‘전기차 VS 수소전기차’ 앞으로 향방은 어떻게?

이기암 기자 / 기사승인 : 2019-09-05 18:24:29
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▲ 서대전분기점과 유성분기점사이에 있는 대전 학하수소충전소. 학하충전소의 경우 차량의 접근성이 편리하고 서울, 울산 등 중간에 위치해 있어 타 지자체 수소차량의 이용횟수도 증가하고 있다. ⓒ이기암 기자

 

기획취재 순서

1. 에너지 패러다임의 변화, ‘수소’ 미래의 대체에너지가 될 것인가?
2. 토요타시의 친환경차량보급 정책, ‘사쿠라프로젝트’
3. ‘전기차 VS 수소전기차’ 앞으로 향방은 어떻게?
4. 액체수소 기반의 수소에너지 시대를 준비하고 있는 ‘MetaVista’
5. ‘수소 스마트 시티 계획’을 선포한 고베. 일본의 수소산업 전략은?


전기차와 수소차, 어떤 장단점이 있나?

보통 사람들은 수소차와 전기차가 다르다고 생각하는데, 정확히 말하면 수소차도 수소전기차다. 배터리에 전력을 담아 모터를 움직이는 것이 순수한 배터리 전기차이고, 내연기관과 전기모터를 결합한 것이 하이브리드, 그리고 수소를 연료전지에 공급해 달리는 수소전기차가 우리가 말하는 수소차(FCEV)다. 사람들이 헷갈리지 않고 편하게 알 수 있도록 그냥 수소차와 전기차로 호칭하는 거 같다. 앞서 소개한 파리기후협약에 따라 내연기관차의 세계시장 점유율을 하락시키려면 무엇보다도 수소차와 전기차의 약진이 필요해 보인다. 한때 대세는 전기차라는 말이 들리긴 했지만, 여전히 한국과 일본에서는 수소차 개발에도 본격적으로 뛰어들고 있는 모습이다. 충전만 따져보면 수소연료전지차가 전기차보다 더 편리하다. 수소차는 3~5분 만에 수소를 탱크 가득 채울 수 있다. 반면, 전기차는 이보다 몇 배에서 몇 십 배의 시간이 걸린다. 급속충전기를 사용하면 20~30분 만에 80%까지 채울 수 있긴 하지만, 어느 정도 소모하면 또 다시 충전해야하는 번거로움이 있다. 1가구 시대에 원룸이 많아지면서 주차장이 좁은 우리나라의 특성도 전기차에는 단점이다. 전기차는 충전을 위해서는 고정되거나 독립된 주차공간이 필요하다. 우리나라의 주거환경을 보면 수소차가 더 맞을 수도 있지만, 인프라측면에서는 아직까지는 열악하다. 수소차는 고밀도 에너지 저장으로 전기차의 배터리보다 훨씬 효율이 높다. 학계에서는 기체상태의 수소는 에너지원으로 그다지 가치가 높지는 않다고 한다. 수소 기체의 에너지 밀도는 가솔린의 4분의 1 수준인 리터당 8MJ이며 기체 상태에서의 수소는 액체 상태인 가솔린보다 질량이 적다. 반면 무게로 따지면 수소는 가솔린보다 3배 많은 일을 한다. 따라서 같은 무게의 수소를 액체로 만들어 보관, 사용할 때 더 많은 일을 할 수 있다. 후에 액화수소 저장기술이 완성되면 전기차의 배터리 기술력은 절대 따라올 수 없다고 한다.

전기차와 수소차 비교, 아직은 큰 의미 없다?

