드뎌, 수소연료전지차 양산

 

 

2월26일자 울산매일의, 현대자동차가 2015년 경에, 수소연료전지차 1,000대/년를 양산한다는  기념식을 가졌다는 기사를 [좋은글감동글]에 올리고 보니, 연료전지차에 대한 관련 기술과 전망이 필요할 것 같아서 여기에 소감을 곁드려 다시 소개한다. 

 

<수소연료전지차 양산기념식: 박맹우 울산시장, 업체관계자등>

 

 

물론, 오래부터 필자가 수차 수소연료전지차를 포함하여,  친환경차 대해 글들도 제법 올린 것으로 기억하지만, 울산매일의 기사대로 양산일정이 명확히 밝혀진 상태에 이기 때문에, 이를 계기로 다시한번 이에 대해 정리를 할 의미가 있다고 생각되었기 때문이다.

 

하지만, 각분야에 전문가, 특히나 관련업체나, 연구기관, 국가기관등에서 오랫동안 제품개발이나, 정책개발등에  참여한 분들의 고견과 다른 의견일 수 있으나, 그런 분들의 고견을 직접 청취하지 못한 관계로 아쉬우나마 필자가  경험하고 생각해온 것에 기반한다는 것을 이해하기 바란다. 

 

수소연료전지차 양산의 의미

 

친환경차는 법적으로 정의가 명확하게 있는 지, 나라마다 정의가 동일한지는 정확히는  알 수 없으나, 일반적으로 [그린디젤차], [하이브리드차], [플러그인하이브리드 차], [순수배터리전기차], [수소연료전지차] 등으로 구분된다.

 

* 각 차량에 대한 상세한 설명은 이전에 올린 글들에 상술하였다.참조바란다.

 

수소연료전지차를 빼고는 모두 연구개발단계를 지나, 소량이나마 양산체제에 접어든 바 있다, 그린디젤차의 경우에는 유럽일원에서 생산량이 증가하고 있다. 얼마전 V/W에서 플러그인 하이브리드 그린디젤차로 1리터의 디젤로 100km이상 가는 차를 시장에 내놓는다는 기사를 읽은 기억이 있을 것이다. 

 < VW의 플러그인 하이브리차, 1디젤1리터로 100km이상 주행>

수소연료전지차 분야에서, 현대자동차는 십수년전부터, 최근까지, 수대에서  수백대의 이른바 시작제품을 개발하여 기술을 축적해온 것으로 알고 있고, 수년전부터는 당사도 주요부품개발에  참여하여 왔다.

 

하지만, 수소연료전지차는 발전기에 해당하는 Stack기술개발의 어려움, 고압수소저장기술의 문제, 여러 핵심부품의 개발, 차량과 부품의 차량운행상태에서의 충분한 내구성과 안전성의 확보, 수소 충진인프라  등과 무엇보다도 가격문제로 언제 양산시기에 접어들련지 오랫동안 관심을 가지고 주목해온 바다. 

 

당연히, 완성차회사는 물론이고, 부품사도, 성장동력으로 수소연료전지차 부품이 얼마만큼의 역활을 할 것인지, 언제 의미 있는 역활이 가능 할 것인지, 성장동력으로 역활 할려면, 얼마나 투자를, 언제까지 해야하고, 수익성은 어찌되는지, 현재의 미래창조의 투자부담이 미래성장동력으로 역활을 톡톡히 할 것인지, 장기간 투자만 하고, 과실은 미미하여  회사의 수익성, 나아가서는 존립에 영향을 안줄런지?...

 

이런 문제 때문에, 장기적인 기술개발에 참여해야할 지 말아야할  지, 참여한다면, 어느 정도 참여해야 할 지, 어느 누구도, 어떤 리포터도 의사결정에 결정적인 자료는 되지 못하고, 될 수 없기 때문에,  관련부품업체는 참으로 어렵고 곤란한 참여범위, 참여품목결정 과정을 거쳐왔다고 볼 수 있다. 

