수소차의 종류와 장단점 알아보기

수소차란 수소를 원료로 하며 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 구동시키는 자동차를 말합니다. 전기 자동차와 더불어 차세대의 교통수단 후보로서 경쟁하고 있으며 내연기관 차량에 대비하여 연료비가 싸고 출력이 높으며 전기 자동차에 비해 충전시간이나 주행거리에서 장점을 가지고 있습니다. 그러나 아직까지 충전소 및 교통 인프라에서 전기 자동차에게 크게 밀리고 있습니다. 2019년 현재 수소차를 생산 출시하는 회사는 현대 자동차와 혼다가 있으며, 메르세데스 벤츠에서도 곧 수소차를 출시할 예정입니다.

 

한국내 최초의 수소 자동차로는 1993년도 성균관대학교 내연기관 연구팀이 800cc 3기통 엔진을 개조하여 수소직접 분사형의 성균 1호를 만들어낸 것이 있습니다. 플랫폼은 아시아 자동차 타우너 밴을 활용하였으며 가장 어려운 분사밸브 개발을 포함하여 완성시키기까지 6년이 소요되었지만 실제적으로 상용화는 되지 않은 연구형 모델입니다.

 

수소차의 종류

 

수소차의 종류에는 수소연료전지차와 수소내연기관 자동차의 두가지가 있습니다.

수소연료 전지차는 수소연료를 사용한 전기 자동차라고 할 수 있습니다.  수도연료전기차를 제외한 전기자동차는 충전되어진 배터리를 동력원으로 삼아 주행을 합니다.  그러나 수소연료전지자동차는 수소연료탱크로부터 수소를 공급받아 전기로 즉시 발전시켜 주행합니다. 여기서 배출되는 찌꺼기는 물뿐입니다. 매연도 없으며 소음도 거의 나지 않습니다.

전기 자동차의 수소연료 전지 자동차가 별도의 배터리를 탑재할지 안할지는 선택사항이지만 일반적으로는 회생제동을 활용하기 위해 작은 사이즈로라도 탑재를 해야 합니다.

 

다음으로는 수소 내연기관 자동차가 있습니다.

일반적인 내연기관과 동일하게 수소를 터뜨려 구동력을 얻는 방식입니다. 이 수소기관내연자동차도 연료전지와 마찬가지로 수소 특유의 친환경성과 고성능을 가지고 있습니다.

 

그러나 수소연료전지차보다 효율이 나쁘고 연료 특성에 맞춰서 연소 시스템을 모두 새로 개발해야 하고, 소비자 입장에서 특별한 장점이 없이 내연기관의 단점을 그대로 갖고 있어 아직은 연구단계이며 그다지 주목받지 못하고 있습니다.

 

따라서 현재 주로 연구되고 있는 수소 자동차는 거의 대부분 수소연료전지차입니다. 아직까지는 전기자동차의 급격한 성장에 눌려 있는 상황이긴 합니다만, 전기자동차 특유의 개선하기 어려운 한계가 많은 관계로 분명 수소 자동차로 넘어가는 시기가 올 것으로 예상되고 있습니다.

 

