미래 모빌리티(8)
수소 자동차
수소자동차 넥소
처음 현대에서 생산한 수소자동차는 투산 수소차였다. 2013년 투산의 파생차량으로 비록 700여 대의 소량생산이었지만 세계최초였고, 대량생산 전 시범용 차량으로서의 역할을 충실히 다했다.
박근혜 대통령이 프랑스를 방문했을 때 투산 수소차가 공기 중에 산소를 취득하는 과정에서 먼지를 제거하는 공기필터로서의 역할에 대해 시범보일 때 흡기부에 먼지가 가득한 공기가 시동을 켜니 깨끗하게 제거되는 모습에서 느꼈던 뿌듯함도 기억이 난다.
미국에서 중고차 조사를 갔을 때 이차량으로 48만 km까지 주행한 차량이 있음을 보고 내구력에 매우 놀랐었다. 본격적인 양산차량은 2018년 평창올림픽과 더불어 자율주행을 선보이며 나온 '넥소'차량이었다. 이 차량은 무공해 차량으로서 미국지역등 세계 주요 수출지역에서 환경규제를 맞추는데 큰 기여를 하여, 현대가 다른 내연기관 차량을 환경부담금 없이 팔 수 있는데 큰 기여를 하였다. (기업별 전체 판매차량 전체를 두고 Co2 배출량을 계산하는데, 수소차는 배출이 0으로 계산된다).
이제 25년 8월이면 새로운 세대의 '넥소'가 출시된다. 간단한 수소자동차에 대해 리뷰해 보고자 한다.
수소는 우주의 90% 이상을 차지하고 있는 물질이고, 물론 지구에도 공기 중에 수소가 있다.
이전에 고압탱크가 폭발하면서 수소가 위험하다고 알고 있지만은 미국 화학공학회의 자료에 따르면 수소 위험도가 1이면, LNG가스가 1.03, 가솔린 1.44 보다도 낮고, 또한 점화 온도가 500℃ 라서 자연 발화 가능성이 낮기 때문에 생각보다 위험하지 않다. 수소는 1kg당 약 33 kwh 열량이라서 도시가스 10~13 kwh보다 효율이 좋고, 공기보다 약 1/14 가벼워서 1초에 24m가 날아가기 때문에 누출이 돼도 큰 위험도는 높다. 수소는 기체, 액체 등 다양한 형태로 저장이 가능하며 장시간 저장해도 변질되지 않는다.
수소를 생산할 때 ‘그레이 수소’는 천연가스를 원료에 만들며 이때 이산화탄소가 대기 중에 방출되기 때문에 ‘그레이 수소’라고 한다. 가장 싸게 수소를 만들 수 있지만 친환경연료가 아닌 것이다.
‘블루수소’라고 하면은 천연가스를 원료로 만들지만 생성되는 Co2(이산화탄소)를 공장굴뚝에서 포집해서 별도로 저장하여 대기 중에 나가지 않도록 하는 경우를 ‘블루수소’라고 한다. ‘그린수소’는 태양광, 풍력등 재생에너지로 만든 전기를 이용하여 물을 전기분해해서 Co2발생 없이 수소를 만들 때 ‘그린 수소’라고 한다.
블루수소와 그린수소만을 친환경연료라고 부른다.
현대제철에서 철강제련 할 때 생기는 부생가스에서 이산화탄소를 포집하여 수소를 추출하여 연간 약 4만 톤의 블루수소를 생산하고 있고 이 수소를 수도권 수소충전소에 공급하고 있다.
하지만 현재 우리나라에서 생산되고 있는 수소의 96%는 '그레이 수소'라서 과연 친환경연료인가란 이슈가 있는데, 1kg의 수소를 생산하는데 약 10kg의 이산화탄소를 배출해 사실은 청정에너지라고 할 수가 없다.
'블루수소'가 가장 현실적인 대안으로 “Co2를 포집하여 보관한다”라는 개념이 현재 가장 현실적인 기술이다.
수소는 또한 "운송을 어떻게 할 것인가"도 큰 문제이다.
국내는 아직 규모는 크지 않지만 현대글로비스에서 '하이넷'이라는 네트워크 시스템을 만들어서 운송을 진행을 하고 있지만 소규모 시범사업으로 진행 중일 뿐이다. 수소 기체는 10~450 bar로 압축을 해서 차량으로 충전소에 운송을 하는데, 수소가스를 액화하는 경우는 -253℃도로 낮춰서 한꺼번에 많은 수소를 운송할 수 있지만 저온보관 용기개발과 저온으로 액화를 시키기 위해서 많은 에너지가 필요하며 이때 Co2가 발생할 수도 있어 쉽게 상용화가 되지 못하고 있다.
