수소경제·수소차의 미래 ‘10문 10답’
출처: 이코노미조선 291호 2019년 03월 18일
1월 17일. 문재인 대통령이 울산을 방문해 ‘수소경제’ 시대를 선언했다. 석탄·석유에 의존했던 에너지원을 수소로 바꾸면서 이를 우리나라의 전통 주력 산업인 자동차·조선·석유화학과 연계해 경제 성장의 동력으로 삼겠다는 것이었다.
문 대통령은 수소경제에 대한 확고한 정부 의지를 강조하기도 했다. 발표 이후 수소경제와 현재 수소경제 로드맵에서 가장 큰 방점이 찍힌 수소연료전지차(FCEV·수소차)에 대한 관심이 치솟았다. 그런데 이 과정에서 빠진 것이 있다. 바로 ‘수소차의 전망이 정말 밝은가’ ‘수소경제를 어떻게 실현할 것인가’에 대한 근본적인 논의다. 수소차의 미래와 수소경제의 가능성, 전 세계 국가의 관련 움직임에 대해 면밀히 살펴보고 전망을 점쳐보는 과정이 생략됐다. ‘수소차와 수소경제는 해야만 하는 것, 하면 좋은 것’이라는 전제하에 수소경제 로드맵이 추진되고 있는 느낌이다.
‘이코노미조선’은 지금부터라도 수소경제와 수소차의 A부터 Z를 살펴봐야 한다는 취지에서 이번 기획을 시작했다. 수소경제가 무엇인지, 전기차와 수소차의 장단점은 각각 무엇인지, 주요 국가들은 수소경제에 어떻게 접근하고 있는지를 면밀히 살펴봤다.
취재 결과, 수소경제 정책이 제대로 실행되기 위해 개인·기업·정부가 개선하고 노력해야 할 부분이 많았다. 수소경제로의 전환에 성공하기 위한 실마리를 찾아봤다.
Q1 수소경제·수소연료전지·수소연료전지차는 무엇인가.
수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제·산업 구조를 말한다. 화석연료 중심의 현재 에너지 시스템에서 벗어나 수소를 에너지원으로 활용하는 자동차·선박·열차·기계 혹은 전기 발전, 열 생산 등을 늘리는 게 목표다. 이를 위해 수소를 안정적으로 생산·저장·운송하는 데 필요한 모든 분야의 산업과 시장을 새롭게 만들어 내는 경제 시스템이다.
정부가 발표한 수소경제 활성화 로드맵에 따르면 수소경제로의 전환은 ‘국가의 주 에너지원을 친환경에너지로 전환한다’ ‘원유와 천연가스처럼 전량 수입하는 에너지원과 달리 해외 의존도를 낮춰 에너지 자립을 가능하게 한다’ ‘수소차나 연료전지 등 경쟁력 있는 산업과 관련 일자리를 창출해 경제의 성장 동력으로 삼는다’는 의미가 있다.
수소연료전지란 수소와 산소의 화학반응을 통해 열과 에너지를 얻는 장치다. 수소는 산소와 결합해 물로 변환하면서 많은 에너지를 방출한다. 수소의 단위부피당 발열량은 탄화수소 등에 비해 낮지만 단위 중량당 발열량은 약 세 배 정도 높다. 같은 무게라면 화석연료보다 세 배 가까운 에너지를 얻을 수 있다는 의미다.
이 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 구동하는 차량을 수소연료전지차(수소차)라고 한다. 전기차와 구조는 거의 비슷하나 배터리 대신 수소연료전지를 동력원으로 삼는다는 점이 다르다. 전기차는 발전소에서 만들어진 전기를 배터리에 충전해 사용하고, 수소차는 수소를 충전해 차 내부의 연료전지에서 전기를 만들어 사용한다. 수소차에 별도의 배터리를 탑재할지는 선택 사항이지만 일반적으로 급가속·회생제동(차량 감속 시 구동모터를 발전시켜 배터리를 충전) 등을 위해 작은 배터리를 탑재한다. 현대차 넥쏘에도 별도의 배터리가 탑재됐다.
Q2 수소연료전지는 2차 전지(배터리)와는 어떻게 다른가. 전기차 대비 어떤 장단점이 있나. 수소는 어떻게 조달하나.
수소연료전지의 동작 원리는 리튬이온 2차 전지와 같다. 마이너스극 재료인 수소가 플러스극 재료인 산소에 의해 산화될 때의 에너지를 전력으로 추출한다. 연료전지에서 이뤄지는 화학반응은 수소가 산화돼 물이 되는 반응으로, 천천히 타고 있는 것과 같다. 리튬이온 대신 수소이온이 움직여 발전하기 때문에 ‘수소이온전지’라고도 말할 수 있다. 연료전지의 에너지 밀도는 리튬이온전지의 약 5배 수준에 달한다.
