[투데이에너지 김동용 기자] 지난 2015년 12월 제21차 파리 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 신(新)기후변화협약체제인 ‘파리협정(Paris Agreement)’이 채택됐다.
오는 2020년 이후부터 적용될 이 협정에 따라 195개 모든 당사국은 감축목표를 자율적으로 설정하고 지구기온 상승을 2℃보다 더 낮게, 1.5℃ 이하로 제한하기 위한 노력에 합의했다.
모든 당사국이 스스로 결정한 ‘국가별 자발적 온실가스 감축방안(INDC)을 이행하며 5년 주기로 달성여부를 점검받고 더욱 강화된 목표를 제출해야 한다는 점에서 개발도상국만 감축의무 대상이었던 교토의정서와는 차이가 있다.
이 같은 상황을 볼 때 무공해 청정에너지원인 신·재생에너지의 활용은 이제 선택이 아니라 필수가 되는 분위기다. 유럽연합(EU)에서는 오는 2021년부터 자동차를 판매하려면 자동차 한 대의 이산화탄소 배출량을 현행 km당 130g에서 km당 95g 이하로 낮춰야 한다.
만약 배출량을 맞추지 못할 경우 판매는 가능하지만 km당 1g 초과 시 대당 95유로(약 12만 6,700)원의 벌금이 부과된다.
심지어 미국 캘리포니아 주에서는 오는 2021년부터 자동차 전체 판매 대수의 8%를 배출가스가 전혀 없는 전기차(EV : electric vehicle)나 수소연료전지차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle)로 채워야 한다. 어기면 벌금을 내거나 혹은 초과 달성한 타 자동차 업체에서 배출가스 사용권을 구입해야 한다.
‘파리협정’으로 인해 가솔린, 디젤 등 내연기관차의 설 자리가 갈수록 좁아질 수밖에 없음을 예고하는 부분이다. 세계 각국이 온실가스 감축을 강화하면서 협약이 적용되는 2020년 이후를 기점으로 전기차와 수소차를 포함한 친환경자동차(이하 친환경차) 시장이 급격히 커질 것으로 예측하는 가운데 미래 친환경차의 대표주자 자리를 놓고 각축을 벌이는 것이 전기차와 수소차다.
국내 분위기도 이와 다르지 않다.
지난 5월 출범한 새 정부가 오는 2030년까지 신·재생에너지 비율을 20%까지 확대하는 내용을 포함한 신에너지정책을 발표한 뒤 일상생활에서 가장 가깝게 접할 수 있는 교통분야, 즉 친환경차에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 하지만 아직 일반 대중들에게 전기차와 수소차는 그저 단순히 전기와 수소를 이용한 차량이라는 인식이 대부분이다.
이에 본지에서는 19주년 창간특집을 맞아 전기차와 수소차에 대해 좀 더 자세히 살펴봄으로써 미래 친환경차 시장을 전망해보고자 한다.
우선 국내 기준으로 인프라 구축만 보면 전기차가 다소 앞서가는 모양새다. 하지만 궁극의 친환경차에는 수소차가 더 가깝다는 의견이 중론이다.
전기차는 가격, 연료소비효율, 가속력 등의 장점이 있지만 수소차는 연료충전 시간과 주행거리에서 이미 내연기관차와 거의 비슷한 수준까지 왔다는 게 전문가들의 의견이다. 게다가 아직 이견이 있지만 상대적으로 수소차는 완전 무공해차에 가깝다는 의견도 적지 않다.
■구조 및 원리
구조와 원리를 살펴보면 우선 전기차는 쉽게 말해 전기를 동력으로 운행되는 차다.
화석연료(석유) 대신 전기가 저장된 배터리의 힘으로 달린다. 핵심은 엔진 역할인 파워트레인과 전자제어장치(ECU), 그리고 배터리와 모터다. 전기차와 함께 자주 거론되는 하이브리드 전기차(HEV : hybrid electric vehicle)는 내연기관이 비효율적일 때 전기 모터가 보충하는 원리다.