장점

1. 연료로서 수소의 성능이 우수하다 - 수소의 열량은 동일 중량당 내연기관 연료의 약 3배나 되어 무거운 배터리와는 비교불가합니다. 또한 전기차 특유의 고효율이 결합되면서 주행거리를 늘리기가 쉬운 편이라 현재 출시되는 수소차량들은 1 ㎏당 100 ㎞의 주행거리를 제공하며, 대체로 축전지 기반 전기자동차보다 주행거리가 길게 나옵니다.
2. 배기가스 제로 - 수소연료전지차(FCEV)는 연료에 탄소(C)나 다른 불순물이 없고 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배기가스가 전혀 나오지 않습니다. 물이 배출된다는 특징 때문에 차량 통행이 잦을 경우에는 습도 관리가 필요할 수 있습니다.
3. 달리는 공기청정기 - 수소연료전지 스택이 효율적으로 작동하기 위해서는 미세먼지가 제거된 청정한 공기가 필요하므로 수소차는 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보냅니다. 공기중 먼지나 화학물질은 3단계 공기정화 시스템을 통해 정화되므로 공기정화기로써의 기능도 수행할 수 있습니다. 현대 넥쏘의 경우 한 시간 주행 시 26.9㎏의 공기를 정화할 수 있는데, 이는 성인 48.9명이 한 시간 동안 호흡하는 공기량에 해당합니다. 다만 공기 여과에 필요한 필터가 소모성이기 때문에 환경적으로는 장점이지만 차량 소유주 입장에서는 유지비가 늘어나는 단점이 되기도 합니다. 현대 넥쏘 기준으로는 약 2만 km마다 약 3~4만원 의 비용이 듭니다. 
4. 3단계 공기정화 시스템 - 먼지 및 화학물질을 포집 하는 공기필터에서 초미세먼지 97% 이상이 제거, 막 가습기(가습막을 통한 건조공기 가습)의 표면에서 초미세먼지가 추가로 제거, 연료전지 스택 내부 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체확산층에서 제거
5. 저렴한 수소 단가
   과거에는 수소 제조에 들어가는 비용이 기름값보다 비쌌지만, 현재는 천연가스 개질법이나 나프타 분해를 통해 저렴하게 수소의 대량 생산이 가능해 1 ㎏당 약 5,000원의 단가로 충분히 저렴하게 생산이 가능합니다. 해당 기술들은 현재도 수소 대량 생산에 쓰이고 있으며 일상적인 기술입니다. 실제로 수소자동차들이 대량으로 늘어났을 때 어떻게 바뀔지는 알 수 없지만, 생산단가는 화석연료보다 훨씬 넉넉하게 확보되어 있습니다. 정부에서는 『수소경제 활성화 로드맵』을 통해 수소 가격 목표를 2030년 4,500원/kg, 2040년 3,000원/kg으로 발표한 바 있습니다.
6. 기존 전기 인프라의 효율적인 이용
   태양광 발전은 발전 피크가 한낮이라 이때 에너지가 버려질 수 있습니다. 수력발전, 핵발전은 밤, 새벽 발전에 유휴 전력이 많으므로 이 전력을 수소 생산에 사용하면 전력 사용 효율이 높아집니다. 즉 수소는 전기 에너지 보존 매체가 됩니다.
7. 빠른 충전
   2018년 현대에서 공개한 넥쏘는 충전 시간을 5분으로 예상하고 있습니다. 현재의 화석연료 주입시간과 거의 비슷합니다.

 

단점

 

1. 수소 생산시 이산화탄소 등 오염물질 배출

 

수소자동차는 수소를 생산하는 과정에서 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출합니다. 현재 수소를 생산할 수 있는 방법 자체는 많이 있지만 전기분해는 경제성이 낮고 대량생산과 경제성을 확보하려면 천연가스 개질법 등의 화석연료를 가공한 방법이 최선입니다. 그러나 이 방법들은 필연적으로 온실가스를 배출하고 결정적으로 화석연료 의존도를 낮출 수가 없다는 문제가 있어서 대체연료를 쓰는 의미가 없어져 버립니다. 또한 이산화탄소 포집 등의 각종 탄소저감기술은 아직 대규모로 경제적으로 하기 힘들고, 수소의 생산은 민간에서 하기 때문에 탄소저감을 안할 수도 있고, 법으로 강제할 경우에는 가격을 올려받을 수도 있습니다.

 

일부 석유 정제, 분해 공정에서 부산물로 생성되는 수소를 활용하자는 의견도 있지만 그런 부생수소의 양이 절대적으로 부족합니다. 석유 정제 과정에서 나오는 수소는 대부분 탈황공정이나 휘발유 개질의 수소첨가 등에 대부분 자가 소모되어 따로 판매할 만큼 남지 않고, 판매되는 것은 대부분 나프타 분해공정의 부산물로 나오는 부생수소입니다. 현재 한국에서 부생수소 연간 판매량은 26 만톤 가량으로 이중 1/3 정도를 수소자동차 용으로 쓴다고 해도 연간 43만대 정도의 승용차를 운행할 정도 밖에 안되고 이는 2,000만대가 넘는 차량의 2% 밖에 되지 않습니다. 또한 그렇게 수소가 부산물로 나오는 산업은 애당초 수소생산이 목적이 아니기 때문에 이를 위주로 대량생산을 할 수도 없고 기존의 수요가 어디로 가는 것도 아니므로 경제성이 확보 되는 것도 아니기에 결국 현재 공짜나 마찬가지인 부생수소 생산량이 부족해질 정도로 수소차가 대량보급되면 결국 천연가스를 변환해 사용할 수 밖에 없습니다.