전기차의 장점으로는 어느 곳이든 쉽게 충전시설 확장이 가능하고 값이 매우 싸며, 배터리와 모터 외에 추가동력기술이 별로 필요가 없다는 점이다. 하지만 배터리 가격과 배터리 용량에 따른 무게와 충전시간, 배터리 안정성 문제가 있으며, 차량 탑재 전자시설이 많아질수록 전기공급 안정성이 떨어진다는 단점도 있다. 전기차에 사용되는 배터리는 사고 시 전해질 누출로 인한 폭발 위험이 있고, 충전 횟수 당 급격히 떨어지는 성능내구성, 저온에서는 불안정성 등을 노출한다. 또한 후에 수명이 다한 배터리들은 어떻게 처리할 것인지도 문제라고 한다. 많은 사람들이 전기차와 수소차에 대해 장단점을 들어가며 논쟁을 이어가고 있다. 하지만 아직까지는 이 비교 자체는 의미가 없는 듯하다. 앞서 설명했듯이 전기차는 전기차만의 장단점이 있고, 수소차 역시 그러하다. 수소선도도시를 선포한 울산에 왜 전기차공장이 들어설까? 당분간은 전기차와 수소차가 공존할 수 밖에 없고, 사람들은 정부의 이러한 정책에 대해 혼란스러워 할 필요도 없다. 어차피 수소차도 물을 분해해 전기로 달리는 전기차다. 다만 전문가들은 미래에 수소추출기술, 수소생산 등의 발전이 이뤄지면 수소차가 전기차보다는 효율성 측면에서 앞설 확률이 높다고 한다. 전기차는 현재보다도 작은 크기의 밧데리로도 긴 주행거리를 담보할 수 있도록 밧데리의 기술력을 높이는 것이 무엇보다 큰 과제라고 본다.
 

▲ 광주광역시청 주차장의 한쪽라인 전부가 전기차충전장소로 돼 있다. ⓒ이기암 기자


친환경차의 주도권 경쟁은 결국 수소연료전지차?
 

원래 수소차는 크게 수소연료자동차와 수소연료전지자동차 두 가지로 분류됐었다. 수소연료자동차(Hydrogen Fueled Car)는 가솔린 자동차와 비슷한 엔진을 사용하며 수소와 가솔린을 겸용하는 일종의 ‘하이브리드카’이다. 수소연료자동차는 수소를 엔진에서 직접 연소하며 이에 수소 연소엔진이 필요하다. 단점은 연료전지에 비해 낮은 효율이다. 반면, 수소연료전지자동차(Hydrogen Fueled Car)는 연료전지가 엔진을 대체한다. 즉, 차량내부의 연료전지가 만들어내는 전기로 구동하는 것이다. 전기차는 단거리용 운송수단으로 매우 유용할 것으로 보인다. 많은 전문가들은 향후 기술이 발달하면 친환경차의 주도권 경쟁이 하이브리드-->전기차-->수소연료전지차 순으로 진행될 것이라고 전망하고 있다. 내연기관에다 이를 보조하기 위해 모터를 장착한 차가 하이브리드이고, 여기서 한 단계 업그레이드 된 것이 모터를 메인으로 하고 내연기관이 보조 역할을 하는 플러그인하이브리드이다. 내연기관 자체가 없어지고 모터로만 구동하는 것이 순수한 전기차이다. 그리고 이 순수전기차에다 수소를 주입해 전기를 생산해 달리는 것이 수소연료전지차다. 아직까지는 전기차가 좀 더 상용화 돼 있긴 하다. 하지만 기술이 발달하면 전기차보다는 좀 더 효율성이 높아지게 될 수소차가 세계시장을 장악할 수도 있을 거라 본다.

산업통상자원부의 수소산업 계획

수소를 활용하는 제품은 수소전기차나 발전용, 자가용 연료전지 외에도 선박, 열차, 드론 등 광범위하지만, 정부는 시장창출이 가시적으로 가능한 부문을 중심으로 선제적 육성할 계획이라고 밝히고 있다. 산업통상자원부는 현재는 ‘연료전지 발전’과 ‘수소차’의 양대축으로 수소경제를 견인할 것이라고 하면서 발전용과 가정·건물용 연료전지 등 분산형 수소 발전 경제성을 제고하고 중소·중견기업 성장 생태계를 조성하기로 했다. 올해 1월 정부가 발표한 수소경제 활성화 로드맵에 따르면 대규모 석유화학단지가 울산, 여수, 대산에 있어 풍부한 수소생산 능력을 보유하고 있으며 국내 연간 수소생산량은 210만 톤(부생수소 140만 톤)중 수소차에 활용 가능한 수소는 약 10만 톤(연간 50만대 분)이라고 보고 있다. 우리나라는 부생수소의 생산량이 풍부하고 이송비용이 낮아 타 국가 대비 가격이 낮은 편이라고 한다. 또한 발달된 LNG 공급망을 활용할 경우 추가적인 인프라 투자 없이도, 안정적이고 경제적으로 전국단위의 수소생산 및 공급체계 구축이 가능하다고 한다. 2018년 약 1800대였던 수소전기차의 시장규모를 2022년엔 8만1000대, 2040년에는 620만대 이상 규모로 확대시킬 계획이다. 또 수소충전소도 2022년엔 310개소, 2040년에는 1200개소까지 확대하기로 했다. 초기에는 도심지나 고속도로 휴게소 등 교통망 거점 및 버스와 택시 차고지 등에 수소충전소를 구축하고, 충전소 유형별로 차등화되는 설치보조금과 함께 운영보조금을 지급하는 등 구축 및 운영을 일정정도 정부가 부담하게 된다. 정부는 수소전기차 보급이 충분히 보급되면, 정부주도에서 민간주도로 전환해 시장자율형 충전소를 확대하고, LPG·CNG 충전소를 수소충전이 가능한 융복합 충전소로 전환해 나갈 계획이라고 밝혔다.
 