현재 수소차가 전기차보다 우위에 있다고 평가받는 특성은 △긴 주행거리 △짧은 충전시간 △공기정화 기능 등이다. 수소차의 1회 충전 주행거리는 현재 내연기관차와 동등한 수준(약 600~800㎞)으로 전기차(300㎞ 내외)보다 길다. 하지만 테슬라가 전기차의 주행거리를 늘려감에 따라 주행거리 우위는 힘을 잃고 있는 상황이다.
충전시간 역시 내연기관차와 동등한 수준(약 5분)으로 전기차(급속충전 시 15~30분, 완속충전 시 8~12시간)보다 우위에 있다. 현대차는 기존 내연기관차보다 훨씬 촘촘한 고가의 화학필터를 사용해 불순물이 걸러진 공기를 발전에 사용함으로써 ‘물’이라는 깨끗한 부산물만 내놓는다는 점을 수소차의 강점으로 홍보하고 있다.
연료전지에서 촉매로 고가의 백금이 사용돼 차량 가격이 비싸다는 점, 전기차보다 월등히 낮은 에너지 효율, 부족한 수소 충전 인프라는 단점으로 꼽힌다.
정부는 수소경제 초기에는 석유화학 공정에서 나오는 부생수소와 천연가스 등을 변환해 얻는 ‘추출수소’를 중점적으로 이용하고 향후 호주·일본 등 해외에서 들여오는 ‘수입 수소’와 물을 전기분해해 얻는 ‘수전해 수소’의 비중을 점차 늘려갈 계획이다.
Q3 20년 전부터 수소차·수소경제 시대가 온다고 했는데 아직 실현되지 않았다. 이번에는 진짜인가.
수소경제나 수소차에 대한 논의는 오래전부터 있어왔다. GM이 처음으로 수소차 콘셉트카를 내놓은 것은 1966년이었다. 그리고 2000년대 초 조지 W. 부시 당시 미국 대통령이 수소차에 강력한 드라이브를 걸기도 했다. 그러나 이후 미국에서는 오바마 정부로 오면서 수소차, 수소경제의 경제성에 회의론이 고개를 들었고, 이후 소강국면에 접어들었다. 현재는 캘리포니아를 중심으로 수소경제 구현을 위한 민관 협력사업이 진행되고 있는 정도다.
일부 전문가들은 “20년 전에는 확실히 시기상조였지만, 그간 관련 기술이 발전을 이뤘고 수소에너지로의 전환에 사회적 합의가 모이면서 빠른 진척을 보이고 있다”고 주장한다.
예를 들면 수소연료전지 출력 밀도는 20년 전보다 세 배 이상 향상됐다. 또 장거리 주행처럼 특정한 경우에는 수소차가 전기차보다 효과적이라고 보는 시각도 많아졌다. 2030년쯤에는 1회 충전으로 300㎞가 넘는 주행거리를 확보하기 위해 배터리를 추가하는 것보다 수소저장 공간을 확대하는 비용이 더 적게 들 것으로 보는 업계 시각도 있다.
Q4 수소차가 보급되면 전기차와 배터리(2차 전지)는 필요없게 되나. 수소차와 전기 배터리 관계는.
필요없어지는 것이 아니라 더 필요해진다. 우선 리튬이온 배터리 같은 2차 전지 배터리는 전기차에만 들어가는 게 아니라 수소차에도 들어간다. 수소연료전지에서 바로 전기를 꺼내 쓰는 것만으로는 한계가 있어 전기를 저장할 필요가 있기 때문이다.
또 앞으로 하이브리드, 플러그인, 전기차 등이 점차 늘어날 것이기 때문에 여기에 들어가는 배터리 수요를 대기에도 바쁠 것이다. 업계 예측에 따르면 수소차는 2040년에도 시장의 주류가 되기 어렵다.
또 수소를 만들려면 태양광·풍력 등 재생에너지로 해야 의미가 있는데, 이건 저장이 가능한 배터리가 도와주지 않으면 원활히 하기 어렵다. 따라서 수소차가 보급된다고 해도 한국이 강점을 지닌 배터리(2차 전지) 수요는 더 늘어날 수 있다.
Q5 현대차는 수소연료전지차와 연료전지 기술을 세계적으로 선도하고 있나.
선도하고 있다고 말할 수 있지만 기술력이 독보적이라거나 세계에서 가장 뛰어나다고 말하기는 어렵다.