엔진과 모터의 비율에 따라 풀 하이브리드(모터가 구동력을 보조하면서 배터리도 충전), 마일드 하이브리드(모터로만 단독주행은 불가), 플러그인 하이브리드(배터리 전력과 엔진 동시 사용)로 나뉜다. 순수 배터리만 이용해 주행하는 전기차는 BEV(Battery Electric Vehicl)라 한다.
전기차에 쓰이는 배터리는 전해물질에 따라 리튬이온, 리튬폴리머, 니켈·카드뮴, 니켈수소 전지 등으로 나뉜다. 과거엔 니켈수소전지가 주목받았지만 기술의 발전으로 현재는 니켈수소전지에 비해 가볍고 크기가 작은 리튬이온전지나 리튬폴리머전지가 일반화되고 있다.
리튬이온전지는 배터리 내 리튬이 이온화돼 음극에서 양극으로 이동하는 과정에서 잃은 전자가 내부 도선을 통해 흘러 전압을 발생시키는 원리로 작동한다.
여기서 양극은 물질이 환원(산화된 물질을 본래의 상태로 되돌리는 과정)되는 쪽, 음극은 물질이 산화(어떤 원자, 분자, 이온 등이 전자를 잃는 일)되는 쪽을 말하며 앞서 언급한 전해질은 이온의 이동을 자유롭게 해주는 용매다.
전기차는 현재 크게 2가지 방식으로 연구가 이뤄지고 있다. 모터에서 기어를 거쳐 바퀴에 동력이 전달되는 방식과 각각의 바퀴에 모터를 직접 연결하는 방식이다.
어떤 방식을 택하든 가솔린엔진 차량에 비해 부품수를 대폭 줄일 수 있어 경량화가 가능하다. 결국 배터리와 전기모터만으로 움직이는 전기차는 배터리의 수명과 저장능력, 세밀한 제어장치 개발 여부가 경쟁력의 관건이라고 할 수 있다.
수소연료전지차는 사실 전기차의 한 종류다. 크게 보면 전기차로 분류할 수 있지만 에너지원이 수소라는 점이 다르다.
전기차가 배터리에 저장된 힘으로 달린다면 수소연료전지차는 차량 내 고압탱크에 저장된 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 만들어낸 전기로 움직인다.
다시 말해 전기차는 전력을 직접 저장하는 이차전지가 사용되지만 수소차의 전지는 수소를 주입해 충전한다. 수소연료전지차라고 불리는 이유다.
다만 수소연료전지차와 수소연료자동차는 다소 개념이 다르다.
둘 다 수소차로 불리고 있지만 수소연료차는 액화수소 자체를 연료로 삼고 수소연료전지차는 액화수소를 이용해 얻는 전기에너지로 동력을 발생시키기 때문에 엄밀히 얘기하면 다른 개념이다. 본 기사에서 주로 다루게 될 대상은 수소연료전지차다.
수소연료전지의 구조를 살펴보면 음극과 양극이 고분자막으로 분리돼있고 그 사이에 전해질이 채워져 있다. 음극을 채우고 있는 수소가 이온상태가 돼 전자를 잃으면 고분자막을 투과하고 전해질을 건너 양극으로 이동한다.
이에 양극에 있는 산소와 수소이온이 결합해 물로 변환된다. 이 때 전위차를 메우기 위해 음극에서 양극으로 전자들이 이동하면서 전압이 생성된다. 쉽게 말해 물을 전기분해하면 양극에서 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성된다. 이를 반대로 수소를 이용해 물을 만들면 이 과정에서 전기가 생겨나게 된다.
여기서 주목할 점은 수소와 산소를 반응시키기 때문에 수소차에서 나오는 물질은 순수한 물 뿐이라는 것이다.
일각에선 배기가스가 없는 무공해 차량이기 때문에 내연기관차뿐만 아니라 전기차나 하이브리드차를 넘어서는 궁극의 친환경차라고도 주장한다.
하지만 수소 연료를 제작하는 과정에서 온실가스가 발생하기 때문에 100%무공해 차량이라고 할 수는 없다. 다만 내연기관차량에 비해 온실가스 배출량이 저감되는 것은 사실이다.
■역사
전기차를 누가 가장 먼저 발명했는지 정확하게 남겨진 자료는 없다. 실용적인 전기차가 등장한 시기는 19세기 후반으로 알려져 있는 정도다.