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그러나 2020년 현재 한국의 현실에 비춰볼 때 상기의 문제 제기는 그다지 설득력이 있다고 보기 어렵습니다. 우선 천연가스 개질이 온실가스를 발생시키는 것은 맞으나 온실가스 발생량은 사용하는 천연가스의 성분에 따라 차이가 큽니다. 메탄(쓰레기장) 등을 사용한 천연가스 개질은 비교적 온실가스 발생량이 적은 편입니다.

그리고 그 이전에 한국은 거대한 석유화학 인프라를 갖추고 있는 나라로서 국내 생산 수소 대부분은 부생수소입니다. 또 수소자동차에 공급되는 수소들도 부생수소입니다. 즉 한국의 석유화학 인프라를 고려하면 수소 생산과정에서 온실가스 발생문제는 그렇게 큰 문제는 아닙니다.

 

2020년 7월 충남에 연간 40MWh 규모의 부생수소 발전소가 완공, 가동에 들어갔습니다. 근처 석유화학 단지에서 생산되는 부생수소를 활용한 수소연료전지 발전소로서, 현재 한국은 부생수소를 수소연료전지 용도로 공급할 여력을 갖추고 있다는 뜻이기도 합니다.
그리고 장기적으로는 태양광, 풍력 등 다른 신재생 에너지원의 여유 발전량을 수소를 생산, 저장 데 이용하는 방식으로, 신재생 에너지의 기저부하 감당 능력 부족 문제를 해결하는 식의 상부상조 체계가 이뤄질 가능성도 높습니다.

 

2.수소 충전소 인프라 부족

현재 대한민국에는 수소충전소가 고작 31군데 밖에 없어 충전하기도 매우 어렵고 실제로 일반 소비자가 이용 가능한 충전소는 이보다 더 적으며, 고장으로 사용할 수 없는 일도 많습니다. 그나마 있는 충전소도 압력이 낮아서 차의 수소 탱크 용량의 절반밖에 충전할 수 없는 곳이 많습니다. 폭발 시 안전거리 확보가 필수적이며 안전성 확보를 위한 자동화된 감시 장치가 필수적이고 관리를 위한 전문인력을 고용해야 합니다. 충전도 교육을 받은 전문인력이 해야 합니다. 이 때문에 도심지와 인구 밀집지에 설치가 곤란하며 설치 및 운영 비용이 상당히 높은데 충전하려는 사람은 거의 없어 운영에 어려움이 있습니다.  기존 LPG 충전소나 주유소와 비슷하나, 기존 전력 공급 시설을 그대로 이용가능하고 전용충전소를 짓더라도 변전시설 정도만 마련하면 되는 BEV에 비해 뚜렷한 열세입니다.

또한 수소 인프라 구축이 대대적으로 이루어져야 하므로 많은 비용이 들게 되며, 특히 수소의 특성으로 인해 다른 에너지보다 충전시설의 규모당 초기비용이 훨씬 커지는 문제가 있습니다. 수소충전소 1군데 건설에 약 30억원이 들며, LNG 충전소는 10억 정도 듭니다. 충전시간도 최대 30분 가량 걸립니다. 또한 수소는 장기적으로 금속을 점차 약하게 하므로 안전성을 확보하기위해 정기적으로 탱크와 파이프 라인 등을 교체해주어야 하므로 수명이 짧고 유지보수비가 높습니다. 전기 자동차의 경우도 인프라 구축이 필요한 것은 마찬가지지만 그 난이도가 수소 에너지에 비해 엄청나게 낮으며 유지하기도 훨씬 쉽습니다. 전기 자체가 다루기가 쉽고 비용도 워낙 저렴하다보니 무인 충전소로 만들기도 쉽습니다.