▲ 울산시는 지난 8월 13일 송철호 시장, 관련기관 및 기업 대표 등 20여 명이 참석한 가운데 ‘배관에 의한 수소충전소 수소공급 및 안전관리 강화 사업 업무협약’을 체결했다. ⓒ이기암 기자


부생수소가 향후 수소추출방식의 메이저가 될까?
 

현재 수소전기차와 연료전지 등 수소 활용산업에서 창출되는 수소수요는 연간 13만 톤 정도지만, 정부 로드맵대로 수소 활용산업이 성장할 경우, 2022년에는 연간 47만톤, 2030년에는 194만 톤, 2040년엔 526만 톤까지 확대될 것으로 보고 있다. 수소수요가 이처럼 확대된다면, 수소생산단가가 가장 저렴한 생산방식부터 수요를 충족시키기 위한 공급이 이뤄진다. 현재는 수소전기차에는 석유화학 공정과정의 부생수소가, 연료전지는 주로 천연가스 추출수소가 공급되고 있다. 수소수요가 충분하지 않은 초기에는 천연가스 추출수소를 핵심 공급원으로 LNG 공급망, 수요처 인근 등에 규모별 수소생산기지를 구축해 나갈 계획이다. 수소수요가 확대될 경우에는 재생에너지 잉여전력을 활용한 친환경 수소생산이 확대될 수 있다. 이에 대비하기 위해 2022년까지 대규모 재생에너지 연계 수전해(P2G)연구개발 및 실증이 추진될 예정이며 해상풍력, 태양광 등 대규모 재생에너지 발전단지와 연계한 수소 생산도 추진될 계획이다. 정부는 2030년부터는 해외 재생에너지, 갈탄 등을 활용해 생산된 친환경 수소를 수입해 부족분을 보충함으로써 2040년에는 전체 수소수요량의 70%를 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 수소로 공급할 계획이다. 정부의 생각은 수소수요가 확대되기 전까지는 부생수소와 천연가스 추출수소 위주로 하는 수소생산방식을 택한 거 같다. 그리고 2030년이 돼서야 해외 재생에너지와 친환경 수소를 수입해 보충한다고 한다. 이처럼 부생수소위주의 정책에 대해 지난 5월 열린 수소토론회에서 임한권 울산과학기술원 교수는 부생수소가 향후 메이저가 될 것은 생각해봐야 할 문제라고 한다. 임 교수는 향후 증가할 수소 수요에 대응하기 위해 선박을 이용한 수소이송을 고려할 필요가 있으며 울산시에 최적화된 수소이송, 저장방식을 찾는 것이 우선적으로 진행돼야 할 과제라고 한다. 정상열 효성중공업 팀장도 우리나라는 아직까지는 부생수소 위주로 수소공급을 하고 있지만, 향후엔 어떤 방식의 수소추출이 효율적인지는 물음표이며 기술이 발달하면 부생수소를 기반으로 하는 수소충전소가 경쟁력이 있을지도 의문이라고 한다.이와 관련 일본은 몇 년 전부터 호주의 갈탄을 이용한 친환경 수소생산에 관심을 두고 있다. 일본은 호주에 풍부하게 매장 돼 있는 갈탄으로부터 수소를 생산, 저장, 운송까지 한 번에 가능한 액화수소 공급망 구축 프로젝트를 추진하고 있으며, 이 프로젝트는 일본 이와타니산업, 가와사키중공업, 셸 재팬, 호주 J파워의 4개사가 2030년 상용화를 목표로 진행중에 있는 것이다.