 

수소연료전지차는 다른 친환경차의 경우와 기술적 난이도의 차원이 틀린 것이다, 그린디젤차이나, 하이브리드차, 배터리 전기차등은  이미 대부분 확립된 엔진기술,, 배터리 및 제어기술, 모터 및  제어기술이거나 상호 결합, 또는 융합기술이다, 하지만,

 

수소연료전지차는 앞서 언급한 주요 기술들이 대부분, 새로운 부품이고, 기존의 생산 인프라가 전혀 없어, 새로 개발하고 검증해야 하며, 부품생산 인프라도 새로 구축해야 하는 것이다. 

 

그러므로, 기술적 문제도 문제려니와,  판매가격 즉 판로가 큰 문제로, 가격보조정책이나, 지원 정책, 수소충진인프라,  A/S 인프라, 차량구매자의 선택에 따라,  기업의 영위목적을 한 순간에 무력화 시킬 수 있는 불확실성이 너무 많이 존재한다.

 

참고로, 현재의 소형 SUV(Sports Utility Vehicle)인 투산차량이  약 2,500 만원대인데, 년 1,000대 양산하는 연료전지차량은 약15,000만원(?)으로, 약 6배에 가까운 고가이다. 

 

<현대자동차 투산차체의 수소연료전지차량>

 

하지만, 현대자동차가 년1,000대를 양산하기로 하였다는 것은  기술과 판로가 어느 정도 확보되었다는 것을 뜻하는 것일 것이다.

 

많이 만들수록 단가는 싸지겠지만, 난이도가 높은 기술의 충실한 구현을 위해, 판로의 점진적인 개척을 염두에 두고, 년100,000대 이상을 생산하는 보통의 차량생산 속도의 100분지 1의 속도로 양산을 시작하고자 하는 것일 게다. 여기에 자신이 붙는다면, 년에 10,000대, 년에 50,000식으로 양을 늘려가다 보면 가격도 급격히 싸지고, 인프라도 점차 넓게 확충되고, 어쩌면 친환경산업의 활성화와 맞물리면, 차종과 생산량은 기하급수적으로 늘어날지 모른다. 길거리 나다니는 차량의 대부분이, 우리세대에내에 수소연료전지차가 대치 될날이 올 것이라는 희망이 꿈같은 일만은 아닌 것이다.

 

수소연료전지차란 무엇인가

 

수소연료전지차를 설명하기 위해서는 대부분 잘 아는 기존의 내연기관차량과 비교하여 설명을 하는 것이 이해하기 쉬울 것이다. 기존차량은 내연기관인 엔진이라는 동력발생장치, 연료를 저장하는 연료시스템, 배기가스를 처리하는 배기시스템과  차량를 제어하는 제어시스템, 기타부품계로 구성되어 있다.

(수소연료전지차  구성도: 스택, 수소저장탱크, 리튬이온배터리,

파워드라이버유니드, 구동모터로 구성되어 있다>

 

반면에 수소연료전지차는 동력발생장치인 Stack과 모터와 배터리가 이 엔진계를 대신하고, 수소공급계와 공기공급계가 연료시스템을 대치한다.  배기계는 없어진다. 우리가 보통 트랜스미션이라 부르는 동력변환.전달장치계등은 Stack과 모터와 연계하여 변경된다. 그외 부품계는 대부분 일부 변경이되거나 그대로 사용한다. 이를 테면 차체나 도어계등은  기존과 대부분 동일한 것이 그것이다.

 

Stack은 공기중의 산소와 수소를 반응시키면 물과 전기와 열을 발생시키는 장치이다. 모터는 배터리나 스택으로부터 전기를 받아서 동력을 발생시키는 구동계의 핵심장치이고. 배터리는 모터에 연결하여 모터구동의 동력원으로 하는 전기를 저장하여 모터에 전기를 내보내주거나, 스택에서 발생한 잉여 전기를 저장해두는 장치이다.