또 다른 방법으로는 상대적으로 낮은 온도인 - 33℃에서 액화가 되는 수소와 질소의 화학적 결합으로 NH3, 즉 암모니아로 변환시켜 LPG와 비슷하게 수월하게 운송할 수도 있다. 목적지에 도착하면 수소와 질소로 다시 분해를 해서 1kg당 0.13kg의 수소를 생산할 수 있지만 암모니아의 독성으로 쉽게 취급할 수 없다는 게 문제이다. '25년 현재 우리나라에는 약 405기의 수소 충전소 (승용차에 충전가능한 곳은 현대차앱에 219기가 등재됨)가 있고, 연말까지 450기 구축예정으로 충전인프라가 세계에서 가장 잘된 나라 중에 하나이다. 국내에는 약 3만 9313대(승용 3만 7167대, 버스 2107대: 25.6. 기준)가 운행되고 있다.
수소 저장탱크는 폴리이미드라는 나일론 소재를 만드는데 약 700 bar로 고압으로 보관을 하는데 처음개발 초기에는 이 정도 고압으로 연료를 넣고 빼고 할 수 있는 시험장비가 없어 캐나다에 가서 시험을 진행하기도 하였다.
연료 전지가 처음 만들어진 거는 1939년 영국의 런던 로열대에서 윌리엄 로버트 그로브 교수가 고안하였지만 실용성이 떨어져서 상용화되지 못하다가 최근에야 효율성과 원가를 낮추면서 각광을 받게 되었다.
수소를 이용한 연료전지는 달에 간 아폴로 11호의 우주 에너지원이기도 했다. 수소, 산소, 물 그리고 수소연료 전지를 가져가서 수소와 산소를 연료전지에 넣어 전기를 생산하여 우주선에서 사용하고, 이때 생산되는 물은 우주인들이 먹게 되는 것이다. 우주선에서 소변 등으로 회수된 물은 태양전지에서 발생하는 전기를 통하여 다시 전기분해하여 수소와 산소를 생산하여 보관하여 순환하여 재사용하는 방식이었다.
수소자동차는 수소연료전지를 사용하는데 이를 3차 전지라고 부른다. 1차 전지는 한 번 쓰고 버리는 건전지 형태의 전지, 2차 전지는 충전 방전을 반복하여 사용하는 전기자동차 배터리 형태의 전지가 되겠고, 3차 전지는 연료를 넣어서 전기를 생산하는 전지 즉 수소를 넣어 전기를 생산하는 수소연료전지를 의미한다.
현대는 수소자동차의 엔진인 스택효율이 가장 좋으며 이 분야 '글로벌 리더'로 세계에서 가장 먼저 수소자동차를 양산하였으며, 이후 수소트럭 등으로 세계최초로 적용을 확장시켜 나가고 있다.
수소자동차의 원리는 수소를 연료로 저장하였다가 공기 중에 산소와 반응하여 전기를 발생시키며, 이 전기로 모터를 구동시키는 "FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), 연료전지전기자동차"이다.
현재 판매되고 있는 2세대 수소자동차인 넥소는 156.6ℓ의 수소탱크를 갖고 있어서 6.33kg에 수소를 보관하여 609km를 갈 수 있는데, 충전에는 5분밖에 안 걸리고 배기가스 제로이며, 수소와 반응하려면 산소가 필요하므로 대기 중 공기를 포집하여 먼지를 필터링하므로, 사실상 달리는 공기 정화 시스템이라고 말할 수 있다.
중소형 트럭은 배터리를 사용하는 전기자동차로 구동을 할 수 있지만 300km 이상의 장거리용 버스나 대형트럭의 경우에는 배터리 무게가 너무 무거워지기 때문에 사실상 수소자동차가 유일한 대안으로 제시되고 있다.
현대자동차에서는 20년 7월 6일 엑시언트 수소전기 트럭을 현대에서 10대 스위스에 수출을 시작으로 세계 최초로 양산을 했다. 이때는 총중량 34톤의 카고 트럭인데 1회 충전으로 400km를 갈 수 있고 충전에는 8 ~ 20분이 소요되었습니다. 캡과 화물 적재 공간 사이에 7개 탱크로 32kg의 수소를 탑재할 수 있었다.
