에 사용할 수 있는 수소 플러그인 하이브리드 전기차를 개발하기도 했다. 지금은 볼보와 합작사 셀센트릭을 통해 대형 상용차용에 집중하고 있으며 도시 버스도 개발하고 있다.

2002년부터 수소 연료전지 전기차의 시범 운행을 시작한 토요타는 2009년에 2015년 가격을 5만 달러 수준으로 낮춘 수소 연료전지 전기차를 출시하겠다고 발표했었다. 지금 2세대 미라이의 미국 시장 시판 가격은 5만 7,000~7만 4,000달러 선이다. 2000년대 중반 10만 달러 수준에서 코팅용 백금 사용량을 기존보다 30% 수준으로 줄이면 가능하다고 했다. 당시만 해도 토요타는 친환경차를 도심을 위한 소형 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차, 수소 연료전지 전기차 등 세 개 카테고리로 나누었었다.

토요타의 수소 연료전지 전기차는 FCHV-adv로 대표된다. FCHV-adv는 2008년에 이미 한 번 충전으로 830km의 항속 거리를 달성했으며 리스 형식으로 공공기관에 납품됐다. 토요타에 따르면 FCHV-adv의 니켈-메탈 배터리는 영하 30도에서도 안정적으로 작동한다. 토요타와 혼다는 지난 2002년 12월부터 수소 전지 차의 시범 운행을 시작한 바 있다. 토요타는 시판형 모델 미라이가 2세대로 진화해 있고 선박용 연료전지 시스템도 개발해 실증실험을 진행하고 있다. 중국 시장의 가능성을 보고 상용차용 수소 연료 전지 솔루션을 개발하기 위해 5개 중국 기업과 베이징에 기반을 둔 합작 회사 유나이티드 퓨얼셀시스템R&D를 설립하기도 했다. 토요타의 연료전지 시스템은 BMW에도 제공하며 유럽에 연료전지 사업그룹을 설립해 시장 확대를 꾀하고 있다.

혼다도 토요타와 비슷한 시기에 연료전지 전기차를 개발했다. 200년에 개발된 혼다의 FCX 클래러티는 초기 100만 달러의 제작비에서 2013년에는 12만 달러까지 낮아졌다. 혼다의 2008년 6월부터 생산이 시작됐고 같은 해 하반기부터 미국과 일본에서 리스 판매가 시작됐다. 일반 고객에게 리스 형태로 판매된 첫 번째 연료전지차가 2005년에 나온 초대 FCX이다. 2010년에는 미국에 50대, 전 세계적으로는 200대가 리스 판매됐다. 혼다는 당시 2015년 일반 판매를 하겠다고 선언하기도 했다.

미국 에너지청이 주도하고 토요타와 다임러, 현대, 닛산 등이 참여하고 있는 H2USA로 불리는 미국의 연료전지 프로젝트에 2013년 혼다도 참여를 선언했다. 당시 H2USA에 참여하고 있는 메이커들은 모두 2015년 전후로 연료전지차의 출시 계획을 밝혔었다. 그 시점 기준으로 혼다는 FCX 클래러티로 가장 먼저 연료전지차의 리스 판매를 시작했으며 현대는 세계 최초로 양산 체제를 갖추고 있었다.

현대차는 지난 1998년부터 연료전지차의 개발에 착수했다. 초기에는 차량 제작 가격이 25억 원에 달했다. 유럽 메이커는 보통 전문 회사와 함께 시스템을 개발하고 혼다와 토요타는 독자 개발했다. 현대는 후자에 속한다. 시스템을 독자 개발했으며 국산화 비율이 95%에 달한다. 특히 핵심이라고 할 수 있는 스택과 인버터 등을 독자적으로 개발한 게 눈에 띄는 부분이다. 투싼ix 수소연료전지차의 개발에는 120개 이상의 국내 부품 회사가 참여했다.