유럽에서 사람이 탈 수 있는 전기차가 등장한 건 1832년이었다. 사람들의 관심만큼 흥행하지 못했지만 미국에선 얘기가 달랐다.
1890년 화학자인 윌리엄 모리슨이 6인승 전기차를 처음 선보인 후 1910년대까지 미국에서는 전기차의 흥행이 이어졌다.
이후 1914년 미국 자동차업체 ‘포드’의 창업자 헨리 포드가 전기차를 만들겠다고 선언했지만 결국 사업은 성공하지 못했다. 기존에 출시된 포드의 휘발유차가 흥행하면서 오히려 전기차 사업의 발목을 잡은 것이다.
또한 휘발유차보다 다루기 쉽고 매연을 내뿜지도 않는 전기차의 장점은 19세기 말부터 20세기 초 사이에 짧은 거리를 오가는 용도로는 빛을 발했지만 1920년대부터 미국 내 주요도로의 연결이 상당히 이뤄져 장거리 운행이 취약한 전기차는 점차 설 자리를 잃게 됐다.
게다가 1908년 이후 휘발유차는 대당 약 650달러까지 떨어졌고 1,500달러 이상의 모델이 시판됐던 전기차는 가격 경쟁에서도 밀려나고 말았다.
전기차의 핵심인 배터리의 성능에 비해 가격은 낮아지지 않은 것이다. 결국 1930년대를 전후로 전기차는 자동차 시장에서 사라졌고 실험용 등으로 명맥만 간신히 이어오게 됐다.
세상의 관심이 다시 전기차에 쏠린 것은 1970년대에 들어선 직후다. 경제발전 못지 않게 대기오염이 중요한 사회문제로 대두되고 중동전쟁에 따른 석유 파동으로 인해 내연기관차의 미래를 비관적으로 보는 사람들도 늘어났다. 이에 친환경적이고 석유패권의 영향을 받지 않을 수 있는 전기차가 대안으로 떠올랐다.
이후 21세기에 들어서면서 고유가 흐름이 이어지고 전기, 전자, IT기술이 발달하자 전기차 기업의 선두주자라고 할 수 있는 테슬라를 중심으로 상용화 가능한 전기차의 시판이 이어졌다. 배터리 성능의 한계가 기술력 향상으로 보완돼가고 있었기 때문이다.
전력의 직접 저장·사용과 충전이 가능한 이차전지를 사용하는 전기차와 달리 수소차에 사용되는 연료전지는 처음엔 자동차가 아닌 우주선에 탑재할 용도로 연구됐다. 산소와 수소만만으로 전력을 만들 수 있기 때문이다.
약 160년 전인 1839년 영국의 그로브 경이 실행한 전지실험을 시작으로 1959년 프란시스 베이컨 박사가 알칼리 전해질형 연료전지(AFC)를 발명했다.
본격적인 연구개발이 진행된 건 1990년 이후다. 선진국의 온실가스 삭감목표를 제시한 ‘교토의정서’가 발단이 됐다. 일본은 2008~2012년에 온실가스 배출량을 1990년 기준 6% 삭감해야 했는데 목표를 달성하기 위해서는 획기적인 신기술이 필요했고 이는 수소연료전지 기술 연구·개발로 이어졌다.
수소연료전지를 탑재한 수소차를 세계 최초로 양산에 성공한 건 국내 완성차기업인 현대자동차다. 1998년 수소차 개발에 착수했던 현대차는 2000년 캘리포니아 연료전지 시범사업에 참여하면서 싼타페를 모델로 한 수소차를 처음 선보였으며 세계 최초로 350기압 압축수소탱크 개발했다.
이후 현대차는 2013년 2월부터 수소차인 투싼ix모델을 양산했으며 이후 4월 덴마크 코펜하겐시에 15대, 스웨덴 스코네시에 2대 등 유럽의 정부기관·관공서 등을 중심으로 판매를 시작했다.
■기술 동향 및 시장현황
전기차의 대표주자라고도 불리는 미국의 테슬라는 가격도 저렴하지만 1회 충전으로 300km 이상을 주행, 전기차의 약점인 주행거리를 대폭 개선했다.