알프스의 추운 날씨에 전기자동차처럼 난방전력 때문에 주행거리가 줄어드는 우려가 없고, 새벽이나 야간 발송에 자동차 소음발생이 거의 없는 데다가, 충전 시간이 기존의 디젤보다 약간 길 뿐이었기 때문에 친환경차량으로 고속도로 비용이 면제되는 장점까지 더해져 현재까지 47대가 스위스에 수출이 되었다.
다소 아쉬운 부분은 원래목표는 25년까지 1,600대 수출이었으나 스위스의 수소충전소 인프라 구축이 미흡하여 (스위스는 수소를 독일에서 수입한다) 수출해도 수소를 충전할 곳이 없기 때문에 중단된 것이 아쉽다.
수소충전소는 고압저장, 일정한 온도관리등으로 건설비용이 일반주유소 5천만 원~1억 원 보다 20~30억 원으로 매우 비싸다.
최근에는 미국에 진출하려고 캘리포니아 항만 친환경 트럭 도입 프로젝트에 엑시언트 수소 트럭이 30대에 납품이 돼서 현재 실증 사업을 진행하고 있으며, 국내에서도 10톤급 수소트럭을 21년부터 시범 사업으로 5대 투입을 해서 진행하면서 배터리 무게 때문에 전기차량이 어려운 버스나 트럭, 건설기계등 상용차 분야로 진출을 꾀하고 있다. 얼마 전 완공한 HMGMA (Hyundai Motor Group Metaplant America)의 부품수송을 수소트럭을 통해서 진행하겠다는 것이 현대자동차의 큰 계획이다.
우리나라에 수소 버스자동차로 약 1,000대 정도로 전기버스 대비해서는 그리 많지는 않다.
현재의 내연기관 대형 트럭은 전체 차량의 1%이지만 초미세먼지 배출은 전체 차량의 24.3%를 차지하고 있기 때문에 이 상용차를 환경차로 바꾸지 않으면 미세먼지를 줄일 수가 없기 때문에 현대자동차 그룹은 2025년부터 2030년에 수소 전기차를 50만 대 와 연료전지 시스템을 70만 기를 만들겠다고 발표하였고, 2028년부터는 이미 출시된 모델을 포함해서 모든 상용차(버스, 트럭)는 수소연료전지자동차나 전기자동차로 된 것만으로 출시하겠다는 로드맵을 발표하였다.
점차 승용차, 시내버스 및 중. 소형 트럭은 전기차로, 장거리 고속버스, 대형트럭은 수소전기차로 대세가 굳어가는 것 같다.
현대자동차에서는 3세대 수소연료전지 시스템이 개발되고 있으며 현재의 2세대 대비해서 30% 부피가 줄어든 반면에 출력은 2배, 내구성은 2~3배 50만 km 이상의 내구력을 확보하고 가격 또한 50%로 낮추는 목표를 가지고 있으나 아직 개발에는 다소 시간이 필요하다.
이보다 앞서 25.8월에 양산예정인 2.5세대인 '디올뉴넥소'가 새로 나오면서 2018년에 출시된 기존 모델 대비 시스템 효율은 1.3%, 모터 출력은 25% 향상된 수치 0km/h부터 100km/h까지 7.8초의 가속성능을 달성했으며, 단 5분 내외의 짧은 충전시간으로 720km 이상 주행하며, 이전대비 내구력을 향상했다.
양산 후 수소차량보다 수소충전소에 주입기가 고압을 견디지 못하여 잦은 고장으로 충전이 원활하게 이루어지지 않아 고객들이 어려움을 겪었었다. 특히 스위스 수소트럭에는 차량마다 '실시간 모니터링장치'를 달아 차량마다 고장신호가 발생하면 실시간으로 남양연구소로 정보가 날아오도록 설계되어 있어 이를 기반으로 개선을 거듭하여 현재의 기술력을 유지할 수 있었다.
이미 글로벌최고 기술을 가지고 있지만 아직은 충전 인프라부족, 친환경에너지로 변환지연등으로 많은 관심은 받지는 못하지만 미국, 중국, 유럽 등에서 친환경자동차의 선두주자로 현대자동차의 수소자동차가 우뚝 서기를 기원한다.
"좀 달려본 남자는 현대자동차 연구소 엔지니어로 34년 동안 -40℃에서 50℃까지, 미국, 유럽, 남미, 중동, 중국, 러시아등 세계각국의 다양한 주행조건에서 실차개발시험을 진행하였다. 그동안의 시험경험들을 1) 자동차주행시험장, 2) 해외기후환경과 자동차, 3) 해외사회환경과 자동차, 4) 자동차엔지니어, 5) 미래모빌리티로 나누어 연재하고 있다. "