다만 세계 수소경제연합체인 수소위원회 회장사가 현대차이고 회장이 정의선 현대차 수석부회장이라는 것은 충분히 의미가 있다. 수소위원회는 국제 사회에서 수소연료가 널리 사용되도록 하기 위해 2017년 1월 출범한 협의체다. 화석연료 의존도를 낮추고 수소에너지·수소차 등 수소연료 상용화를 추진하는 데 뜻을 모은 54개 기업이 참여하고 있다.
그러나 이 위원회는 수소경제 발전 보급을 위해 이제 막 우군을 만들어나가는 중이라고 할 수 있다. 현대차 역시 이 위원회에서 함께 우군을 만들어나가고 보급을 촉구하는 일원으로서 움직인다.
연료전지·연료전지차 기술력으로는 현대차가 20여 년 전부터 개발해왔기 때문에 세계적인 수준이라고 할 수 있다. 그러나 도요타·혼다도 예전부터 개발해왔기 때문에 현대차가 독보적이라 말하기는 어렵다. 특히 캐나다의 발라드 파워 시스템(Ballard Power Systems) 같은 회사도 뛰어난 기술력을 자랑한다. 미국도 기술 개발은 40~50년 전부터 해왔다. GM도 우선순위에서 내연기관 다음의 파워트레인으로 전기차에 좀 더 집중하고 있을 뿐이다.
Q6 현대차의 수소차 ‘넥쏘’의 기술력은 세계 최고인가.
현대차의 수소차 기술력이 세계적인 것은 맞지만 가장 뛰어나다고 말하기는 어렵다. 세계적이라는 것도 핵심 기술력과 상품성 측면으로 나눠 분석할 필요가 있다.
결론부터 얘기하면 현대차 넥쏘는 지금까지 나온 수소차 가운데 상품성이 가장 뛰어나다. 한 번 충전으로 가장 멀리 갈 수 있으며 실내공간도 가장 넓고 쾌적하다.
다만 핵심 기술력에서는 아직 도요타에 비교 열위에 있는 부분이 있다. 우선 연료전지의 출력 밀도 면에서는 도요타의 수소차인 미라이가 약간 더 뛰어나다. 또 수소차의 경우 수소 저장 시스템을 얼마나 콤팩트하게 만들 수 있는가도 기술력 척도로 평가된다. 도요타 미라이나 혼다의 클래리티는 승용차 기반이고, 넥쏘는 그보다 덩치가 큰 중형 SUV 형태다. 즉 미라이나 클래리티의 수소저장 시스템이 더 작고 콤팩트한 셈이다.
또 수소저장탱크는 탄소복합재로 감아서 700기압의 초고압을 견디는데, 이를 더 섬세하게 감아 더 가볍고 튼튼하게 만드는 실력은 도요타나 일본 쪽이 아직 앞서는 것으로 전문가들은 보고 있다. 따라서 도요타나 현대차나 서로 비슷한 수준이기는 하지만, 아직 세부 실력에서는 현대차가 더 분발해야 할 부분이 있다.
다만 소비자들이 사용할 때는 탱크 크기가 크더라도 더 멀리 가면 편리하다. 실제로 넥쏘는 수소탱크 3개를 달아 1회 충전 주행거리를 609㎞까지 늘렸다. 미라이보다 실내공간도 넓고 디자인이나 완성도도 뛰어나다.
Q7 도요타와 현대차는 왜 수소차에 주력하려는 걸까. 속내는 무엇일까.
두 가지 측면을 봐야 한다. 첫 번째는 현재 자동차 회사의 고용을 유지하는 것과 산하 부품 업체를 유지하는 것이다. 자동차 회사 개발 부문은 주로 공대 기계학과 출신이 장악하고 있다. 파워트레인(엔진·변속기) 중심이다. 그런데 전기차로 전면 이행하게 되면 이 인력의 상당 부분이 무용지물이 된다. 또 전기차로 가면 기존에 자동차 회사들이 길러놓은 부품 업체들의 능력을 활용하기도 어렵다. 전기차는 내연기관차에 비해 단순하기 때문에 부품 수도 훨씬 적다. 특히 기존 기계부품 업체들보다 외부에 있는 전자부품 업체들의 일감이 많다. 자동차 회사 휘하의 기존 부품 업체 일감이 사라지는 것이다.
반면 수소차는 부품이 아주 많이 들어가기 때문에 기존 부품 업체에 일감 주기가 쉽다. 수소차는 기존의 파워트레인을 만들던 인력을 상당 부분 전용하는 것도 가능하다. 실제로 수소차 연구 인력을 보면 기존의 파워트레인 출신이 많다. 자동차 업체 입장에서 전기차는 ‘게임체인저’이지만, 수소차는 ‘게임익스텐더’라고 할 수 있다.