테슬라가 처음으로 세상에 내놓은 전기 스포츠카 로드스터는 기존 전기차에 사용되던 중대형 리튬폴리머전지가 아닌 소형 리튬이온전지 수천 개를 연결한 새로운 전지가 탑재됐다.
로드스터는 1회 충전해 395km를 주행할 수 있는 획기적인 성능개선을 보였으며 전기차 주행거리에 대한 우려를 해소하는 데 일조했다.
테슬라는 2012년에는 프리미엄 세단인 모델S를 내놓으면서 폭발적인 반응을 얻었다. 주행거리도 1회 충전에 400km를 돌파했으며 ‘슈퍼차저(테슬라 전용 급속충전기)’ 도입으로 40분이면 80%를 충전할 수 있게 충전속도 또한 획기적으로 끌어올렸다.
이 같은 노력으로 전기차 배터리 문제가 조금씩 해결되면서 테슬라는 전기차의 패러다임까지 바꾸고 있다는 평가다.
대부분 도심에서 단거리 사용을 염두에 둔 소형 전기차에서 장거리 운행용으로 전기차의 가능성이 확대되고 있는 것이다.
뿐만 아니라 테슬라는 전기차의 소프트웨어 개선으로 사용자 경험을 끌어올리는 데 주력하고 있다.
테슬라 전기차는 하드웨어의 성능을 최대한 활용할 수 있게 소프트웨어가 유기적으로 작동한다. 테슬라의 주력 차종인 모델S에 장착된 터치스크린은 차량 전체를 통제하고 조작할 수 있다.
중국은 정부차원에서 전기차 사업을 집중 육성 중이다.
중국 정부는 오는 2020년까지 전기차 500만 대를 보급하겠다고 선언, 충전소 1만2000곳과 충전기 480만대 설치 계획을 발표했다.
중국 자동차 업체 비야디(BYD)는 지난 2015년엔 6만2000대의 전기차를 판매해 테슬라(5만1000대)와 닛산(4만8000대)을 넘어서며 세계 1위 전기차 기업으로 성장한 바 있다. 지난해엔 1회 충전으로 400km를 주행할 수 있는 모델을 공개하기도 했다.
자동차 산업의 강국 독일도 정부의 보조금 지원을 약속하고 2020년까지 전기차 100만 대 보급 계획을 발표했다.
이에 독일 완성차 업체들도 전기차 주행거리 경쟁에 뛰어들었다. 폭스바겐은 지난해 ‘2016 파리모터쇼’에서 1회 충전으로 600km를 달리는 전기차 모델 ‘BUDD-e’를 공개했다.
별도의 주행연장 장치 없이 1회 충전 주행거리가 500km를 넘어서는 건 당시 BUDD-e가 처음이었으며 메르세데스-벤츠도 400km이상 달릴 수 있는 전기차를 내놓았다.
수소차 시장은 최근 차세대 수소차를 최초 공개한 현대차가 특히 눈에 띈다.
현대차는 전기차와 수소차를 모두 연구·개발하는 투트랙 전략을 펼치고 있지만 수소차 분야에 특히 공을 들이고 있는 모양새다. 세계최초로 수소차 양산에 성공한 현대차는 오는 2018년 초에 차세대 수소차를 선보일 예정이다.
차세대 수소차는 수소차의 핵심기술인 수소연료전지시스템의 효율, 성능, 내구, 저장 등 4가지 부분에서 모두 기존 모델인 ‘투싼’ 수소차 대비 획기적인 개선을 이뤄냄으로써 최고 수준의 친환경성과 상품성을 확보한 것으로 알려졌다. '
우선 시스템 효율 60%(기존 55.3%)를 달성했으며 1회 충전 주행가능 거리를 국내 기준 580km 이상의 항속거리로 구현하는 것이 목표다.
또한 연료전지시스템 압력 가변제어 기술 적용으로 최대출력을 기존대비 약 20% 이상 향상, 163마력(PS)을 달성해 동급 내연기관차와 동등한 성능을 확보했다.