 

차량부품이 약 30,000여가지라고 하는데, 그 중 핵심적이고 주요한 부품이 보시다싶이 바뀌거나 소멸한다. 따라서, 연료전지차량의 대량생산은, 산업의 패러다임이 바뀌는 엄청난 변화를 수반할 것이기 때문에, 자동차 및 부품업체의 획기적인 변화가 필연적이다.  그래서, 산업적 측면에서. 연료전지차로의 급격한 변화는 대응과 변화준비가 부족한 기존 부품회사들은 물론이고, 국가적으로도 단기적으로는 바람직한 것은 아닐 수도 있다. 

 

그렇기 때문에, 연료전지차 산업으로의 Soft Landing 이 유도되도록, 정부와 산학연이 긴밀한 정보교류와 장기 전략적 로드맵하에서, 부품산업이 변화를 이루도록 정책적인 리드도 있어야 하는 것이다.

 

순수배터리 전기차와 수소연료전지차

 

그린카 하면, 한 동안 '순수배터리전기차'로 연상할 만큼 회자된 일이 있었다. 회자된 일이 아니라 아직도 회자되고 있다. 그런데 왜 지금은 소식이 뜸한가? 이왕지사 연료전지차 양산 소식이 있으니 차제에, 그 문제도 짚어보자.

 

순수 전기차는 내연기관의 엔진계, 연료계 대신에  배터리와 모터로 구동되는 차량이다. 이에 따라 전기충전장치, 입력전기의 변환과 제어장치(컨버터,인버터), 모터 및 감속장치등의 구동장치등이 새롭게 필요하거나 변경되어 사용되어진다. 전체적으로는 구동 및 제어는 단순해지고 부품이 다소 줄어 들기는 하겠지만, 구동모터계, 배터리등으로 중량에서는 증가하는 경향이 있다.

 

순수배터리 전기자동차의 현재 문제와 한계는 

 

1) 전기를 저장하는 배터리 용량한계가 가장 크다. 이에 따라 1회충전에 주행거리한계

    가 내연기관에  비해서 턱없이 부족하다. 현재 1회충전에 약 100km나 150km정도로 알

    려져 있다. 

2) 그리고  배터리에 전기를 충전하는 시간 소요가 긴 것도 문제다.

3) 또 충전을 쉽게 할 수 있는 충전인프라구축도 예산일이 아니다.

4) 가장 중요할 수도 있는 것은 가격이다. 앞의 한계를 감수하고서라도 사고 싶은 욕망이

    들려면, 구입가격이 싸야 하고 유지비용이 저렴해야한다.

 

현재 내연기관과 경쟁하기 위해서는  동등가 부근에 근접해야만, 앞서의 불리한 여건을 감수하고서라도, 그나마 마음을 내볼 수 있을 것인데, 현재로는 그렇지 못하다.  오직  유지비용중 연료비가 싸다는  점과 오염물질의 배출이 거의 없다는 잇점이 있다.

 

전기자동차는 사용환경상 오염물질배출이 제한되는 공간이거나, 단거리 운행용(주로 세컨드카, 특수목적카, 시내주행용등)로 사용될 수밖에 없는데, 그것도 어느 정도 가격저하가 있어야 가능한 일이다.

 

하지만, 순수배터리전기차가 희망이 없는 것은 아니다. 기술은 급격히 발전하기 때문에, 급속충전, 무선충전 등으로 충전기술이 획기적으로 변하고, 기존의 리튬폴리머나 리튬이온 배터리의 성능이 획기적으로 개선되거나(지금보다 3배이상 축전능력 달성) 아니면 이 대신에,  리튬공기배터리. 리튬아연배터리등 이른바 금속공기배터리 등의 획신적인 기술이 개발될 경우이다. 

 

금속공기배터리는 오래전부터 있어온 기술제안사항인 데,  아직은 산화와 환원메커니즘에서의 문제해결 등, 해결해야할 기술적 난관이 있다고 알려져 있다. 현재 어느정도 기술적 진전이 있는지, 극비리에 개발하는 관계로 그 동향은 자세히 알려지지 않고 있는 데, 향후 10년 전후로 그 베일이 볏겨질 것으로 기대된다.

