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[과학이야기] 수소차(水素車, Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 현재 <下>이장로 이학박사(고려대)
  • 포커스데일리
  • 승인 2019.06.19 14:00
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(서울=포커스데일리) 앞에서는 정부의 수소경제 활성화 로드맵, 수소차의 구조 및 성능, 수소차의 전기차와의 비교, 그리고 수소차의 장단점 등에 대해 살펴보았다.

여기에서는 먼저 지금까지의 수소차의 연구동향을 알아보자. 수소를 생산할 수 있는 대표적 방법 중 하나가 전기 분해다. 즉 물(H₂O)을 전기분해해서 산소(O₂)와 수소(H)를 만드는 ‘수전해 반응’ 과정에선 촉매제로 주로 비싼 백금을 쓴다. 국내 연구진에 의하여 현재 쓰이는 백금 촉매보다 80배 적은 양인 극소량의 백금만 사용하고도 수소 생성 활성도를 100배 높이는 새로운 촉매룰 개발하여 수소 경제를 앞당길 수 있어 주목 받고있다. 여기에서는 머리카락보다 가는 탄소 나노 튜브에 백금을 극미량 도포한 촉매를 개발한 것이다.

또, 한 다른 연구는 전극에 루테늄-그래핀 촉매를 적용한 연구가 진행 중이다. 백금 가격의 4% 수준인 저가 귀금속 '루테늄(Ru)'과 신소재 '그래핀(graphen)'을 결합한 촉매는 기존 백금 촉매보다 가격이 싸고, 반영구적으로 사용할 수 있으며 전기분해에 필요한 최소 전압도 낮아서 전력 사용량을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 연구는 1~2년 이내에 실용화가 될 것으로 내다보고 있다.
 
 그동안 국내에선 수소차는 수소 공급을 위해 수소탱크를 싣고 다녀 폭발 가능성이 크다는 괴담이 돌아다니기도 하였다. 수소폭탄은 우라늄이 있어야 핵융합을 일으킬 수 있어 수소로 전기를 일으키는 수소차와는 완전히 다르다. 이 괴담은 터무니 없는 이야기이다.
 
수소경제를 지지하는 측 주장은 1. 수소는 우주의 75%를 차지할 정도로 무한한 에너지이며, 2. 온실가스를 배출하지 않는 대표적 청정 에너지이다. 3. 수소는 리튬이온 배터리를 이용한 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)보다 전기를 장기간 손실 없이 안전하게 저장할 수 있다. 4. 수소연료전지차는 전기차보다 주행거리는 길고, 충전시간은 짧다. 5. 주행하면서 대기 중의 미세먼지를 정화하는 효과도 있다. 6. 또 수소연료전지는 그 자체가 작은 발전소이기 때문에 발전원을 최종 소비자 가까이에 따로 배치하는 이른바 ‘분산전원(分散電源)’이라는 세계적 흐름에도 부합한다 등이다.
 
반면, 수소경제를 반대하는 측에서는 기술적 측면뿐 아니라, 세계적 흐름이나 수용성 측면에서도 적합하지 않다고 말한다. 반대론자들의 주장은 1. 수소연료 탱크중량 때문에 화석연료보다 차지하는 무게가 오히려 더 크다. 2. 수소충전소 시설부족으로 충전이 어렵다. 3. 수소연료전지 가격이 비싸다. 4. 수소운용비용이 비싸다. 5. 수소연료단가가 아직은 비싸다. 그리고 6. 연료전지에 필요한 수소를 생산하는데도 이산화탄소와 같은 온실가스가 발생하기 때문에 지구 온난화를 막는 대안이 될 수 없다 등이다. 
 
현재, 수소는 석유 정제 과정에서 나오는 부생(副生) 수소와 천연가스를 분해해서 얻는 수소가 대부분이다. 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)이나 휘발유의 주성분 옥탄(C8H18)에서 수소를 분리해내면 온실가스의 핵심 원소인 탄소 또한 자연스럽게 발생하게 된다. 독일에서는 이미 천연가스를 통해 수소를 얻으면서도 대기 중에 온실가스를 배출하지 않는 기술을 상용화했다. 이 기술은 천연가스의 주성분인 메탄가스에 수증기(H₂O)와 이산화탄소를 주입해 온도를 올리면 수소와 일산화탄소(CO)로 분리되는데, 이 일산화탄소를 플라스틱 원료로 공급하는 방법이다.

