▲현대 수소전기차 넥쏘 ⓒ현대자동차
▲현대 수소전기차 넥쏘 ⓒ현대자동차

- 정부의 '수소경제 활성화 로드맵 발표'...수소전기차, 수소연료전지 스택의 수소경제 선도

- 고비용 인프라, 비싼 수소 생산단가, 전기차 이행 추세 등 장애요소  

- 전기차와 수소전기차의 양립 필요

[SR(에스알)타임스 심우진 기자] 정부는 지난 17일 울산시청에서 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했다. 

‘수소전기차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계 구축을 위해 수소전기차 누적 생산량을 2018년 2천 대에서 2040년 620만 대(내수 290만 대, 수출 330만 대)로 확대하여 세계시장 점유율 1위 달성한다는 목표가 주요 골자였다. 

국내에서는 당장 올해 4천 대 이상 수소차를 신규 보급할 방침이다. 현재 전국 14곳인 수소충전소를 2022년까지 310곳으로 늘리고 2040년에는1,200곳으로 확충한다는 계획도 발표했다. 

수소 대중교통도 확대한다. 2040년까지 수소택시 8만 대, 수소버스 4만 대, 수소트럭 3만 대를 보급한다.

다음날인 18일 문재인 대통령은 울산에서 “2030년 수소전기차와 연료전지에서 모두 세계시장 점유율 1위가 우리의 목표”라며, “임기 안에 수소 충전소 310곳을 설치해 수소전기차를 편안하게 탈 수 있게 하겠다”고 전날 정부가 발표한 수소경제 활성화 로드맵 내용을 다시 한번 강조했다.

세계 최초의 수소전기차 양산 성공 등 세계적인 기술을 보유했고 수소 생산능력도 충분하므로 미래의 확고한 성장동력으로 삼자는 것이다. 

같은 날 산업부는 자동차 부품산업의 유동성 위기극복 위해 3조5천억 원을 뒷받침하고 2022년까지 수소전기차 국내 생산 비중 현재 1.5%에서 10%로 대폭 늘려 미래차 생태계 구축할 계획이라고 발표하였다. 

이처럼 정부가 자신 있게 추진하고 있는 수소경제와 수소전기차는 미래성장산업이 될 만한 매력이 있는 것일까?

 

■ 수소는 위험하다? 수소에 대한 오해

수소란 무엇인지 간단히 짚고 넘어가자. 전 우주에 존재하는 원소의 90%이상이 수소다. 우리 몸의 일부도 수소로 구성되어 있다. 굉장히 흔한 물질 같지만 그것은 어디까지나 물과 같은 화합물 속 원소형태일때 뿐이며, 기체상태로는 저장하기도 힘들고 다루기 쉽지않은 물질이다. 

수소는 밀도가 매우 낮아 지구상에서는 자연적으로 존재하기 힘들고 누출이 되더라도 대기중으로 빠르게 퍼진다. 불이 붙어도 그 특성 때문에 순식간에 소화된다. 오히려 확산이 상대적으로 느린 도시가스보다 화재폭발 위험성은 적다. 

수소가스는 불이 잘 붙는 가연성ㆍ폭발성 기체이다. 역사적으로는 수소폭발로 인해 많은 인명이 사망한 사건이 있었다. 1937년 나치독일의 선전용 초대형 비행선 힌덴부르크호가 헬륨가스 대신 수소가스를 가득 채우고 비행하던 중  정전기 스파크로 인해 폭발한 사건이다. 이 사고로 지상인원을 포함해 36명이 사망했다.

▲1937년 독일의 초대형비행선 힌덴부르크호의 사고사진. 이 사고로 지상인원 포함 36명이 사망했다. (사진=Murray Becker, AP)
▲1937년 독일의 초대형비행선 힌덴부르크호의 사고사진. 이 사고로 지상인원 포함 36명이 사망했다. (사진=Murray Becker, AP)

하지만 이 사고는 애초에 비행선을 띄우기 위해 헬륨 대신 채워진 대량의 수소가스와 금속성 도료가 문제였을 뿐 현재는 그와 같이 위험하게 수소를 다루거나 저장하는 경우는 없다. 