 

작년에, 도요타가 2015년에 1회충전 600km이상을 달성하는 리튬공기배터리를 장착한 순수전기자동차를 양산한다고 잠시 기사화 된 바 있는 데, 모두들 반신반의 하였다. 나 역시, 현대자동차가 하이브리드  경쟁모델을 내놓으니, 기술교란전략으로 발표한 기사로 추정했다

 

혼수모어(混水摸魚) 전략 !

 

물을 흐려 고기를 잡는다 흙탕물을 일으켜 시야를 흐리게 하라는 계책이다. 삼심육계중 제20계이다. 

 

기술개발의 trend와 촛점을 흐리게 하고, 도요타의 핵심전략을 혼란스럽게 하여 경쟁자가 눈치채지 못하게 하거나 엉뚱한 분야로 촛점을 돌리게 하는 전략,  하지만, 현대는 나름대로 일관성을 유지하며 꾸준히 흔들리지 않고 매진해온 결과 '세계최초'라는 자부심을 표현한 것이다. GM이나 여타 회사들이 수소연료전지차를 1990년대 전에  이미 시험개발을 해놓고, 도요타 전략에 말려(?),우왕좌왕하다가 시기를 놓친점이 크다 하겠다. 

 

하지만, 도요타가 또, 어떤 전략으로, 언제 세상을 놀라게 하는 제품을 세상에 내놓을지?  도요타이기 때문에, 시기는 다소 문제가 있을지라도 충분히 가능한 일이다. 도요타가 오랜 준비 끝에 이번에는 정공법으로 치고 나올 공산이 크다. 친환경차의 기술, 산업분야에 닭쫓던 개 지붕처다보는 사태가 벌어지지 않는다고 장담 못한다. 도요타는 자동차 기술분야에서  그럴 정도로 탁월하다는 선입감과 믿음(?)이 있기 때문이다. 도요타 전략이  순수전기자동차에 촛점이 맞추어 진다면, 순수전기자동차의 바람이 상상이상으로 거세게 불  것이다. 하지만, 그 또한 혼수무어 전략일 수도 있다.

 

순수전기자동차의, 배터리기술이 확립된다하여도, 장기적으로는 배터리에 담을 전기를 발생시키는 동력 Source는 현재의 화력 발전이 아닌 친환경재생에너지가 되어야 문명사적 의미가 있다. 이것은 수소연료전지차의 개념과 유사하다. 짧게보면, 수소연료전지의 에너지 Source인 수소는 전기를 이용해 얻어지는 것 뿐만이 아니라 산업부산물로 얻어지는 경우도 있는 점이 다소 차이가 있기는 하다

 

미래에는 차량의 운행특성상, 지금은 상상하기 힘든 다양한 사용환경조건에 따라 수소연료전지차량, 순수배터리차량 용도구분이 나타날 것이다. 하이브리드차나,그린카, 기존의 내연기관등도 일정한 사용용도가 있을 것이다. 아마, 지금으로부터 10년전후인 2025년 쯤, 늦어도 2030년 이면 의미있는 계기가 오지 않을 까? 아마도 필연적으로 오게 될 것이다,  어쩌면 그전에 그 계기가 올지도 모른다. 아니면, 그 때쯤이면 친환경차량이 대세를 이룰 지도 모를 일이다. 

 

변화가 온다면,  지구환경문제와 석유자원고갈의 두려움, 과학기술의 혁신이 그 변화의 동인이 될 것이다. 제러미리프킨 같은 저명한 교수가 그런 예측을 했다지만, 지구촌 시골 구석의 어느 작은 기업의 일원일 뿐인 내 따위가 감히 예측한다 말은 함부로 사용하지는 못하겠다. 하지만, 대신에 상상한다고 말할까? 상상은 나의 자유이기 때문이다.

 

'제3의 산업혁명'과 수소연료전지차

 

제러미 리프킨 교수가 '제3의 산업혁명'에서 주장한 5대 키워드는 얼마전에 소개한 바와 같다. 즉,

 

(1) 재생 가능 에너지로 전환한다.