 

3. 충전 시간의 현실

전기자동차에 비해 수소자동차의 가장 큰 장점인 빠른 충전 시간이 현실 운용에서는 조금 달라질 수 있습니다. 충전 그 자체만으로는 5분 정도면 충분하지만 미리 탱크 압력에 맞추어 압축해서 저장해놓은 수소가 없으면 압축에 꽤 긴 추가 시간이 소요될 수 있습니다. 700~1000bar는 상상 이상으로 높은 초고압이며, 이렇게 초고압으로 수소를 압축하는데도 상당량의 시간과 에너지가 들어가므로 어려운 수소충전소 운용이 더 힘들게 됩니다.

 

4. 촉매제(연료전지 스택) 단가

산소와 수소가 빠르게 반응하기 위해 필요한 촉매의 재료인 팔라듐, 백금, 세륨등의 확보가 필요하며 이 때문에 연료전지의 가격이 매우 비쌉니다. 대략 현대모비스의 연료전지 스택이 부품가만 3,800만원 정도입니다. 연료전지에서 촉매재료의 원가 비중은 40% 정도이며, 연료전지가 자동차에서 차지하는 원가 비중이 50% 이상입니다. 연료전지의 수명도 짧습니다. 이런 귀금속은 양이 많지 않기 때문에 이를 대체하기 위한 새로운 촉매의 개발이 연구되고 있습니다. 팔라듐, 백금, 세륨등을 안쓰는 연료전지도 있지만 700-800도 이상에서 동작하므로 일반적 차에서 사용하기는 어렵습니다.

 

반론 - 그러나 기본적으로 촉매는 반응에 직접 관여하거나 반응에 의해 소모되지 않기 때문에 사용법에 따라 필요량을 대폭 줄이는 것이 가능합니다. 최근 기술 개발에 힘입어 현재 연료전지에서 사용되는 백금의 양은 매우 빠른 속도로 줄어들고 있으며 실제로 혼다의 Clarity에는 오직 11g의 백금만 사용되어 촉매가 차지하는 원가 비중은 이미 비교적 무시할 수 있을만한 수준으로 줄어들었습니다.

 

5. 안전과 수명

일반인의 우려와는 달리 수소 자체의 폭발 가능성은 그리 크지않으므로 결정적 결점이라고 보기 어렵습니다. 하지만 여전히 가연성이 높은 고압가스이므로 취급과 안전에 매우 주의를 해야하고 점검도 자주해야 하고 설비도 이에 맞게 안전성을 위해 강도와 신뢰성을 확보해야 합니다. 그러므로 수소 자동차나 수소충전소 등은 비슷한 규모의 천연가스 차량이나 천연가스 충전소 등에 비해 원가가 높고 비용이 많이 들어갈 수 밖에 없습니다. 또 고압의 수소는 장기간 사용하면 금속 탱크나 금속 파이프 등 금속을 약하게 하는 수소취성 (hydrogen embrittlement) 이 있기 때문에 금속이 고운 가루로 바스라져 수소가 새거나 폭발할 우려가 있어서 신뢰성을 확보하려면 일정 기간 사용 후 파이프와 탱크 등을 교체해주거나 하므로 수명이 짧아 유지비가 많이 들어가게 됩니다. 토요타 미라이의 수소 탱크 수명은 대략 15년으로 보고 있고 수소 주입구 옆에 특정 시기 이후로는 수소를 주입하지 말라는 경고 문구가 붙어있습니다. 현재 화석연료 설비는 물론이고 수소 충전하는 것도 가스 안전 자격증을 갖추고 주기적으로 안전 교육을 받는 인력이 충전해야 하기 때문에 셀프 주유/충전도 가능한 내연기관차나 전기차와 큰 비용 차이가 납니다.