두 번째는 수소연료전지를 아무리 개발·보급하려고 선전해봐야 사람들이 잘 봐주지 않기 때문이다. 역시 도로에 굴러다니고 뭔가 첨단 이미지를 주는 디자인의 ‘실물’을 만들어야 사람들이 수소차·수소경제에 대해 더 관심을 갖는다. 결국 지금 단계는 관심을 더 모아 수소차·수소경제의 당위성을 확보하기 위한 과정인 셈이다.
Q8 일본은 2020년 도쿄올림픽, 2025년 오사카 엑스포를 일본의 수소경제 선도 상황을 보여주는 무대로 만들려고 한다. 한국 정부와 현대차가 일본만 도와주는 일이 되는 건 아닐까.
어차피 수소경제는 이제 시작 단계다. 일본 정부와 민간 업체들이 그런 방향을 잡았다고 해서 일본이 수소경제를 독식한다는 보장은 없다. 일본도 잘 보면 수소경제에 올인한다는 개념이 아니다.
다만 에너지 자립이 어려운 일본이나 한국에서는 수소차·수소경제가 국가의 비전을 보여준다는 점에서 유용한 소재이기는 하다. 일본이 2020년 도쿄올림픽에서 수소경제를 대대적으로 홍보할 것이라고 해서, 이를 무시할 필요도 무턱대고 따를 필요도 없다. 지금부터 적절한 수준에서 차근차근 준비해나갈 필요가 있다.
Q9 수소경제에서 가장 중요한 게 수소차인가. 자동차 외에 더 요긴한 사용처는 없나.
적합성으로만 따진다면 수소연료전지 승용차가 최우선이 아닐 수 있다. 수소연료전지는 매우 비싸다. 승용차의 가동률은 높지 않다. 또 일반인은 구매 가격에 대한 저항이 크다. 보조금이 엄청나니까 사는 것이지, 보조금이 없어진다면 살 사람이 거의 없을 것이다. 따라서 지금의 수소차는 수소경제를 홍보하는 수단의 성격이 강하다. 홍보하기에 좋은 수단이기 때문에 가장 먼저 개발해 보급하는 것이다.
실제로는 소형 승용차는 전기차가 좀 더 적합하고, 1회 충전 주행거리가 긴 연료전지차는 대형 트럭·버스에 더 맞다. 전력화가 어려운 지방의 철도 같은 곳에 수소연료전지 열차를 운행하는 것도 얘기가 된다.
또 지게차·포클레인 등은 내연기관 대신 수소연료전지를 탑재하기에 좋다. 전기로 하면 배터리 충전이 번거로워 가동률이 떨어지기 때문이다. 아마존·월마트가 이미 자사의 거대한 자동화 창고에서 총 2만 대의 수소연료전지 지게차를 운용하고 있다. 역시 높은 가동률 때문이다. 또 혹한 지역 등에서도 배터리보다 수소연료전지가 유리하다. 배터리는 추운 환경에서 효율이 떨어지지만 연료전지는 상대적으로 강하다.
또 선박 등에서도 사용될 수 있다. 일본의 수산연구교육기구는 화석연료를 사용하지 않는 ‘수소연료전지 어선’을 도요타 등과 협력해 개발 중이다. 올해 설계를 개시하고, 2021년도 시험 선박을 건조한다. 특히 전기·석유 공급이 원활하지 않은 일본의 낙도 등에서 재생 가능 에너지로 수소를 만들어 저장해 놓았다가 어선에 사용하겠다는 계획이다.
Q10 수소경제가 성공하려면 어떻게 해야 할까.
수소경제 전 과정에서 우리가 할 수 있는 것과 없는 것을 리스트업해서 냉정하게 분석해야 한다. ‘수소차 하나면 다 된다’고 생각하고 달려들면 위험하다.
일본은 역할 분담이 돼 있다. 수소차 개발은 도요타와 혼다에 맡겨놓고 정부가 그들이 하려는 것을 보조해주는 식이다. 수소차를 대중에게 보여주고 관심을 끌어올리는 역할도 정부가 한다. 민간 차원의 개발과 정부 차원(생산·공급 측면)의 지원이 동시에 이뤄지고 있다는 것이 배울 점이다.
한국도 수소에너지를 자동차에 활용하는 기술은 자동차 회사에 맡기고 수소 생산, 안전에 관한 기술은 정부가 주도적으로 개발해야 한다. 수소에너지는 2차 에너지이기 때문에 비용이 많이 든다. 기업이 수소에너지를 만들어 수익을 많이 올리려고 하면 그만큼 값이 비싸져 소비자가 사라진다. 그러니까 정부가 주도해 실비(수소에너지를 만드는 데 들어간 실제 비용)로 소비자에게 공급할 수 있는 체계를 갖춰야 한다.
최원석 에디터, 백예리 기자
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