대량저장 및 운송에는 액화수소, 액상수소로 가야

수소의 운송방법에는 실린더 및 트럭, 파이프라인 등이 있는데 실린더는 소량의 수소(0.5~50kg)을 응축기체로 실린더에 담아 소규모 단위로 공급하는 것으로 운송이 용이하다. 파이프라인은 수소생산시설과 인접하고, 파이프라인 연결비용이 사용량 대비 효율성이 있을 때 사용하는 방법이다. 수소충전소에 수소를 공급하는 방식의 형태에 따라 경제성의 차이가 큰데, 현재까지는 부생수소 사용방식 중 튜브트레일러 공급형태가 가장 저렴한 것으로 보고 있다. 현재 500대 정도 운행 중인 중·저기압기체 튜브트레일러나 울산, 여수 등 수요처 인근에 구축된 약 200km 정도의 수소 파이프라인으로는 앞으로 증가하게 될 수소물류를 수용하기 어려울 수 있다. 이에 대응하기 위해 중소규모 도시 버스차고지 수소충전소의 하루 소비량(1톤)을 한 번에 이송할 수 있도록 700bar 이상의 고압 튜브가 개발, 활용될 예정이다. 그러나 장기적으로는 저장밀도의 한계를 지닌 압축수소방식을 대신하여, 보다 대량 저장 및 운송을 할 수 있도록 액화수소, 액상수소 및 고체수소 저장·운송기술 개발도 지원해 2030년 이후부터는 액화·액상 탱크로리에 적용, 실제 수소유통에 활용할 계획이다.
 

▲ 수소를 운송중인 튜브트레일러. 현재까지는 부생수소 사용방식 중 튜브트레일러 공급형태가 가장 저렴한 것으로 알려진다. ⓒ이기암 기자


결국 수소보육기업 육성과 수소충전소 보급이 중요 


광주창조경제혁신센터에서는 수소산업을 광주의 미래 특화산업으로 육성하기 위한 수소산업 생태계를 조성, 수소분야 창업을 활성화시키고 관련분야 지역 중소제조기업의 성장을 지원하고 있다. 또한 수소와 관련해 저변을 확대하기 위하여 2015년부터 수소기초교육 등 다양한 활동을 해왔는데, 그중 가장 역점을 두고 있는 분야가 수소창업기업 육성이다. 광주창조경제혁신센터는 전국에서 유일한 수소창업 인큐베이터를 자처하고 있다. 2016년부터 시작한 광주국제수소포럼은 지난 벌써 4회 차에 이르렀고, 아울러 2018년부터 포럼과 동시에 개최하기 시작한 수소산업전도 금년에 2회째를 맞이했다. 또한 지난 6월 서울 동대문디자인플라자에서 열렸던 제1회 대한민국 수소엑스포에도 참가해 센터 수소보육기업의 역량을 과시했다. 이밖에 수소기초교육을 통한 수소산업 생태계 기초 여건을 확보하고 연구개발이 필요한 수소연료전지 소재개발지원을 통한 국내 수소산업기술 개발에도 기여하고 있다. 수소창업기업 육성과 함께 중요한 것은 결국 수소인프라 구축이다. 안병찬 광주창조경제혁신센터 성장지원본부장은 수소경제를 앞당기려면 무엇보다 수소인프라 구축이 중요하며, 그 중 가장 현실적으로 생각해야 할 부분은 ‘수소충전소 보급 확대’라고 말한다. 안 본부장은 현재 정부의 수소충전소 보급계획이 차질 없이 진행된다면 수소차 구매자들 뿐만 아니라 일반 시민들도 수소산업에 대한 인식이 긍정적으로 확산되는 계기가 될 것으로 보고 있다. 정부가 수소로드맵을 발표한지 채 1년도 되지 않았고, 아직은 수소산업 초창기기 때문에 수소충전소의 부족한 인프라를 수소차 구매자들이 너그럽게 봐 줄 수도 있을 것이다. 하지만 2~3년이 지난 후에도 수소차는 점차 늘어나는데, 그에 따른 인프라 구축이 제대로 되지 않는다면, 수소경제에 대해 처음 가졌던 사람들의 기대와 설렘이 실망과 회의로 바뀔 것임을 자명한 일이다. 안 본부장은 “수소경제는 앞으로 20~30년 후를 내다봐야하며, 한 정권에서만 끝나지 않을 거대한 에너지 패러다임의 변화에 관한 것으로 급하게도 천천히도 생각하지 않아야 할 것”이라고 강조했다.

 

▲ 광주창조경제혁신센터의 안병찬 성장지원본부장이 수소연료전지차에 대해 설명하고 있다. ⓒ이기암 기자


※ 이 기사는 지역신문발전기금을 지원받았습니다.

 


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