예를 들어 수소차에 장착되는 수소저장용기는 탄소섬유강화플라스틱으로 만들고 있다. 이 저장용기는 총격, 화염 등은 물론 7,300톤의 하중까지 지탱 가능하다.

▲수소저장장치 이미지 (출처=SAE international)
▲수소저장장치 이미지 (출처=SAE international)

 

■ 수소전기차의 원리와 장점은 무엇인가?

우리가 흔히 말하는 상용화된 수소차의 정식명칭은 수소연료전기자동차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)로 통상 수소전기차로 불리운다. 

수소전기차 역시 일종의 전기차이다. 순수한 전기차와 달리 배터리 대신 ‘수소연료전지 스택(Stack)’을 주 전원장치로 사용한다. 이 수소연료전지 스택이야말로 수소전기차의 핵심부품이며 비단 차가 아니라도 기차, 항공기, 선박, 발전설비 등에 적용할 수 있다.

작동원리는 수소분자 2개와 산소분자 1개를 접촉시켜 합쳐질 때 석유의 연소에너지에 준하는 전기에너지가 방출되는데 이것을 이용해 수소전기차의 모터를 돌리는 것이다.

▲소수전지 스택의 원리 (자료=현대자동차)
▲소수전지 스택의 원리 (자료=현대자동차)

이 과정에서 수소전기차의 친환경적 장점이 나타난다. 기존 내연기관과 달리 매연 등 공해물질은 전혀 배출되지 않고 오직 순수한 물만 생성하는 것이다.

여기에 더해 수소차는 달리는 공기청정기 역할도 해낸다. 수소연료전지 스택이 안정적으로 작동하기 위해서는 깨끗한 산소가 필요하다. 그렇기 때문에 수소전기차는 외부 공기를 정화해서 수소연료전지 스택에서 이용하고 깨끗한 공기를 배출한다

현대자동차의 발표자료에 따르면 수소전기자동차 넥쏘의 경우 시간당 26.9kg을 정화한다. 약 42명의 성인이 한시간 동안 깨끗한 공기를 동시에 마실수 있는 양이다.

▲현대 자동차 넥쏘는 5분동안 수소연료를 충전하고 약 600km 이상을 달릴 수 있다.   ⓒ현대자동차
▲현대 자동차 넥쏘는 5분동안 수소연료를 충전하고 약 600km 이상을 달릴 수 있다.   ⓒ현대자동차

또 다른 장점은 짧은 연료충전시간이다. 수소전기차인 넥쏘의 경우 내연기관차와 비슷한 5분 이내에 수소충전이 완료된다. 이와 비교할때 전기자동차의 경우 충전시간이 평균 30분 이상 소요된다.

주행거리도 수소전기차는 1kg당 100km의 효율을 보인다. 넥쏘는 1회 충전 6.33kg로 약 609km를 주행 할 수 있다.

이에 반해 가장 진보한 전기차인 테슬라 모델3는 20분 간 급속충전하여 350km를 달릴 수 있다. 전기차는 에너지 저장밀도가 낮은 배터리 때문에 이동거리가 수소전기차나 내연기관차에 비해 아직은 짧다. 겨울철 배터리 효율도 낮고 냉난방을 할 경우 주행거리는 더욱 짧아진다. 

전기차는 배터리 덕분에 차량 중심이 낮아 전복사고 위험이 적다고 하지만 역으로 그만큼 차체가 무거워져 비효율적이다. 전기차는 사용 후 폐기되는 대량의 배터리에 의한 환경문제도 생각해봐야 한다.

반면 수소전기차는 크고 무거운 배터리가 필요 없기 때문에 차량의 경량화와 고효율화에 상대적으로 유리하다. 대형버스나 트럭 등 대용량의 수소저장용기를 장착할 수 있는 대형차량 개발에 유리하다.

 

■ 수소전기차의 치명적 단점은 경제성 

이처럼 궁극의 친환경차로 불리우는 수소전기차의 장점은 뛰어나다. 현재는 양산형 수소전기차를 개발하여 상용화하는 단계까지 발전했다. 하지만 아직 풀기 어려운 문제점들은 남아 있다.