뿐만 아니라 수소차 연료전지시스템의 핵심기술인 막전극접합체(MEA)와 금속분리판 기술을 독자 개발하는 등 기술 국산화와 더불어 수소차에 최적화된 핵심부품 일관 생산체계를 통해 가격 경쟁력도 갖추게 됐다.
이외 △내구성능기술 적용(10년 16만km 수준) △냉시동성 개선(영하 30℃) △수소탱크 패키지 최적화(세계 최고 수준의 수소저장 밀도 확보) 등을 갖췄으며 최첨단 미래기술이 적용된 운전자 보조시스템(ADAS)을 탑재해 편의성과 안전성을 높여줄 것으로 기대된다.
■강점 및 약점
전기차와 수소차, 두 친환경차의 장·단점은 확연히 다르다.
우선 전기차는 배터리만 얹으면 되기 때문에 수소차보다 가격이 저렴하다. 상대적으로 충전인프라 구축도 활발하다. 하지만 배터리 용량을 늘릴수록 늘어나는 충전시간과 화석연료를 이용해 전력을 생산하는 부분은 해결과제다.
수소차는 짧은 충전시간과 상대적으로 긴 주행거리가 강점이다. 다만 가격이 비싸다는 약점을 갖고 있다.
■전망
과거에 비해 기술격차가 좁아진 전기차와 수소차 간 경쟁은 결국 판매가격에서 판가름 날 것으로 보인다. 또한 더 많은 업체들이 사업에 뛰어드는 분야가 더 유리할 가능성이 크다. 그만큼 기술개발에 박차를 가할 수 있기 때문이다.
글로벌 시장 판매량은 전기차가 수소차에 압도적인 우위를 점하고 있다. 전기차는 최근까지 100만대가 넘게 팔렸지만 수소차는 수천대 수준에 불과하다. 다만 대표적인 전기차 시장으로 통하는 중국이 최근 수소차를 지원하기 시작하면서 이 같은 판도가 바뀔 수 있다는 분석도 조심스럽게 제기되고 있다.
중국 정부는 지난해 2020년까지 5,000대(수소충전소 100기), 2025년까지 5만대(수소충전소 300기), 2030년까지 100만대(수소충전소 1,000기)의 수소차를 보급해 수소차 분야 세계 1위로 올라설 계획을 밝힌 상태다.
국내 충전 인프라를 살펴보면 수소충전소가 전기차충전소에 비해 상대적으로 부족하다. 지난 4월 기준 국내 전기자동차 급속충전기는 1,300기를 돌파했다.
당시 신규 설치된 급속충전기는 서울 50기, 인천·경기·충청 47기, 경상·강원 29기, 제주·전라 54기다. 기존 충전기를 포함해 전국에 설치된 급속충전기는 서울 192기, 부산 50기, 대구 60기 등 총 1,320기가 됐다. 반면 수소충전소는 환경부에 따르면 지난해 기준 전국 6곳이다. 2020년까지 전국 100기 구축이 목표다. 충전소 수치만 놓고 봤을 때 수소차보다 전기차가 먼저 유리한 고지를 선점한 셈이다.
하지만 정부는 급속히 성장하고 있는 전기차 시장에 대한 지원과 함께 미래 수소차 시장에도 대비할 필요성이 있다는 입장이다.
이에 활발히 검토되고 있는 게 전기차와 수소차를 동시에 충전할 수 있는 ‘수소융복합스테이션’이다.
일부 업체를 제외한 글로벌 자동차 제조사들도 전기차와 수소차 개발을 병행하고 있다. GM과 혼다는 2013년 협력을 시작한 이후 수소차 엔지니어링 팀을 사실상 통합하고 특허도 공유한다. 토요타와 BMW는 2013년 수소차 파트너십을 맺었고 다임러와 포드, 닛산도 수소차 기술을 공유하고 있다.
이에 일각에선 수소차와 전기차가 당분간은 공존하게 될 것이라는 의견이 나온다. 전기차는 수소차에 비해 1회 충전 주행거리가 짧기 때문에 단거리 주행을, 수소차는 장거리 주행에 적합하다는 의견이다. 두 차종이 경쟁관계가 아니라 각자 다른 용도로, 동반자 관계로 발전할 것으로 예상하고 있다.