2013년에 투싼 iX는 2085만 원의 가격으로 세계 최초 양산 연료전지 전기차로 선을 보였고 2014년 국내시장에 판매를 시작했다. 그리고 2018년 세계 최초 양산 연료전지 전기차 넥쏘를 출시했다. 1회 충전 항속거리는 609km로, 기존에 목표로 했던 580km를 뛰어넘을 뿐만 아니라 현재까지 글로벌 시장에 출시된 수소전기차 중 가장 먼 거리를 주행할 수 있다. 수소탱크의 수소 저장밀도와 저장용량을 증대 시켜 기존보다 더 많은 수소량을 사용할 수 있도록 했다.

이를 통해 5분 이내의 짧은 충전 시간으로 세계 최장의 항속거리를 구현했으며, 항속거리는 이전의 1세대 모델이었던 투싼 수소 전기차(항속거리 415km, 한국 기준)보다 약 40% 이상 향상된 수준이다. 넥쏘의 미국 시장 가격은 6만 3,000달러 선이다. 현대차도 선박용 수소 연료전지 시스템 상용화를 추진하고 있다.

특히 현대차그룹은 제네시스 브랜드와 상용차에 수소 연료전지 라인업을 늘리는 등 가장 적극적인 행보를 보인다. 현대차는 연료전지 전기차의 핵심인 스택의 가격이 20년 전보다 2% 수준으로 낮아졌으며 내구성도 3만 km에서 16만km로 높아졌다며 이제는 본격적으로 수소 연료전지의 대중화의 가능성이 열렸다고 강조했다. 궁극적으로는 50만~100만km를 요구하고 있다며 탄소중립을 위해 가장 중요한 역할을 할 수 있는 조건을 마련했다고 밝혔다.

이 외에 재규어가 디펜더에 연료전지 전기차 버전을 개발하고 있다.

한편 2차 전지를 탑재한 하이브리드 연료전지차에 대한 움직임은 프랑스업체를 중심으로 이루어지고 있다. 지난 여름 르노는 신형 상용 연료전지 전기차를 올해 안에 출시하기 위해 새로운 합작회사히비아를 설립했다. 르노는 이미 경상용차캉구 Z.E와 마스터 Z.E에 연료전지 시스템을 통합한 수소 하이브리드 모델을 확대하고 있다. 르노는 기존 배터리 전기차를 베이스로 수소 연료전지 시스템을 통합한 모델을 만들어 왔다. 이는 캉구 Z.E.와 마스터 Z.E는 여전히 배터리 전기차로 리튬 이온 배터리의 전력으로 구동하며 연료 전지 시스템은 추가 에너지 예비 역할을 한다. 여기에는 심비오의 연료전지 시스템이 사용된다.

스텔란티스 그룹도 연료전지 전기차를 출시하고 있다. 오펠 비바로와 푸조 이 엑스퍼트 밴의 연료 전지 버전에 이어 시트로엥이 이 점피 하이드로젠을 출시했다. 기술적으로는 모두 2차 전지가 있는 하이브리드 연료전지 전기차다.

중국업체 중에서도 상하이자동차그룹이 2025년까지 연료전지 전기차를 출시해 1만대 이상 판매를 선언했다. 북경 자동차 또한 2023년까지 수소 연료전지차 4,000대, 2025년까지 1만 5,000대 판매한다는 목표를 발표했다. 장청자동차도 지난 봄 수소 연료전지 연구개발에 30억 위안을 투자한다고 발표했다.

중국 정부는 이미 수소 연료전지 전기차는 리튬 이온 배터리 전기차와 함께 신에너지차의 중요한 기술적인 근간으로 설정했다. 배터리 전기차는 도심에서의 짧은 거리를 이동하는 승용차로 적합하며 수소 연료전지 전기차는 버스와 트럭 등 장거리 운송이 필요한 상업용 차량에 적합하기 때문에 상호 보완적으로 발전할 수 있다고 보고 있다. 2019년에는 배터리 전기차를 중심으로 하고 연료전지 전기차는 보완적 관계로 한다는 의견이 나오기도 했으나 중국 전기차의 아버지라고 불리는 완강 등이 나서면서 연료전지 전기차에 많은 투자를 하고 있다.

또한 중국의 산업정보기술부는 중국의 수소 에너지 및 연료전지 전기차 산업의 혁신적인 개발을 촉진하기 위해 다른 부서와 함께 수소 연료전지 전기차의 시범 운행을 해 왔다.

