고효율 친환경 차세대 자동차

전 세계적으로 에너지 경제 구도가 화석에너지로부터 친환경 수소 경제로 전환하는 에너지 패러다임의 대변환이 진행중이다. 석유 대신 수소를 에너지로 달리는 수소연료전지차는 높은 연비와 친환경 특성으로 화석연료 탈피와 기후변화 대응에 효과적인 차세대 대표 자동차이다. 수소연료전지 스택이 자동차엔진으로 적합한 기술적 요인은 다음 2가지로 설명된다.

첫째, 수소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하여 모터를 작동하는 연료전지의 직접 발전은, 기존 내연기관 자동차의 복잡한 다단계 과정(연료와 산소를 연소시키며 발생하는 팽창력을 피스톤에 전달하여 크랭크축을 회전시킴)에 비해 발생 손실을 최소화시켜 자동차의 연비를 극대화시킨다.

둘째, 연료전지 스택은 발전을 통해 생성되는 유일한 배출물이 물 뿐이라 100% 무공해차로 각광받고 있다. 때문에 기존 내연기관 자동차와 달리, 온실가스도 미세먼지도 전혀 생산/배출되지 않아 차량이 밀집된 대도시의 경우 그 환경 개선 효과가 더욱 탁월하다. 최근 디젤게이트 발생으로 클린디젤에 대한 믿음이 바닥으로 떨어진 상태에서, 수소연료전지차는 향후 우리의 자동차 문화에서 배제할 수 없는 ‘친환경’이란 목표를 달성하기 위한 훌륭한 대안으로 부상하고 있다.

수소연료전지차 현황

수송 분야의 연료전지 이용이 시작된 것은 이미 오래 전부터이다. 최근 북미에서는 보조금 없이도 연료전지의 이용이 두드러지고 있으며 상당한 숫자의 연료전지 버스가 세계 여러 도시에 걸쳐 운행 중인 실정이다.

현대자동차는 2011년과 2012년에 걸쳐 수소연료전지차의 실증을 마치고, 2013년부터 수소연료전지차 연간생산 규모 1,000대의 준양상라인을 세계 최초로 구축했다. 이렇게 생산한 투싼ix Fuel Cell은 8,344만원에 판매되고 있다. 유럽 시장에서는 2014년 공공용 및 개인용 수소연료전지차의 제조와 매출에서 대다수를 차지할 정도로 현저한 성과를 보이고 있다. 세계최초 양산 연료전지차인 현대자동차의 ‘투싼 수소연료전지차’는 연료전지, 구동모터, 인버터 등 핵심 부품의 모듈화에 성공하여 기존 가솔린 엔진 크기와 유사한 수준으로 소형화함으로써 생산 효율성 및 정비 편의성을 크게 향상시켰다.

또한 물외에 배기가스 배출이 전혀 없고 영하 20도 이하에서도 시동이 가능하도록 설계되었으며 1회 충전 주행거리는 415km를 달성하였다. 아울러 파열시험, 화염시험, 낙하시험 등 총 14개 항목의 수소저장 탱크 인증시험을 통과하고, 정면/측면/후면 충돌 시험을 비롯해 고전압, 수소 누출 등 총 13개 항목에서 안정성 인증을 받는 등 신뢰성과 안전성을 동시에 확보했다.

투싼 수소연료전지차에 탑재된 파워트레인이 미국 자동차 전문 미디어 Wardsauto가 선정한 ‘2015 10대 최고 엔진’에 선정되며, 무공해, 긴 주행거리, 짧은 충전시간의 세박자를 모두 갖췄을 뿐만 아니라 SUV라는 특성상 넓은 실내공간까지 제공해 동급 최고의 상품성을 구현했다는 극찬을 받기도 했다. 구축한 양산라인을 통해 제작된 첫 15대의 연료전지차는 2013년 6월 덴마크 Copenhagen Municipality로 배송되었다. 이와 더불어 현대자동차는 2012년 12월 Honda, Toyota, Nissan, infrastructure builer, Nordic NGOs와 함께 2014년부터 2017년까지 Scandinavia에서 수소연료전지차와 수소 인프라를 가져오기로 하는 내용의 MOU를 작성하기도 하였다.