 

첫째, 수소는 화학적으로 이상기체(ideal gas)에 가깝기 때문에 원자나 분자의 틈으로 스며 든다. 이러한 특성 때문에 수소를 가둬 둘 수 있는 소재 문제로 수소전기차의 부품 개발이 계속 지연되어 왔던 것이다.

수소는 특성상 금속 등의 소재에 흡수되어 금속 격자를 변화시켜 결정을 약하게 하는 수소취화(hydrogen  embrittlement) 문제를 안고 있다. 결국 수소는 금속 부품의 수명을 줄어들게 하고 충격에 취약하게 만든다. 그렇다고 모든 부품을 금속소재 대신 탄소섬유 강화플라스틱 등으로 대체하기는 힘들다. 

이 때문에 수소차를 오프로드 환경에서 달리게 할 경우 아무래도 기존 내연기관 차량에 비해  고장날 확률이 높다. 물론 소재기술의 발전을 통해 미래에는 극복이 가능 할 수 있는 부분이다.

 

둘째, 수소전기차 상용화의 문제점으로 가장 크게 부각되는 것은 인프라구축이다. 

현재 전국에는 수소충전소가 12곳 밖에 없다. 서울에만 국한한다면 서울 상암동과 양재동 충전소 딱 두 곳 뿐이다. 정부가 제시한 전국 310곳 충전소의 건설목표까지는 아직 갈 길이 멀다.

정부가 수소충전소 건설에 규제 샌드박스를 적용한다고는 하지만 아직까지는 기피시설 이미지를 벗어던지기 힘들다. 건설지역의 주민반대 등으로 일반 주유소처럼 도심 여기저기에 건설하기에는 현실적 어려움이 있다.

전기충전소가 약 5천만 원~1억 원 정도 드는 것에 비해 수소충전소 건설비용에는 무려 25~30억 원이 투자되어야 한다. 우여곡절 끝에 수소충전소를 지어 놓는다 해도 수소전기차의 보급률이 낮다 보니 업주입장에서는 당장 수지타산이 안맞는다. 때문에 수소충전소는 보조금 등 정부 지원정책에 기댈 수 밖에 없다. 

여기에 덧붙여 수소가 금속을 약하게 만드는 수소취화 특성도 고려해야한다.  유류만을 저장하는 주유소와 달리 수소저장시설 및 장비의 주기적 교체비용이나 유지보수비용이 발생할 수 있기 때문이다.

▲경기도 부천시 주택가 주차장에 설치되어있는 전기차 충전장비. 전기차의 경우는 이런 충전시설을 전국 어디에서나 설치 가능하다. (사진=심우진 기자)
▲경기도 부천시 주택가 주차장에 설치되어있는 전기차 충전장비. 전기차의 경우는 이런 충전시설을 전국 어디에서나 설치 가능하다. (사진=심우진 기자)

 

셋째, 무엇보다 세계 자동차 시장의 대세는 수소자동차보다는 전기차로 이행하고 있다는 점이다.

전기차가 무선자동충전 기술과 자율주행 기술을 이용한 공유차 시스템의 적용에 휠씬 용이하기 때문이다. 수소전기차 역시 자율주행 공유차 시스템에 활용가능하지만 인프라 확충과 로봇 등을 이용한 수소연료 자동충전방식 개발이 선행되어야 한다.

 

넷째, 수소생산 단가가 전기에 비해 비싸다. 

현재는 화석연료인 메탄가스와 기화된 물을 반응시켜 수소로 만들어내는 것이 가장 값싼 방법이다. 결국 화석연료를 사용해 이산화탄소를 배출하며 수소를 생산해야 저렴한 생산단가를 맞출 수 있다. 이렇게 따지고 보면 완벽한 친환경에너지라고 보기에는 아직 무리가 있다.