그리고 전기분해(수전해)을 통해 청정수소를 생산하는 방법은 효률이 낮은 편이나 저렴한 비용으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 연구는 세계적으로 꾸준히 이어지고 있다. KIST 청정신기술연구소에서는 깨끗한 방식의 수소 생산을 위한 연구개발 투자를 늘려가고 있어 2030년쯤이면 경제성을 갖춘 수전해 수소생산 기술이 완성될 것으로 보인다. 
 
현재 수소차의 생산과 충전소 상황을 살펴보자. 셰일가스(석유를 품은 가스, shale oil)혁명으로 인한 저유가 기조가 계속되고 있고 전기차가 급격한 성장을 한 덕분에 주류에는 못 들어가고 그냥 연구적인 측면에서 소량 생산하는 수준에서 그치고 있지만, 현대자동차는 세계 첫 양산 수소연료전지 차량인 투싼을 출시하는 것으로 시작해서 현재는 양산체계를 갖춘 현대 넥쏘까지 출시할 정도로 가장 공격적으로 연료전지 차량 시장에 투자하고 있다.

4월31일 현재기준 1년만에 넥쏘 누적판매량 1500대를 달성하였고, 현대 수소차는 유일하게 연속적으로 세계 10대 엔진에 선정하기도 하였다. 현대자동차는 2030년 수소차와 연료전지에서 모두 세계 시장 점유율 1위를 하는 것을 목표로 하고 있으며, 수소차 보급을 올해는 4000대까지 늘리고, 2022년 8만1000대, 2030년 180만 대를 거쳐 이후 수백만 대 시대로 빠르게 확대해 나갈 계획을 세우고 있다. 또 지금까지 누적 1조원 수준인 수소경제 효과는 2030년 25조원으로 규모가 커지고, 고용 유발 인원은 지금까지 1만 명 수준에서 2030년 20만 명으로 늘어날 것을 목표로 하고 있다.
 
독일 벤츠 또한 현대처럼 2019년안에 GLC (C class급 SUV차)기반의 수소차를 판매할 계획이며 BMW와 아우디 또한 2020년 전후로 발매를 계획하고 있다.
 
2019년 정부에서는 수소경제를 새로운 성장동력으로 추진하고, 이것을 미래 한국의 환경대책이자 미래 에너지 산업으로 키우기로 하면서, 충전소 설치를 강력하게 지원을 하겠다는 의지를 보이고 있다. 다시 말하면 정부의 수소차 지원정책에 힘입어, 수소차를 전략사업으로 육성, 보급하기로 하면서 충전소가 증가하고 있는 실정이다.

서울에서는 도심 수소충전소 설치가 가능해지면서 1호 도시 수소충전소가 될 서울 여의도 국회 의사당 부지에 수소충전소가 설치되었다. 국토교통부 및 한국도로공사도 고속도로 휴게소 내 수소차 충전소 설치를 늘리겠다고 밝혔다. 따라서 수소차 보급 역시 가속화할 전망이다.
 
끝으로 수소전기차와 전기차의 앞으로의 전망에 대해 알아보자.

미국의 세계적 경제학자이며 미래학자 제러미 리프킨(Jeremy Rifkin)은 2002년 그의 저서 ‘수소 경제(The Hydrogen Economy)’에서 인류의 탈(脫) 탄소화(연료에서 단위 질량 당 탄소의 수 감소화)와 관련하여 유망한 수소연료의 경제성을 설명하고, 또 이것을 통해 수소 혁명이 다가오고 있다고 하였다. 그는 석유 자원 시대가 곧 종말을 고하고 수소가 새로운 에너지 체계로 주목 받을 것이라고 예견했다.

파리기후변화 협정(2015) 이후 환경 규제 및 정책이 강화되고 있어 무공해자동차인 수소차와 전기차 시장은 계속해서 성장할 것으로 전망된다. 수소차와 전기차는 미래 자동차 시장에서 현재 내연기관의 가솔린-디젤 기술과 유사하게 공존할 것으로 예상된다. 배터리 전기차는 단거리 운행과 승용차 개발에 유리하며, 수소전기차는 장거리 운행과 상용차 개발에 유리하다고 볼 수 있다.

수소차 기술과 전기차 기술은 상호 단점 보완이 가능하기 때문에 하나의 기술만 존재할 것이라는 단편적인 접근은 무의미하다고 판단된다. 국제에너지기구, 맥킨지, 블룸버그, 마켓앤마켓 등은 2030년 이후에도 수소전기차와 전기차는 공존할 것으로 전망하고 있다.

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