2015년 초 토요타는 수소연료전지차 ‘미라이‘를 첫 양산 상용차로 시판을 시작했으며 현재 판매 가격은 57,500 달러이다. 최초 연간 판매 규모를 700대로 계획했으나 판매 실적이 좋아 첫해 판매대수를 총 1,400대로 확대하였으며 현재도 계획 판매량의 대부분이 선계약이 되며 초기 소비자들의 각광을 받고 있다.

토요타 미라이는 3분 이내의 수소연료 충전이 가능하고 무급유로 최대 650km를 주행할 수 있으며 배출가스가 전무하여 자동차 후면부 배기가스 배출라인이 존재하지 않는다. 또한 미라이 모델은 독일 자동차관리센터가 선정한 과거 10년간 가장 혁심적인 자동차 기술 1위로 꼽히기도 했다. 특히 토요타는 2050년까지 기존 내연기관 엔진만으로 구동하는 자동차의 판매를 거의 “0”으로 줄이겠다는 장기 목표를 발표한 바 있어 친환경 자동차 개발에 대한 토요타의 강력한 의지가 확인되었다.

혼다는 1980년대 후반부터 수소연료전지차를 연구·개발해오고 있으며, 2002년 혼다 FCX는 세계 최초로 미국환경보호국과 캘리포니아 대기 자원위원회의 인증을 받아 2008년부터 미국과 일본 내에서 FCX 클라리티의 리스 판매를 시작하였다. 최근 혼다는 양산형 수소연료전지차 클라리티를 2016년 3월, 일본에서 먼저 판매하고 순차적으로 미국과 유럽으로 판매 지역을 넓힐 것으로 보도했다. 2016 혼다 클라리티의 판매 가격은 63,630 달러이다.

이에 앞서 혼다는 2015 도쿄모터쇼에서 클라리티 퓨얼 셀을을 공개했다. 기존 클라리티에 비해 연료전지 스택 사이즈를 33% 줄였음에도 불구하고 100kW 이상의 출력을 실현하는 등 60% 이상 향상된 성능을 보였다. 연료전지 파워트레인은 V6엔진과 같은 컴팩트한 사이즈로 만들었고, 세단형 차로서는 세계최초로 엔진룸에 통합할 수 있도록 설계하여 5인의 편안한 승차가 가능한 공간이 생겼다. 또한 3분 이내 충전이 가능한 70MPa 고압 수소 저장 탱크 하나만으로 최대 700km까지 주행할 수 있어 현존 수소연료전지차 중 무급유 주행거리가 가장 긴 기록을 세웠다.

수소연료전지차 시장 전망

수소연료전지차 시장 전망

수송용 연료전지는 각국의 친환경 자동차 정책에 의해 시장이 형성되는 분야로, 충전 인프라를 포함할 경우 시장에 미치는 파급력이 매우 클 것으로 기대된다. 실제로 미국은 2020년 51mpg(21.7km/l) 및 2025년 56mpg(23.8km/l), 중국은 2020년 14.5km/l로 차량 연비 규제를 강화하고 있고, 유럽은 2015년 130g CO₂/km에서 2025년 95g CO₂/km로 온실가스 배출량 규제를 강화하는 추세이다. 2013년에 발표한 일본 후지경제연구소의 전망에 따르면 향후 2025년 자동차 부문 연료전지는 향후 15년간 그 규모가 9,701배 증가하여 약 29천억 엔 수준의 시장이 형성될 것으로 기대되어, 업무/산업용, 가정용 중심에서 수소연료전지차로 시장의 중심이 이동할 것으로 예상된다.

연료전지 글로벌 시장 전망

김민진

(한국에너지기술연구원 연료전지연구실 책임연구원)