석유정제 분해과정에서 생산되는 부생수소를 사용하자는 의견도 있지만 현재로써는 대량으로 소비할 만큼의 양은 못된다. 현재 한국에서 부생수소 연간 판매량은 약 26만 톤으로 이중 3분의 1을 수소자동차에 전용한다고 해도 연간 43만대 정도를 운행할 정도의 양 밖에는 안된다.  물을 전기분해해서 수소를 만드는 방법이 있지만 생산단가가 비싼 편에 속해 심야전기 등 유휴전력을 제한적으로 이용할 수 있을 뿐이다.

또한 수소는 특성상 수송비용도 높고 저장과정에서 손실량도 많다. 한마디로 인프라 투자비용이 매우 높다. 이것이 수소생산 유통단가에 큰 영향을 미친다.

우리나라에서 판매되고 있는 수소 충전 가격은 정부보조금이 포함되어 사실상 공시단가는 정해져있지 않지만 민자운영 충전소를 기준으로는 1kg당 5,500원~8,200원 수준이다. 현대차 넥쏘는 한 번에 6.33kg을 충전할 수 있어 1kg 당 8,000원으로 봤을 때 약 5만원 정도가 든다. 휘발유 연비로는 8~10만원 정도이기에 저렴하게 느껴지지만 전기차에 비하면 비싸다.

참고로 현대 수소전기차 넥쏘의 연료비는 km당 73원이고 테슬라의 모델3 전기차는 km당 25원이다.

이에 대해 정부는 수전해, 해외생산·수입 등 그린수소를 확대해 수소 생산량을 2018년 13만톤에서 2040년 526만톤으로 늘린다는 계획이다. 이를 통해 대량의 안정적 수소 공급으로 가격을 1kg당 3,000원 이하로 낮춘다는 계획을 발표했다.

 

다섯째,  수소연료전지 스택에 필수적으로 필요한 촉매재료인 백금, 세륨이 희귀금속이기에 가격이 너무 비싸다. 이 때문에 현대모비스에서 생산하는 연료전지 스택의 가격은 약 3천8백만원이다.

미국에너지부(DOE)의 분석에 따르면 내연기관과 경쟁할 수 있는 수소전기자동차의 시스템 가격은 1kw당 30달러로 보고 있다. 현재 혼다가 백금 사용량을 11g 이하로 감소시켜 1kw당 30달러대 진입은 기술적으로 가능해진 상황이다. 

하지만 백금은 연간 약 500만 온스(약 142톤) 정도 밖에 채굴되지 않는다. 금이 연간 약 8,200만 온스 (약 2,325톤) 채굴되는 것과 비교하면 정말 적은 양이라고 할 수 있다. 이를 대체할 촉매재료의 개발 없이는 수소연료전지 스택이 들어간 수소전기차의 대량보급은 어렵다.

 

■ 그럼에도 수소전기차를 선택하는 이유

결과적으로 수소전기차는 그 자체만으로는 주행거리와 충전시간 등에서 큰 우위를 점하고 있지만 내연기관차와 전기차가 갖는 여러가지 편의성에 미치지 못한다. 운용에 있어 매우 불편하고 유지비용도 많이 든다.

당장은 전세계적으로 만들기 쉬운 전기자동차의 보급과 사용이 수소전기차를 훨씬 앞지르고 있다. 수소전기차를 상용차로 생산하는 회사는 전세계에서 현대자동차, 도요타, 혼다 뿐이다.

 

▲친환경차의 종류와 내부구조 ⓒ 현대자동차
▲친환경차의 종류와 내부구조 ⓒ 현대자동차

전기차는 부품수가 8천 개에서 1만 개 수준으로 내연기관 자동차에 비해 거의 40% 정도 부품이 줄어들고 단순화된 내부구조로 모듈화 되어 있다. 그런 만큼 낮은 기술수준에서도 제작 · 생산이 가능하다. 이는 기술적 진입장벽이 낮다는 것이며, 너도 나도 생산판매 경쟁에 뛰어들 수 있음을 의미한다.  필연적으로 제품 부가가치는 크게 떨어질 수 밖에 없다.