3. 메가 서플라이어들이 뛰어 들다

언제나 그랬듯이 요소기술을 제공하는 메가 서플라이어들의 움직임이 이런 흐름에 대한 전망을 제공한다.

대형 부품회사 중에서는 보쉬가 2014년 연료전지 컨트롤 유닛 공개를 시작으로 가장 적극적이다. 보쉬는 2018년 영국 연료전지 기술 전문업체인 세레스 파워와 전략적 제휴를 체결해 차세대 고체산화물 연료전지(SOFC) 기술을 개발하고 있다.

보쉬는 2022년 말까지 보쉬제 전동 파워트레인이 전 세계에 약 1,400만대에 탑재될 것이라고 보고 있다. 현재의 약 100만대보다 14배가량 늘어난 수치이다. 매출액으로는 2025년에 2018년의 10배에 달하는 50억 유로를 목표로 설정하고 있다.

보쉬는 지금의 전동화 프로젝트는 궁극적으로 연료전지 기술의 획기적인 발전을 지원하기 위함이라고 밝혔다. 이를 위해 보쉬는 스웨덴의 연료 전지 스택 제조업체인 파워셀과 제휴했다. 보쉬는 2019년 7월 연료전지 전기차 부품의 개발을 시작해 2022년에 양산에 들어간다는 계획도 발표했다. 콘티넨탈도 연료전지 전기차 관련 사업 검토에 착수했다.

독일의 파워트레인 전문회사 말레와 캐나다 연료전지 제조업체 발라드 파워시스템은 다양한 중량 등급의 상용차용 연료전지 시스템을 개발하기 위해 협력하고 있다. 유럽, 북미 및 아시아 시장을 위한 연료 전지 시스템을 제조하는 것이다.

말레는 수년 동안 연료전지 차량을 위한 시스템 공급 업체였다. 말레는 복잡한 공기 흡입 시스템, 전자 장치 및 연료 전지 시스템의 온도 제어에서 높은 경쟁력을 확보한 업체다. 말레는 수소에 대한 애플리케이션 포트폴리오를 한동안 확장하고 연료 전지 기술 및 수소 연소에 대한 지원을 위해 다양한 지원을 해 왔다.

전력 관리 기업 이튼의 자동차 그룹도 지난 9월, 연료 시스템 제조업체인 캐나다 발라드 퓨얼 셀 시스템 및 미국 에너지부 산하 국립재생에너지연구소와 협력해 대형 트럭 연료 전지 기술을 개발한다고 발표했다.

앞서 언급했듯이 글로벌 플레이어들을 중심으로 지금 수소 연료전지 전기차에 가장 적극적으로 투자하고 있는 업체는 현대차그룹과 토요타, 그리고 메르세데스 벤츠그룹이다. 차이는 현대차와 토요타는 세단형 연료전지 전기차를 시판하고 있지만, 메르세데스 벤츠그룹은 다임러트럭과 볼보트럭 사이의 합작 자회사 셀센트릭을 통해 2025~2027년 대형 트럭 중심의 양산을 목표로 하고 있다.

연료전지 전기차를 가장 먼저 시작한 메르세데스 벤츠와 달리 현대차는 이미 스위스에 대형 연료전지 트럭을 수출한 실적이 있다는 것은 관점의 차이로 인한 것이다. 현대차와 토요타는 궁극적으로 수소 시대로 간다는 생각으로 투자에 임하고 있다. 반면 폭스바겐처럼 수소는 대안이 아니라는 입장을 표명하고 있는 업체도 있다.

국가별로 연료전지 전기차에 많은 비중을 두고 있는 나라는 중국으로 2030년까지 100만대의 판매를 목표로 설정하고 있다. 같은 기간 한국은 85만대, 일본은 80만대를 목표로 하고 있다.

기술이 무르익어가고 있고 시장의 필요성이 인정되고 있다. 부정적인 시각이 여전히 존재하고 기술적 도전도 있지만 탄소 중립은 그 모든 것을 넘어설 것을 강요하고 있다. 지금은 국가와 지역이 나서서 전기차와 더불어 수소 경제를 이끌고 있다. 배터리 전기차의 발전이 정체된 상황에서 수소 연료전지 전기차의 부상이 시선을 끌고 있다.