 

연료전지 스택의 수명이 현재 짧은데, 15-20만 km / 10년 정도가 한계입니다. 스택에서 촉매를 줄이면 줄일수록 수명 또한 줄어드는 난점이 있어서 가격 절감도 쉽지 않은 편이나, 운행거리가 줄어들게 되면 상용차에 적용하기 힘들어집니다. 상용차는 최소 100만 km 이상을 무리 없이 굴러다녀야 하기 때문입니다.

 

6. 복잡한 정비

수소차는 전기차의 특성을 그대로 가지고 있으며, 연료 전지 스택 및 수소 라인까지 포함된 복잡한 구조를 가지고 있어서 정비에는 추가 인프라가 필요합니다. 예를 들어 수소 탱크 및 파이프 관련 정비를 할 때는 탱크 내의 수소를 비워야 하는데 폭발 위험성 때문에 따로 특별히 관리가 되는 전용 외부 공간에서만 허용이 되고 근처에 고층 빌딩이 있으면 아예 불허됩니다.

     

7. 수소 사용

사실 열량으로만 보면 수소 자체의 성능은 우수한 편이지만 우주에서 가장 가벼운 물질이라 부피가 큽니다이 때문에 초고압으로 압축해서 투입해야 하는데, 부피가 커서 승용차에서는 공간을 아무리 짜내도 7~8kg밖에 넣지 못하고 있으며, 이 때문에 실제로 한번에 들고다닐 수 있는 열량이 화석연료 자동차보다도 작아서 오히려 주행거리를 늘리는데 의외로 제약이 크고 LPG차와 마찬가지로 가스 압력을 견딜 수 있는 둥근 형태의 탱크를 실어야 하기 때문에 화석연료보다 차지하는 부피가 되려 더 큽니다. 이 때문에 차량 체급에 영향을 많이 받는데다, 차 설계에 제약이 많은 편입니다.

물론 그렇다 하더라도 현재 수소연료전지차(FCEV)들은 1회 충전당 주행거리가 600~800km에 달하고 이는 기존 내연기관 차량과 유사하나, 효율을 개선하여 1회 주유당 주행거리가 1000km가 넘어가는 내연기관 자동차도 늘어나고 있기 때문에 수소차도 마찬가지로 동급의 화석연료 차량에 비해 주행거리가 길다는 장점이 있다고 보긴 어렵습니다. 심지어 전기자동차는 배터리 기술이 발전함에 따라 계속 주행거리가 올라가는데 수소자동차들은 연료의 부피가 발목을 잡아서 오히려 지지부진한 상태입니다. 그리고 운행용 수소야 좀 더 자주 주입하는 것으로 넘어갈 수 있는데 수소생산지로부터 충전소까지의 운송은 더 큰 문제입니다.

 

8. 수송비용 과다

 

수소는 운송비용이 매우 비쌉니다. 초고압 기체 연료이므로 액화 천연가스 운송비보다 훨씬 비쌉니다. 수소 공장에서는 싸게 생산해도 이를 소비지까지 운송하기가 어려운데, 파이프라인으로 운송하면 싸지만 가스탱크 로리나 튜브 트레일러 등 트럭으로 운반하게 되면 생산지인 울산에서 소비지인 서울까지의 운송비가 가스값의 2배나 되어 가격 3배이상이 됩니다. 

수소충전소도 1개 건설에 30억이라는 막대한 비용이 소모됩니다. 취급에도 고압가스 기사자격이 필요하므로 운영비도 비싸집니다. 파이프 라인을 건설하면 운송 비용은 크게 낮출 수 있으나 초저온 고압 가스이고 위에서 말한 수소취성 문제로 정기적으로 금속 파이프 교체를 해주어야 하므로 건설이나 유지비가 석유나 LNG 파이프라인보다 훨씬 높아집니다.

이렇게 수소의 운송과 충전소 비용이 높아지면 주유소 자체에 소규모 전기분해 시설을 갖추고 수소를 생산하는 것이 더 저렴할 수도 있습니다. 통상 전기분해 수소생산은 천연가스 변환보다 생산가가 소규모는 2배 정도, 대규모는 1.5배 정도이므로 수소충전소에서 저렴한 야간 심야전력으로 생산한다면 수송비가 거의 들지 않으므로 오히려 생산공장에서 대량으로 생산해 비싸게 운송해 판매하는 것보다 더 싸게 팔 수 있습니다. 다만 이 경우 100 km 당 18 달러의 연료비가 들고 이는 전기차의 2.4 달러보다 8배나 되기에 전기차는 커녕 화석연료 차량들과 경쟁이 어렵습니다.