(2) 모든 대륙의 건물을 현장에서 재생 가능 에너지를 생산할 수 있는 미니 발전소로

      변형한다.

(3) 모든 건물과 인프라 전체에 수소 저장 기술 및 여타의 저장 기술을 보급하여 불규칙적

     으로 생성 되는 에너지를 보존한다.

(4) 인터넷 기술을 활용하여 모든 대륙의 동력 그리드를 인터넷과 동일한 원리로 작동하는

     에너지 공 유 인터그리드로 전환한다. (수백만 개의 빌딩이 소량의 에너지를 생성하면

     잉여 에너지 그리드로 되팔아 대륙 내 이웃들이 사용할 수도 있다

5) 교통 수단을 전원 연결 및 연료전지 차량으로 교체하고 대륙별 양방향 스마트 동력 그

     리드상에서 전기를 사고팔 수 있게 한다

 

3항과 5항에서  수소저장기술과 수소연료전지차량을 직접언급하고 있지만, 수소연료전지차의 개념과 차이가 있거나 다소 모호한 부분이 있다. 그 점을 밝혀두고자 한다.

수소연료전지는. 용도상으로, '발전용',  '가정용', '차량용',  '휴대용' 으로 구분한다.

 

발전용은 국내에서도 이미 상용발전을 시작한지 오래다. 가정용 역시 연료전지 주택 시범사업등이 이루어지고 있는 것으로 알고 있다. 휴대용도 언젠가는 상용화가 될 것인데, 이것은 작은 구조에 수소, 산소 공급기능과 스택(발전)기능이 동시에 있어야 하므로 이를 안정적으로 소형패키지화 하는  기술이 발전되어야 한다. 예를 들어  수소와 스택을 안정적으로 휴대하기 위해서는 기체가 아닌, 금속화합물(금속수소화물)로 만들어 공기중의 산소와 반응시켜 전기를 발생시키는 기술등이 그것인데, 기존의 휴대용 배터리와 경쟁이 되어야 할 것이다.

 

문제는 수송용이다. 수송용은 이동수단에 전기를 공급하도록 해야하므로 이송용기가 필요하고 공간의 제약을 크게 받는다. 그래서 현재는 수소를 약700기압으로 압축시켜 차에 싣고 다녀야 한다. 그외도 수송용 연료전지는 사용조건이 가혹하기 때문에 모든 부품이 작은 부피, 가벼운 중량에 높은 내구성과 안정성을 달성해야 한다.     

 

가정용이나 발전용은 공간의 제약을 수송용보다 훨씬 덜 받기기 때문에 직접 수소배관을 통하거나 저압수소용기를 쌓아두고 공급해도 되기 때문에 고압기술이 상대적으로 덜 필요하다. 또, 수소를 직접공급하는 것이 아니라, 천연가스등에서 수소를 뽑아내어(개질이라고 함)  공급해도 된다. 즉 기존의 CNG나 LPG배관을 이용, 가스를 공급하고 이를 개질시켜 수소를 만들어 공급할 수 있기 때문에,인프라가 이미 구축되어 잇어, 이를 활용하면 훨씬 일반화가 쉽다. 그래도, 부가적인 설치비용이나 사용편이성에 다소  문제가 있을 것이다. 

 

수소연료전지는 앞서도 언급한 바와 같이 최종적으로 수소와 산소의 반응으로  전기를 만드는 것이다. 그러므로, 리프킨 교수가 이야기한 수소저장기술의 의미는 이런 점일 것으로 짐작된다.

 

● 전기를 필요할 때 만든다

● 그러기 위해(필요할 때) 전기를 만들도록 수소를 저장해둔다. 

   

'전기를 저장해두는 것이아니라, 전기를 만드는 수소를 저장해둔다?' 내가 주목하는 것이 이점이다.