전기차는 부품수가 줄어드는 만큼 고용, 생산 등 산업 파급 효과면에서는 그리 좋지 못하다고 볼 수 있다. 내연기관차에서는 필수적이었던 엔진, 트랜스미션, 소모성 부품, 각종 오일  등 유지보수가 필요한 기관과 부품들이 사라짐에 따라 부품생산이 줄어들게 된다. 

이에 따라 기존의 내연기관 자동차 부품생산업체나 정비와 관련된 산업 역시 규모가 축소될 가능성이 높다. 5G 모빌리티 도입이 가져오는 신규 고용창출은 별개의 문제다. 기존 산업에서 밀려난 노동자들의 일자리를 흡수해주는 역할을 하지는 못하기 때문이다.

전기차의 기술핵심은 제품원가의 40%를 차지하는 배터리이다. 기존 완성차 업체가 전기차를 양산하게 되면 삼성, 엘지 등 배터리 제조생산에 우위를 점하고 있는 회사들에 대한 의존도가 높아져 자동차 산업내의 입지가 좁아질 수 밖에 없다.

이에 비해 수소전기차는 부품수가 2만 개에서 3만 개에 이르며, 기존 내연기관차의 생산라인과 자동차 프레임을 그대로 활용해 내연기관엔진과 트랜스미션 등이 들어갈 자리에 수소연료전지 스택, 수소연료통을 설계만 변경해 그대로 이식하면 된다.

▲지난 18일 문재인 대통령이 울산을 방문해 수소전기차 전시물을 관람하고 있다. (사진=방송화면 캡처)
▲지난 18일 문재인 대통령이 울산을 방문해 수소전기차 전시물을 관람하고 있다. (사진=방송화면 캡처)

더욱 중요한 것은 수소자동차 생산이 국내 고용창출에 효과적인 방안이 될 수 있다는 점이다. 

국내 제조 생산의 활성화를 통한 고용촉진이 절박한 상황에서 정부는 수소경제 활성화 로드맵을 통해 2040년에는 연간 43조원의 부가가치와 42만개의 신규 일자리가 확보될 것이라고 전망하고 있다.

일본 도요타는 지난해 2020년까지 수소전기차 공급능력을 현재의 3천대에서 연간 3만대로 확충한다고 발표했다. 독일의 벤츠, BMW, 아우디 역시 2020년 내외로 수소전기차 발매를 계획하고 있다. 

아울러 현대차는 지난해 12월 ‘수소전기차 비전 2030’을 통해 2030년까지 7조6천억원을 투자해 연간 50만대의 수소전기차 생산체재를 구축하고 약 5만1천 명의 신규 고용을 창출 할 것을 발표했다.

현대차는 2030년 전세계 수소전기차 수요를 400만 대로 예상하고 있으며, 그중 4분의 1인 50만 대를 현대차가 생산한다는 것으로 사실상 세계 시장점유율 1위를 노리고  있는 것이다. 

 

이런 완성 자동차업계의 움직임이 있는 가운데 단기적인 관점에서는 경제성과 생산성에서 우위를 점하고 있는 전기차가 수소전기차에 우선하여 시장을 선점할 가능성이 크다.

수소전기차의 경우는 생산과 보급에 있어서 당면한 기술보완과 규모의 경제, 인프라확충이 급선무이지만 단기간에 해결될 것으로는 보이지 않는다. 하지만 장기적인 관점에서의 수소사회와 수소전기차의 보급은 긍정적으로 검토될 수 있다.

일본의 경우는 도심에서는 전기차, 도심과 외곽은 하이브리드자동차, 장거리는 수소전기차라는 방식의 혼용된 친환경자동차 계획을 세우고 있다.

전기차와 수소전기차의 경우는 누가 시장의 패자가 될 것인가보다는 어떻게 양립시켜 효과적인 친환경자동차 산업을 육성 발전시켜야 할 것인지에 주목해야 한다.

정부 또한 수소경제와 수소전기차를 차세대 국가성장엔진으로 판단했다면 비현실적이거나 근시안적 모양새는 실증적 연구와 논의를 거쳐 덜어내야한다. 이상보다는 현실에 적용가능한 장기적인 관점의 친환경에너지사업과 자동차 산업을 지원하고 이끌어가는 것이 옳다고 본다.

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