미국의 토요타 미라이 수소충전소는 충전소 1군데서 1일 80 kg 가량의 (약 200-300 kW 급 전기분해장치) 수소를 생산할 수 있고 이는 수소탱크 용량이 5kg 인 토요타 미라이 수소차 15대 충전 분량입니다. 이런 충전소 1개는 수소승용차 150대정도를 연중 운행할 수소를 공급할 수 있습니다.

    

9. 차량 설계 비효율

 

수소차는 큰 냉각계통이 필요하므로 내연기관 자동차의 4배 이상의 라디에이터면적이 필요합니다. 실제로 현대 넥쏘 나 도요타 미라이등의 상용화된 수소 자동차를 보면 라디에이터 그릴이 내연차에 비하여 상당히 넓은 것을 볼 수 있습니다. 제한된 공간에서 공기와 맞닿는 면적을 최대한 넓혀야 한다는 설계 난점은 공력 설계 및 차량 밸런싱 등에 악영향을 미치게 됩니다. 라디에이터 그릴이 매우 넓어지는 데에서 오는 디자인의 제한도 있습니다.

경쟁 기술인 축전지 급전식 전기자동차는 이런 점에서 크게 유리한데, 배터리 및 실내 냉방에 필요한 수준의 라디에이터만 있으면 되어 흡기구 및 라디에이터 면적을 크게 줄일 수 있다. 대부분의 전기차는 차량 하부에만 흡기구가 있는 수준으로 만들어지며, 공력설계 및 냉각계통 공간/무게에서 내연차에 비해 많은 잇접이 있습니다.

 

 

냉각계통 크기로 인해 연료전지 스택의 출력에 한계가 뚜렷합니다. 이를테면 현대 넥쏘의 수소연료전지 스택은 최대 95 kW를 낼 수 있는데, 이를 마력으로 환산하면 125 마력밖에 되지 않습니다. 넥쏘의 크기가 카이런과 비슷하단 것을 생각하면 출력이 부족한 것이 사실입니다. 이 부분을 보완하기 위해 배터리를 추가로 달아 135 kW 하이드브리드처럼 운용하지만, 기본적으로 동력 성능은 떨어집니다. 배터리로 가속을 커버한다 하더라도 미리 충전해놨다 사용하는 만큼 오래 지속될 수는 없는 구조이기에 여러 모로 운전성이 좋은 차량은 만들 수 없으며, 상용차로 만든다 하더라도 짐을 실은 채 지형 극복이 의외로 쉽지 않을 수 있습니다.

이 부분이 경쟁 기술인 축전지 급전식 전기자동차와 가장 크게 대비되는 부분인데, 리튬이온 배터리의 좋은 방전 특성 상 차량 밸런싱과 공간을 둘 다 넉넉하게 확보하면서 출력을 크게 높이는 것이 가능합니다. 일례로 테슬라의 차량들은 가장 저렴한 차도 250-450 마력을 낼 수 있으며, 현대 코나 일렉트릭은 200 마력을 제공합니다.

 

또 하나의 수소 봄베가 공간 활용성을 저하시킵니다. LPG차량의 봄베가 형태가 제한되어 기름차에 비해 공간 활용성이 떨어진다는 것을 생각하면 됩니다. 수소 자동차는 이러한 봄베를 몇 개씩 장착해야만 하기에 승용차에서는 상당히 치명적인 단점이 됩니다.

 

10. 법종특별교육이수자만 운전가능

 

수소전기차량의 다른 단점 하나는, 운전자가 고압가스 사용자동차 교육 이수를 해야 합니다. 차량 구입일로부터 30일 이내에 이수해야 하며 가족이나 대리운전기사 모두에게 적용되는 법으로 이 교육을 이수하지 않은 운전자의 경우에는 약 150만원의 벌금이 부과됩니다.