 

에너지 source, 이를 테면 태양광, 풍력, 조력등은  불안정하고,  불규칙적으로 생성하는 Source이다. 바람이 많이 불 때도 있고, 안  불 때도 있다.  햇볕이 내리쬐이는 경우도 있고 밤이나 흐린 날도 있는 것이다. 그래서 이런 동력원으로 전기를 만들면, 전기동력의 균일한 관리와 공급이 어렵다.  그래서 다음 2가지 방법으로 이런 문제를 해결한다

 

 

첫째, 에너지Source로 부터 만들어지는 잉여 전기를 물의 전기분해를 통해 수소를 만들어

        저장해 둔다.  그러고 필요시 수소연료전지를 가동시켜 일정하게 공급하면 동력을

        일정하게 공급할 수 있을  것이다.

 

둘째, 잉여전기를 바로 배터리에 저장해두었다가 이것을 필요할 때 바로 사용하는 방법이

       다.

 

비유컨데, 들쭉날쭉한 수입을 모두 통장에 저금해  두었다가, 필요한 시기에 안정적으로 찾아쓰는 경우라 할 것이다

 

앞서, 리프킨 교수가 제창하는 5대키워드중 수소저장기술를 주창하는 것으로 봐서는  첫째에 해당하는 방법으로 이해된다. 교수는 여기에 에너지그리드 개념을 도입한다. 그리드로 연결된 에너지 발생처나 저장처(Node) 가 네트워크로 에너지정보를 주고 받으면서 남는 전기로는 수소를 만들어 저장하고, 부족하면 스텍에 수소를 공급하여 전기를 만들고...

 

또, 5항의 연료전지차량의 전원을 스마트그리드로 연결하여 에너지를 사고판다는 개념은 둘째항의 배터리에 저장된 잉여전기를 사고 파는 것으로 이해된다. 첫째처럼, 차량용기속의 잉여수소를 반응시켜 그때 그때 전기를 만들어 사고판다는 것은 이치에 맞지 않다. 주차시에도 수시로 스택이 가동되어야 하기 때문이다.

 

연료전지는 공통의 시설이지만, 배터리를 추가하느냐, 수소저장소를 추가하느냐? 내 개인적인 생각으로는 가정용 에너지 그리드의 경우에도, 수소저장보다는 배터리 개념이 유효하지 싶다. 어짜피 가정마다 수소연료전지는 있어야 할 것이고, 수소를 저장했다가 바로 수소를 만들어 사용하는 것보다, 이미 만들어둔 배터리를 그대로 이용하는 것이 더 효율적일 것이기 때문이다. 하지만,  어느것이 더 효율적인지 깊이 따져 보지는 않았다. 혹은 리프킨 교수의 글에 대한 나의 이해가 부족할 수도 있을 것이다.

 

수소연료전지차량의 양산은, 향후, 부품가격하락과 기술발전을 더욱 촉진시켜, 저압수소저장용기기술의 발전, 내구의 증대등으로 이어지질 질 것이고,  수소연료전지기술의 대중화는 가정용, 발전용으로 이용이 확대되면서, 연탄이 부억에서, 난방용에서 사라지듯, 내연기관이 사라질 날이 의외로 빨리 올지 모른다. 

 

동시에, 수소연료전지차의 경쟁기술인 순수배터리 전기차의 한계인 배터리기술의 획기적인 변화 역시 멀지 않는 기간내(아마도 10년 전후, 늦어도 20년내)에  이루어질 전망이기 때문에, 바야흐로 우리 당대내, 늦어도 자식세대에는 적어도 수송분야에서는 석유문명을 탈피할 수 있는 문명사적 Solution이 확립되는 것을 목격하게 될 것이다.

 

'수소연료전지차량의 양산을 기념한다' 는 2013년 2월26자 울산매일신문발 몇줄의 단신이지만, 적어도 성공적인 양산으로 이어진다면, '석유문명으로부터 탈피하여 수소문명으로의 전이' 의  구체적이고 실천적인  씨앗이 뿌려지는 것이라는  문명사적 의미를 가진다고 할 수 있을 것이다. 하지만, 누가 그 의미를 제대로 눈치채거나 애써 그런 거창한 의미를 부여할까?